潮白河流域径流对降雨的多尺度响应
2016-09-20刘佳凯张振明鄢郭馨余新晓
刘佳凯，张振明，鄢郭馨，余新晓
(1.北京林业大学自然保护区学院，100083，北京； 2.北京林业大学水土保持学院，100083，北京)
潮白河流域径流对降雨的多尺度响应
刘佳凯1，张振明1，鄢郭馨1，余新晓2†
(1.北京林业大学自然保护区学院，100083，北京； 2.北京林业大学水土保持学院，100083，北京)
为揭示不同空间尺度上，径流对降雨的响应以及降雨对不同时期径流变化的影响程度，采用泰森多边形法，计算潮白河流域及其各个子流域的平均年降水量，并应用Mann-Kendall趋势检验，计算潮白河流域1957—2001年的径流突变点和变化趋势，使用回归分析来计算降水-径流之间影响关系的强弱。结果表明：在于不同尺度的子流域年径流变化在波动的幅度和平稳程度上具有差异，但差异并不明显。从整体趋势上看，径流在1960—1970年之间，呈现显著下降趋势，而在1990年之后，则有所回升；而在1970—1980年期间，呈现一定的波动性，变化趋势不明显。径流对降雨的多尺度回归结果显示，随着流域尺度的增大，降雨-径流的关系逐渐减弱。在较小尺度的流域，降雨与径流的联系更加紧密，气候因素在小尺度流域对径流的影响更为突出；而在大尺度的流域中，影响径流的因素则更为复杂，降雨量变化并不能很好的解释径流量的改变。此外，在不同时期降雨-径流关系仍然存在一定的差异性。径流变化处于平稳期与上升期时，对降雨响应更强，径流的下降，则受雨量变化影响较小，受其他气候因素与土地利用因素影响更多。一般认为，人类活动和气候变化是影响径流的两个因素，综合本文分析，在较大尺度流域和径流下降的时期，人类活动对径流的影响更加显著。因此，为保证潮白河流域及其子流域的产流量，对人类活动的有效管理，如优化土地利用，合理水资源配置等是必不可少的。
年降雨； 径流响应； 多尺度； 突变点检验； 潮白河流域
气候变化会改变水分循环，进而影响水资源的时空分布，改变流域的径流，导致水资源以及洪水分布改变[1-4]，从而更进一步对生态系统和人类的生产生活造成影响；因此，气候变化下的流域水文响应，一直以来就是森林生态水文研究中的重点和热点问题[5-7]。在水文模型的模拟研究中发现，降水是对径流输出影响最大的气象因子[3,8-12]。降雨-径流的相关关系研究，对了解流域生态系统的水文过程非常重要。近年来，随着人口的增长，经济的发展和社会的进步，流域内降雨-径流关系逐年发生着动态的变化；由于人类活动而出现的水土流失、植被破坏以及城镇化，都是造成流域年径流量减少的原因[13]。流域的水文变化是气候变化以及人类活动等造成的结果，气候变化中包括水循环过程、水量时空分布和洪涝灾害等条件的改变；人类活动则是通过改变下垫面，如水利工程、森林砍伐和水土保持措施等，引起水文要素的时空变化[14]。潮白河流域位于北京市东北部，是北京市主要供水来源——密云水库的集水流域[15-18]，该流域的产流直接影响到北京地区的水源保障，一直受到相关部门和研究者的关注。
从20世纪50年代以来，潮白河流域的径流量与密云水库的入库流量呈现明显的逐年下降趋势[19-21]。相关研究表明，这一趋势是由气候变化和土地利用变化共同导致的结果，其中，流域气候变化是导致流量减少最主要的因素[22-26]。潮白河流域的气候变化，对潮河和白河流域径流变化的贡献率达到59.3%和93.5%[7]。自1951年以来，降雨减少是潮白河上游径流量持续减少最主要的原因[20,27]。前人研究在一定程度上揭示了潮白河流域径流变化的原因及径流-降雨的关系；但是，其研究都仅局限于某一固定的空间尺度，缺乏不同空间尺度上径流对降雨变化响应的研究。而由于空间尺度的变化，在某一尺度流域上是影响生态水文的重要因子，在另一尺度上可能会变得微乎其微[8,28]；所以，对潮白河流域径流-降雨关系的多尺度分析，有利于进一步揭示径流变化规律，对不同尺度上的河道治理和流域配置调整有着指导意义。
笔者对潮白河流域多个子流域，长时间尺度上的径流-降雨变化及其二者的关系进行研究，揭示了在不同空间尺度上，径流对降雨的响应以及降雨对不同时期径流变化的影响程度。
1 研究区概况
潮白河流域位于华北平原北部，地处E 115°25′～117°45′，N 39°10′～41°49′(图1)，属于温带半湿润性季风气候。潮白河为流经北京市北部、东部的重要河流，属海河河系，北部、西部为燕山，东部、南部为平原。流域总面积1万9 354 km2，河道全长458 km，北京市境内长118 km，相应流域面积5 613 km2。潮白河上游分潮河、白河2大支流，其中潮河可分出戴营、半城子等子流域，白河分三道营、下堡等子流域。研究区域内，有记载的大中型水库，仅有密云水库1座，位于流域下游出口处，总库容达46亿6 867万m3。
图1 气象水文站点位置示意图Fig.1 Location of Chaobaihe Basin and meteorological and hydrometric stations
2 研究方法
2.1数据来源
研究区气象数据来自中国地面气候资料日值数据集，站点包括张北、张家口、丰宁、怀来、密云、承德和遵化等气象站(图1)，数据包括平均气温、日降水量等指标，年限为1957—2001年。采用泰森多边形法，计算潮白河流域的平均降水量。先在潮白河上，根据各站点进行泰森多边形划分，然后运用划分好的泰森多边形放入各个子流域，用面积作为权重，计算气象数据。径流水文数据来自中华人民共和国水文年鉴《海河流域水文资料》第2册。所选的站点包括潮河和白河的主要水文控制站，水文数据年限为1957—2001年。潮白河流域几个水文站点，对径流的观测始于20世纪50年代，通过对1975年以来(1975年以后才有遥感影像资料记录)的遥感影像分析。总结前人的研究[29]发现：直到2000年，潮白河的土地利用类型的变化差异并不大，主要体现在农用地和建设用地的分布和数量并没有明显的增加；而在2000年以后，流域内的农田面积和建设用地面积，开始出现比较明显的增加；在2000年以后的径流变化，更多的受到人类活动的影响。因此，为了更加准确地表现径流对降雨的影响，将研究的时间段定于1957—2001年。
北京市顺义区内的密云水库，位于所有水文站点下游流域出口处，“潮白河五闸”也均位于水库下游。此外，为了保证研究数据的准确性，将本次所用径流数据与中国科学院还原的海河流域各子流域的多年年径流量数据进行对比发现，该区域内的年径流量数据并无差异，所采用数据可以真实反映径流情况。
2.2趋势检验
Mann-Kendall趋势检验[30]可以有效地检测出水文气象数据的时间序列变化趋势[31-33]，是基于后续观测超过一个特定值的比例数等级为基础的检验方法[34]，也是应用最广泛的一种非参数检验。与参数统计检验相比，非参数检验不是正态分布，被认为更适合于水文时间序列数据[35]。
Mann-Kendall的统计可以表述如下：
(1)
式中：xi=(i=1,2,…,n-1)和xj=(i+1,…,n)为连续的数据值，n为数据序列的长度。
标准正态ZC统计可用下式计算：
(2)
正态分布的方差值由下式给出：
(3)
在一个双侧检验中，当|ZC|≤Z1-α/2，α是显著性水平，Z1-α/2是标准正态分位数(在概率水平1-α/2下)。ZC
2.3突变点分析
Mann-Kendall检验序列版本[36]被用来检测突变与趋势。其中，时间序列被认为是固定的，而各元素之间是随机和独立的[37]。零假设指出，受调查的样本没有显示一个发展趋势的开始。检验统计量Sk测定如下：
(4)
式中：ri为xi>xj(1≤j≤i)的样本积累数；k为样本总数。
检验统计量的Sk均值为0，Sk的方差值可用下式计算：
(5)
减小的变量被称为统计ufk，用于计算每个测试统计变量Sk，公式如下：
(6)
式中：ufk为正向序列，ubk为逆向序列。ubk可以使用函数(3)～(5)来计算，但使用相反的数据系列。ufk的点构成正向序列uf，同样，由ufk组成的反向序列ub可使用函数(3)～(5)，从原来的时间序列末尾来计算。在一个双向趋势检验中，当|(ufk)|≤Z1-α/2时，不能拒绝零假设，即没有显著的趋势进行检测。在uf所有的点都在置信区间内，且序列uf和ub重叠数次，而至少1个k值的|(ufk)|>Z1-α/2，零假设被拒绝，且原始时间序列内，显示出统计学显著趋势(增加或减少)。曲线uf的ub交叉点，提供了发展趋势的起始时间点[31,38-39]。
2.4回归分析
回归分析来测量气候，即降雨-径流之间关系的强度。首先对每一个子流域，年径流量与年降水量进行线性回归，运用Pearson相关系数(R)，分析不同尺度上，径流对降雨的响应(R<0.3 弱响应，0.3 图2 降水量-径流量年际变化图Fig.2 Interannual variations of precipitation and runoff in Chaobaihe Basin and its sub-watersheds 如图2所示，潮白河流域径流变化与白河大致相同，在1960年之后明显下降，之后处于不断起伏波动中，并出现多个波峰；而降雨的变化也是颇为相似的，在1960年之前，一直增加，1959年达到最高值，之后开始减少，并在上下波动中变化，但降雨与径流的变化波动并没有太明显的一致性。潮河流域径流-降雨的变化则与潮白河稍有不同，径流在1957—1960年间，出现一个波峰后，在1975—1980年间，也有一个较为明显的波峰，并出现径流的最高值，其余年份则不断波动变化，而在1957—1960年间，潮河的降雨增加后处于较为平稳的状态，1964年有所增加后开始波动变化，降雨与径流变化的一致性开始有所表现。白河流域的子流域三道营与下堡的径流、降雨变化也有很大差异，三道营径流的变化波动与白河有些相似；而下堡流域在1959年，径流达到最大值后处于下降的趋势，1972年回升后，处于平稳波动之中。不难发现，下堡的径流、降雨的变化比较一致，而三道营则是非常一致，波峰与波峰相对，波谷与波谷相对。不仅三道营如此，潮河流域的子流域戴营和半城子也是如此，2个流域之间的变化趋势有很大差异，但各自的径流、降雨变化却颇为一致。戴营流域径流变化与三道营有相似之处，在1957—1960年出现一个波峰之后，处于稳定的波动变化之中，1970—1975年也出现一个较高的峰值，之后仍不断波动；而半城子则在1960年以后，一直处于十分平稳的状态，在1975—1980年间出现明显的波峰后，开始不断波动变化。 综上所述，各流域的降雨径流变化大体上的趋势是类似的，但具体到各尺度的子流域上是各不相同、略有差异的，出现某些明显的波峰的时间比较一致，而波动的幅度大小、平稳程度却不尽相同。降雨-径流的变化，也能体现出径流、降雨的一些一致性；但随着流域尺度变化，这些一致性的明显程度也出现很大差异。 3.2径流趋势检验 1957—2001年，潮白河流域与其各个子流域的年际径流变化及各个子流域之间的年际径流变化存在着一定差异。通过Mann-Kendall趋势检验发现(图3)，潮白河流域的径流从20世纪60年代初期开始，一直呈下降趋势，尤其在1963年以及1967—1973年之间，径流减少尤为明显(P<0.05)；但在此之后，径流减少的趋势有所减缓，并于1992年出现突变点，在此之后，潮白河的年径流量处于较为稳定的状态。 白河流域径流量变化相对简单，变化趋势也和整个潮白河流域的径流趋势较为接近。从1957年开始，径流量呈现逐渐下降的趋势，但除1972年和1973年以外，下降趋势并不明显。1990年之后，下降趋势逐年减少，在1992年出现突变点，此后的年净流量变化并不明显。白河流域的子流域三道营和下堡的年径流量变化趋势也大为不同。1957—1984年，三道营流域的年径流量变化并不明显，在1985年出现突变点，此后的径流量变化呈现逐年略微上升的趋势。下堡流域年径流量在经过1957—1961年的径流增加后，在1962年发生突变，此后径流量呈现逐年下降的趋势。尤其在1968—1975年及1988—1996年间，径流量呈现明显下降趋势。 潮白河的2大子流域潮河流域和白河流域在1957—2001年之间的径流变化大相径庭。潮河流域径流量变化趋势相对更加复杂，在经历了从1957—1960年短暂的上升之后开始减少，1968—1969年及1971—1972年间，径流减少尤为明显(P<0.05)，此后径流减少的趋势有所缓解，径流变化也趋于平稳，径流量变化波动不大，直到1985年出现一个明显的突变点，在此之后，潮河流域径流量一直处于稳中有升的状态。潮河流域的2个子流域戴营流域和半城子流域的径流量变化趋势仍然有所差别。戴营流域从1961年开始，年径流量逐渐减少，并在1990年发生突变，此后年径流量趋于平稳。半城子流域的年径流量，同样在1961年之后，出现逐年减少的趋势；但是，在1979年之后，年净流量出现了逐年缓慢上升的趋势。 综上所述，虽然研究区域均为潮白河流域，但是，不同尺度的年径流变化趋势存在差异。 3.3径流对降雨的空间多尺度回归 不同流域对径流的响应如表1所示(按照R由大到小排列)，潮白河和白河流域径流对降雨的响应并不敏感(R<0.3)，下堡和潮河流域径流对降雨响应较为敏感(0.3 图3 潮白河及其子流域径流M-K趋势检验Fig.3 Mann-Kendall test of runoff in Chaobaihe Basin and its sub-basins 分类Category流域名称Basinname线性一次回归Regression相关系数R流域面积Basinarea/km2平均径流系数Runoffcoefficient半城子Banchengziy=0.068x+35.540.802965.4540.179组AGroupA戴营Daiyingy=0.121x-1.3390.75844243.6200.120三道营Sandaoyingy=0.001x+59.790.61301700.6310.136组BGroupB下堡Xiabaoy=0.289x-77.390.46574160.5650.126潮河Chaohey=0.269x-60.300.38606140.2290.137组CGroupC潮白河Chaobaihey=0.092x+1.3680.167915380.0780.097白河Baihey=0.570x-269.50.03169239.8500.138 注：y为年径流量 (mm)，x为年降雨量(mm)。Note:y stands for annual runoff (mm) and x stands for annual precipitation (mm); Group A stands for the regression equations with R2> 0.6; Group B stands for the regression equations with 0.3 图4 流域面积与降雨-径流关系系数回归图Fig.4 Regression analysis of area and Pearson correlation coefficient square of precipitation-runoff A1,A2 and A3 shows the precipitation-runoff relations in decrease,stable and increase period of group A respectively; B1,B2 and B3 shows the precipitation-runoff relations in decrease,stable and increase period of group B respectively; C1 and C2 shows the precipitation-runoff relations in stable and increase period of group C respectively.图5 径流量对降水量的时间多尺度响应Fig.5 Regression analysis of precipitation and runoff in multi-time scales 潮白河流域内，影响年径流的因素主要有气候和土地利用因素，其贡献率分别为59.3%和40.7%，而白河流域气候变化影响的贡献率为93.5%[7]。说明某一程度上，不同尺度的流域受到各个因素的响应是大不相同的。不同尺度流域对降雨的响应分为敏感、较为敏感与不敏感3个类别，响应不敏感的为较大尺度的潮白河流域与白河流域，而较小尺度的3个子流域则响应明显。径流和降雨的Pearson相关系数的平方(R2)与流域面积呈显著负相关的结果也说明了气候因素在小尺度的流域中影响更加突出。在整个尺度上，除了气候因素影响降雨外，土地利用因素等也对径流产生一定影响。 3.4径流对降雨的时间多尺度响应 根据径流对降雨响应的强弱，将潮白河流域及其子流域分为A、B、C 3类，然后根据不同类别流域的Mann-Kendall趋势检验结果，在径流变化的不同时期(下降期、平稳期和上升期)，对径流与降雨做回归分析，结果见图5。图中A1～A3，B1～B3分别表示强响应和较强响应流域的径流下降期、平稳期和上升期径流与降雨的回归，C1和C2表示弱响应流域在径流下降期和平稳期(无径流上升期)径流与降雨的回归。在径流的平稳期和上升期(尤其是径流上升期)，径流对降雨的响应强于径流的下降期。这说明潮白河流域径流量的增加来自于雨量的增加，然而径流量的减少，更多的受到其他因素的影响。前人对浑太流域的研究结果显示：径流发生突变的前后时期，降雨与径流的关系是有很大差异的——在突变点之前，降雨对径流的响应较大，而突变之后响应降低，即受到气候因素的影响减弱，受其他人为因素影响更多，如土地利用、覆被变化的影响，又如水库等造成的结构变化等[12]。而上述发生突变之前的径流趋势，处于较为平稳状态，而突变之后为明显下降的趋势。即在平稳期时，径流对降雨的响应强于下降期。这与本研究中，径流的平稳期、上升期径流对降雨的响应强于径流的下降期有相似之处。 通过对潮白河流域径流的趋势检验发现：不同尺度下的各流域年径流变化存在差异，潮白河流域在20世纪60年代后期70年代初期，径流减少较为明显，之后减少趋势开始减缓，突变点出现在1990年；2大子流域之一的白河流域变化趋势与潮白河大致相似，而潮河流域则大不相同，并在1985年出现突变点，之后径流量在稳中有升地变化；白河的子流域三道营流域与下堡流域变化趋势也不尽相同，分别在突变之后呈上升及下降趋势，而潮河流域的2个子流域(戴营和半城子)也分别在突变之后呈平稳上升趋势。 按照不同流域径流对降雨响应的敏感程度分为敏感、较为敏感与不敏感3类后，从径流系数的比较中发现，各子流域产流受其他自然地理要素影响不大，而径流和降雨的Pearson相关系数的平方(R2)与面积呈显著负相关，流域面积越大，径流对降雨的响应越弱——在小尺度的流域中，气候因素影响更加突出，而随着尺度增大，径流减少，更多地受到其他因素的影响。 由Mann-Kendall趋势检验结果发现，径流变化的上升期、平稳期径流对降雨的响应明显强于径流下降期，即径流量增加来源于雨量增加，而径流量下降受气候因素和土地利用因素影响更多；因而，进一步的研究，应该集中在下垫面变化和其他气候条件变化对多尺度径流变化的影响上。 [1]Mileham L,Taylor R G,Todd M,et al.The impact of climate change on groundwater recharge and runoff in a humid,equatorial catchment:sensitivity of projections to rainfall intensity[J].Hydrological Sciences Journal,2009,54(4):727. 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4 结论
