基于Budyko假设的赣江流域径流变化归因识别

刘卫林，华惠玲，张景嵘，王 骏，汪云飞，刘丽娜

(1.南昌工程学院 江西省水文水资源与水环境重点实验室，江西 南昌 330099；2.兴国县永丰镇人民政府，江西 赣州 342415；3.景德镇市水利规划设计院，江西 景德镇 333000)

近年来由于受到气候变化和人类活动的共同作用，流域的水文循环过程发生明显改变，区域水资源安全问题日益严峻[1-2]。定量评估和区分气候变化与人类活动对径流变化的影响，识别影响径流变化的主要因素，对于维护流域水安全以及新形势下的水资源管理具有重要的科学意义。

许多学者对河川径流变化归因方面进行了大量研究[3-5]，大多数研究采用水文模型分析方法，如：刘艳丽等[6]采用水文敏感性分析和VIC模型分析了三川河流域人类活动和气候变化对径流的影响；刘剑宇等[7]采用多元回归模型与水文模型分析了1970—2009年气候变化和人类活动对鄱阳湖流域径流的影响。然而水文模型构建过程比较复杂，且参数率定过程繁琐，加之模型结构及参数存在较大不确定性，使得水文模拟结果可信度降低。耦合了水量平衡和能量平衡的Budyko假设理论为分析径流变化归因提供了新思路。张丽梅等[8]对渭河流域径流变化归因进行研究，结果表明下垫面变化是引起渭河流域径流锐减的主要因素。赵娜娜等[9]以若尔盖流域为研究区域分析径流变化原因，结果表明若尔盖流域径流变化的主要原因是下垫面变化，其贡献率可达93.46%。李秋菊等[10]对黑河流域径流变化进行归因分析，发现降水是径流变化的最主要因素。

赣江是长江主要支流之一，鄱阳湖水系中的最大河流。受全球气候变暖的影响，赣江流域降水、蒸发等水循环要素发生改变，同时，人类活动如土地利用/土地覆被变化、水利工程建设等也改变了流域水文循环过程与水资源演变规律。因此，全面深入地探讨变化环境下水文循环及水资源演变机理，研究气候变化和人类活动对赣江流域径流的影响，对维护流域水安全具有重要的意义。尽管许多学者在径流变化归因方面进行了大量的研究，但针对赣江流域径流变化的归因定量分析的研究相对缺乏。目前，部分学者以赣江下游出口外洲站的水文变化过程来研究气候变化与人类活动对整个赣江流域水文过程的影响[7,11]，但缺乏不同汇水区间的定量分析，因而不能全面揭示气候变化与人类活动对赣江流域水文过程的影响。本文在辨析赣江上游、中游及下游径流及降水、蒸发变化特征基础上，采用Budyko水热耦合平衡方程估算不同因素对流域径流变化的弹性系数，量化降水、潜在蒸散发以及下垫面变化对径流变化的影响，识别影响径流变化的最主要因素，揭示气候变化与人类活动对径流变化的影响机制，以期为赣江流域水资源开发利用、管理与保护提供科学依据。

1 研究区概况及数据

赣江是鄱阳湖水系中的第一大河流，也是长江八大支流之一，纵贯江西省南部和中部(图1)。赣江发源于江西石城县石寮岽，在赣州市城西纳章水后始称赣江，从河源至赣州为上游，赣州至新干为中游，新干至吴城为下游，并于永修县吴城镇注入鄱阳湖。主河道长823 km，流域总面积8.28万km2。赣江流域呈现以山地丘陵为主体的地貌格局，整个流域属于亚热带季风性气候，多年平均气温17.8℃，多年平均降雨量1 600 mm。

图1 赣江流域水文气象站点分布

选取赣江上、中和下游的3个代表站：坝上站、吉安站和外洲站，收集了3个站1953—2017年共65年实测流量数据，数据来源于水文年鉴及江西省水文局实测资料。研究区气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn)，包括赣江流域内的赣州、遂川、吉安、宜春和南昌等5个气象站点的1955—2017年逐日平均气温、最高和最低气温、日照时长、风速和相对湿度数据等。研究区潜在蒸散发(E0)采用联合国粮食及农业组织(FAO)推荐的Penman-Monteith公式的计算得到。

2 研究方法

2.1 趋势与突变检验方法

选用Mann-Kendall非参数检验法分析赣江流域水文气象要素时间序列的变化趋势。Mann-Kendall检验法是世界气象组织推荐使用的一种非参数检验方法，该方法不需要样本遵循一定分布且不受其他异常值的干扰，在水文气象变化趋势分析中有着广泛的应用[3,12]。Mann-Kendall检验统计量Z>0，表明序列呈增加趋势，若Z<0，则表示序列呈减少趋势。当检验统计量|Z|大于或等于1.96、2.58时，表示通过了置信度95%、99%显著性检验。同时，本文采用滑动t检验和有序聚类法对水文气象要素突变分析。具体方法介绍见文献[12]。

2.2 径流变化归因识别

2.2.1Budyko假设

气象学家Budyko[13]在对全球水量和能量平衡分析时发现，流域长期平均蒸散发量主要取决于大气对陆面的水分供给(降水)和蒸发能力(净辐射或潜在蒸散发量)2个因素的平衡，即为著名的Budyko假设。国内外有许多学者基于Budyko假设理论进行推导改进，进而提出许多不同的实际蒸散发表达式。其中，Choudhury[14]和Yang等[15]在Budyko假设的基础上，推导出流域水热耦合平衡方程即Choudhury-Yang的公式，其表达式如下：

(1)

式中ω——反映流域土地利用/土地覆盖及土壤等下垫面条件的参数；P——降水；E0——潜在蒸散发量。

分析长时间水文序列，储水量的变化一般假定为零值[8,10]。根据流域水量平衡原理，径流R可以表示为：

(2)

其中，潜在蒸散发量E0采用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算。

2.2.2敏感性分析

由式(2)可知，径流R可用流域内降水、潜在蒸散发及下垫面参数来描述，即R=f(P，ET0，ω)，则某因子xi(降水、潜在蒸散发等)对径流的弹性系数可表示为：

(3)

式中εxi——P、ET0或ω各因子对径流的弹性系数。

根据式(2)、(3)，应用微积分求偏导，则可得各因子弹性系数计算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式中φ——干燥度指数，φ=E0/P。

2.2.3归因分析

将径流变化量采用全微分形式展开，则降水(P)、潜在蒸散发(ET0)及下垫面(ω)对径流的影响可表示为：

(7)

式中 dR、dP、dE0、dω——径流、降水、潜在蒸散发及下垫面的变化量。

联合式(3)、(7)，则各因子对径流变化的贡献量dRxi及贡献率Cxi为：

(8)

(9)

式中xi——P、ET0或ω。

3 结果分析

3.1 水文气候要素变化特征

赣江流域1953—2017年降水、径流及潜在蒸散发变化过程见图2。从图中可以看出，1953—2017年，流域降水量与径流量年际变化总体表现一致，均呈现增加趋势，坝上站、吉安站和外洲站年径流量(年降水量)分别以4.3(9.9)、14.6(23.7)和14.0(28.3) mm/10a的趋势增加；流域潜在蒸散发整体呈现下降趋势，坝上站、吉安站和外洲站年潜在蒸散发下降速率分别为-9.7、-10.8、-10.4 mm/10a。采用Mann-Kendall非参数检验法对赣江流域水文气象要素序列的变化趋势进行分析，结果见表1。从分析结果可知，1953—2017年赣江流域径流趋势统计检验量为正值，但均小于1.96未达到0.05显著性水平，表明赣江流域径流整体表现为不显著增加趋势。赣江流域降水趋势统计检验量为正值，但均小于1.96，表明赣江流域降水总体上表现为不显著增加趋势。赣江流域潜在蒸散发量的统计检验值|Z|>1.96，特别是中下游统计检验值超过了2.58，达到0.01显著性水平，表明赣江流域潜在蒸散发量均呈现显著的下降趋势。

图2 赣江流域水文气象要素变化及径流突变检验

表1 赣江流域水文气象要素Mann-Kendall趋势检验结果

由对赣江流域3个代表站逐年径流量累积距平曲线可知，其上中游段在1972年达最小值，下游段在1991年达最小值。进一步采用滑动t检验法进行分析(图2)。上中游段径流t检验统计值在1972年分别为-2.23、-2.37，下游段径流t检验统计值在1991年分别为-2.82，均超过了0.05显著性水平。综合径流诊断结果，研究期内上中游段径流序列在1972年前后发生突变，下游段径流序列在1991年前后发生突变。因此，可以确定赣江上游、中游和下游的基准期分别为1955—1972、1955—1972、1955—1991年。

3.2 径流对气候要素及下垫面特征参数的敏感性分析

赣江上游、中游及下游不同时段的水文气象特征值及流域径流对降水、潜在蒸散发、下垫面特征的敏感性系数计算结果见表2。从表2可以看出，赣江上游、中游及下游在变化期的年均径流深、年平均降水量相较基准期均有所增加，增加幅度分别为17.7%、20.6%、13.7%及7.0%、8.1%、8.3%，而年平均潜在蒸散发相较基准期有少量减少，减少幅度为5.0%、4.8%、3.0%；径流系数(R/P)较基准期有所升高，增大了10.0%、11.6%、4.9%，而干燥指数(E0/P)则略有减少，减少了11.2%、11.9%、10.5%，说明变化期的气候条件相对基准期更湿润，气候变化有利于径流量的增加。赣江流域径流与P成正相关，但与E0、ω成负相关。径流对P、E0、ω的弹性系数变化范围分别为1.41～1.51、0.41～0.51以及0.43～0.59，这表明，当P、E0或ω每增加1%时将分别导致流域径流增加1.41%～1.51%，减少0.41%～0.51%以及减少0.43%～0.59%。其中，εp的绝对值最大，说明赣江流域径流对降水的变化最为敏感，但相对基准期而言，径流对降水的敏感性减弱。对赣江中上游而言，径流对降水变化最为敏感，对于下垫面属性的敏感性次之，而对潜在蒸散发的敏感性最小。对赣江下游而言，径流对降水变化最为敏感，对潜在蒸散发的敏感性次之，而对下垫面属性的敏感性最小。

表2 赣江流域径流对气候变化和流域属性的变化敏感性系数

3.3 径流变化影响因素定量分析

不同时期的气候变化和人类活动对赣江流域径流变化的定量评估结果见表3。由表3可知，赣江流域计算得出的径流变化dR′与实测的径流变化dR之间的差值(δ)较小，表明本文采用的方法能较好地评估各因素对径流变化的影响程度。从表3可以看出，赣江流域水文过程主要受气候变化影响，其影响高达70%以上；相较而言，气象变化对赣江下游径流的影响更剧烈。气候变化对赣江流域径流增加均起着正效应，其中以降水量变化影响为主。赣江流域降水对径流变化的贡献率均大于55%，其中降水变化对赣江下游径流变化的贡献最高，贡献率高达93.2%，即降水量的增加促使径流增加93.2%。潜在蒸散发对赣江流域径流影响程度较为一致，且均对径流增加表现为正效应，其贡献率为11.7%～13.9%，即潜在蒸散发的减少促使径流增加11.7%～13.9%。下垫面特征参数的变化对赣江中上游径流的影响较为显著，而对赣江下游径流影响较弱。对赣江中上游流域而言，下垫面特征参数对径流增加均起着正效应，贡献率为26.3～27.0%，即下垫面特征参数的减少促使径流增加26.3～27.0%；而下垫面特征参数对赣江下游径流的增加起着负效应，贡献率为-4.9%，表明下垫面特征参数的增加促使径流减小了4.9%，这可能是因为相对基准期，变化期赣江流域上中下游径流和降水的增加幅度都较大，上中游下垫面特征参数减少，分别为7.7%、9.8%，而下游下垫面特征参数增加且幅度微小，仅为1.7%，且远低于降水的增加幅度，因此赣江流域下垫面变化对上中游径流增加起着正效应，对径流为负效应。从赣江上游到中游人类活动对径流变化的影响加剧，从中游到下游人类活动对径流变化的影响又逐渐减缓并降至最低。由此可见，气候变化为赣江径流变化的主导因素，对径流增加起正效应，其中以降水量变化影响为主，降雨量变化的贡献率最大，为正贡献，潜在蒸散发次之。人类活动引起的下垫面变化对赣江中上游径流的影响较为显著，而对赣江下游径流影响较弱。

表3 气候变化与人类活动对赣江流域径流变化的评估结果

3.4 讨论

气候变化和人类活动是引起径流量变化的2个主要因素[16]。对赣江流域径流变化的影响机制分析可以看出，影响赣江各区间河川径流变化的主导驱动力是气候变化。气候变化对赣江流域径流增加起正效应，其中以降水量变化影响为主，降水对赣江流域径流增加的贡献率均超过了55%。这与前述分析较一致，流域径流量与降水量年际变化几乎一致(图2)，均表现为增加趋势。进一步对前后两阶段降水与径流相关性分析可知，降水径流相关系数均在0.70以上，表明2个阶段降水对径流影响均较大，其中，赣江下游降水径流相关性最强(基准期为0.83，变化期为0.81)，中游次之(基准期为0.82，变化期为0.77)，上游最弱(基准期为0.81，变化期为0.72)。本文分析结果与已有研究结果[7,11]比较一致。刘贵花等[11]以外洲站水文气象数据为基础，通过集总式水文模型定量分析了鄱阳湖流域赣江径流变化原因，发现降水量的变化是赣江流域径流量减少的主要因素。刘剑宇等[7]以鄱阳湖流域“五河”出口站水文气象数据为基础，采用水文模型和多元回归法定量分析了气候变化和人类活动对鄱阳湖“五河”径流的影响，结果表明气候变化是饶河、信江和赣江径流增加的主导因素。

人类活动是影响流域水文循环的另一因素[8-10]。通过上述不同阶段降水与径流相关性分析可知，相较于基准期，变化期赣江流域降水与径流相关性减弱，同时分析流域年降水及各站年径流变异系数可知，基准期上中下游降水变异系数与各站年径流变异系数分别为0.22/0.44、0.19/0.35和0.15/0.30，变化期上中下游降水变异系数与各站年径流变异系数分别为0.21/0.29，0.18/0.27和0.17/0.25，说明变化期除了降水这一主要影响因素外，人类活动也一定程度影响赣江流域径流变化。人类活动可通过土地利用变化、河湖围垦、植树造林和水利工程建设等方式直接或间接地影响河川径流。本次研究表明人类活动引起的下垫面变化对赣江上中游径流的影响较为显著，而对赣江下游径流影响较弱。通过对1990—2018年赣江流域土地利用分析，赣江流域主要以林地、耕地及草地分布为主，而流域内不同的土地利用类型具有不同的水循环及水文效应[17]，如周瑜佳等[18]利用陆面水文模型模拟赣江上游各土地覆被情景下的流域水文要素的变化情势，表明植树造林将使蒸散发量增加、年径流量减少，而耕地覆被情景下蒸散发量减少、年径流量增加。1990—2018年赣江流域耕地、林面积减少，草地、水域及城市建设面积增加，这些下垫面的变化对径流过程产生了一定的影响。总体而言，人类活动对赣江流域径流的影响要弱于气候变化对径流的影响。这与刘贵花等[11]研究结果相一致，其研究结果表明赣江流域土地利用变化对年径流量影响并不显著，但是流域内水库建设对径流的季节分配产生显著影响。刘剑宇等[7]也研究得出类似结论。水利枢纽工程的建设如赣江中游的万安、石虎塘和峡江梯级水利枢纽群，对水资源进行调控，实现防洪发电与经济效益，并对赣江径流过程产生一定的影响[19]。人类活动对流域径流变化影响复杂，不同类型人类活动相互叠加或相互削弱，径流量在不同类型人类活动共同作用下产生变化[7]。

4 结论

采用Mann-Kendall非参数检验方法对赣江上游、中游及下游1953—2017年径流序列进行趋势和突变分析，并应用Budyko水热耦合平衡方程对气候变化和人类活动对径流变化定量归因识别，主要结论如下。

a)赣江流域降水量及径流量呈现不显著增加趋势，潜在蒸散发总体呈显著下降趋势；赣江上游和中游在1972年前后发生突变，赣江下游在1991年发生突变。

b)基于Budyko假设水热平衡模型计算的弹性系数表明，赣江流域径流对降水的变化最为敏感。赣江中上游径流对降水变化最为敏感，对于下垫面属性的敏感性次之，而对潜在蒸散发的敏感性最小。对赣江下游而言，径流对降水变化最为敏感，对潜在蒸散发的敏感性次之，而对下垫面属性的敏感性最小。

c)气候变化为赣江径流变化的主导因素，对径流增加起正效应，其中以降水量变化影响为主。赣江流域降水对径流变化的贡献率均大于55%；潜在蒸散发对赣江流域径流增加影响较小，其贡献率为11.7%～13.9%。人类活动引起的下垫面变化对赣江中上游径流的影响较为显著，贡献率为26.3%～27.0%，而对赣江下游径流影响较弱，贡献率为-4.9%。