水利工程

变化环境下渭河流域水文干旱演变特征剖析

任立良，沈鸿仁，袁飞，等

摘要：目的：气候变化和人类活动不仅是影响水文循环过程、驱动水资源演变的两大因素，也是区域干旱发生演变的重要驱动力。环境变化导致水文过程出现非平稳特征，样本同分布及时间序列平稳性的假设不再成立，致使传统干旱评估方法结果受到质疑。本文以渭河流域为研究区，采用可变下渗容量（variable infiltration capacity，VIC）模型定量估算环境变化引起的径流响应，并提出适应于非平稳条件下的水文干旱评估方法，据此剖析渭河流域水文干旱时空演变特性，评价环境变化对干旱发生演变的影响作用。方法：应用多种变异检测方法，综合分析渭河流域水文气象要素变异性，揭示非平稳水文过程事实。依据径流变异诊断结果，将研究期划分为受人类活动干扰较弱的基准期和人类活动影响较强的变化期，采用VIC模型重建变化期天然径流序列，并对渭河流域径流衰减进行归因分析。针对非平稳水文干旱评估，提出基于标准化径流指数（standardized precipitation index，SPI）的多种参数化方案，包括（1）传统的时不变参数方案，计算 SRIi序列；（2）时变参数方案，计算基准期SRIb和变化期SRIh（合并得到SRIv）序列；（3）移植参数方案，计算变化期SRIt序列；（4）基于VIC重建径流计算变化期SRIr序列。通过多种参数化方案结果对比评定 SRIv对非平稳干旱评估的适应性，验证变化期径流序列非平稳事实，并基于实测降水系列计算标准化降水指数SPI，辅助验证SRI合理性。SRIh为实际旱涝序列，刻画了气候变化和人类活动对旱涝的共同影响作用，SRIr表征单一气候因素对旱涝的影响。假定气候变化和人类活动对干旱的影响是独立的，采用SRIh与SRIr之差值（SRIh－r）表征人类活动对干旱的影响。结果：（1）渭河流域年降水量、咸阳及华县站年径流量均呈总体下降趋势，气候倾向率分别为－14.0 mm/10 a、－7.80亿m3/10 a和－10.20亿 m3/10 a；年最高、平均、最低气温和潜在蒸散发量均呈上升趋势，气候倾向率分别为0.32℃/10 a、0.29℃/10 a、0.32℃/10 a和11.9 mm/10 a。MK检验、Pettitt突变点检测及降水与径流双累积曲线均一致表明：咸阳和华县水文站年径流量均呈显著减小趋势且在 1990年出现突变。因此，选取 1961—1990年为基准期，1991—2013年为变化期。（2）应用VIC模型对渭河流域径流衰减进行归因分析，发现人类活动是引起 1991年以来渭河流域径流量衰减的主要因素，咸阳和华县站由人类活动引起的径流变化量分别为－16.1亿 m3和－23.1亿 m3，对总径流下降的贡献率分别为－66.7%和－71.0%。社会发展和农业生产的水需求增长是引起径流下降的主要原因。（3）对比评定SRI多参数化方案结果表征非平稳水文干旱的合理性，发现基于时变参数方案计算的SRIv能合理重建历史水文干旱序列，准确识别1962年、1969年、1971—1972年、1982年、1986年、1994—1995年、1997年、1999年、2002年和 2011年等历史干旱记录年份，并具备稳健的标准化干旱指数统计特性。对比分析SPI与SRIv，显示气象干旱传播至水文干旱存在滞后、衰减的特点。（4）基于SRIv评估渭河流域水文干旱时空演变特性，发现渭河流域存在年代际尺度的旱涝交替现象，其中，20世纪70、90年代呈现全流域干旱频发的特征。分析气候变化和人类活动对干旱的影响作用，发现二者均是影响变化期旱涝演化的重要因素，其中人类活动是短历时水文干旱发生的主导因素，气候变化主要影响长历时旱涝的演变趋势。结论：渭河流域1961—2013年径流量总体呈显著减小的趋势，且在 1990年发生显著性突变。基于VIC模型的径流衰减归因分析进一步表明：人类活动是导致渭河流域径流量衰减的主要原因，其贡献率为－66.7%～－71.0%。多种SRI参数化方案 对比评定结果表明：SRIv能够较准确识别历史干旱过程，并且具有更稳健的统计特性，更适应于非平稳条件下的干旱评估。渭河流域存在年代际尺度旱涝交替的演变特征，对于短历时干旱过程，人类活动是主导因素，而气候变化主要影响长历时旱涝演变趋势。

来源出版物：水科学进展, 2016, 27(4): 492-500

入选年份：2016