大渡河流域年径流变化特征及其归因分析

张岚婷，王文圣，刘浅奎，郑芳芳

(四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065)

流域水资源变化量、水循环过程皆和气候变化及人类活动有着显著关联[1-3]。确定径流量的变化特征，量化气候因素和人类活动对径流变化的作用，既具理论意义又有实用价值。在径流变化特征研究中，广泛应用了统计方法，并取得了大量研究成果。对于大渡河流域上的径流变化特征，国内学者已开展了一些工作，例如陈媛利用沙坪站1937—2008 年径流资料，对大渡河流域径流的变化特征进行了定性识别和定量分析[4]。定量分析气候变化和人类活动对径流影响的研究方法种类主要有水文模型模拟法类型和以气候弹性系数法、降水-径流双累积曲线法、敏感性分析法等为代表的定量评估法类型[5-8]，前者具备较好的物理基础，但参数存在一定的不确定性[9]；后者计算简单，但需要较长的数据序列且序列中的噪声会对评估结果造成干扰[10]。由王随继等[3]提出的累积量斜率变化率比较法，可以有效剔除噪声，能方便地分离出气候变化和人类活动对径流的影响，并被广泛应用于黄河流域、松花江流域和黑河流域。

本文收集1951—2012 年大渡河流域内气象站年降水量、年平均气温和铜街子站年径流量资料，采用多种方法、多种途径系统分析大渡河流域径流量的变化特征，同时探讨气候变化和人类活动对流域径流量变化的影响程度。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

大渡河是岷江的最大支流，干流长1 062 km，流域面积77 400 km2(不含青衣江)。泸定以上为上游，集水面积为58 943 km2，占全流域集水面积的76.2%；泸定至铜街子为中游，集水面积为17 440 km2，占全流域集水面积的22.5%；铜街子以下为下游，集水面积为1 017 km2，占全流域集水面积的1.3%[11]。铜街子水文站为大渡河流域径流的控制站，上、中、下游共选了14 个气象站。水文站及气象站分布见图1。

分别收集了1951—2012 年铜街子站的年径流量资料和14 个气象站年降水量、年平均气温资料。14 个气象站较均匀地分布在流域上，运用算术平均法计算流域面降水量和流域平均气温。

1.2 研究方法

1.2.1 径流变化特征分析方法 本文基于有序聚类法[12]、累积距平法及Pettitt 检验[13]对铜街子站年径流量序列进行突变点识别，3 种方法互为验证，拐点可信度更高；采用Mann-Kendall 秩次相关检验法[12]检验铜街子站年径流量的变化趋势；利用Morlet 小波分析法[14]识别出年径流量的多尺度时间变化和主要的周期成分。限于篇幅，这里不再赘述相关分析方法。

图1 大渡河流域气象站及水文站位置Fig. 1 Location of meteorological stations and hydrological stations of the Dadu River basin

1.2.2 径流变化归因分析方法 本文应用王随继等提出的累积量斜率变化率比较法（SCRCQ）[3]定量分析大渡河流域气候因素和人类活动对径流量变化的影响。累积量斜率变化率比较法的基本原理和步骤如下。

先确定突变年份，以突变年份为拐点，点绘拐点前、后时段不同累积量与年份的关系曲线，然后拟合拐点前、后时段相应累积量与年份的线性回归方程，突变前、后斜率分别计为Ka和Kb。

对于年径流量，突变前、后的斜率为KRa和KRb，累积径流量斜率变化率定义为：

式中：RSR为累积径流量斜率变化率。

同理，对于年降水，

式中：RSP为累积降水量的斜率变化率；KPa和KPb分别为突变前、后的斜率。

对于年气温，

式中：RST为累积气温的斜率变化率；KTa和KTb分别为突变前、后的斜率。

降水和气温对径流量的贡献率CP、CT由斜率变化率计算得出，

气候要素对径流量变化的贡献率（CC）为降水和气温因素贡献率的总和，即：CC=CP+CT。

人类活动变化和气候要素共同影响径流量变化，则人类活动对径流量的贡献率（CH）为：CH=1−CP−CT。

2 结果与讨论

2.1 年径流量变化特征

2.1.1 年径流量的趋势性 根据年径流量突变点识别中的突变年份把铜街子水文站年径流序列分为3 段：1951—1968 年、1969—1987 年和1988—2012 年。各时段的径流量均值显著不同且呈减少趋势。采用Mann-Kendall 趋势检验法分别对铜街子站不同时段的年径流量序列变化趋势进行识别，结果见表1。

由表1 可知，1951—2012 年期间，铜街子站年径流量序列表现为不显著的减少趋势；1951—1968 年期间和1988—2012 年期间，年径流量序列存在不显著的减少趋势；1969—1987 年期间，年径流序列表现出不显著的增加趋势。

表1 铜街子水文站年径流趋势Mann-Kendall 检验结果Tab. 1 Mann-Kendall test results of annual runoff trend at Tongjiezi Station

2.1.2 年径流量的周期性 采用小波分析法识别年径流量的周期成分，图2 绘制了年径流量序列小波方差，图3 给出了年径流量序列小波变换系数实部时频分布。由图3 能够看到年径流量演化过程中明显存在着多时间尺度特征，其中6～8 年、10～12 年、15～20 年、22～30 年尺度的周期震荡尤为突出；由图2 可知，年径流量的主要周期成分为7、11、17、28 年，其中28 年的时间尺度与最大峰值相对应，为流域年径流量变化的第一主周期，即28 年左右的周期震荡最强。

图2 铜街子站年径流量序列小波方差Fig. 2 Wavelet variance of annual runoff series at Tongjiezi station

图3 铜街子站年径流序列小波变换系数实部时频分布Fig. 3 Real part change process of wavelet analysis for annual runoff series at Tongjiezi Station

2.1.3 年径流量的突变性 本文采用有序聚类法、累积距平法及Pettitt 检验等3 种方法，对铜街子水文站1951—2012 年期间年径流量序列的突变点进行综合判别。

有序聚类法识别成果及累积距平法诊断成果见图4，识别出的年径流量序列突变年份均为1968 年。由Pettitt 检验（给定显著水平α=0.05）表明年径流量序列突变亦发生在1968 年。3 种检验方法可以推断出大渡河流域年径流量在1968 年存在显著性突变。

图4 1951—2012 年径流量序列突变点识别Fig. 4 Diagnosis of change point based on annual runoff from 1951 to 2012

同样采用3 种检验方法对铜街子水文站1969—2012 年期间年径流量序列进行突变点识别。由图5(a)的总离差平方和（Sn）变化量可知，有序聚类法无法寻求突变点。从图5(b)可以发现，该时期年径流量累积距平表现出先减少后增加的变化趋势，其突变点为1987 年。由Pettitt 检验亦得出1969—2012 年径流量序列突变年份为1987 年，故可推断大渡河流域年径流量在1987 年亦发生显著性突变。

图5 1969—2012 年径流量序列突变点识别Fig. 5 Diagnosis of change point based on annual runoff from 1969 to 2012

2.2 年径流量变化的归因分析

年径流量变化是诸多因素共同作用的结果，大渡河流域年径流量变化主要受气候因素和人类活动影响。气候变化主要通过水、热两方面来呈现影响，因此将气候因子归结为水因素和热因素，分别以降水和气温表征。

2.2.1 基准期和影响期下的年径流量、年降水量和年平均气温过程 以大渡河流域年径流量突变年份1968 年和1987 年为转折点将研究时段分为3 个时期：A 时段为1951—1968 年，B 时段为1969—1987 年，C 时段为1988—2012 年。大渡河流域年径流量在A 时段主要受气候变化影响，人类活动影响偏弱；B、C 时段人类活动增加，径流量受人类活动和气候变化共同作用。因此，将A 时段设为基准期，B、C 时段为影响期。大渡河流域在基准期及影响期年径流量过程、年降水量过程及年平均气温过程见图6。可见，大渡河流域年径流量多年来总体呈不显著下降趋势，降水总体呈微弱下降趋势，而气温总体呈上升趋势。

图6 大渡河流域年径流、年降水、年平均气温过程及其均值变化Fig. 6 Annual series and its average for runoff, precipitation and average temperature in Dadu River basin

2.2.2 不同时期累积年径流、降水量、气温与年份之间的相关关系 分别绘制累积年径流量与年份、累积降水量与年份和累积气温与年份在A、B、C 时段的关系曲线，并拟合线性关系，结果见图7。

以上各拟合关系的相关系数均大于0.999，表明年份与累积径流、累积降水量和累积气温的线性关系很好。

2.2.3 气候变化和人类活动对径流量的贡献率分析 表2 给出了大渡河流域累积年径流量、累积年降水量和累积年气温关系的斜率及其变化情况。

表2 不同时期年份与各累积量关系的斜率及其变化Tab. 2 Slope and slope change of relation between year and accumulated quantity in different periods

由表2 可知：

(1) 与基准期A 相比，影响期B 累积年径流量与年份线性关系的斜率减小了6.16 万m3/a，斜率变化率为−11.13%；与基准期A 相比，影响期C 的斜率减小了2.19 万m3/a，斜率变化率为−3.96%。

(2) 与基准期A 相比，影响期B 累积年降水量与年份线性关系的斜率减小了36.32 mm/a，变化率为−4.40%；与基准期A 相比，影响期C 的斜率小了23.88 mm/a，变化率为−2.89%。斜率变化率为负，表明降水序列有下降趋势，与图6(b)是一致的。

(3) 与基准期A 相比，累积年气温与年份线性关系的斜率增大了0.029 7 ℃/a，变化率为0.37%；与基准期A 相比，影响期C 的斜率增大了0.124 7 ℃/a，变化率为1.56%。斜率变化率均为正，且C 时段比B 时段变化率更大，表明气温序列呈现持续上升趋势，与图6(c)是一致的。

对大渡河流域而言，降水量增加，径流量亦增加，年径流量与年降水量呈正相关；气温升高，径流量减少，年径流量与年平均气温呈负相关。

由计算结果可知：(1) 与基准期A 相比，影响期B 的气候变化对年径流量减少的贡献率为36.22%，人类活动对年径流量减少的贡献率为63.78%。(2) 与基准期A 相比，影响期C 的气候变化对年径流量减少的贡献率为33.68%，人类活动对年径流量减少的贡献率为66.32%。

图7 累积量与年份的关系曲线Fig. 7 Relationship curves of cumulative quantity and year

2.3 讨 论

降水量对年径流量的影响在C 时段远高于B 时段，平均气温对年径流量的影响同样在C 时段远高于B 时段。综合考虑降水量和平均气温的共同影响，气候变化对径流量变化的贡献率在B、C 时段分别为36.22%、33.68%，气候变化的贡献率在C 时段略低于B 时段，而人类活动的贡献率反而增大。

平均气温升高导致径流量减少，一是江河湖泊水面蒸发增大致使径流量减少；二是流域内植物蒸腾作用及水分截留过程受到影响，随之改变径流量。

人类活动是大渡河流域径流量变化的主导因素。1970 年代以来，社会经济状况的转好、人口数量的增多使工农业用水量和生活耗水量加大，从而直接导致径流量减少；此外，大渡河流域上丰富的水力资源得到大量开发，诸多水利水电工程的修建与运行皆对径流量的自然变化过程产生影响；同时，工农业开发及房地产业等的快速发展使得土壤利用类型和植被覆盖率也发生了显著变化，进而使地表入渗、汇流及补给等水循环过程改变，间接影响到径流量。因此人类活动对年径流量减少的贡献率很大，且影响逐步加深。

累积量斜率变化率比较法在径流量归因分析的应用，均是处于将气候变化和人类活动视作两大完全独立因素的情景中，本文将降水和气温也当成互不干扰的两个气候因子来分别计算贡献率。实际上，气候变化与人类活动相互影响且关系密切，降水和气温之间也存在着一定的相关关系。寻求新的研究方法，对气候变化和人类活动的影响进行更科学地分离和判定，是归因分析研究需进一步开展的内容。

3 结 语

利用大渡河流域径流量及气象资料，通过多种方法分析年径流量变化特征，揭示了气候变化与人类活动对流域年径流量的影响，主要结论如下：

（1）大渡河流域年径流量在1951—2012 年、1951—1968 年和1988—2012 年期间呈不显著的减少趋势，1969—1987 年期间呈不显著的增加趋势；年径流量变化普遍存在6～8 年、10～12 年、15～20 年、22～30 年尺度的周期震荡，主要周期成分为7、11、17、28 年；流域年径流量在1968 年、1987 年发生突变。

（2）以人类活动轻微的A 时段（1951—1968 年）为基准期，影响期B（1969—1987 年）气候变化对年径流量减少的贡献率为36.22%，人类活动对径流减少的贡献率达63.78%；影响期C（1988—2012 年）气候变化对年径流量减少的贡献率为33.68%，人类活动的贡献率达66.32%。人类活动是大渡河流域年径流量减少的主导因素，气候变化是次要因素。

（3）揭示了大渡河流域近60 年来年径流量的变化趋势及主要影响因素的贡献率，为研究区径流量变化归因分析、水资源合理开发利用、生态环境修复与管理提供了参考。