基于趋势检验与经验正交的滦河山区流域水文过程分析

周君 吕世轩 武传号 张永强 张军龙

摘要 以滦河山区流域为研究对象，运用趋势检验、经验正交、Budyko敏感性系数等方法，对流域气象和水文要素及土地利用数据进行分析，探讨了变化环境下滦河山区流域水文响应过程。结果表明：①1961—2018年滦河山区流域降水呈不显著下降趋势（-3.4 mm／10 a），潜在蒸散发呈显著下降趋势（-7.5 mm／10 a），且二者空间变化方向具有一致性;径流呈显著下降趋势（-4.1×108 m3／10 a），并呈现出干湿交替的周期变化特征;②在人类活动影响下，整个变化期（1980—2018年）径流量减少11.8×108 m3;③归因分析表明，气候在径流变化的贡献中占比27.2％，人类活动的贡献度达69.6％，是引起滦河山区径流量减少的主要因素。

关键词 气候变化;人类活动;径流过程;滦河山区流域

中图分类号：P339  DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2023-01-004

Hydrological process analysis of the Luanhe Mountain Basin based on

trend test and empirical orthogonal approach

ZHOU Jun1，2， LYU Shixuan1，3， WU Chuanhao2， ZHANG Yongqiang4， ZHANG Junlong1

（1.College of Geography and Environment， Shandong Normal University， Jinan 250358， China;

2.College of Life Science and Technology， Jinan University， Guangzhou 510632， China;

3.Department of Civil Engineering， University of Bristol， Bristol BS8 1TR， UK;

4.Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes， Institute of Geographic

Sciences and Natural Resources Research， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101， China）

Abstract Trend Test， Empirical orthogonal function， Budyko sensitivity coefficient methods have been implemented in this study to analyze the variations of meteorological， hydrological and land use data in the Luanhe Mountain Basin and  to investigate the hydrological responses under the changing environment.The findings were：①There was an insignificant downward trend of the precipitation（-3.4 mm／10 a）and a significant downward trend of the potential evapotranspiration （-7.5mm／10 a）， and their spatial variation directions were consistent.The streamflow decreased significantly and with an apparent dry-wet shifted phenomenon （-4.1×108m3／10 a）;②Under the interference of anthropogenic activities， the streamflow decreased by 11.8×108m3during the entire period （1980—2018）.③ In terms of the attribution of streamflow change in the changing environment， the contribution rate of climate change took account to 27.2％， and the contribution rate resulted by anthropogenic activities was 69.6％. Therefore， the anthropogenic activities have been  the main factors influencing the streamflow reduction in the Luanhe Mountain Basin.

Keywords climate change; anthropogenic activity; streamflow generation; Luanhe Mountain Basin

河川徑流过程不仅对气候变化非常敏感，同时还对人类活动有所响应，是两者共同作用的结果［1］。全球气候持续变暖，引起降水量的时空分布发生变化［2］，蒸散发量增加，对流域水文循环过程的作用不断增强，径流量也因此发生改变，这增加了区域水资源的不确定性。另外，人类活动通过生态工程或城市扩张等方式改变流域下垫面，直接作用于流域水文过程。同时，人类对水资源不合理的利用导致河川径流减少，造成水资源短缺［3］。环境变化对流域水文过程的作用不断增强［4］。目前，在研究变化环境下径流变化过程方面，主要有两类方法：基于实测资料运用统计学方法和基于模型模拟方法，从单一（气候变化或人类活动［5］）或多要素分析［6］来探讨径流变化的影响因子。然而目前大多数研究结果侧重于对时间序列或空间分布模式单方面分析，鲜有研究将两者进行结合以分析流域时空特征变化情况，不能很好地揭示时段内空间变化的内在分布特征。滦河山区流域位于华北平原北部，是河北和天津等华北地区城市和工农业发展用水的重要来源。基于此，本文利用经验正交函数结合多种统计分析方法，对滦河山区流域的气象因素以模态的形式，通过时空向量场的分布特征分析，检验其时空变异一致性，系统地探讨了变化环境下滦河山区流域水文响应过程，为滦河山区生态水文过程研究提供了理论依据，对滦河山区水资源的合理分配，促进滦河山区经济、社会和生态环境的高质量发展具有参考价值。

1 研究区概况

滦河属于海河水系，发源于巴彦屯图古尔山北麓的小梁山［7］，自西北向东南流经内蒙古自治区、河北省和辽宁省，最终在河北省乐亭县汇入渤海［8］。滦河流域位于华北平原的东北地带（115°33′～119°36′E，39°44′～42°44′N），是温带大陆性季风气候［9］。滦河山区年平均气温处在2～12 ℃之间，年降雨量大致在400～700 mm之间，时间和空间分配不平衡，且年内和年际变化大［10-11］，6—9月为主要降雨期。流域山地和平原分别占总流域的98.2％和1.8％。本文以滦河流域的上、中游山地地区为研究区域（见图1）。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文考虑气象和水文站点的代表性以及数据的完整性，选取1961—2018年多伦、丰宁、围场等7个气象站的逐日气象数据进行分析（见表1）。径流数据采用滦河山区干流下游流域出水断面的滦县站（39.73°N，118.75°E）1961—2018年的年径流数据。另外，1980和2018年的滦河山区土地利用变化数据获取自中科院资源环境数据中心数据库（http：∥www.resdc.cn）。

3 结果与分析

3.1 滦河山区流域气候变化特征

采用线性回归、累计距平、MK非参数检验和经验正交法，对滦河山区流域降水（P）和潜在蒸散发（Ep）进行分析，得出流域气候变化特征。从图2A可以看出，1961—2018年滦河山区流域降水总体呈下降趋势，下降变化不显著（|Zc|<1.96， β=-3.4 mm／10 a）， 累计距平曲线表明降水在1979和1998年发生减少突变， 1989和2011年降水发生增加突变（见图2B）。 潜在蒸散发表现出显著下降趋势（|Zc|>1.96， β=-7.5 mm／10 a）见图2C、表3，累计距平曲线将潜在蒸散发分为2个阶段（见图2D），1961—1984年潜在蒸散发偏高阶段和1985—2018年潜在蒸散发偏低阶段，在1984年发生减少突变。

图3为气象因子经验正交主要模态的时空向量场分布图。从空间向量场可知，滦河山区流域降水和潜在蒸散发的特征向量值均为正值（见图3A、3C），表明1961—2018年流域降水和潜在蒸散发的空间分布变化具有一致性，且呈现西北—东南方向分布特征。滦河山区降水时间系数存在正负交替现象（见图3B），正值表示该年降水偏多，负值表示降水偏少，这表明流域降水量呈干湿交替现象。潜在蒸散发的时间序列场将其在近58 a的变化情况大致分为1961—1984年潜在蒸散发偏高时期，1985—2018年潜在蒸散发量偏低时期，总体呈现减少变化趋势（见图3D）。

3.2 滦河山区流域土地利用变化

图4为滦河山区流域1980和2018年土地利用空间分布。在滦河上游土地类型多为耕地和草地，林地多分布在中游地区。结合表4可以发现，1980—2018年林地是滦河山区流域最主要的土地利用类型，占比最大，其次为草地和耕地利用类型，三者总共超过滦河山区面积的90％。1980年建设用地分布较少（1.1％），未利用地相对较多（3.2％），人类对滦河山区开发程度较低;到2018年，建设用地面积显著增多（3.3％），且多沿河流分布，未利用地类型面积有所下降（2.5％），表明人类增大了对滦河山区的利用程度（见图4）。

由表5滦河山区土地利用的转移关系可知，就转换面积而言，1980—2018年草地转为林地面积最多（1 004.1 km2）。滦河山区建设用地主要由耕地、林地、草地变更而来，转换面积分别为650.0 km2、149.6 km2、219.7 km2。在流域土地转移中，耕地更容易转为建设用地，未利用地类型面积下降，主要转为耕地和草地（160.9 km2、332.1 km2）。滦河山区土地利用的变换表明，人类活动对下垫面的作用在不断增强，进而引起流域径流发生变化。

3.3 滦河山区流域径流变化特征

由滦河山区流域年径流量时间序列和累计距平可知，在1961—2018年，径流量最大值和最小值分别出现在1962年（80.3×108m3）和2010年（6.1×108m3），流域年径流量表现出显著下降变化（|Zc|>1.96，β=-4.1×108m3／10 a）（见表6），且具有明显的干湿交替特征（见图5）。径流量在1979和1996年出现减少突变，1961—1979年和1994—1996年径流量偏多，1980—1993年和1997—2018年径流量偏少。

3.4 滦河山区流域水文响应过程

由降水和潜在蒸散发与径流的相关性矩阵可知，降水与径流呈现正相关关系，且相关程度最高（R2=0.7），两者都表現出减少趋势（见图6），表明流域径流量减少主要是由于降水减少引起的。这与李杰等的分析一致，其通过对1965—2008年滦河流域年径流量与年降水量分析得知，降水量减少直接导致滦河流域径流下降［26］。周金玉等认为在气候要素中，降水对滦河上游径流的作用最大［27］。

滦河山区流域的潜在蒸散发与径流表现为负相关关系，相关程度相对较低（R2=-0.2），表明在滦河山区流域潜在蒸散发对径流的作用较小。已有研究表明，在中国主要流域中，与降水和下垫面变化相比，流域潜在蒸散发的改变对径流的作用相对较小［28］。

下垫面受到人类活动的影响，其组成和模式的变化对流域产汇流过程产生作用［29］。1980—2018年滦河山区流域林地面积增加，通过植被冠层截留和降雨下渗等过程，引起流域持水率增加，土壤水分又通过植被蒸散发，导致流域径流量减少。邓睿等认为林地面积增加，使土壤含水量上升，从而引起流域产流量减少［30］;吴杰昭认为林地面积增加，引起流域蒸散发能力增强，并使得产流量下降［31］，与本文分析结果一致。

注：直方图为各要素的分布情况;散点图为双变量的局部加权散点图平滑拟合情况，其中椭圆为95％置信度区间;数值为双变量的相关系数。

滦河山区流域降水-径流双累积曲线中有2个明显的时间拐点（1979年、1996年），与径流变化的突变年份相同（见图7）。为更好地分离人类活动对径流的作用，本研究将研究时期分为基准期（1961—1979年）、变化期Ⅰ（1980—1996年）和变化期Ⅱ（1997—2018年）3个阶段。基准期，滦河山区流域水文过程基本不受人类活动的作用;变化期，人类活动对滦河山区流域水文过程的作用日益明显。基于基准期双累积曲线得到变化期径流量还原值。由图7可知，基准期和2个变化期线性拟合的R2均大于0.9，拟合效果较好。在整个变化期阶段（1980—2018年），实测径流量（29.1×108m3）较模拟径流量（40.9×108m3）减少了11.8×108m3。在变化期Ⅰ和变化期Ⅱ期间，模拟的径流量分别为41.4×108m3、40.6×108m3，实测径流量分别为36.8×108m3、23.1×108m3，人类活动因素在2个变化期引起滦河山区径流分别下降了4.6×108m3、17.5×108m3。由此可见，近年来滦河山区水文过程受人类活动的影响在不断增强。

基于1961—2018年多年平均降水量（512.4 mm）、潜在蒸散发（834.4 mm）和径流量（109.6 mm），拟合得出下垫面参数ω（2.3）、径流对降水、潜在蒸散发和下垫面变化的敏感性系数QP（0.5）、QEp（-0.1）和Qω（-100.6）。若滦河山区流域降水增加1 mm，径流则增加0.5 mm;若潜在蒸散发量增加1 mm，径流则减少0.1 mm;若下垫面参数增加1单位，则导致径流减少100.6 mm。以上结果表明，下垫面因素变化对滦河山区流域径流形成过程的影响最大，潜在蒸散发因素对流域径流的影响最小。

根据累计距平和双累积曲线法将研究时期分为基准期（1961—1979年）和变化期（1980—2018年），将2个时期的气象水文变量分别代入式（12），估算出下垫面参数（见表7）。变化期与基准期相比，径流深减少了53.5 mm，下垫面参数增大0.4。由此可见，人类活动使滦河山区流域径流量下降了36.7％，对流域径流量影响增强。

从表8径流变化归因变量贡献率可知，在1961—2018年，气候变化导致流域径流深降低了14.6 mm，其贡献率为27.2％;人类活动使得滦河山区径流深下降了37.2 mm，贡献程度高达69.6％，是径流量减少的主要原因。

流域水文过程因变化环境作用而发生改变，其中气候和下垫面条件改变是引起流域产汇流发生变化的主要因素［32］。气候变化主要通过降水和潜在蒸散发直接或间接影响着水循环过程［33］。流域水文过程对气候系统的响应主要是径流的产流过程。王博等发现滦河流域降水量和径流量在1957—2008年均表现为不显著下降变化［15］，与本文滦河山区流域气象因子变化趋势一致，滦河山区气候变化总体表现出干热化的变化趋势，径流表现为下降趋势。人类活动通过农业灌溉引水、改变土地利用方式、改变水土保持状况和建设水电工程等影响水文过程，进而引起流域水资源的变化［34］。 1980—2018年滦河山区流域土地利用类型中面积减少的有耕地、 草地和未利用地类型， 面积增加的是林地及建设用地类型， 流域下垫面变化受人为因素的作用有所增强。 土地利用变化是人类对环境作用的侧面反映， 对流域径流变化的作用表现为降雨的再分配过程［35］。 流域水文过程对人类活动的响应主要体现在径流产汇流过程的变化。 滦河山区流域径流量下降受到气候变化和人类活动两方面条件变化的协同影响， 其中， 降水是引起径流发生变化的主控气象因子。 人类活动对滦河山区流域水文过程的作用不断增强， 逐渐成为滦河山区水文过程的主要环境影响因素。

4 结论

本文以滦河山区为研究对象，通过线性回归、相关性矩阵、Budyko敏感性系数等多种统计分析方法，研究了该流域1961—2018年变化环境下水文的响应过程。主要结论如下。

1）滦河山区流域降水呈不显著下降趋势，为-3.4 mm／10 a，并呈现干湿交替现象，潜在蒸散发表现出显著减少变化（-7.5 mm／10 a），且二者的空间变化方向一致。径流量在1961—2018年呈显著减少趋势（-4.1×108m3／10 a），且出现明显的干湿交替现象。

2）人类活动引起滦河山区流域径流量发生变化。基于累计距平和双累积曲线，将研究时期分为基准期（1961—1979年）、变化期Ⅰ阶段（1980—1996年）和变化期Ⅱ阶段（1997—2018年）。受人类活动影响，整个变化期径流量减少11.8×108m3，在变化期Ⅰ阶段径流量减少4.6×108m3，变化期Ⅱ阶段径流量减少17.5×108m3。

3）總体而言，气候变化对径流变化的贡献率占比为27.2％，降水是影响径流变化的主控气象因子（R2=0.7），人类活动的贡献程度高达69.6％，是流域尺度上引起径流变化的主要环境影响因子，且近年来人类活动对滦河山区水文过程作用在增强。

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（编 辑 亢小玉）