泾河流域径流变化趋势及归因分析

杨思雨，姜仁贵，解建仓，朱记伟，王 娇

(西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安710048)

全球气候变暖背景下极端天气频率增加，人类活动日益增强，在两者共同作用下，河川径流呈现很大的时空变异性[1]。作为重要的水资源，河川径流量直接影响着流域社会、经济、生态等各方面的可持续发展[2]。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出，人类活动已影响近些年的全球水循环，甚至在未来一段时间内呈现不可逆状态。为了保证流域内水资源的可持续发展，研究径流演变机理，分析各驱动因素对径流量影响程度有重要的理论意义与实际价值。泾河作为渭河的第一大支流，谷地宽阔、平坦、灌溉便利，是重要的农耕区。泾河流域生态脆弱，受到人们的广泛关注。因此，对泾河流域径流变化趋势及气候变化和人类活动对径流影响程度的分析，对揭示径流特性及流域水资源管理具有重要作用。研究可为泾河流域水资源区域规划、调控、管理、利用等提供参考依据，为流域生态恢复和可持续发展提供科学指导。

针对流域径流变化趋势及其归因分析，诸多专家学者进行了大量的研究，并取得了一些有益的成果[3-7]。孙甲岚等[8]采用Mann-Kendall趋势检验法与Morlet小波分析法对长江上游流域平均气温、降雨、径流等要素的演变规律进行研究。木塔里甫·托乎提等[9]采用时间序列周期方差分析外推、非参数检验和R/S分析等方法探讨了径流量的周期、跃变及未来的变化趋势，表明人类活动强烈干扰了塔里木河流域干流的水文过程。王欢等[10]通过滑动平均法、Mann-Kendall趋势检验及突变检验法、累积距平法和双累积曲线法研究了青海湖流域径流的时空特性和冻土及冰雪融化对径流的影响。张利茹等[11]采用Mann-Kendall秩次相关检验法及线性回归方法，分析检验了海河流域各典型区域年径流量的历史变化趋势，并基于TOPMODEL半分布式流域水文模型，定量评估了典型区域气候变化和人类活动对径流变化的影响。Dong[12]等基于SWAT模型，发现气候变化可能导致径流减少或增加，且和降水、温度、辐射以及土地覆盖变化等要素密切相关。

以泾河流域为研究区域，将多种分析方法结合，分析55年间(1961—2015年)泾河流域的径流变化趋势及气候变化和人类活动对径流影响的程度。本文采用线性回归分析降水和径流变化特征，通过Mann-Kendall趋势检验法和R/S法分析泾河流域径流变化趋势特征并预测流域未来径流变化趋势。采用滑动t检验、有序聚类、双累积曲线法确定径流量突变年，采用径流还原法定量分析人类活动和气候变化对泾河流域径流变化的贡献。研究结果可为泾河流域水资源的开发利用提供依据，为流域生态环境保护、水土保持及城镇化建设提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区域

泾河横跨陕甘宁三省(区)，是渭河流域最大的支流，河长455.1 km，流域面积4.54×104km2，占渭河流域面积的33.7%，流域多年平均径流量为2.07×108m3。泾河流域属于典型的大陆性气候，气温南高北低，在过去55年中，流域内年均气温整体呈上升趋势。泾河水位陡涨陡落，洪枯悬殊，主要靠夏季降水补给，降水集中在汛期7～10月，占全年总降水量的近70%，年径流量有60%以上集中在5～10月。泾河流经黄土高原沟壑区，水土流失较为严重，年输沙量2.526×106t。近几十年来，泾河流域受人类活动和气候变化的影响，径流减少趋势显著。泾河流域概况如图1所示。

1.2 数据来源

泾河流域降水及径流数据时间序列采用1961—2015年。降水数据来源于国家气象信息中心的0.5o×0.5o格网数据集，该数据集基于观测数据，采用薄盘样条法进行空间插值得到，数据集质量经过严格检验。径流数据选取泾河流域张家山水文测站1961—2015年数据，数据来源于《中华人民共和国水文年鉴黄河流域水文资料》、陕西省水文局及陕西省江河水库管理局统计资料。在下文计算中为了统一降水量和径流量的单位，将张家山水文测站径流量数据转化成径流深后进行分析。

1.3 研究方法

采用线性趋势[13]、Mann-Kendall法[14]和R/S法[15]分析径流变化趋势特征并对未来径流量进行预测。利用滑动t检验[16]、有序聚类[16]、双累积曲线法[17]等方法综合分析径流突变情况，判断突变年，确定基准期，并通过径流还原法[17]分析气候变化和人类活动对泾河流域径流深变化的贡献率。

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2 结果与分析

2.1 降水及径流年际变化特征

根据泾河流域1961—2015年降水量及径流深数据，绘制泾河流域降水量及径流深年际变化趋势图，如图2所示。由图2可知，在研究期内，泾河流域降水量线性拟合回归系数为负值，呈下降趋势，年均降水量为523.99 mm，最大年降水量是最小年降水量的2.14倍；泾河流域张家山站径流深线性拟合回归系数为负值，呈下降趋势，年均径流深为28.44 mm，最大年径流深是最小年径流深的6.66倍。其中，泾河流域最大降水量年及最大径流深年均为1964年，且年际极值相差较大，丰枯悬殊。

图2 泾河流域年降水量及径流深年际变化趋势图Fig.2 Annual variation trend of annual precipitation and runoff depth in the Jinghe River basin

2.2 径流变化趋势分析

本文采用Mann-Kendall趋势检验法和R/S法对泾河流域张家山站年径流深变化趋势进行分析。首先，采用Mann-Kendall趋势检验法对径流深变化趋势进行分析，通过计算，年径流深的标准化统计量Z值为-4.392，且通过α=0.025的显著性检验，这表明径流深呈现减少趋势，且趋势显著。其次，利用R/S法对泾河流域张家山站径流深进行趋势预测，通过计算，泾河流域年径流深R/S分析(Inτ-In(R/S))的相关系数为0.988，通过5%的显著性检验，Hurst效应较为显著。如图3所示，泾河流域张家山站年径流深Hurst指数为0.731 4，大于0.5，表明径流深未来趋势与过去一致，呈现递减趋势。

图3 泾河流域张家山站年径流深R/S分析Fig.3 Annual runoff depth R/S analysis of Zhangjiashan Station in the Jinghe River basin

2.3 径流突变点分析

采用滑动t检验法、有序聚类法、双累积曲线法综合判断泾河流域径流突变年。图4为泾河流域张家山站径流深突变分析图。

图4 泾河流域张家山站径流深突变分析Fig.4 Analysis of runoff depth mutation at Zhangjiashan Station in the Jinghe River basin

如图4(a)所示，1996年、1997年和2009年三点均通过α=0.05的显著性检验，其中2009年的数值虽超过t-0.05=-2.31，通过显著性检验，但由于年份处于序列尾段误差较大，在此可忽略不计。此方法表明，泾河流域1961—2015年径流深的突变年份为1996年与1997年。如图4(b)所示，径流深序列离差平方和曲线有两处明显的极小值点，分别为1970年与1996年，故通过有序类聚法判断1970年、1996年为泾河流域径流深突变年。

根据泾河流域降水量和径流深绘制降水径流深双累积曲线图，如图5所示，由图可得突变点为1970年、1996年和2003年，除1996—2002年间，其余分段区间线性相关系数R2均大于0.99。根据滑动t检验法得知，在1996—2002年间，可能存在突变年(1997年)，双累积曲线法存在局部误差，导致1996—2002年线性关系的相关程度低于其他时间段。

图5 泾河流域降水径流深双累积曲线Fig.5 Double cumulative curve of rainfall and runoff depth in the Jinghe River basin

对上述三种突变点求解方法进行综合分析，如表1所示，结果表明，上述三种方法所得突变点存在一定差异，综合分析确定泾河流域在1961—2015年间存在3个径流突变点，分别为1970年、1996年和2003年。最终确定1961—1969年为泾河流域的径流基准期。

表1 泾河流域突变检验成果表

2.4 径流变化影响因素分析

通过对年径流深的突变检验得到泾河流域的多个突变点，由首个突变点1970年确定泾河流域径流基准期为1961—1969年，根据突变点出现的年份将研究时间序列划分为3个时段，分别为1970—1995年、1996—2002年、2003—2015年。对基准期降水和径流时间序列进行拟合，得到两者回归方程为y=0.083 65x-28.92，相关系数R2=0.995。根据回归方程计算1970—2015年间的模拟径流深值，利用径流还原法计算得到人类活动和气候变化对径流变化的影响量以及贡献率，如表2所示。

表2 气候变化和人类活动对泾河流域径流深变化的贡献率

Tab.2 Contribution rate of climate change and human activities to runoff depth change in Jinghe River basin

时段时段平均降水量/mm基准期径流深/mm年径流深及其变化/mm气候变化人类活动实测值突变后模拟总影响量影响量/mm贡献率/%影响量/mm贡献率/%1961—1969577.3744.231970—1995512.2144.2330.7342.4513.501.7813.1911.7286.811996—2002500.8044.2322.0641.5122.172.7312.3019.4487.702003—2015523.1344.2316.3543.3627.880.883.1427.0196.861961—2015524.0044.3525.3542.5619.001.799.4017.2190.60

由表2可知，1970—1995年平均降水量为512.21 mm，相较于基准期的平均降水量减少65.16 mm，平均降水量的减少对实际径流深影响较大，使1970—1995年较1961—1969年实测平均径流深减少了30.5%。1970年以后的模拟径流深较基准期天然径流深有不同程度的减少，说明气候变化引起径流深减少，1970—1995年、1996—2002年和2003—2015年气候变化对泾河流域径流深的影响逐阶段减少，贡献率分别为13.19%、12.30%和3.14%。1970年以来的实测径流深的值均明显小于模拟径流深的值，人类活动对泾河流域径流深的影响逐阶段增加，1970—1995年、1996—2002年及2003—2015年人类活动使泾河流域径流深逐阶段减少，贡献率分别为86.81%、87.70%、96.86%。自基准期以后，实测径流深较基准期天然径流深有不同程度的减少，此趋势表明，径流深的减少是人类活动及气候变化影响造成的，且人类活动是影响径流变化的主要驱动因素。就1961—2015年的平均状况而言，人类活动及气候变化对径流深的影响高达19 mm，模拟径流深较基准期天然径流深减少1.79 mm，占比9.4%，实测径流深较模拟径流深减少17.21 mm，人类活动导致径流显著减少，其贡献率达到90.6%。

在1970—1995年，人类活动因素已是导致泾河流域径流减少的主要因素，其中在20世纪70、80年代，国家对因人口增加而加剧的植被破坏实施水土保持工程，例如修建梯田、淤地坝、水库等。国家对水土保持工程的实施、对植被恢复和荒山造林的重视，改变了泾河流域的生态用水量，使得人类活动对径流深的影响逐步减少。近些年，随着内陆地区的快速发展，泾河流域大量修建梯田、实施大规模退耕还林工程，使得水土流失得到进一步治理，自然生态环境得到进一步保护[17]。

3 结论与讨论

1) 泾河流域降水量及径流深呈下降趋势，最大年降水量是最小年降水量的2.14倍，最大年径流深是最小年径流深的6.66倍，年际极值相差较大，丰枯悬殊，水资源时空分布不均衡。通过Mann-Kendall趋势检验法和R/S法分析泾河流域径流深变化趋势，结果表明，未来一段时间内泾河流域径流深将呈现减少趋势且有一定持续性。

2) 根据滑动t检验法、有序聚类法和双累积曲线法，综合得出泾河流域的突变年分别为1970年、1996年和2003年。由突变点1970年确定泾河流域径流基准期为1961—1969年，根据另外两个突变点将研究时间段分为3段，分别为1970—1995年、1996—2002年、2003—2015年。在1961—2015年间，人类活动对径流深的影响量比气候变化对径流深的影响量约大9.6倍。

3) 根据气候变化和人类活动对泾河流域径流变化的贡献率表得出1970—1995年的平均降水量较1961—1969年的平均降水量减少，对实际平均径流影响较大，故降水量的变化可影响径流变化。若多个时间段内降水量在某个范围内来回波动，对实际平均径流无明显影响。在泾河流域上降水量是驱动径流减少的重要因素，但不是主要因素。

4) 人类活动和气候变化是驱动径流变化的主要因素。在泾河流域上人类活动是导致径流减少的主要因素，且影响程度逐时段增加，人类活动成为主要因素的原因是，国家对水土流失的治理、对自然环境的保护、对内陆地区城镇化建设的支持。因此，在后续研究中，将会深入了解不同的人类活动及多种气候变化因素对流域径流的影响程度。