气候变化和人类活动对西汉水上游径流影响的定量研究

2023-09-08祝宗礼

水利建设与管理 2023年8期

祝宗礼

(甘肃省陇南水文站, 甘肃成县 742500)

随着社会经济的不断发展,气候变化和人类活动对区域水资源量时空变化的影响逐年加剧。经济建设速度加快,区域需水量大幅度增加,相关研究显示,全球200条河流中,22%的河流径流呈逐年显著减少趋势[1-2]。水资源量的时空分布不均,已经成为制约区域经济发展的最主要因素,在我国西北地区,这种影响更为突出,干旱气候条件对西北地区河川径流产生很大程度的影响,如何将气候变化和人类活动对河川径流的影响进行量化研究,一直以来是许多学者研究的热点。近些年,很多新的分析技术被广泛使用,如水保分析调查法[3-4]、水文模拟还原法[5-6],上述分析方法虽然在河川径流变化归因研究中取得良好效果,但模拟法存在很大的不确定性,受制于资料系列长度,模拟结果得不到很好的验证,在模拟时天然径流量与实际径流量有很大偏差。王随继等[7]提出了累积斜率变化率法,采用现有的资料,通过要素斜率变化来区分气候变化和人类活动对径流产生的影响量,被大量学者[8-12]所采用,已成为径流变化归因分析很有效的手段。

西汉水地处甘肃省陇南山区,流域内人类活动频繁,极端气候天气时有发生,对流域径流产生不同程度的影响。陈凯等[13]采用Pearson、Correl相关系数对输沙率与降水量、流量进行相关性分析,分时段建立输沙对降水、径流响应变化的线性和非线性回归方程,以SSE、RMSE、R-square值分析拟合度。结果表明:西汉水流域降水、径流对输沙的影响程度在1993年发生突变。杨亚军[14]采用Mann-Whitney法、Pearson相关系数法、模比系数差积曲线法对西汉水流域水沙序列变异做了诊断,研究认为西汉水流域径流呈逐年减少趋势,且序列在1993年后出现突变。申雄达[15]对1960—2020年西汉水径流做了研究,结果表明:1960—1970年径流呈现增加的趋势,1970—2020年径流量基本呈现减少的趋势,整体呈减少的趋势。由此可见,关于西汉水径流泥沙方面的研究属于热点,但是针对西汉水上游径流的变化归因研究较少。西汉水上游是指大桥水文站以上流域,上游区属于西秦岭与黄土高原交汇区,地势平坦,多为河谷平原,人口稠密,水电站密度较大。因此,对上游区的径流变化进行归因分析很有必要。上述文献在径流变化研究方面虽取得了一定的研究成果,但针对性稍有欠缺。本文收集了上游控制站大桥水文站实测径流资料,在前述文献研究的基础上,采用累积斜率变化率法,对气候变化和人类活动对径流的影响展开定量研究,以期为流域水资源合理利用、水利工程建设提供科技支撑。本次研究对西汉水上游区水土保持、水资源规划具有深远意义,同时可对其他流域研究径流变化归因提供参考。

1 研究区概况

西汉水[16]地处嘉陵江上游,是嘉陵江水系较大支流之一,发源于天水境内的齐寿山,跨越黄土高原区和西秦岭山地两大地质区,发源地海拔在1951m以上,为黄土高原沟壑区,甘肃省境内河长约243km,流经天水市天水镇,陇南市礼县、西和县、康县、成县,于成县镡家坝村下游约30km处进入陕西省略阳县,河流上游多为河谷平原,植被覆盖率低,人口密度大,耕地发达。为了研究需要,以成县、西和两县交界为界限,以上为上游区。大桥水文站位于西和县大桥乡,集水面积6491km2,为国家重要水文站,可以作为西汉水上游段的控制断面,多年平均径流量为7.15亿m3。

2 资料及方法

2.1 资料来源

选取上游控制水文站大桥站的实测径流资料,通过多种方法对资料系列插补延长,将其展延到1956年,序列长度为1956—2021年。其中展延的资料已经在甘肃省第三次水资源评价中使用,经过验证,可以供研究使用,建站以来的实测资料均为经过整编后的水文年鉴资料,均通过了三性审查。

2.2 研究方法

对于时间序列变异年份的识别,一种研究方法很难确定其变异时间。对大桥站的年径流采用滑动t检验法、Pettitt检验法[21]、双累积曲线法对变异年份进行识别,确定序列突变时间。在此基础上,采用累积斜率变化率法,建立序列基准期和变异期,分析气候变化和人类活动对径流变化的贡献量。

2.2.1 滑动t检验法

滑动t检验法是通过对两组样本的平均值的差异是否显著来检验突变。其原理是通过两组样本的均值是否存在显著差异来判断总体平均值有无差异,当两组序列的均值差异超过了一定的显著水平时,可以判断出均值发生了变化,变化点即为整个水文序列的突变点。假设x1、x2为序列突变前后的两个序列,则构造统计量:

2.2.2 Pettitt检验法

Pettitt检验法的检验原理与Mann-Kendall检验法的原理极其相似,是一种非参数检验法,其统计量为

假如t0时刻满足:

kt0=max|sk|,k=2,3,…,n

则说明t0为序列突变点,其统计量如下:

P=2exp[-6kt02/(n3+n2)]

假如P≤0.5,则认为该点为序列的突变点。

2.2.3 累积斜率变化率法

累积斜率变化率法是在双累积曲线法的基础上,以其因变量累积值的斜率变化情况来分辨对变量的影响程度的一种办法。这种方法不但可以通过两组序列的双累积曲线识别序列的突变时间,还可以通过斜率变化率识别因变量与自变量之间的受影响程度,假设降水量的累积斜率为Kp,累积径流量斜率为KR,气候变化贡献率为Cp,人类活动贡献率为CH,其计算公式如下:

CP=|KP/KR|×100%

CH=1-CP

式中:YRa和YRb分别为拐点前后变量的斜率;YPa和YPb分别为累积降水量在拐点前后的斜率。

3 结果与分析

3.1 年径流变异诊断

图1 西汉水上游径流量滑动t检验统计曲线

图2 西汉水上游径流量Pettitt检验统计曲线

西汉水流域在1984年暴发了特大暴雨洪水,由于上游地质条件属黄土区,本次洪水对河流的冲刷力度较大,对径流造成了很大影响,径流有可能在1985年以后出现突变,加之上游支流水量丰富,1990年后加快水利工程建设,对径流也造成了影响。因此,上述两种检验方法还不能更好地识别径流序列的变异时间,在此继续引入双累积曲线法,相对上述两种检验方法,双累积曲线法更具优点,对序列的变异转折表现得相对明显。对径流转折点进行识别,确定其变异时间,为进一步量化分析气候变化和人类活动对径流的影响打下基础。

采用GIS软件进行邻域分析,对流域内降水量进行垂直平分(泰森多边形)插值计算,得到西汉水上游多年平均降水量。点绘多年平均降水量-径流量双累积曲线,见图3。

图3 西汉水上游多年平均降水量-径流量双累积曲线

从图4中不难看出,径流序列出现了两个很明显的转折点。经分析,这两个点分别是1969年、1993年,也就是说序列在1969年、1993年出现了突变。将上述三种变异检验结果归纳统计于表1。三种检验方法均显示1993年出现变异,综合三种方法,最终确定1969年、1993年为序列的变异时间。检验结果与陈凯等[13]、杨亚军[14]、申雄达[15]等学者研究结果基本一致。

表1 三种检验方法变异时间统计

图4 西汉水上游年径流分时段降水量-径流量双累积曲线

3.2 基准期、变异期时段划分

采用累积斜率变化率法分析气候变化和人类活动对径流的影响,是在基准期、变异期时段划分的基础上进行的。根据图4给出的结论,对年径流序列进行基准期、变异期确定。最终确定1956—1968年为基准期,考虑到1969年序列已经变异,1969—1992年、1993—2020年为变异期,基准期记作Ja,变异期分别记作Ba1、Ba2。

3.3 气候变化和人类活动对径流影响的定量分析

按照3.2中的基准期、变异期的时段划分,将降水量(P)-径流量(Q)双累积曲线分点绘为1956—1968年、1969—1992年、1993—2020年三个阶段,西汉水上游年径流分时段降水量-径流量双累积曲线见图4。

采用累积斜率变化率计算公式计算,径流量第一个变异期Ba1(1969—1992年)内,气候变化、人类活动对其影响贡献率分别为45.9%、54.1%;第二个变异期Ba2(1993—2020年)内,气候变化、人类活动对其影响贡献率分别为36.8%、65.9%。很明显,第二个变异期Ba2受人类活动的影响明显要大。上述计算结果是相对于基准期的绝对变化量,而相对变化量为变异期Ba2、Ba1贡献率差值,则气候变化贡献率相对值为-9.1%,人类活动贡献率相对值为11.8%,说明人类活动对径流的影响在逐年增大。基准期Ja的径流量多年平均值为10.1亿m3,Ba1、Ba2的径流量多年平均值为7.783亿m3、4.919亿m3,绝对减少值分别为2.316亿m3、5.180亿m3,相对减少值为2.864亿m3。

按照气候变化和人类活动对径流的影响贡献率计算,在Ba1时段,气候变化和人类活动的绝对影响量分别为1.063亿m3、1.253亿m3;在Ba2时段,气候变化和人类活动对径流的绝对影响量分别为1.906亿m3、3.274亿m3;气候变化和人类活动对径流量的相对影响量分别为0.261亿m3、2.603亿m3。气候变化和人类活动对径流的影响贡献量统计见表2。