海南岛干旱地区昌化江径流变化及影响因素

2020-03-19朱丽蓉刘宇航叶长青

生态科学 2020年1期

朱丽蓉，刘宇航，叶长青

1.海南大学旅游学院，海口 570228

2.海南大学热带农林学院，海口 570228

0 前言

水资源的多少及时空分布特征与人类的生活息息相关。随着我国人口增长和经济发展，人类对水资源的需求逐渐增加。河川径流受自然条件(气候、土壤、植被等)以及人类活动双重影响，其变化过程既呈现出确定性规律又具有强烈的随机性[1]。通过分析径流变化规律，研究变化环境对水文序列非周期性成分的影响，对实现水资源的可持续利用有重要意义。近年来，国内学者对人类活动影响下径流量变化规律做了大量有益研究[2-7]。整体上研究方法可分成 3类，即观测试验对比法、水文时间序列分析法和水文模型法[8]。几种方法各有特点但都存在一定的局限性。观测试验一般适用于较小的流域尺度；而水文时间序列分析需要较长时间序列的数据，但对于过程机理认识不太充分；水文模型由于资料不足导致可利用性较差以及参数率定等问题。由于基于统计基础的时间序列分析法需要资料较少，方法成熟可靠又可定量分析径流量的变化影响因素。因此相关研究多以水文时间序列分析法等统计方法为主，包括敏感性分析法、小波分析法、MK检验及Pettitt突变点检验法等[9-12]。如刘二佳等(2013)对窟野河的研究应用了R/S分析法、小波分析、历时曲线分析等方法从跳跃性、时间序列角度进行综合分析并应用降雨—径流多元线性模型模拟计算[13]。朱颖洁等(2010)主要从趋势、突变、周期以及神经网络模拟四个方面对西江进行水文变化特征研究[14]。研究发现，人类活动(土地利用变化)导致河川径流量变化规律由于其地域空间存在差异特性而不同，仍需要开展大量典型区域的实例研究[15]。而现有研究区域主要还是侧重于北方的河流，对热带地区海岛性河流研究尚不多见[16]。

有研究表明海南岛昌化江的含沙量明显较高，可能是流域原始森林的破坏引起水土流失等自然灾害向下游输送泥沙的结果[17]。随人类活动对下垫面影响加剧，众多南方湿润区河流水文情势已经发生明显改变。在不断变化的环境下认识径流演变规律显得十分有必要，特别是需要开展大量南方典型流域的实例研究。昌化江是海南省第二大河，发源于五指山，横跨海南岛中西部，地势北面和东南面高，西北和西南面低，宝桥站位于昌江黎族自治县叉河镇，集水面积达4683 km2。本文利用降水-径流关系，统计分析昌化江径流变化规律，研究将有助于识别典型热带干旱区河流土地利用变化径流效应，有助于系统认识土地利用/覆被变化的水文过程影响机理，并为当地水资源管理和决策提供依据。

1 研究方法与研究区概况

1.1 研究方法

1.1.1 肯德尔秩次统计方法

肯德尔秩次相关法其基本原理如下[18，19]:设时间序列xi(i=1，2，···，n)，其对任意对偶值为(xi，xj)(j＞i)，如果xj＞xi，则序列绝对上升；反之，则绝对下降。如果序列不是单调上升或下降，则统计量由下式计算:

式中，U为统计量，P为对偶值呈增长趋势(xj＞xi)的对数，n为序列长度。若n增加，U将收敛于标准化正态分布，对于给定的显著水平a，可在正态分布表中查出临界值Za/2，比较|U|与Za/2的大小，若小于则时序列趋势不显著，大于则表示序列的趋势显著。当统计量U为正值时，说明序列有上升趋势；U为负值，则表示有下降趋势。对于显著水平T=0.05，U的临界检验值为±1.96，T=0.01，U的临界检验值为±2.74。

1.1.2 有序聚类分析法

利用有序聚类分析法寻找水文时间序列可能的显著干扰点τ，其实质上就是推求最优分割点，使同类之间的离差平方和最小，类与类之间的离差平方和相对较大[18]。

设可能分割点为τ，则分割前后样本离差平方和及总离差平方和表示为:

满足最优二分割条件式(7)的τ记为τ0，以此作为最可能的分割点。

1.1.3 泰森多边形法

泰森多边形法是美国气候学家A·H·Thiessen提出的一种根据离散分布的气象站的降雨量，来计算平均降雨量的方法，即将所有相邻气象站连成三角形，作这些三角形各边的垂直平分线，将每个三角形的三条边的垂直平分线的交点(也就是外接圆的圆心)连接起来得到一个多边形。用这个多边形内所包含的一个唯一气象站的降雨强度来表示这个多边形区域内的降雨强度，并称这个多边形为泰森多边形。泰森多边形每个顶点是每个三角形的外接圆圆心。泰森多边形也称为Voronoi图。

1.2 研究区概况

昌化江是海南岛的第二大河，干流长 232 km，落差达1270 m，流域总面积达到5150 km2。昌化江流域位于海南岛西南部，地处低纬度地带，属于热带海岛季风气候区[20]。昌化江流域山区为冬冷夏凉雨林区、丘陵及沿海为冬季夏热干旱区。昌化江流域内多年年平均降水量 1540 mm，自上游向下游递减。年降雨量分配极不均匀，有明显的枯湿季之分，枯季为 12月至次年 4月，降水量仅占年总量的11.4%，湿季5月至11月，降水量占年总量的88.6%。昌化江流域多年平均流量为136.1 m3·S-1，相应水量42.9×108m3。

昌化江下游两岸及其附近的东方和昌江两县地区是海南岛的严重干旱区，除充分利用当地中小河流水源外，约 4.0×104hm2待垦荒地及 2.67×104hm2耕地均须由昌化江提供灌溉水源。昌化江中下游地区是海南岛重工业基地之一。昌化江为近131.27万人提供饮水源。流域内已建有大广坝、石碌等两座大型水库，控制集雨面积合计 3870.1 km2，总库容18.5×108m3[20]。然而随经济社会的发展，昌化江流域的用水矛盾日益突出。宝桥站是位于昌化江河道干流的国家重点观测水文站，位于昌化江中上部。选取宝桥站(1956—2013年)共 58年的逐月径流序列。数据源自海南省水务厅。

2 流域内降水量及径流量系列特征分析

2.1 降水量变化

选取昌化江流域 1956—2013年资料完整的 28个雨量站，用泰森多边形法计算流域面雨量。线性拟合昌化江年降水序列，结果显示降水序列有一定上升趋势，进而利用肯德尔秩次相关法进行趋势显著性检验。经计算，f=0.045，var(f)=0.0081，U=0.5，故1958—2013年昌化江降水量序列没有通过显著性检验。

有序聚类分析法可以对水文序列的跳跃成分进行识别。经计算，发现分割点在1972年总离差平方和较小，因此 1972年应该是跳跃点。经计算 1956—2013年平均降水深为 1687 mm，1956—1972年为1637 mm，1973—1988年为1704 mm，1989—2002年为 1744 mm，2003—2013 年为 1667 mm，得到四个年段平均降水深后分别与长系列均值进行比较，可以看出四个年段变化率均在±4%以内，后段与前段的倍数比分别为0.97、1.04、1.02、0.96，可以初步认为变化合理。

2.2 径流量变化

采用有序聚法对宝桥站 1956—2013年径流序列跳跃成分进行识别。经计算，发现分割点在1973、1989和2003年总离差平方和较小，这些年份可能是跳跃点。线性拟合径流序列后发现径流序列也有一定上升趋势且U值约为0.2，未能通过肯德尔秩次相关法的趋势显著性检验。1956—1972年平均径流深约为 821 mm，1973—1988 年约为 870 mm，1989—2002年约为 1000 mm，2003—2013年约为789 mm，径流序列后20年呈现先增后减的趋势，且变化幅度较前20年更大，整体变化幅度在±15%，后段与前段的倍数比分别为0.94、1.06、1.15、0.97。

表1 昌化江流域平均降水及径流变化情况Table 1 Average precipitation and runoff change in Changhua River basin

2.3 降水对径流的影响

分别采用降雨量和径流量作为横纵坐标，绘制不同时期的降雨-径流关系图(见图3)。可以看出降水与径流关系曲线随不同时间段发生明显改变。比较降水深和径流深的U值，并结合图3可以推断径流较降水增加趋势更缓的原因应该是人类活动影响。以降水和径流两序列对比可见，径流序列整体变化幅度比降水大，且1956—1972年与1973—1988年两段降水和径流的倍数比相差不大而 1989年以后的变化超过了±0.1。由此可见，1972年的径流深的跳跃变化是由降水导致，而 1989和2003年跳跃点的出现则更多受人类活动影响。这说明在解放后一段时间内，城镇化程度低，流域生态条件、水资源系统的自我调节能力较好。而在1989年后人类活动对昌化江径流变化产生了一定影响。

图1 研究区位置Figure 1 Location of study area

图2 宝桥站径流序列的阶段性变化Figure 2 Stage change of runoff series at Baoqiao station

图3 不同时段年降水和年径流关系图Figure 3 Relationships between annual precipitation and annual runoff in different periods

3 人类活动对径流情势影响分析

3.1 影响量估算

气候变化和人类活动是影响一个区域的水资源两个主要因素。气候系统决定降水总量、降水范围、降水年内分配及年际变化；人类的生产活动则会对地表径流产生两个方面的影响:一是由河道向外引水直接造成径流的减少，称为直接影响量；二是城镇建设对流域下垫面条件改变，间接造成径流的增加或减少，称为间接影响量[21]。

径流系数在某种程度上可以反映流域下垫面的影响[21]，再次应用有序聚类法分析径流系数序列变异情况。为了使径流的计算结果能基本上反映天然情况，使资料具有一致性，需要对测站以上受开发利用活动影响而增减的水量进行还原计算。本文采用分项调查还原法，对宝桥站实测径流进行还原计算，将实测年径流系列还原为天然年径流系列。数据来源于海南省水务厅。如图4可以看出在分割点τ为 32、47时曲线达到最低点，分别对应年份为1989、2004年。1989年跳跃点与流域建设大广坝水库建成时间相吻合，水库建设应该对1989年跳跃有影响。这说明1989年后人类对流域内下垫面的改变加剧，径流的趋势变化主要是人类活动的影响。

图4 径流系数的总离差平方和与分割点的关系Figure 4 Relationship between total sum of squares of deviations and breakpoint of runoff coefficient

根据随机水文学中的原理，若某一流域下垫面条件不变，则在一定降水条件下会产生一定水量，若下垫面条件变化则会产生不同于不变时的水量。1989 年建成的大广坝水库会对径流变化规律产生一定影响。结合对昌化江流域径流系数的分析，可以认定一致性较好的降水序列 1956—1988年为无人类活动影响基准期，建立降水径流相关关系，可作为基准期定量分析 1989年以后人类活动对流域产汇流的影响。为得到径流受人类活动的影响量，将有人类活动影响年段的资料带入关系式，求出无人类活动影响的水量，并与实际水量比较，差值即为径流受人类活动的影响量。计算得出人类活动的直接影响、间接影响以及综合影响量。根据宝桥站流域降水和天然径流系列资料进行回归分析，建立降水和径流的相关关系。

经操作，回归公式为:R=0.982P-794.852，相关系数为 0.96，误差为 9.28 mm，结果满足要求。将1989—2013年的降水数据代入，得到1989—2013年径流序列，记为 Rh。由上述理论可知，1989年后的实测径流量Rm与天然径流量Rn的差值可以表示人类活动对昌化江流域径流的直接影响量；1989年后的数据 Rn与回归推算的天然径流量 Rh的差值可以表示人类活动对流域的间接影响量；1989年后实测的径流量Rm与Rh的差值可以表示综合影响量。分析结果如表2所列，1989—2002年人类活动直接影响促使径流减小，间接影响促使径流增加，昌化江流域人类活动间接影响程度大于直接影响，两者总的综合影响结果使径流增加，增加量约为 14.4 mm；2003—2013年人类的活动影响使得昌化江径流量大幅减少，减少量约为 117.1 mm，经计算可以得出两个时期综合影响占 Rh的比率约分别为 1.6%和-13.9%。由于昌化江天然径流量较大，且人类活动的直接影响变化不大，2003年后人类活动对昌化江的间接影响逐渐显露。

图5 宝桥站1956－1988年降水深与天然径流深相关图Figure 5 Depth of precipitation and natural runoff from 1956 to 1988 at Baoqiao Station

3.2 原因分析

随社会发展，人类活动的增强，昌化江流域径流发生了一定程度的变异，主要表现为，在气候条件没有明显变化情况下，昌化江58年径流序列先显著上升趋势，2003年后才显著下降。

其主要原因有两点:第一，流域内工农业用水量和人口生活饮用水量增加直接导致径流减少。第二，流域下垫面条件改变间接导致径流变化。

(1)工农业用水量和人口生活饮用水量增加直接导致径流减少。昌化江流经东方、琼中、乐东等对农业依赖性强的贫困市县，当地对农业的依赖性强。据统计，2013年昌化江流域农业用水约占总用水量的 85%，全省农业用水量较高的五个县中，有三个属于昌化江流域。下游的东方和昌江两县是海南省的严重干旱区，约有 4.0×104hm2待垦荒地及2.67×104hm2耕地均须昌化江提供灌溉水源，因而农业灌溉用水增多直接导致径流减少。此外，海南省工业布局主要在西部、北部沿海地区。昌化江中下游地区是重工业基地之一，据统计，2000年昌化江流域工业用水量1244×104m³，万元工业产值用水量达 114 m³位列三大河流之首，工业用水增多也是直接导致径流减少的原因。

表2 人类活动对昌化江流域径流深影响单位： mmTable 2 Effects of human activities on runoff depth in Changhua River basin Unit： mm

(2)流域下垫面条件改变间接导致径流变化。研究调查发现，2008年昌化江流域土地利用面积中，天然林为 63986 hm2，果园为 63935 hm2，橡胶林为12062 hm2，水田和旱地分别为 19957 hm2和 21879 hm2。这几类土地利用面积占了流域总面积的84.06%。其中在1998—2008年，天然林转出面积28445 hm2，占昌化江下游地区中1998年天然林总面积(77978 hm2)的36.48%。其中，主要的转出方向为果园，天然林转出为果园的面积占总转出面积的65.46%[22]。据实地调查，果园主要种植绿橙和其他种类的水果园地。据1999年海南省第二次土壤侵蚀情况调查显示，昌化江流经的七个县市土壤侵蚀面积共计 271.64 km2，约占全省总土壤侵蚀面积的48%[23]。土壤侵蚀程度较高是由于下垫面植被破坏有关。因此，大面积种植农业经济作物，造成过量樵采砍伐植被，加上流域土壤侵蚀，已导致昌化江的下垫面条件发生了较大的变化，很可能是导致径流量2003年后减少的因素。而且，1989年流域上游兴建大广坝水库，也造成流域植被的破坏，大广坝水库的修建与径流1989年的跳跃变化有着直接联系。

人类活动对流域植被的影响可以用植被覆盖指数NDVI来表示，NDVI的值可利用遥感影像中用近红外波段反射值与红外波段的反射值之差比两者之和计算得出。利用NASA最新的全球植被指数变化研究数据(GIMMS)研究昌化江流域内植被变化情况，计算昌化江流域1982—2006年植被覆盖变化率。图中各像元NDVI变化率=直线斜率/均值×25×100%。从图中可以看出昌化江流域NDVI变化率负值略多于正值，直线斜率为-0.00026，变化率为-0.716，下降趋势不显著。由此来看，这一阶段流域中不少区域植被变化具有减弱特征，流域中较多天然林植被遭到破坏，流域地表蒸发作用加强，流失的水分大量增加，人类活动间接影响导致年径流量发生下降。

综合上述，昌化江流域工农业生产用水直接导致径流量减少；2003年后流域果园等经济作物种植、水库大坝建设和土壤侵蚀等改变了流域下垫面条件，蒸发量增加，间接导致径流量降低。