沙颍河流域水循环影响要素演变特征分析

韩宇平， 岳影， 穆文彬

(华北水利水电大学，河南 郑州 450046)

近一个世纪以来，高频率的气候变化和剧烈的人类活动的影响，使水文循环过程发生了不同程度的改变[1-4]。土地利用演变特征的研究也逐渐受到全球环境变化研究者的普遍关注[5]。淮河流域地处我国南北气候过渡带，其干旱、洪涝、旱涝急转事件多发[6]。沙颍河流域作为淮河流域的最大支流，受气候变化和人类活动的双重影响，流域水文循环过程也发生着显著的改变，水旱灾害日趋严重[7]。本文以沙颍河流域为研究区，选取与水文循环过程密切相关的要素(气象要素和下垫面)，系统分析年降水量、年均气温和年潜在蒸散量的趋势性、突变性和周期性的变化以及土地利用/覆盖变化的演变特征。通过对沙颍河流域气象要素和土地利用/覆盖变化演变特征的分析，有利于更好地了解沙颍河流域气象要素的变化特征和掌握土地利用类型的演变规律，并为相关部门在应对气候变化和优化土地利用结构方面提供一定的理论基础[8]。

1 研究区概况

沙颍河流域起源于河南省内乡县伏牛山地区，是淮河最大的一条支流，自西向东进入安徽省，在安徽省颍上县沫河口与淮河交汇，河道总长度620 km，流域面积为39 300 km2，约占淮河流域总面积的18%[9]，如图1所示。该流域属暖温带半湿润性气候，区域内由于海拔高度不同，温差变化较大，西部山区年平均气温10.7～12.9 ℃，东部平原区年平均气温为14.5～14.9 ℃；多年平均降水量为650～1 400 mm，6—9月是降雨的集中期，占全年降水量的42%左右[10]。沙颍河流域山丘地区多年平均蒸发量为1 170 mm，平原地区多年平均蒸发量为1 128 mm[11]。此外，随着城市化进程的加快，不透水面积增加，沙颍河流域的下垫面条件也发生了改变，如城镇化率从20世纪60年代的1.5%增加到2008年的4.6%[12-13]。

图1 沙颍河流域气象站点及水系分布

2 资料与研究方法

本研究所采用的气象数据来源于国家气象共享服务网[14]，文中选取流域及周边12个站点1961—2013年的日气象数据，利用泰森多边形法计算流域尺度的年降水量、年均气温和年潜在蒸散量，其中潜在蒸散量由Penman-Monteith[15]法计算得到。

采用5 a滑动平均法分析序列的变化趋势，并利用Mann-Kendall(M-K)法对该趋势性进行显著性检验。同时，选取M-K法进行突变性检验。因样本无需遵从某一特定的正态分布特征，少数异常值也对其不产生干扰，计算过程简单，被广泛应用于水文变量、气象要素等非正态分布的趋势分析中[16-17]。此外，因小波分析能清晰地揭示出隐藏在时间序列中的多种变化周期，充分反映系统在不同时间尺度中的变化趋势，能对系统未来发展趋势进行定向估计，且被广泛应用于气象和气候序列的时频分析中。本文选择小波函数对沙颍河流域水文气象要素进行周期性分析[18-19]。

选取沙颍河流域1980年、2000年、2014年3期土地利用的Landsat TM遥感影像，像元大小均为30 m×30 m。在进行土地利用类型分类之前，首先在ArcGIS10.5软件平台上，对3个时期的遥感图像进行投影、矢量转栅格、剪切、拼接和重分类；并将研究区土地利用类型归结为6类，分别为耕地、林地、草地、水域、城乡、工矿、居民用地以及未利用土地；为了更具体地了解沙颍河流域1980—2014年来土地利用类型的内部变化情况，本文基于GIS数据处理平台，叠加各时期土地利用现状图，得出沙颍河流域1980—2014年不同时期土地利用类型转移分布图，统计分析不同时期土地利用转移状况，从而对沙颍河流域土地利用类型演变规律进行分析[20-23]。

3 结果分析

3.1 气象要素演变特征分析

3.1.1 趋势性分析

1961—2013年沙颍河流域各气象要素的年际变化趋势如图2所示。由图2(a)可知，沙颍河流域的年降水量呈不显著的减—增—减的变化趋势，分别在20世纪80年代中后期和90年代后期发生转折。在显著性水平α=0.05下，统计量|Z|=0.072 8，小于Z0.05=0.225 0(Z0.05表示在α=0.05下对应的Z值统计量)，说明流域年降水量整体变化趋势不显著。由图2(b)可知，沙颍河流域的年均气温变化整体呈现出减—增的变化趋势(|Z|=3.290 0>Z0.05=0.225 0)，其中在20世纪60年代至80年代末期该年平均气温略有减少，自90年代初快速增加。从图2(c)可看出，沙颍河流域的年潜在蒸散量表现为减少态势，且变化趋势非常显著(|Z|=2.260 0>Z0.05=0.225 0)，在90年代中期发生转折。

图2 1961—2013年沙颍河流域气象要素变化趋势

3.1.2 突变性分析

沙颍河流域气象要素的M-K检验结果如图3所示，其中,UF为M-K突变检验中按时间正序计算出的统计量序列,UB为按时间逆序计算出的统计量序列。由图3可知，沙颍河流域的年降水量的UF和UB曲线存在多个交点，根据两曲线的交点及变化趋势，可判断出突变发生在1982年左右，但变化趋势不显著；年均气温的突变年份为2001年，并从2008年开始变化非常显著；年潜在蒸散量的突变发生在1972年左右，且变化非常显著。

图3 1961—2013年沙颍河流域气象要素的M-K突变检验结果

3.1.3 周期性分析

为进一步探究流域各气象要素在时间尺度下的变化特征，采用Morlet小波分析法计算各气象要素的小波方差图，如图4所示，图中的极值可以充分表示年降水量、年平均气温和年潜在蒸散量的主周期。由图4可知，年降水量的峰值从大到小依次对应的时间尺度为29、18、10 a，分别对应第1、第2和第3主周期，并在29 a左右的周期震荡最强；年平均气温和年潜在蒸散量的峰值从大到小依次对应的时间尺度均为28、15、7 a，分别对应第1、第2和第3主周期，且均在28 a左右的周期震荡最强。

图4 1961—2013年沙颍河流域气象要素的小波方差

3.2 土地利用类型演变特征分析

3.2.1 不同时期土地利用类型对比分析

沙颍河流域3期土地利用情况见表1，现分析沙颍河流域1980年、2000年以及2014年3期的土地利用类型。由表1可知：6类土地利用类型占比顺序为耕地>城乡、工矿、居民用地>林地>草地>水域>未利用土地。与1980年相比，2000年的土地利用面积减小的有耕地、草地、水域和未利用土地，面积增加的有林地和城乡、工矿、居民用地，其中，草地面积减小252.44 km2，耕地面积减小187 km2，居民用地面积增加386.34 km2，其原因在于经济发展和人口的增长，增加了对建设用地的需求，导致大量耕地和草地向其转化。与2000年相比较，2014年的土地利用类型中面积减小的有耕地、林地、草地以及未利用土地，耕地减少幅度最大，为1 406.02 km2，水域和城乡+工矿+居民用地面积分别增加80.12 km2和1 658.05 km2。原因在于自1996年开始，经济高速发展，城镇化率大幅度提高，加之毁林开荒现象仍存在，致使耕地、林地等面积减少，城乡、工矿、居民用地面积持续增加。

表1 沙颍河流域土地利用面积 km2

3.2.2 不同时期土地利用类型转化分析

沙颍河流域1980—2014年每种土地利用类型之间均互有转化。流域1980—2000年和2000—2014年土地利用类型的转移矩阵分别见表2和表3。

表2 1980—2000年沙颍河流域土地利用类型转移矩阵 km2

表3 2000—2014年沙颍河流域土地利用类型转移矩阵 km2

由表2和表3可知：沙颍河流域参与转移的土地利用面积分别为755.27 km2和8 124.39 km2，占流域总面积的1.92%和20.67%。

1980—2000年和2000—2014年两个时期的土地利用转移时空分布如图5所示。由图5可知:1980—2000年，沙颍河流域的土地利用变化主要发生在上游地区；2000—2014年变化较剧烈，土地利用的转变几乎覆盖整个流域，尤其是在沙颍河流域河南段。

图5 沙颍河流域土地利用转移的时间和空间分布

由图5(a)可知:沙颍河流域1980—2000年的土地利用类型转化较平缓，参与转化的面积仅有1.92%，耕地有377.09 km2的面积转化为城乡、工矿、居民用地；草地转化为耕地和林地的面积分别为116.23 km2和138.55 km2；其他类型虽互有转化，但转化面积较小。

由图5(b)可知:沙颍河流域2000—2014年的土地利用类型之间转化过程较频繁，参与转化的面积占20.67%，具体见表3。由表3知：耕地向城乡、工矿、居民用地转化剧烈，转化面积高达3 526.04 km2，同时，耕地也转化为林地、草地和水域，转化面积分别为353.15、271.85、311.10 km2；林地大部分转化为耕地，转化面积为519 km2，少部分转化为草地，转化面积为120.56 km2；草地转化为耕地的比例约占转化总面积的56.67%(转化面积308.35 km2)，草地转化为林地的面积为161.52 km2；水域和城乡、工矿、居民用地主要向耕地转化，转化面积分别为235.95 km2和1 990.53 km2。

4 结语

采用趋势分析、Mann-Kendall非参数检验和小波分析法，系统分析了沙颍河流域水循环过程重要驱动因子(气象要素和土地利用)的演变特征，同时，根据沙颍河流域1980年、2000年和2014年3期土地利用转移数据，得出不同土地利用类型的演变规律，主要结论如下：

1)气象要素。沙颍河流域的年降水量呈不显著的减—增—减的变化态势，降水序列发生突变的时间为1982年，第1主周期为29 a；年均气温在1961—2013年呈显著减—增的变化趋势，突变始于2001年，并以28 a左右的周期震荡最强；年潜在蒸散量在1970年左右开始突变，年际变化表现为显著减少的态势，其变化周期仍以28 a为主。

2)土地利用要素。耕地、城乡、工矿、居民用地和林地是沙颍河流域1980—2014年间主要的土地利用类型，占比约94%。随着经济的飞速发展，人口的持续增加，土地利用类型转化主要发生在耕地与城乡、工矿、居民用地之间，出现耕地面积逐期减少，城乡、工矿、居民用地逐期增加的现象，尤其是2000年以后土地转化更为剧烈。