延河流域径流过程对气候变化及人类活动的响应

龚珺夫，李占斌，2，任宗萍†

（1.西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，710048，西安；2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌）

延河流域径流过程对气候变化及人类活动的响应

龚珺夫1，李占斌1，2，任宗萍1†

（1.西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，710048，西安；2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌）

在全球气候变暖背景下，关注流域水文与气象要素的变化尤为必要。为了揭示气候变化及人类活动对延河流域径流的影响程度，本文运用Mann- Kendall方法和重标极差法，分析流域径流深、降水和气温等要素在1955—2012年间的变化；利用Pettitt突变检验，识别出径流的突变年份，并采用水文敏感性分析方法，定量区分气象因素和人类活动对延河流域径流变化的贡献。结果表明：1955—2012年，延河流域降水减少89.4 mm，气温升高2.15℃，径流深减少17.3mm，呈现暖干化趋势。径流突变发生在1996年，与1955—1995年相比，1996—2012年的年平均径流深减少11.7mm；其中人类活动对径流减少的贡献率为56％。研究阐明延河流域气候有暖干化的趋势，且人类活动作用在径流减少中所占比重较大，并对该区水资源合理利用与管理具有较好的指导意义。

延河流域；趋势分析；Hurst指数；气候变化；人类活动

由于全球性的气候变暖，近年来我国北方气温显著升高［1］，改变了部分地区的降水过程，进而影响到流域水文循环，其中以黄河流域等最为显著［2］；与此同时，人类活动对水文过程的影响愈发明显。黄河地区的淤地坝建设、退耕还林还草工程的实施、大规模的引（调）水措施，都极大的改变流域内的径流过程［3］。Liu Qiang等［4］研究表明，黄河流域主要控制站实测径流量，大都呈现显著减少趋势。由于径流变化受气候变化和人类活动的综合作用，为解决目前黄河流域水资源供需紧张问题，定量区分二者对径流变化的贡献十分必要。国内外学者已在气候变化和人类活动方面，对流域径流的影响进行了大量研究。如张伟丽［5］对1957—2000年永定河流域径流的变化进行了研究，发现人类活动的贡献率高达70％，是导致径流减少的主要因素。Ma Zhenmei等［6］计算了1950—2000年石羊河流域径流量的变化发现，气候变化（尤其是降雨减少）导致的径流减少，其占径流减少总量的64％。刘昌明等［7］研究表明，1956—2000年导致黄河上游径流量减少的因素中，人类活动仅占25％；但在黄河中游人类活动占57％。可见，径流对气候变化及人类活动的响应，在不同地区有着极大的差别。延河流域是较早进行退耕还林还草的地区之一［8-9］，因此，在此展开针对性的研究有着重要意义。

有大量研究应用降雨-径流双累计曲线，计算气候变化对径流的影响［10-12］，其缺点是忽略了蒸发的作用，将气候的改变，简单概化为降雨变化。而水文敏感性分析方法，充分考虑了降雨和蒸发对径流变化的影响，结果更为精确。在延河流域运用水文敏感性分析方法的研究十分少见。本文首先采用Mann- Kendall方法，分析1955—2012年延河流域水文气象要素的变化趋势；然后使用重标极差法，计算各序列的Hurst指数，预测未来气象要素和径流的变化趋势，并从气候变化和人类活动两方面，分析其变化的原因；最后采用水文敏感性分析方法，定量区分两者对延河流域径流变化的贡献。

1 研究区概况

延河是位于黄河中游区间的一级支流（E108° 38′～110°29′，N36°21′～37°19′），发源于靖边县天赐湾乡周山，流经志丹、安塞、延安，延长4区县，在延长县南河沟汇入黄河（图1），全长286.9 km，流域面积7 725 km2。平均海拔1 218m，流域内多年平均降水量为520 mm，年均气温为8.8～10.2℃，由西北向东南递增［13］。植被分布南部为阔叶-针叶混交林带，中部为草灌过渡带，北部为草原带，随环境梯度的变化明显［14］。

2 数据和方法

2.1 数据来源

甘谷驿站是延河流域控制站，集水面积5 891 km2，占流域面积的76.3％［15］。本文所用径流数据为甘谷驿站1955—2012年的逐月径流量，由黄河水利委员会编写的《中华人民共和国水文年鉴―黄河流域水文资料》中的逐日资料计算得到。气象数据为延安站1955—2012年的逐日资料，来自于中国气象科学数据共享服务网，已经过初步的质量控制。

图1 延河流域位置及气象水文站点分布图Fig.1 Geographic location of the Yanhe River basin and its meteorological and hydrological stations

2.2 研究方法

2.2.1 Mann- Kendall非参数统计检验法 此方法是由H.B.Mann［16］和M.G.Kendal［17］提出的一种非参数统计检验方法，不受分布特征和少数异常值的干扰；因此，适用于水文时间序列的趋势检验［18］。考虑平稳时间序列Xt（t=1，2，…n，n为序列长度），M- K法使用统计量S及其转化而来的标准正态分布统计量U［19］。如果|U|＞Uα/2，即认为在显著水平α下，序列Xt中存在趋势，否则认为原序列无趋势性。

确定序列有趋势性后，使用Sen氏斜率估计趋势性大小。Sen氏斜率的计算公式［20］为

式中：β为Sen氏斜率；xj和xi分别为j时刻和i时刻的序列值。β为正值，代表是上升的趋势，反之为下降；且|β|越大，趋势性越大。

2.2.2 重标极差法 此方法是Hurst在处理尼罗河水文资料时，提出的一种统计方法［21］。对一时间序列Xt，此方法定义了标准差S（ε）和极差R（ε），S（ε）与R（ε）的算法详见黄登仕等［22］。

赫斯特和费勒的研究得到了S（ε）与R（ε）的关系：

式中：c为常数；H为Hurst指数。

可以使用线性回归方法，从下式中算出Hurst指数：

当H=0.5时，说明原序列独立；1＞H＞0.5时，说明原序列正持续，即序列未来的变化趋势与过去的趋势相同，H越大正持续性越强；当0＜H＜0.5时，说明原序列反持续，H越小反持续性越强。

2.2.3 Pettitt突变点检验法 采用Pettitt检验法［23］是通过检查序列均值的突变时间来确定突变点。该方法使用统计量Wt，n，对于连续的序列，Wt，n由下列公式计算：

|Wt，n|最大时，对应的时间t为可能的突变时间。Wt，n＜0时，该序列向下突变，反之则向上突变。可能的突变点是否可信，需要使用下式［24］进行检验：

当P（t）＜0.5时，认为该点为有效的突变点。

2.2.4 水文敏感性分析 一般认为径流量的变化，是气候变化和人类活动的共同作用。为方便计算，将径流量换算为径流深。

式中：Q1、Q2分别表示突变年份之前、后年均径流量深，mm；ΔQ表示总的径流深改变量，mm；ΔQh、ΔQc表示人类活动因素、气候变化因素引起的径流深改变量，mm。

ΔQc可以由下式计算：

式中：ΔP、ΔE0分别表示降水和流域潜在蒸散发的改变量，mm；γ和δ是敏感性系数，可由下式计算：

对于一个自然闭合流域来说，其水量平衡可用如下公式来表示：

式中：P为降水量，mm；Q为径流深，mm；E为蒸发量，mm；ΔS为流域蓄水改变量，mm，长时间尺度上闭合流域的ΔS=0。

Zhang等［25］得出流域长期年均蒸发、降水和潜在蒸发之间的关系：

式（9）、式（10）中的植被可利用水系数w，可由式（11）与式（12）优化获得［26］。

3 结果分析

3.1 水文气象要素的趋势分析

延河流域处于黄河中游，受季风气候的影响，降雨与径流的年内分布不均匀。由图2可以看出，延河流域汛期（6—9月）的降水和径流，分别占全年降水量与径流量的71％和63％，且峰值都出现在8月。降雨量的年内分配是严格的单峰函数，而径流量为双峰函数，除了汛期的峰值之外，在3—4月还出现一个小峰。

图2 延河流域降水量与径流量年内分配特征Fig.2 Monthly runoff and precipitation in the Yanhe River basin

进一步计算各月的径流系数（图3）发现，1、2、3、11和12月的径流系数大于0.1，明显大于其他月份，即在相同降雨条件下，春、冬季枯水期的产流效率要更高。延河流域冬季气温较低，土层冻结成为不透水的冻土层，下渗明显减少，并且冬季草地林地枯萎，蒸散发减小。在春季气温回升后，大量的融雪及融冰进入河道，从而形成了3—4月的春汛期。

图3 延河流域月径流系数Fig.3 Monthly runoff coefficient in the Yanhe River basin

采用M- K法，对本区域1955—2012年各月的平均气温和降水进行检验，其结果如表1所示，只有2月和6月的降水量有上升趋势，而其他各月均呈现下降趋势，且均没有通过显著性水平为5％的显著性检验。说明降雨并没有年内均匀化的趋势。1955—2012年各月的气温均呈现上升趋势，除3月外均通过5％显著性检验。

表1 气温、降雨多年月平均值序列Mann- Kendall检验结果Tab.1Mann- Kendall test results of monthly temperature and precipitation

对1955—2012年月平均径流量的M- K检验结果见图4。其中，1、2、5和12月径流量呈现增长趋势，且1月变化显著，其余各月呈现下降趋势，3、7和8月变化显著。可见，在春汛期3—4月和汛期6—10月的径流量均有下降趋势，而枯水期的径流呈上升趋势。说明1955—2012年延河流域径流量的年内分配逐渐均匀化，年内径流过程变得平缓，产生这种现象的原因，可能由于流域内大规模兴建水利措施，拦截了洪峰，大规模的退耕还林还草，增加了流域储水能力，平缓流域汇流过程，从而使年内径流过程均匀化。

图4 月平均径流量的M K检验U值Fig.4Mann Kendall statistic U ofmonthly runoff

对延河流域气象水文要素的年序列进行M K检验（表2），发现气温序列均有显著上升趋势，且通过置信度为95％的显著性检验。年均气温变化率、最高气温变化率和最低气温变化率分别为0.037、0.02和0.044℃/a，58年来分别上升了2.15、1.16和2.55℃。降水序列呈现减少趋势，变化率为-1.542 mm/a，58年来降水减少了89.4mm，但其减少趋势不显著。年径流序列也表现出显著减少趋势，变化率达到-0.298 mm/a。由此表明：延河流域1955—2012年整体呈现暖干化的趋势；此外，最低气温的升高，对平均气温的升高影响较大，最高气温的升高对其影响相对较小。R.K.Thomas等［27］的研究表明，全球陆面的月平均最低温度升高是最高温度升高的2.78倍；王菱等［28］分析1951—2000年中国北方地区的气温变化，结论为北方地区最低气温的升高速率大于最高气温的升高速率。可见延河流域的高、低温变化趋势与我国北方地区相一致，也与全球变化大体相同。

表2 各气象水文要素年值序列Mann Kendall检验结果Tab.2Mann Kendall test results of annual meteorological and hydrological elements

3.2 基于Hurst指数的持续性分析

对气象水文要素的年序列进行M K检验后得知，过去58年内，降雨、径流减少，气温增加，延河流域向暖干化方向发展。用重标极差法，计算出各气象水文要素1955—2012年均值序列的Hurst指数（表3）。可以看出：各序列的Hurst指数均大于0.5，都表现出正持续性，即各序列未来的变化趋势与1955—2012年的趋势保持一致。气温序列的Hurst指数均大于0.8，表现出极强烈的正持续性。这就说明未来一段时期内，延河流域暖干化的趋势不会改变。

3.3 径流变化的定量分析

表3 各气象水文要素年值序列Hurst指数Tab.3 Hurst index of annual meteorological and hydrological elements

使用Pettitt变点检验，找出径流突变点。径流序列在1996年发生了突变，又POA（t）=0＜0.5，通过显著性检验（图5）；因此，将1996年作为延河流域径流变化的突变点，1955—1995年视为人类活动影响轻微的基准期，1996—2012年视为人类活动影响期。

由表4可知：径流深在基准期的多年平均值为37.2 mm，在人类活动影响期多年平均值为25.5mm，减少了11.7 mm，变化率为31.6％；降雨量在基准期的多年平均值为551.5 mm，在人类活动影响期多年平均值为488.9 mm，减少了62.6 mm，变化率为11.4％；潜在蒸发量在基准期的多年平均值为1 094.5mm，在人类活动影响期多年平均值为1 108.6mm，增加了14.1mm，变化率仅为1.3％，即潜在蒸发量在突变前后变化不大。降水量的减少与潜在蒸发量的增加，都将导致径流量的减少，而20世纪90年代以后，人类活动更为活跃，将加剧径流的这一变化，这也是径流变化率远远大于降雨与潜在蒸发变化率的原因。

图5 年径流深序列及其Pettitt值曲线Fig.5 Annual runoff depth and its Pettitt value

表4 基准期与人类活动影响期的多年平均值变化Tab.4 Changes of annual elements in standard period and human activity period

由式（11）与式（12）优化获得w=3。图6为在w=3时，用天然闭合流域水量平衡公式（式11）和Zhang L等的方程（式12），计算出流域实际蒸发量之间的相关关系，在y=x上拟合度为R2=0.935 9，表明2式计算得出的实际蒸发量差距不大，即w=3时式（12）结果可信。通过式（9）、式（10）计算得到γ=0.095，δ=0.054。由此可见，敏感系数γ大于敏感系数δ，说明相比于蒸发变化，降雨变化对径流变化的贡献更大。由表4可知，潜在蒸发的增加量很小，结合较小的δ值，可知本研究的气象要素中，起主要作用的是降雨变化。得到γ和δ后，利用式（7）、式（8），定量区分气候因素和人类活动对延河流域径流变化的贡献。人类活动影响期的径流深相较于基准期减少11.7mm。其中：气候变化（主要是降水减少）的贡献为5.2 mm，占径流减少总量的44％；人类活动的贡献为6.6 mm，占径流减少总量的56％。可以看出在延河流域，人类活动对径流的影响略大于气候变化，但差距不大。

4 讨论

图6 2种方法计算的实际蒸发量相关分析Fig.6 Correlation analysis of E1 and E2

4.1 气候变化的影响

气候变化是改变径流的主要因素之一，对流域水文过程有着直接的影响。一般来说，径流量与降水量正相关，与气温负相关［29］。气温升高，一般会通过加速水汽循环、改变降水过程、加速水分蒸散发、改变土壤水质量分数等来改变流域水文过程。降雨是径流的主要补给，降雨的减少，将直接导致径流的减少。研究结果表明，延河流域近60年来，气温升高了2.15℃，变化趋势最为显著；降水减少89.4mm，减少趋势不显著。由此可知，导致延河流域径流量减少的主要气候因素是降雨减少和气温增加。计算的Hurst指数（表3）显示，气温和降水都有持续性，表明暖干化是延河流域未来的发展方向。导致气候变化的自然因素中，除了太阳活动等因素外，还可能与东亚季风环流、太平洋与印度洋海温的年际变化、以及中国整体上的南涝北旱有关［30］。

4.2 人类活动的影响

人类活动对河川的影响主要表现在3个方面［31］：人类通过改变土地利用方式，改造下垫面等措施来改变径流量；在长时间尺度上，人类活动影响气候条件，进而改变径流量；人们为了满足生产生活用水需要，直接引用地表水、开采地下水、跨流域调水等引水措施，都将直接导致流域径流量减少。近几十年来，人类活动引起的延河流域土地利用与覆被变化，可能就是流域内径流减少的原因之一［32］。

选取1980、1995、2000和2010年共4期土地利用图，研究人类活动影响期，突变点前后，基准期的土地利用变化。由图7可知，基准期（1980年）和突变点前后（1995和2000年）的土地利用情况基本没有变化。相较于基准期，人类活动影响期（2010年）的耕地面积减少26.2％，林地、草地面积分别增加33.7％和15.5％。表5为延河流域1980—2010年土地利用变化转移矩阵。从转移矩阵中可以看出，减少的耕地基本都转化为林地和草地，这与1998年开始的退耕还林还草措施有关。2010年建设用地达到47.04 km2，是1980年的2倍，表明近些年来，延河流域人类聚集区正在扩大。

图7 延河流域不同时期各土地类型面积Fig.7 Land area of Yanhe River basin in different periods

表5 延河流域1980—2010年土地利用变化转移矩阵Tab.5 Land use transition matrixes of Yanhe River basin during 1980- 2010 km2

延河流域大规模的退耕还林还草措施，使人类活动影响期的耕地面积减少，林地草地面积增加。林地、草地的储水能力较强，使得流域年内径流分配更为均匀；但林地草地的蒸发量较大，且拦截了地表径流，可能导致径流量的减少。人类聚集区的扩大，导致更为巨大的用水需求，更多引水措施的实施，可能使得径流量减少。

5 结论

本文使用Mann- Kendall方法，对延河流域1955—2012年的水文气象要素进行趋势分析；借助重标极差法，对未来趋势做出预测；使用Pettitt变点检验法，识别径流突变点，并使用水文敏感性分析方法，定量计算了气候变化和人类活动对本流域径流变化的贡献。结果表明：

1）年均气温呈现显著上升趋势。58年来，共上升2.15℃。其中：最低气温升高对平均气温的升高贡献更大；降水量共减少89.4mm，有不显著的减少趋势；年径流系列也表现出减少的趋势，其趋势性显著，且径流的年内分配愈加平缓。

2）气温、降水、径流序列均有正持续性。延河流域暖干化的发展方向，在未来一段时间内不会改变。

3）径流的突变点在1996年，将1955—1995年定义为人类活动影响微弱的基准期，将1996—2012年定义为人类活动影响期。相比于基准期，多年平均径流深在人类活动影响期减少11.7 mm。其中：气候变化的贡献为5.2mm，占总减少量的44％；人类活动的贡献为6.6mm，占总减少量的56％。

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Responses of runoff process to climate change and human activities in Yanhe River basin

Gong Junfu1，Li Zhanbin1，2，Ren Zongping1

（1.Northwest Key Laboratory of Water Resources and Environmental Ecology of Ministry of Education，Xi′an University of Technology，710048，Xi′an，China；2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryl and Farming on the Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi，China）

［Background］It is especially significant to study the hydrological and meteorological elements of river basin against the backdrop of global warming.The river runoff is a result of combined influence from both meteorological factors and the condition of underlying surface.Climate change is one of the major driving factors in the variation of runoff and also exerts direct impact on the water resources system.Despite of that，the underlying surface transformation by human being activities also change the runoff of river basin.［Methods］In order to reveal the influence of meteorological factors and the disturbance of human activity on the runoff change in Yanhe River basin，this article analyzed the runoff and meteorological elements of Yanhe River basin from 1955 to2012 by means of Mann- Kendall test and R/Smethods.The year of abrupt runoff change was identified by Pettitt' s test，and the hydrological sensitivity analysis was adopted to quantitatively differentiate the contributions between meteorological elements and human activities to runoff change of Yan he River basin.［Results］The precipitation andrunoff happened muchmore from June to September，during this period，the precipitation and runoff were 71％and 63％of the total annual amount.The runoff presented an increasing tendency in Jan.，Feb.，May，Dec.，especially in Jan.respectively；and the runoff in other months descended，especially in March，July，Aug.respectively.The runoff showed a descending tendency in spring flood period from March to April and flood period from June to October.Conversely，the runoff in drought period increased.It showed that the annual runoff distribution tended to be more even，and the runoff process became mild.During the 58 years between 1955 to 2012，the precipitation of Yanhe River basin reduced 89.4 mm，with a temperature rising of 2.15℃and a 17.3 mm decrease of runoff depth，both climate and runoff depth registered evident variation，demonstrating a warming-drying trend of the basin.As the Hurst index indicated，this trend will remain in a period of time in the future.According to the Pettitt change-point test，the abrupt change of runoff occurred in 1996.The average annual runoff depth dropped 11.7mm during 1996- 2012 compared with that of 1955- 1995，among which the contribution rate of human activities was 56％while climate change contributed 44％.［Conclusions］This article illustrates that the climate of the Yanhe River basin had the tendency of warming and drying，and human activities accounted for a large proportion in the runoff reduction.The results of the study in this area have favorable guiding significance to the reasonable use of water resources and the management.

Yanhe River basin；trend analysis；Hurst index；climate change；human activities

P333

A

1672-3007（2016）05-0057-09

10.16843/j.sswc.2016.05.008

2016- 01- 25

2016- 06- 30

项目名称：国家自然科学基金重点项目“黄土高原生态建设的生态-水文过程响应机理研究”（41330858）；陕西水利科技计划项目“陕北水土保持沟道工程雨洪资源化利用技术研究”（2014slkj- 11）；陕西水利科技计划项目“陕北黄土高原水资源演变与生态活动响应及调控研究”（2014slkj- 13）

龚珺夫（1993—），男，硕士研究生。主要研究方向：流域水文模拟。E-mail：gongjunfu321@163.com

†通信作者简介：任宗萍（1982—），女，博士，讲师，主要研究方向：流域水沙过程。E-mail：renzongping@163.com