近60年来渭河甘肃段径流演变及驱动因素

2023-01-09田晋华李正勤柯浩成田孟涵高金芳

水土保持研究 2023年1期

田晋华, 李正勤, 柯浩成, 梁靓, 田孟涵, 高金芳

(1.甘肃省水利厅兰州水土保持科学试验站, 兰州 730020; 2.兰州理工大学, 兰州 730050)

水资源是影响流域环境的重要因素。近年来，全球性的气候变化改变了流域水文循环态势[1]。另一方面，人类活动诸如水利工程、水土保持工程等直接或间接地影响到流域产汇流过程，其中以黄土高原渭河流域等最为典型。一般认为，径流过程受气候变化及人类活动的综合影响[2]，因此明确区分径流变化原因有助于科学认识水文过程，为指导地区水资源利用与管理提供科学依据。

径流变化驱动因素响应一直是行业研究的热门问题，国内外学者关于气候变化及人类活动对径流过程的影响进行了大量研究。张建云等[3]通过模型场景预测，分析了径流对气候变化的响应，发现气温升高和降水减少导致黄河中游径流减少。刘廷玺等[4]分析1957—2010年辽河流域径流变化，定量研究径流驱动因素响应，发现不同站点径流变化对气候变化与人类活动影响的响应程度差距较大。郭爱军等[5]研究表明近50 a人类活动对渭河径流减少的贡献率接近70%。岳永杰等[6]研究发现降水是根河径流变化的主要原因，但不同时期径流对降水量的响应不同。龚珺夫等[7]研究延河流域径流过程响应过程，发现人类活动对径流减少的贡献率达到56%，地区暖干化趋势明显。Li等[8]对汉江的研究表明气候变化是各季径流变化的主导因素，气候变化与人类活动对径流的影响呈现明显的季节动态性。Mwangi等[9]对肯尼亚马拉河流域的研究表明土地利用变化对径流影响贡献率达到97.5%。Yan等[10]通过VIC模型研究滦河流域，发现人类活动主要影响汛期径流，耕地转为建设用地对径流变化有巨大影响。由此可见，气候变化与人类活动对不同地区径流的影响差距较大。

现有渭河径流变化及驱动因素影响的研究一般都集中于渭河关中段，对于渭河甘肃段鲜有涉及。研究渭河甘肃段水文气象要素的演变及驱动因素的响应，对甘肃省东南部水土保持与水资源高效利用具有十分重要的意义。

本文以渭河甘肃段为研究区域，分析地区径流变化特征规律，在此基础上计算气候变化与人类活动对渭河径流变化的贡献率，为地区水土保持工作及水资源高效可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

渭河发源于甘肃省渭源县，是黄河最大支流，其干支流经陕甘宁三省，于陕西潼关汇入黄河。渭河干流全长818 km，流域总面积13.48万km2，其中甘肃省境内干流长316 km，北道站以上254 km，控制面积2.49万km2。流域属于温带季风气候区，大陆性气候特征显著，降水年内分布差异大，主要集中在7—9月。渭河甘肃段区域年降水量400～600 mm，年平均气温4～10℃[11]。研究区位置见图1。

图1 研究区概况示意图

1.2 数据来源

本文选取渭河干流北道水文站1953—2010年的月径流资料数据，资料来自于甘肃省水资源公报。北道站是渭河甘肃段的控制站点，可以较好的反映渭河甘肃段的径流特征。气象数据资料选择1953—2010年天水、华家岭、崆峒3个站点月气象数据资料，数据来自于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)。土地利用现状遥感监测数据选用1980年与2010年30 m土地利用数据，数据来自于地理国情监测云平台(http:∥www.dsac.cn/)。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall法 Mann-Kendall法[11]是一种非参数统计检验方法，其应用不受个别异常值的干扰，计算过程简便，因此适用于水文气象等非正态分布的数据，可用来分析水文气象时间序列趋势性与变异性。

构造时间序列x的秩序列Sk

(1)

式中:Sk是第i时刻数值大于第j时刻数值个数的累计数,i≥j。

定义统计量

(2)

式中：

(3)

(4)

其计算步骤为(1) 分别构造顺序与逆序时间序列的秩序列Sk，计算对应UFk与UBk。(2) 给定置信度α，若UFk>Uα/2，证明通过置信度为α的显著性检验，时间序列趋势显著。(3) 绘制UFk与UBk两条曲线，临界区间内的曲线交点为潜在突变发生时刻。

1.3.2 R/S分析法 Mann-Kendall检验只能对已有数据进行趋势性判断，如对未来趋势进行判断，则需要利用Hurst系数。R/S分析法[12]定义了定义极差R与标准差S。其比值即

R(t)/S(t)=(Ct)H

(5)

式中:H为Hurst指数,通过线性回归分析即可求取H。

H>0.5，未来变化表现为与原有趋势一致的正持续性，H越大，正持续性越强。H=0.5，则代表未来序列随机独立。如果0≤H<0.5，则代表反持续性。

1.3.3 累积距平法累积距平法[13]可根据图像曲线变动直观判断数据变化。对于序列x，其t时刻的累积距平值表示为

(6)

1.3.4 变差系数Cv变差系数Cv[14]是评价数据离散程度的相对指标，一般用来分析数据波动情况。Cv值越大，代表数据变化幅度越大。其计算公式为

(7)

式中:Ki为模比系数,即实测序列与均值的比值。

1.3.5 小波分析小波分析[15]可以通过变换突出时间序列中的多种变化周期，因此用来分析水文气象要素的周期性变化。在水文气象要素分析中选择小波函数时，一般选择复Morlet小波函数做为基函数。为降低噪声影响需要先对水文要素作标准化处理，其标准化方法如下[16]:

(8)

1.3.6 累积量斜率变化率法累积量斜率变化率法[17]是一种定量分离出气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率的方法，该方法通过计算基准期与人类活动影响期各累积量斜率变化率与径流累积量斜率变化率的比值，从而计算各因素变化对径流变化影响的贡献率。

将基准期定为a时期，影响期定为b时期，则前后两个时期的径流量为SRa与SRb，气温分别为STa与STb，降水分别为SPa与SPb。设降水对径流变化的贡献率为CP，气温对径流变化贡献率为CT，人类活动对径流变化贡献率Ch=1-CP-CT。其中

CP=(SPa-SPb)/|SPb|/((SRa-SRb)/|SRb|)×100%

(9)

CT=-(STa-STb)/|STb|/((SRa-SRb)|SRb|)×100%

(10)

2 结果与分析

2.1 渭河水文气象要素变化

2.1.1 渭河甘肃段径流变化特征对渭河甘肃段水文气象要素年际变化特征值进行计算处理，其详细结果见表1，表2。渭河近58年年径流量平均值为11.06亿m3，最大年径流量为30.34亿m3(1967年)，最小年径流量仅1.287亿m3(1997年)。通过线性回归分析对渭河甘肃段年径流趋势进行了判断，其结果见图2，由图2可知，渭河甘肃段径流量年际整体呈现下降趋势，年径流量以0.2亿m3/a的速度减少。径流序列Mann-Kendall检验通过置信水平α=0.01的显著性检验，Hurst指数H=0.87，表明未来一段时间内径流仍会呈现下降趋势，且下降趋势十分强烈。

表1 渭河甘肃段径流降水气温年际变化特征值

表2 水文气象要素趋势分析相关参数

2.1.2 渭河甘肃段降水变化特征渭河甘肃段近58年平均年降水量499.84 mm，其年际变化情况见图3。由图3可知，渭河甘肃段年降水量整体呈下降趋势，平均以1.52 mm/a的趋势减少。降水序列Mann-Kendall检验通过置信水平α=0.05的显著性检验，Hurst指数H=0.72，证明降水量未来下降趋势依然较为显著。

图2 径流量年际趋势

2.1.3 渭河甘肃段气温变化特征近58 a来，渭河流域甘肃段年平均气温为7.88℃，其年际变化情况见图4，由图4可知流域平均气温呈上升趋势，其H=0.76，表明趋势性较强。年平均最低气温序列H=0.88，趋势性十分强烈，年平均最高气温序列H=0.67，趋势性较强，3个特征值Mann-Kendall检验均通过置信水平α=0.01的显著性检验，其中最低气温上升对于气温升高的贡献更大，未来气温整体依然会延续显著上升趋势，与全球变暖背景相对应。

图3 降水量年际趋势

图4 年平均气温年际趋势

2.1.4 渭河甘肃段水文气象要素趋势预测通过R/S分析法对渭河甘肃段径流、降水及气温序列进行了分析，发现计算其Hurst指数均大于0.5，其中径流序列H=0.87，降水序列H=0.72，平均气温序列H=0.88，3个特征均表现为强正持续性，即未来的水文气象要素总体变化趋势与过去趋势相一致。结合Mann-Kendall趋势检验结果，认为未来一段时期内，渭河流域甘肃段整体会沿着气温升高、径流减少的趋势发展。

2.2 渭河甘肃段水文气象要素变异特征

2.2.1 渭河甘肃段径流变异特征绘制年径流累积距平曲线判断变异点见图5。由图5可以看出，1986年与1991年前后，累积距平值出现了趋势变化，由增加转为减少。

通过Mann-Kendall法对径流序列进行变异点的识别，取置信水平α=0.05，U(0.05/2)=1.96，绘制Mann-Kendall检验曲线图，其结果见图6。由图6可知，UF与UB两条曲线在1991年前后相交，交点处于两条临界线之内，因此可以认为径流序列突变发生在1991年。

图5 径流量累积距平

图6 径流Mann-Kendall检验

2.2.2 渭河甘肃段降水变异特征绘制降水累积距平曲线见图7。由图7可知，渭河甘肃段降水量累积距平值在1991年前后发生趋势改变，认为1991年为降水序列突变年。

通过Mann-Kendall法对径流序列进行变异点的识别，取置信水平α=0.05，U(0.05/2)=1.96，绘制降水序列Mann-Kendall检验曲线图，其结果见图8。由图8可知，渭河甘肃段降水序列在置信区间内出现了多个交点，表明研究期内存在多个潜在变异点。

图7 降水累积距平

图8 降水Mann-Kendall检验

2.2.3 渭河甘肃段径流变异年份有研究表明，进入20世纪90年代后，渭河流域出现干旱，且持续时间较长[18]。综合径流与累积距平曲线、Mann-Kendall检验曲线及实证分析，认为降水与径流均于1991年发生了突变。因此将1953—1990年认为是受人类活动影响较小的基准期，1991—2010年为人类活动影响期。

2.3 渭河甘肃段径流周期性变化

通过Matlab的小波分析工具箱[19]，计算处理序列的小波系数实部和小波方差，制作小波系数实部值等值线图与时间尺度小波方差图，分别见图9—10。小波系数实部值的正负代表年径流量丰枯，正值为丰水年，负值为枯水年，小波方差出现峰值的时间尺度即为径流变化的周期。小波方差的峰值越大，则代表该尺度的周期性越明显[20]。

分析小波系数实部等值线图，研究发现径流序列存在18～23 a，8～18 a，3～4 a等3个时间尺度的周期特征，小波方差图中存在3 a，14 a以及23 a等3个明显的峰值，与小波系数实部等值线图相对应。其中3 a尺度的变化在六七十年代表现稳定，23 a尺度的变化在1975年后表现稳定。14 a尺度对应小波方差最大峰值，说明14 a尺度左右的周期性更强，径流序列周期变化主要受14 a尺度周期控制，整个58 a在14 a时间尺度上经历了约3个丰—枯转换周期。渭河径流序列在近58 a内存在明显的丰枯变化，上述3个周期控制着径流序列在整个研究时间区间内的的变化特征，周期性特征显著。

图9 径流小波系数实部等值线

图10 小波方差

2.4 渭河甘肃段径流变化影响因素定量分析

利用高桥蒸发模型[21]对地区蒸发量进行估算，发现渭河甘肃段年平均蒸发量为363 mm/a，整体蒸发量呈现微弱下降态势，线性回归方程系数b=-0.312 4，蒸发量以每年0.3 mm的速度减少，相较于蒸发总量，可认为蒸发量变化不明显。降水量的减少直接导致径流量的减少，由于蒸发量相对变化不大，而径流资料变动比气象资料变动更剧烈，由此定性推测人类活动影响在其中发挥较大作用。

研究采用累积量斜率变化率法定量计算各种影响因素对径流变化的贡献率，该方法计算方便，已在黄河流域与黑河流域有较好应用[22]。

渭河流域甘肃段人类活动影响期较基准期相比，径流量下降8.02亿m3，下降率高达57.99%。降水量影响期较基准期下降61.97 mm，下降率为11.89%。年平均气温上升0.9℃，上升率为11.89%(表3)。

不同时期各影响要素累积线性拟合方程见表4，对影响因素贡献率进行定量分析，发现气候变化贡献率为37.57%(降水贡献15.99%，气温贡献21.58%)，人类活动影响贡献率高达62.43%。可以看出，在渭河甘肃段，人类活动的对径流减少的影响极为显著。

表3 基准期与人类活动影响期多年平均值变化

表4 不同时期累积量线性拟合方程

3 讨论

3.1 气候变化对渭河甘肃段径流的影响

气候变化是改变径流的主要因素。一般来说，径流量与降水量成正相关，与气温呈负相关[23]。降水减少直接导致径流减少，气温变化与潜在蒸发量成正相关关系[24]，气温升高，区域内的潜在蒸发量增加。夏军等[25]研究表明渭河流域自1956—2000年干旱程度逐渐加深，气温增高导致径流系数减小，且认为气候的暖干化将人类活动的不利影响进一步放大。研究表明，渭河甘肃段近58年来年降水量下降78.3 mm，年平均气温上升1.44℃，两个特征变化趋势均对径流减少有正向作用。

3.2 人类活动对渭河甘肃段径流的影响

人类活动对径流减少的影响主要体现在两个方面，直接方面如人类大规模取水、调水工程等，导致径流量的直接减少，间接方面在于人类活动例如城市地面硬化、水土保持工程等，改变了下垫面土地利用情况，影响到流域产汇流进而改变径流量[26]。

本文选取基准期(1980年)与影响期(2010年)的土地利用现状遥感监测数据，制作土地利用变化转移矩阵分析基准期与影响期的土地利用变化情况，以分析人类活动对于径流变化的影响(表5)。

表5 渭河甘肃段1980-2010年土地利用变化转移矩阵 km2

从土地利用转移矩阵中可以看出，从1980—2010年，渭河甘肃段建设土地面积显著增加，增加幅度为25.37%，建设土地增加对应人类聚居区的扩大、人口增长与用水需求上升，有研究发现城市化背景下土地利用类型的变化是导致径流变化的主要因素[10]。耕地总面积虽然减少，但是由于近年来渭河沿线诸如武山县等大力发展蔬菜种植产业，加大了农业取水量，也在一定程度上导致渭河径流量的减少。区域内林草总面积增加，植被通过增加降雨入渗、拦蓄径流影响地表径流[27]，导致地表径流减少。此外，多年来渭河流域修建了众多淤地坝，新修淤地坝具备拦蓄功能，淤地坝淤满后则具备减洪作用[28]，综合来看，黄土高原地区水土保持措施对径流量的减少有促进作用[29]。