近50年澄碧河流域降雨径流变化趋势及成因分析

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(1.广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004； 2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 广西南宁530004；3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室， 广西南宁530004)

0 引言

随着全球气候变化以及人类活动的影响，流域的降雨径流关系发生变化，这种变化将会对水资源生态环境和社会经济发展产生直接的影响[1]。可见，进行降雨—径流关系影响因素的研究是十分必要的。

当前，国内外众多学者对流域降雨径流关系的影响因素进行研究，如夏军等[2]通过控制不同的雨强在下垫面条件不一致的区域进行降雨试验，结果表明土地利用类型的变化对黄河岔巴沟流域的降雨径流关系影响较大；魏兆珍等[3]运用可变模糊集理论对滦河流域进行研究，发现人类活动是造成流域径流显著减少并发生渐变式质变的因素；郭爱军等[4]基于Archimedean Copula函数对泾河流域进行研究，表明人类活动是影响降雨径流关系的主要因素；顾海挺等[5]分析了枯水期的东江流域，认为新丰江水库和枫树坝水库的径流调节是导致流域降雨径流关系发生变化的主要原因；WANG等[6]运用DTVGM水文模型研究了潮白河流域，发现人类活动对流域的降雨径流关系产生了较大的影响；YANG等[7]发现耕地面积急速增加使得灌溉用水迅速增长是导致海河流域降雨径流关系发生变化的主要因素。但这些研究却很少涉及岩溶区流域，因岩溶区流域具有独特的地质构造，使得降雨径流特征也较其他地区复杂。澄碧河流域位于广西典型的喀斯特岩溶地区，对其多年降雨径流变化趋势进行分析研究，具有十分重要的意义。

受数据资料的限制，本次研究仅收集到澄碧河流域1963～2011年共49年的降雨径流数据，序列长度满足要求，因此，本文对澄碧河流域近50年的降雨径流变化特征及成因进行研究分析，以资为该流域水资源合理开发利用提供借鉴和参考。

图1 澄碧河流域示意图Fig.1 Chengbihe watershed

1 流域概况及研究方法

1.1 流域概况

澄碧河发源于百色北部的凌云县青龙山，是典型的山区河流。流域的地下岩溶较为发育，岩溶地貌占流域面积的20 %以上，地下暗河纵横，喀斯特渗漏现象普遍。澄碧河河流总长127 km，降雨年内分配较不均匀，汛期(4～10月份)降雨量占全年的90 %，易造成汛期结束后径流量反差较大，下游水库汛后蓄满率低。流域总面积2 087 km2，其中有70 %属于凌云县。论文采用澄碧河流域内12个雨量站及澄碧河水库坝首水文站1963年至2011年共49 a的降雨径流同期观测数据进行研究。

澄碧河流域水文控制站点如图1所示。

1.2 研究方法

采用Mann-Kendall(下文简称M-K)非参数检验方法确定流域降雨和径流序列的变化趋势以及序列的突变时间点，该方法是检验序列变化趋势的有效方法，其优点在于不需要被检验的序列满足一定的分布，且抗干扰性强[8]，方法的具体步骤见文献[9]；而Hurst指数分析法能较好地反应序列趋势持续性的强弱程度[10]，两者结合可以分析序列的历史变化趋势并预估未来的发展势态，论文借助Hurst指数分析法预测降雨及径流的未来变化趋势[11]；同时，应用双累积曲线法探求流域降雨径流关系发生突变的时间点，与M-K的突变分析相互检验，并用以分析不同阶段人类活动或自然环境对流域径流变化趋势产生的影响[12]，以期为流域水资源的管理措施调整提供依据。

2 成果与分析

2.1 变化特征结果分析

2.1.1 年际变化特征

分别计算澄碧河流域的年均降雨深与径流深的M-K趋势判别系数Z及Hurst指数H(持续性系数)的值，并绘制了澄碧河流域年际降雨、径流的变化趋势图，见表1和图2。

表1 年均降雨径流序列的M-K及Hurst指数Tab.1 M-K and Hurst index of annual rainfall and runoff

图2 多年降雨和径流的变化趋势图Fig.2 Trend of rainfall and runoff for years

由表1可以看出：澄碧河流域的年均径流深的趋势系数Z为0.733，没有超过95 %的显著性阈值Zα2=±1.96，又因其持续性系数H为0.310，属于反持续的区间(0，0.5)，但反持续性强度一般，说明流域的径流量序列未体现出明显的增减趋势，且在未来出现某种单一变化趋势的可能性不高；反观年降雨量序列，其趋势系数Z为3.387，远超过99 %的显著性指标Zα2=±2.32，且持续性系数0.849也表明趋势存在较强的持续性，可知流域的年降雨量呈现出显著的上升趋势，而这样的趋势还将进一步加强。

图2直观地显示了澄碧河流域年降雨与年径流变化趋势出现的不协调现象，也反映出流域的年降雨量自上世纪90年代中期开始出现逐渐增大的趋势，而径流量并未随着降雨的增加发生变化。为了准确地找出序列突变的时间点，图3、图4分别绘制了流域的年际降雨深、径流深的M-K突变图。

观察图3可以发现，上世纪60年代中期年降雨深的UF曲线(UF>0说明序列呈现增加趋势，反之则为减少趋势)在横坐标轴附近上下摆动，证明此时期流域年降雨量呈往复变化趋势，降雨量均有增减。1986～1988年期间，年降雨的UF与UB曲线(逆序列的UF值)在置信区间内两次相交，随后UF曲线不断上升，在90年代中期超过了置信区间上限，说明年降雨深序列在1986年发生了突变，开始进入逐步增长的阶段，这与趋势图中反映的结果一致。

对图4进行分析可以看出年径流深的UF曲线在上世纪60年代至70年代初期位于坐标轴上方，说明这个时期径流量有增加趋势，且在60年代后期显著增加；70年代中期开始，UF曲线基本处于坐标轴下方，但没有超过置信区间，说明年径流深呈不显著的减小趋势；与趋势图中反映的变化趋势相近。UF曲线在置信区间内与UB曲线有多处交点，其中，有效突变点只有一个，突变时间为1976年。

图3 年降雨深M-K突变检测图
Fig.3 M-K mutation test of annual rainfall

图4 年径流深M-K突变检测图
Fig.4 M-K mutation test of annual runoff

2.1.2 年内变化特征

由于澄碧河流域为山区流域，汛期降雨量大，且山谷汇流速度快，所以流域径流的年内分配较不均匀，季节变化显著。考虑到流域的出口为澄碧河水库，其对整个流域水资源的管理及下游的防洪与兴利有着举足轻重的作用，故对澄碧河流域降雨、径流在年内分配的变化趋势进行研究。

根据文献[13]可知，澄碧河流域的汛期为4月13日到10月31日，非汛期为11月1日到次年的4月12日。对流域汛期和非汛期的分析，同样采用M-K趋势检验及Hurst指数法进行统计计算，得到结果如表2。

表2 汛期和非汛期降雨径流序列M-K及Hurst指数Tab.2 M-K and Hurst index of annual rainfall and runoff onflood and dry season

图5 非汛期径流深M-K突变检测图Fig.5 Trend of rainfall and runoff fordry seasons

表2主要反映两个信息：一是澄碧河流域汛期和非汛期的降雨量均呈现显著的增加趋势，且在未来还有持续增加的可能；二是流域在非汛期的径流量有着显著的下降趋势，这与汛期的稳定趋势有所不同，也与同时期的降水量显著增长的趋势存在较大反差。因此，用M-K法对非汛期径流量序列进行突变检测，见图5，结果表明非汛期径流量的下降突变时间点约为1990年。

2.2 影响分析

澄碧河流域降雨径流深双累积曲线见图6，曲线在1986年处将流域49年的降雨径流累积数据分为两段序列，分别对其进行线性拟合，拟合后的直线相关系数均大于0.9，满足双累积曲线分段拟合的基本要求[14]，可见，经M-K检测得到的突变时间点较为合理。为更进一步研究流域降雨径流关系发生变化带来的影响，若以1963年至1986年作为基准期，依照基准期的降雨径流相关关系延长基准序列，到2011年时，基准序列对应的累积径流量比实际累积量多出约186亿m3，相当于平均每年多12亿m3以上，说明流域的降雨径流关系在1986年发生了较大的改变，这一改变给流域的水资源量带来不小的影响。

2.3 成因分析

2.3.1 降雨径流关系变化的原因

封山育林、修建水库和塘坝、建造土坝梯田等措施对流域内的自然形态和调蓄能力会产生较大的影响，从而影响流域的蒸散发量和土壤入渗量，进而改变流域的产汇流规律。

20世纪50年代末至60年代初，经历了“大跃进”及饥荒之后的凌云县境内树木砍伐严重，荒山遍布。缺少了根系的下垫面储水能力减弱，致使流域在60年代末期频发洪水灾害，灾情较严重，这点可从图3的UF曲线中看出。改革开放后，流域内正式制止毁林开荒，开展封山育林的活动，并取得了显著的效果，流域内森林面积以及覆盖率变化见表3和图7，从图表中可以看出，澄碧河流域在1984年至1993年期间森林面积增加了1 047 km2，覆盖率提高了1.5倍。因此，流域内植物截留引起的蒸散发量增加，同时，下垫面条件得到有效改善，蓄水能力逐步提高，导致流域的产流量下降。所以，在80年代末，虽然由于气候的因素流域降雨量呈现增加趋势，但其出口的实测径流量却未随之而增长。

表3 澄碧河流域森林面积及覆盖率Tab.3 Forest area and coverage of Cheng-bi River Basin

图6 降雨径流深双累积曲线
Fig.6 Double Mass Curve of rainfall and runoff

图7 澄碧河流域森林面积及覆盖率
Fig.7 Forest area and coverage of Cheng-bi River Basin

与此同时，澄碧河水库管理局制定《水源森林保护区管理条例》；并设立澄碧河源头保护区，注重水源地保护。如此一则加强了流域下垫面的保水能力，二则使以喀斯特岩溶地貌为主的流域源头地区得以更好地发挥涵养径流的作用。

上述分析证明了植树造林这一人类活动，是澄碧河流域降雨径流相关关系发生变化的主要原因，同时也为流域的水土保持、水源涵养、洪灾抵御等起到了不可替代的积极作用。

2.3.2 径流汛期和非汛期变化趋势差异的原因

根据凌云县地质资料，澄碧河流域的源头青龙山地区主要以喀斯特岩溶地貌为主，该地貌的特点是地下水蕴含量较大，且主要由地表水进行补偿。流域中岩溶地区的面积达400 km2，当降雨来临时，庞大的地下河网可以储藏大量降雨，对流域的径流有着天然的调节作用，故汛期的径流量并未随着降雨量的增加而呈现出较大的增长趋势。而在非汛期，降雨虽然显著增加，但降雨量级没有明显的变化。可见，此时的降雨大多都被河源的地下岩溶“库区”所储存，补充岩溶储藏水，从而造成了尽管非汛期降雨趋势增加，但同期的径流量仍显著减少。

从流域多年统计的降雨空间分布来看：流域西北地区的高山河源地带降雨量最大，这与高海拔地区能促使水蒸气的凝结作用有关；其次是流域中部；而靠近汇合口地区的降雨量为最少。大部分的降雨都被河源的地下岩溶“库区”所储存，只要降雨量级没有太大的变化，到达流域出口的径流量很难会有明显的增长。

综上，澄碧河流域汛期和非汛期径流变化趋势产生差异主要由流域特有的喀斯特岩溶地貌的保水作用及降雨空间分布的不均匀性造成。

3 结论

①澄碧河流域的年降雨深、汛期降雨深和非汛期降雨深均呈现出显著增加的趋势，且具有较强的持续性，其中年降雨深在1986年发生突变。流域的年径流深和汛期径流深呈现出微弱的减少趋势，具有一定的反持续性，说明年径流深和汛期径流深总体趋势平稳，年径流深的突变时间为1976年；反之，流域非汛期径流深显著减少，且在1990年发生突变。

②澄碧河流域的降雨径流关系在1986年发生了较大的变化，流域内水资源量明显减少，达到12亿m3/a。

③通过对澄碧河流域降雨径流相关关系发生变化的原因分析，发现引起这一变化的主要原因为流域境内大规模的植树造林活动。而流域非汛期径流量呈现反常的减少趋势是由流域特有的喀斯特岩溶地貌和空间降雨量分布不均衡共同作用的结果。

④建议进一步加强流域水环境的改善工作，在提高森林覆盖率的基础上丰富流域的植被品种，在保水的同时改善水质。