1961—2012年蒸水流域径流演变规律研究
2019-08-21罗兰花谢红霞宁迈进2贺红士3李亚平
罗兰花，谢红霞， 宁迈进2， 张 敏， 贺红士3， 李亚平
(1.湖南农业大学 资源环境学院, 长沙 410128； 2.湖南省水文水资源勘测局, 长沙 410007； 3.美国密苏里大学自然资源学院, 美国密苏里州 65211)
1 研究背景
河流水资源是保障人类生产、生活和维持生态平衡的基础性资源。河流径流量的变化直接影响水资源的开发利用，进而影响社会经济的发展[1]。研究径流量演变规律及其影响因素，可为水资源的管理与综合保护以及可持续利用提供科学依据。
河流径流量变化是流域内气候特别是降水以及人类活动变化影响的重要表现，是全球变化研究的热点之一[2-3]。联合国政府气候变化专门委员会(IPCC)第5次评估报告指出，21世纪在全球气候变化背景下，地表径流在高纬度地区和热带湿润地区将有所增加，而在多数亚热带干旱地区和地中海地区则将减少[4]。一方面，引起径流变化的原因复杂：有些河流径流变化主要源于气候变化[5]，特别是气候因子中降水对径流量变化有主要影响，但也有人认为潜在蒸散量增加对河流径流量变化的贡献分量比较大[6]；有些径流变化的主导因素是人类活动[1,7-8]，特别是土地利用/覆盖变化对径流有重大影响[9-10]；此外相同河流在不同阶段径流变化主导因素也不同[11]。另一方面，径流变化具有较为显著的尺度效应，同一流域内不同尺度子流域的径流变化及水文响应研究的结果不一样。夏军等[12]对长江上游流域径流变化及其影响原因的研究中，发现长江上游干流径流呈现微弱减少趋势，气候变化是径流变化的主要影响因素；而支流金沙江流域径流微弱增加，主要也是受气候变化的影响；但支流岷江和嘉陵江流域径流显著减少，人类活动贡献率大约占到一半，其影响程度在未来还有可能增加。目前我国径流变化方面的研究主要针对大流域，研究区域主要集中在北方，而在南方特别是小尺度流域上相关研究则较少。虽然长江一级支流湘江流域径流量变化研究也有一些，如胡光伟等[13]指出湘江径流量呈微弱增加趋势，并与降水量变化保持一致，但是没有定量区分各因素对流域径流量变化影响的贡献。考虑到径流变化的复杂性及尺度效应显著，而且南方河流、尤其是大河支流相关研究明显不足，开展大河支流径流演变规律及其影响因素的研究也是极为必要的。
蒸水流域是湘江流域的一级支流，其水资源已进入中高度开发利用阶段，不能再进行大规模的开发利用，中型水库也没有大的潜力可挖[14]。此外蒸水也是湘江流域水土流失严重的地区之一，整个流域境内花岗岩母质风化严重，植被覆盖差，造成河道淤塞[15]。了解该流域径流变化趋势及原因对该区域水资源合理规划利用及生态环境建设有重要的参考价值。本研究拟利用蒸水流域近50 a的水文、气象资料，分析其径流量和降水量的基本变化特征、变化的阶段性和趋势性，寻找突变年份，并通过建立径流-降水的双累积曲线定量分析降水及人类活动对径流变化的影响程度。本研究结果希望对水资源的管理和综合利用及流域水土流失的治理提供数据参考和决策依据。
2 研究区概况
蒸水属湘江一级支流，发源于邵东县简家陇乡蒸源村，于衡阳市石鼓咀草桥入湘江，流域空间跨度为北纬26°52′—27°10′，东经111°53′—112°37′，整个流域面积3 470 km2，河长194 km，河流坡降0.54‰。北、东、南三面环山，山地丘陵为2 720 km2，约占流域总面积的71%；中、下游地区为平原、低地，面积为750 km2，约占总面积的20%；其余为水域。蒸水流域属于高温少雨的衡阳盆地，7月份平均气温在29 ℃以上，是全省有名的“火炉”之一，年降水量1 300 mm左右，雨量分布以边缘山地丘陵较多，平原低地较少；在季节分配上，不但集中在春夏之交，而且多以暴雨的形式出现[16]。
3 数据来源和研究方法
3.1 数据来源
本文所用降水数据来自湖南省气象研究院，包括衡阳市气象站、衡阳县气象站、南岳气象站、祁东气象站、邵东气象站、衡南气象站、双峰气象站1961—2012年的逐日实测数据，水文资料为神山头水文站1961—2012年的实测径流资料。采用加权平均法计算区域同期雨量。神山头水文站是国家重要水文站，位于湖南省衡南县三塘乡神山村，北纬26°54′，东经112°26′。该站设于1952年4月16日，该站为蒸水流域控制站，是区域代表站，集水面积为2 857 km2(图1)。
图1 研究区位置及观测站点分布Fig.1 Map of the Zhengshui River and locationsof observation sites
3.2 研究方法
利用水文和气象资料，运用Mann-Kendall检验方法分析降水变化的趋势性和突变性，采用距平累积法分析径流和降水的阶段性，并通过建立径流-降水的双累积曲线定量评价降水及人类活动对径流的影响程度。
3.2.1 非参数Mann-Kendall趋势检验和突变检验
Mann-Kendall检验法很少受异常值干扰，也不受数据分布特征的影响，广泛应用于水文和气象时间序列的变化趋势分析[17-21]。利用Mann-Kendall统计值Z进行趋势统计的显著性检验，先假设该序列无趋势，通过两尾检验，在给定显著性水平下，在正态分布表中查得临界值Z1-α/2，当|Z|
3.2.2 距平累积法
年径流量和年平均降水量的距平累积值能准确地反映径流量和降水量的阶段性变化特征，计算公式为[22]
(1)
3.2.3 双累积曲线
双累积曲线(Double Mass Curve，简称 DMC)方法[23-24]是目前用于水文气象要素一致性或长期演变趋势分析中最简单、最直观、最广泛的方法。所谓双累积曲线就是在直角坐标系中绘制的同期内一个变量的连续累积值与另一个变量连续累积值的关系线。通过建立双累积曲线剔除参考变量的影响，显现另一个因素是否导致被检验变量发生显著性趋势变化。在降水量与径流量双累积曲线中累积降水量作为参考变量，在有限的时段内其变化是自然变化，人类活动的影响是微弱的，累积径流量受人类活动的，及降水量共同作用，在找出突变年份的基础上结合降水和径流变化特点，通过双累积曲线可以分辨气候变化和人类活动的作用。
在Mann-Kendall法分析径流变化的基础上，建立基于降水、径流双累计曲线法的统计学模型模拟降水径流变化过程，分析径流对降水及人类活动变化的响应机理。在降水量与径流量双累积曲线中，累积降水量作为自变量，而累积径流量受人类活动及降水量的共同作用。因此，可以通过双累积曲线分辨人类活动的作用。
3.2.4 径流变化因素贡献识别
参考前人研究成果，利用以下方法计算因人类活动和降水的变化所产生的径流量[23],即：
δ人=R2实测-R2理论；
(2)
δ水=R2理论-R1实测。
(3)
式中：δ人和δ水分别表示人类活动和降水导致的径流量变化；R1实测、R2实测、R2理论分别表示突变年份前实测平均径流量、突变年份后实测径流量和理论径流量。
为了定量分析降水和人类活动对径流量的影响程度，将计算的人类活动对径流的影响量和降水对径流的影响量与实测径流差值比较，采用贡献率表示各个时期人类活动及降水变化对径流变化的影响，即认为贡献率可表达为[23]
Qg=(δ人或δ水)/R阶段差×100% 。
(4)
式中：Qg表示人类活动和降水变化对径流变化的贡献率(%);R阶段差表示2个阶段实测径流量的差值，即人类活动和降水的变化引起的径流变化量。
4 结果和讨论
4.1 降水量、径流量变化的基本特征
按5 a时间进行时间分段，蒸水流域各时段平均降水量和平均径流量最大值都在1996—2000年，分别为1 508.37 mm和20.66×108m3，最小值都在1976—1980年，分别为1 291.97 mm和12.08×108m3。蒸水流域降水变化在1961—1965，2001—2005年2个时段的相对显著，2001—2005年的极值比最大，为0.68，变差系数为0.17， 1961—1965年的极值比为0.63，变差系数最大，为0.19。蒸水流域径流量1961—1965年的极值比和变差系数是最大的，分别为2.87和0.47。其次是1966—1970年，径流量的极值比和变差系数分别为2.03和0.45。整体上径流量的极值比和变差系数均比降水量的极值比和变差系数大，说明径流量和降水量的变化趋势并不完全一致(表1)。降水是径流的基本来源，径流量和降水量演变规律的差异可表征人类活动对径流量的影响[25]，所以人类活动也是蒸水流域径流变化的影响因素之一。
表1 蒸水流域不同时段年均降水量、年均径流量变化特征Table 1 Variation characteristics of annual precipitationand annual runoff of Zhengshui River watershed indifferent periods
图2 蒸水流域年径流量、年降水量距平累积曲线Fig.2 Curves of accumulated anomoly of annual runoffand annual precipitation in Zhengshui River watershed
4.2 径流量、降水量变化的阶段性
为分析蒸水流域径流、降水变化的阶段性特征，应用距平累积法绘制年径流量、年均降水量时间序列的距平累积曲线(图2)。分析表明：按照曲线连续出现达5 a以上的相同变化趋势，可将1961—2012年蒸水流域径流量变化过程以1991年为界分为枯-丰2个阶段。经计算，枯水期1961—1990年的多年平均径流量为14.28×108m3，丰水期1991—2012年多年平均径流量为17.82×108m3。按相同方法可分析出年降水量以1989年为界分为2个阶段，1962—1988年为少水期，1989—2012年为多水期，年平均降水量分别为1 364.15，1 424.23 mm。径流量和降水量的阶段性存在一定的差异性，同时降水量的波动性强于径流量的波动性。
表2 蒸水流域径流量阶段性特征Table 2 Staged characteristics of runoff in ZhengshuiRiver watershed
4.3 径流量、降水量变化的趋势性及突变分析
4.3.1 径流量、降水量变化的Mann-Kendall趋势检验
趋势性反映了径流、降水演变的总体规律，采用Mann-Kendall法进一步检验蒸水流域径流量、降水量变化趋势及其突变点。降水量、径流量时序变化的Mann-Kendall趋势检验值Z分别为1.70 ，0.84(表3)，均为正值，但都<1.96(α=0.05)，说明蒸水流域1961—2012年径流量和年降水量整体呈上升的趋势，但均没有突破显著性α=0.05的临界值，说明上升的趋势不显著。但径流量上升趋势通过了α=0.1显著水平的检验，降水量没有通过该检验(表3)，说明径流量上升趋势比降水量的明显。这与线性趋势检测结果是一致的(图3)。
表3 蒸水流域降水量、径流量变化趋势Mann-Kendall检验Table 3 Mann-Kendall test result of runoff andprecipitation in Zhengshui River watershed
图3 蒸水流域年径流量、年降水量变化趋势线Fig.3 Trends of annual runoff and annual precipitationin Zhengshui River watershed
4.3.2 径流量、降水量变化Mann-Kendall突变分析
采用Mann-Kendall突变分析确定蒸水流域年径流量、年降水量的突变年份，根据Mann-Kendall突变分析方法计算UFK和UBK值，并画出Mann-Kendall突变分析统计量UFK，UBK曲线(图4)，从结果可以看出2条UFK曲线大多在0以上信度线之内，进一步说明流域径流量、降水量整体上呈不显著上升趋势。UFK和UBK正反2条曲线在信度线(α=0.05)内有唯一一个交点，年径流量的交点发生在1988年，年降水量的交点发生在1991年。即径流量、降水量分别在1988年、1991年发生了由少到多的突变。径流量和降水量发生突变的时间不一致，说明径流的上升除了降水的影响外，也与人类活动有关系。
图4 蒸水流域年径流量、年降水量Mann-Kendall突变分析Fig.4 Mann-Kendall analysis result of abruptchanges in annual runoff and annual precipitation inZhengshui River watershed
4.4 降水量和人类活动对径流量的影响
为进一步分析降水对径流的影响，绘制了1961—1987，1988—2012年2个阶段的降水量与径流量的关系图(图5)，这2个阶段的拟合曲线(或直线)不重合，且1988年前的降水-径流关系拟合的直线斜率小于1988年后降水径流关系拟合的直线斜率，说明突变年份前后径流与降水的关系发生了变化。
图5 蒸水流域不同时段实测径流-降水关系Fig.5 Relation between observed runoff and observedprecipitation in Zhengshui River watershed in different periods
为定量分析降水量和人类活动对径流量的影响，建立1961—1987年降水-径流双累积曲线，其基准关系式为∑R=0.010 5∑P+0.987 8(R2=0.999)。其中，∑R是累积径流量；∑P是累积降水量；R2是降水量和径流量双累积曲线拟合相关程度。该阶段实测多年平均径流量为14.16×108m3，而理论年平均径流量为14.37×108m3，绝对误差为0.21×108m3，相对误差为1.47%，表明该方法的拟合精度高(图6和表4)。将突变年份后1988—2012年降水量代入基准关系式中以得到突变年份后每年的累积径流量理论值。绘制1988—2012年降水-实测径流双累积曲线和降水-理论径流双累积曲线(图6)。说明除降水对径流量有影响外，人类活动使径流量变大，而且影响较为显著。
图6 年蒸水流域降水和径流双累积曲线Fig.6 Double accumulation curves of precipitation andrunoff in Zhengshui River watershed
年限实测年均径流量/(108m3)理论年均径流量/(108m3)绝对误差/(108m3)相对误差/%1961—198714.1614.370.211.47
将1961—2012年的累积降水量代入基准关系式中，得到累积径流量，经过反推计算出每年径流量的理论值。计算1961—1987年和1988—2012年2个阶段的实测平均径流、理论平均径流，进一步计算人类活动和降水的变化各产生的径流量。1988年后，径流的理论值和实测值相差较大，1988—2012年的平均径流理论值为14.79×108m3，而实测平均径流为17.46×108m3(表5)。引用贡献率来定量分析1988年后降水和人类活动对径流量的影响程度，人类活动对径流增大的贡献率较大，为75.74%，而降水对径流增大的贡献率为24.26%(表5)。说明人类活动对蒸水流域径流量增大有很大的影响。
表5 人类活动和降水对蒸水流域径流影响的统计值Table 5 Statistical values of the impacts of humanactivities and precipitation on runoff in Zhengshui Riverwatershed
5 结 论
对蒸水流域1961—2012年的实测径流量和降水量资料，在采用统计学方法分析径流和降水的变化特征的基础上，应用距平累积曲线分析径流和降水的阶段性，Mann-Kendall趋势检验和突变分析分析径流和降水变化的趋势性及突变点，并利用双累积曲线及贡献率定量分析了降水和人类活动对径流量变化的影响，得到结果如下：
(1)蒸水流域径流量和降水量变化呈现阶段性。径流量经历了1961—1990年的枯水期和1991—2012年的丰水期。而降水量在1961—1988年为少水期，1989—2012年为丰水期。年径流量和年降水量阶段性变化具有一定的差异，且降水量的波动性强于径流量。
(2)1961—2012年蒸水流域径流量和降水量整体上都呈不显著上升趋势，且径流量上升趋势比降水量明显。通过Mann-Kendall突变分析表明径流量在1988年发生突变，降水量在1991年发生突变。径流量和降水量都发生由少到多的突变。
(3)在突变点检验的基础上，建立了降水和径流的双累积曲线，双累积曲线的精度高，可以用于检验人类活动和降水对径流的影响。并通过引用贡献率定量分析降水和人类活动对径流的影响。结果表明：人类活动对径流影响量为2.55×108m3，贡献率为75.74%；降水对径流的影响量为0.82×108m3，贡献率为24.26%。说明在蒸水流域径流量增加过程中，人类活动的影响越来越大。
径流量受人类活动引起的流域下垫面变化的影响，随着社会经济的发展，城市建设用地增大，城市建设加快，城市日益向郊区扩展，占用了大量的农田和林地，城市建筑用地大量增加，植被覆盖率降低改变了下垫面的状况，从而导致径流量增大。与此同时该流域工业用水量有所减少也可能是引起径流增加的一个原因。21世纪初，蒸水流域企业比较多，发展比较快，在一段时期曾造成蒸水水质的严重污染，为了保护蒸水水环境，政府加大了整治工业企业污染、保护生态环境的力度，在蒸水流域内关闭了一些工厂，从而使工业用水有所减少。径流增大趋势可能导致蒸水流域洪水灾害危险性增大，建议采取适当措施及时排沙，减轻淤积，疏通河道，以便洪水及时排泄，此外多植树造林，增大土壤的蓄水能力，避免造成严重的洪水灾害。
本文分析了蒸水流域径流演变规律及影响因素，集总式定量分析降水和人类活动对径流变化的影响，但未考虑蒸发量、气温等因素对径流的影响，也未考虑人类活动中的土地利用、水土保持措施等，接下来将采用分布式模型进一步量化径流变化及开展原因分析。
