黃土高原昕水河流域徑流變化歸因定量分析

王國慶, 張建云, 賀瑞敏, 金君良,劉翠善, 鮑振鑫, 嚴小林, 宋曉猛

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室, 南京 210029;2.水利部應對氣候變化研究心, 南京 210029)

黃土高原昕水河流域徑流變化歸因定量分析

王國慶1,2, 張建云1,2, 賀瑞敏1,2, 金君良1,2,劉翠善1,2, 鮑振鑫1,2, 嚴小林1,2, 宋曉猛1,2

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室, 南京 210029;2.水利部應對氣候變化研究心, 南京 210029)

近幾十年來，黃土高原昕水河流域實測徑流量減少顯著，對區域生態環境及用水安全造成嚴重影響。采用水文模擬途徑，還原了天然徑流量系列，在此基礎上，定量評估了氣候要素和水土保持等人類活動對河川徑流量的影響。結果表明，考慮融雪過程的水量平衡模型對昕水河流域徑流量具有較好的模擬效果，率定期及檢驗期Nash-Sutcliffe確定性系數均在70%以上，模擬的相對誤差也小于3%。徑流量系列自1966年發生了較為明顯的變化，1966—2010年流域徑流量深較前期減少29.2 mm，其中，包括流域水土保持措施的人類活動對河川徑流量變化的影響約站49.3%，氣候要素變化的影響略微偏高，約占50.7%。因此，在未來流域治理及生態文明建設中，氣候要素變化對流域水文水資源的影響必須引起足夠的重視。

昕水河流域; 徑流變化; 水文模擬; 歸因識別

河川徑流是受氣候變化和人類活動影響最直接和最重要的領域[1]，也是支撐區域經濟發展和生態環境改善的重要因素。科學認識江河徑流變化成因，對實現變化環境下流域水資源的有效管理和可持續開發利用等方面具有重要意義。黃土高原氣候干旱，由于氣候要素變化及水土保持建設等人類活動的影響，位于黃土高原腹地的昕水河流域徑流量發生了顯著性變化，對區域工農業用水安全及生態環境造成嚴重影響。科學定量評估氣候變化和人類活動對該流域河川徑流變化的影響，是昕水河流域治理開發及水資源管理的重要基礎工作。王國慶等基于近60 a的實測資料，分析了昕水河流域徑流演變規律，并初步定性揭示了河川徑流變化對環境變化的響應機制[2]。基于這一分析成果，本文采用一個考慮融雪過程的水量平衡模型，模擬了昕水河流域的天然徑流量過程，并定量評估分析不同環境要素變化(人類活動和氣候要素變化)對流域徑流量變化的影響。

1 資料與方法

1.1 流域概況

昕水河位于山西省境內，是黃河中游左岸的一級支流，流域面積4 326 km2，干流長度135 km。是山西省以及黃河流域生態建設的重點流域。

大寧是昕水河流域最下游控制站。收集整理了大寧站1955—2010年實測逐月徑流量資料以及流域內及鄰近周邊10個雨量站1955年以來的長系列降水觀測資料。昕水河流域多年平均降水量約為510 mm，具有年際變化較大且年內分配不均的特點，最大年降水量約為最小年降水量的2.2倍。多年平均氣溫約為9.0℃；6—8月份氣溫較高，一般均在20℃以上，12月至次年2月份，氣溫一直在0℃以下。大寧站多年平均年徑流為1.48億m3，其中：汛期徑流量約占年徑流量的62%左右[2]。

1.2 考慮融雪過程的水量平衡模型

模擬流域的天然徑流量過程是徑流變化歸因識別的重要關鍵[3-4]。已有研究認為主汛期高強度暴雨下的超滲產流是昕水河流域7，8月份洪水及汛期水量的主要原因，3月份氣溫升高引起的積雪消融是3月份凌峰產生的重要組成[2]。因此，選用的流域水文模型不僅能夠模擬半干旱地區的超滲產流過程，而且還必須適當考慮融雪過程及其氣溫變化對水文過程的影響。

根據物質守恒原理，綜合考慮超滲與蓄滿產流的特點，以及融雪產流的特征，王國慶等建立并逐步完善了月水量平衡模型[5]。通過與其它模型的應用對比，該模型具有與其它復雜模型相當的模擬精度[6]，因此，本研究中選用該模型分析流域水文對氣候變化的響應。

考慮融雪過程的水量平衡模型要求輸入逐月面平均降水量、氣溫和蒸發能力(一般由E601實測的水面蒸發代替)資料，將河川徑流劃分為地面徑流、地下徑流和融雪徑流三種徑流成分，不考慮地面徑流的匯流過程，認為地下徑流的出流在時間上滯后一個計算時段[5]。

根據氣溫變化，對降水進行了雨、雪劃分，降雨形成地面徑流，降雪首先累積，然后融化形成融雪徑流。部分降雨和融雪補充地下蓄水量；地下蓄水量一方面形成地下徑流出流，同時以蒸散發的形式損失。假定地面徑流是土壤含水量與時段降水量的線性函數，地下徑流按地下蓄水量線性水庫出流理論計算，融雪徑流量是氣溫的指數函數，同時正比于流域內的積雪量。模型共有4個參數需要率定，這些參數的物理意義相對明確，分別為：土壤蓄水容量，表征了土壤層的最大蓄水能力；地面徑流系數，是一個無量綱參數，取值大小與下墊面狀況和植被覆蓋度有關，植被較好的地區，取值相對較小；地下徑流系數，與土壤類型密切相關；融雪徑流系數，該參數反映了融雪產流的特性[5]。

選用Nash-Sutcliffe模型效率系數R2和模擬總量相對誤差Re為目標函數進行參數率定，若Re越接近于0，同時R2越接近于1，說明模擬效果越好[7]。采用人工交互對話或Rosenbrock等優化方法，進行水文模型參數優化。

2 結果與分析

2.1 昕水河流域天然徑流量模擬

為防治水土流失，自20世紀70年代以來，昕水河流域水利化程度提高顯著，流域內的這些人類活動在一定程度上改變了下墊面條件，使流域的水文狀況發生了一定的變化。已有分析結果表明，大寧站實測流量系列以1965，1980年為分界點呈現三個階段變化特征[2]。1965年以前由于人類活動較少，因此可將該時期作為天然時期進行模型參數的率定，率定出的模型參數可以反映天然徑流量的變化特性。

以1955年作為模型預熱期，利用1956—1960年的資料率定模型參數，將1961—1965年作為驗證期檢驗模型的模擬效果。圖1給出了1955—1965年大寧站實測與模擬的逐月流量過程。由圖1可以看出，1956—1965年期間實測徑流量與模擬徑流量總體較為吻合。統計結果表明，率定期和檢驗期模擬整體誤差分別為0.5%和2.7%，Nash-Sutcliffe模型效率系數分別為76.2%和71.3%，說明模型對昕水河流域具有很好的月徑流模擬效果。

保持模型參數不變，將1966—2008年期間的氣候要素資料輸入模型模擬該時期的天然徑流量過程，圖2給出了大寧站1955—2010年實測與模擬的年徑流量過程。由圖2可以看出，模型對前期(1955—1965年)的年流量過程模擬效果較好，后期特別是1979年以后的模擬徑流量明顯高于實測徑流量，由此說明，特別在1979年以來，人類活動對河川徑流量的影響更為明顯。

圖1 昕水河大寧站1955-1965年實測與模擬逐月徑流量

圖2 昕水河大寧站1955-2010年實測與模擬的年徑流量

2.2昕水河流域徑流量變化歸因定量評估

對大寧站1955—2008年的實測年徑流量序列診斷結果表明，大寧站實測流量變化具有較為明顯的階段性，總體可劃分為三個階段，1955—1965年、1966—1979年和1980—2010年。已有研究認為，氣候要素變化和人類活動是昕水河流域河川徑流量銳減的主要驅動因素[2]。統計結果表明，截止到2000年，昕水河流域內共修建中小型水庫2座，總庫容達

到710萬m3，修建骨干工程12座，總控制面積61 km2；淤地壩885座，谷坊3 867道，水窖19 554眼；修建梯田17 951 hm2，造喬木林23 793 hm2，種草3 332 hm2，淤成壩地1 794 ha。1966—1979年和1980—2010年的年降水量分別為536.8 mm和482.0 mm，較1955—1965年分別減少41.5 mm和96.3 mm；后兩個階段氣溫升高幅度也較為顯著，分別較1955—1965年升高0.85℃和1.76℃。

保持水文模型參數還原天然徑流量具有成因上的一致性，徑流量的變化則主要反映了氣候要素波動或變化的影響，而實測徑流量與模擬的天然徑流量之間的差異則主要體現了人類活動對流域水文的影響。因此，以1951—1965年的實測徑流量(55.58 mm)作為基準，1965年之后不同時期實測徑流量與基準值的差異則包含了兩部分，一部分是由于氣候要素包含影響造成的，另外一部分則是由人類活動影響造成的。表1給出了各階段徑流量變化的歸因分析結果。

由表1可以看出：(1) 基準期1951—1965年天然年徑流量約為55.58 mm，其后各階段的模擬的天然徑流量均較基準期有不同程度的減少，說明氣候要素變化引起了徑流量的減少，1966—1979年和1980—2008年由于氣候變化引起的徑流量減少量分別為7.25 mm和18.43 mm，較基準期分別減少了13.1%和33.2%。(2) 1965年以來的實測徑流量較基準期偏少程度也較為明顯，1966年以來的兩個時期內由于人類活動引起的徑流量減少量分別為10.46 mm和16.25 mm，占基準期徑流量的18.8%和29.2%。(3) 人類活動和氣候變化對河川徑流量的影響均呈現增加趨勢，相比而言，1980年以來由于氣候變化引起的徑流量減少更多，就1966—2010年期間而言，人類活動和氣候變化對徑流量的影響基本相當，分別占徑流量總減少量的49.3%和50.7%。

表1 氣候變化和人類活動對大寧站徑流量的影響

盡管人類活動和氣候變化對1966—2010年河川徑流量的影響基本相當，但在季節分配上卻存在明顯的差異(圖3)。由圖3可以看出，人類活動在6月份對河川徑流量的影響具有增加趨勢，在其他月份均為減少趨勢，其中，在7—12月份影響較大，特別是8月份，該月平均徑流量較基準期減少6.74 mm。氣候變化對大寧站各月徑流量的影響均為減少趨勢，其中，對5—10月份徑流量的影響更大，特別是7—9月份，該時期平均月徑流量較基準期減少2.80 mm左右。

值得注意的是，盡管水土保持措施在一定程度上消減了河川徑流量，但攔蓄的降水有效改善了區域環境生態，具有較好的生態環境效益。然而，以氣溫升高、降水減少為特征的氣候要素變化卻是毫無疑問地減少了流域的可利用水資源量，進一步加劇了區域水資源供需矛盾。

圖3 人類活動和氣候變化對大寧站1966-2010年徑流量影響的季節分配

3 結 論

考慮融雪過程的水量平衡模型對昕水河流域天然徑流量具有較好的模擬模擬效果，率定期和檢驗期的模擬相對誤差小于3%，Nash-Sutcliffe模型效率系數均大于70%，可以采用該模型還原強人類活動影響時期的天然徑流量過程。

大寧站實測徑流量系列在1966年發生了較為明顯的變化，1966—2010年流域徑流量深較前期減少29.2 mm，人類活動和氣候要素變化對河川徑流量變化的影響各占50%左右，相比而言，氣候要素變化的影響略微偏高。在季節分配上。人類活動對后半年(7—12月份)河川徑流量的影響較大，而氣候要素變化對徑流量的影響主要發生在4—10月份。

昕水河流域水資源短缺，以全球氣候變暖為主要

特征的氣候變化將對區域水資源產生重大影響，并可能進一步加劇水資源利用壓力。因此，科學評估未來氣候變化對昕水河流域水資源的影響，探求有效的適應對策，將是昕水河流域實現水資源可持續利用和有效管理的重要工作和研究方向。

[1] Bates B, Kundzewicz Z W, Wu S, et al. Climate change and water[M]. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), 2008.

[2] 王國慶,張建云,李雪梅,等.黃土高原昕水河流域徑流變化及其對環境要素的響應[J].水土保持研究,2014,21(3):192-196.

[3] 賀瑞敏,王國慶,張建云.環境變化對黃河中游伊洛河流域徑流量的影響[J].水土保持研究2007,14(2):297-298.

[4] Wang G Q, Zhang J Y, Pagano T C, et al. Identifying contributions of climate change and human activity to changes in runoff using Epoch detection and hydrologic simulation[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2011,18(11):1385-1392.

[5] 王國慶,李健.氣候異常對黃河中游水資源影響評價網格化水文模型及其應用[J].水科學進展,2000,11(6):22-26.

[6] Wang G, Zhang J, He R. Comparison of hydrological models in the middle reach of the Yellow River[J]. IAHS-AISH Publication, 2007:158-163.

[7] Nash J E, Sutcliffe J V. River flow forecasting through conceptual models part I:A discussion of principles[J]. Journal of Hydrology,1970,10(3):282-290.

AttributionofRunoffChangefortheXinshuiRiverBasinintheLoessPlateauofChina

WANG Guo-qing1,2, ZHANG Jian-yun1,2, HE Rui-min1,2, JIN Jun-liang1,2, LIU Cui-shan1,2, BAO Zhen-xin1,2, YAN Xiao-lin1,2, SONG Xiao-meng1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China; 2.ResearchCenterforClimateChange,MinistryofWaterResources,Nanjing210029,China)

The recorded runoff of the Xinshui River has experienced significant declining trend during the past decades, which has taken a huge challenge to local ecological environment restoration and utilization of water resources. Runoff series was naturalized by using hydrological simulation approach, impacts of climate change and human activities, including soil and water conservation measures implementation, were then analyzed. Results show that SWBM model performs well for monthly discharge simulation, Nash-Sutcliffe coefficients for calibration and verification periods are both above 70%, while relative errors are less than 5%. The recorded abrupt change of runoff series has occurred since 1966. Runoff depth over the basin in 1966—2010 reduced by 29.2 mm as compared to that in previous period, in which human activities contributed 49.3% of total runoff reduction, while climate change contributed to 50.7%. Therefore, impact of climate change on hydrology and water resources of the Xinshui River basin should be attracted sufficient attention with respect to soil and water conservation and ecological civilization construction.

Xinshuihe River basin; runoff change; hydrological simulation; attribution identification

2014-01-15

：2014-02-25

國家“973”氣候變化重大計劃項目(2010CB951103);國家自然科學資助項目(41330854;41371063);江蘇省“333工程”培養資金資助項目(BRA2012203)

王國慶(1971—),男,山東成武人,博士,教授,主要從事水文水資源和氣候變化影響評價等方面的研究。E-mail:gqwang@nhri.cn

P333.1

：A

：1005-3409(2014)06-0295-04