白龍江上游徑流變化特征及其對降水和人類活動的響應

張曉曉, 張 鈺, 徐浩杰

(蘭州大學 資源環境學院, 甘肅 蘭州730000)

白龍江上游徑流變化特征及其對降水和人類活動的響應

張曉曉, 張 鈺, 徐浩杰

(蘭州大學 資源環境學院, 甘肅 蘭州730000)

摘要：[目的] 研究近50 a來白龍江上游徑流變化特征，并進一步分析徑流對降水的滯后效應以及降水與人類活動對徑流變化的影響。[方法] 以1961—2010年白龍江上游武都水文站的月徑流數據和白龍江上游氣象站月降水量數據為基礎，采用集中度和集中期、Mann—Kendall法、R/S分析法等多種數理統計方法，分析了近50 a來白龍江上游徑流量在年際、季節和月尺度上的變化特征，并預測了其未來可能的變化趨勢。[結果] 白龍江上游徑流年內分配極不均勻，多年平均集中度Cspan達34.92%。近50 a來白龍江上游年徑流量呈極顯著減少趨勢(p<0.001)，變化率為-3.942×108m3/10 a，Hurst指數為0.98>0.5，表明未來一段時間內白龍江上游年徑流量可能繼續呈減少趨勢。四季和1—12月徑流量均呈顯著減少趨勢(p<0.05)，年徑流量在1990年發生由多到少的突變。白龍江上游徑流對降水的響應存在滯后效應，且滯后時間有微弱延長趨勢。近50 a來白龍江上游徑流系數呈顯著減小趨勢(p<0.001)，降水量轉化為徑流的部分逐年減少，徑流系數在1990年后減少了0.14。[結論] 1990年之前，白龍江上游徑流變化主要受降水影響；1990年以后，人類活動逐漸成為影響白龍江上游徑流變化的主要因素。

關鍵詞：白龍江上游; 徑流變化; 降水變化; 人類活動

河川徑流是水循環的重要環節，又是水量平衡的基本要素，其變化規律及影響因素是水文學研究的重要課題[1-3]。河川徑流的時空變化主要受到氣候變化及人類活動兩方面因素的影響，其演變過程存在規律性。近幾十年來，隨著全球氣候變暖和人類活動的加劇，河川徑流發生了顯著變化。因此，研究近幾十年來河川徑流演化過程及機制，不僅有助于認識流域水循環對氣候變化和人類活動的響應，同時對流域內水資源的合理開發和配置均具有重要意義[4-5]。白龍江系嘉陵江支流，是甘肅省東南部重要的水源地。近幾十年來，受氣候變化和人類活動的影響，白龍江流域水資源發生了顯著變化。研究白龍江流域徑流變化特征及影響因素，對制定區域經濟社會發展戰略，促進區域工農業生產和生態環境可持續發展均具有重要參考價值[6-7]。目前已有不少研究涉及白龍江流域徑流年內、年際變化特征及徑流變化與氣象要素相互關系等[8-11]，但在徑流對降水的滯后效應以及降水和人類活動對徑流變化的影響等方面的研究還較少。本研究基于實測降水和徑流資料，以白龍江上游為研究區，采用集中度和集中期、Mann—Kendall法、R/S分析法等研究近50 a來白龍江上游徑流變化特征，并進一步分析徑流對降水的滯后效應以及降水與人類活動對徑流變化的影響，旨在揭示全球變化大背景下，白龍江上游徑流變化特征及由降水變化引起的水文效應，為流域水資源管理利用和生態預警提供理論依據。

1材料與方法

1.1　研究區概況

白龍江屬長江二級支流，嘉陵江一級支流，河流全長535 km，流域面積32 810 km2，發源于甘肅省碌曲縣與四川省若爾蓋縣交界的郎木寺鄉，向東流經碌曲、若爾蓋、迭部、舟曲、宕昌、武都、文縣、青川及廣元9個縣(市)，于昭化縣舊城北部匯入嘉陵江，主要支流包括岷江、白水江、達拉河、大團峪河、拱壩河和清江河。白龍江流域位于秦巴山地西部，青藏高原東緣，橫跨甘肅和四川兩省，受構造運動和流水侵蝕作用影響，該區多高山峽谷地貌，地貌類型包括山地、丘陵和盆地，地理位置介于102°31′—105°45′E，32°10′—34°23′N，海拔介于450～4 900 m，相對高差1 000～2 000 m，地勢由西北向東南遞減。武都水文站(104°55′E，33°24′N)以上流域為白龍江上游，其測驗斷面位于武都縣城區北峪河與白龍江交匯口下游約100 m處，斷面以上控制面積為14 288 km2，多年平均徑流量為3.98×109m3。白龍江流域氣候類型復雜多樣，具有明顯的季風氣候特征，流域上游氣候屬高寒濕潤型，年平均氣溫1～4 ℃，年降水量450～850 mm，主要集中在5—9月份，雨量約占年降水總量的78.44%。年蒸發量400～480 mm，主要集中在5—9月份，蒸發量約占年總量的86.85%。徑流主要集中在5—10月份，約占年徑流總量的73.01%。

1.2　數據來源

1961—2010年武都水文站月徑流量數據來自甘肅省水文年鑒與水資源公報。選取1961—2010年白龍江流域及其周邊區域20個典型氣象站月降水量數據，具體包括瑪曲、碌曲、臨潭、卓尼、岷縣、郎木寺、迭部、宕昌、若爾蓋、禮縣、西和、成縣、武都、南坪、文縣、康縣、平武、青川、廣元和劍閣站。引入經度、緯度、海拔這3個主要影響降水時空分布的影響因子，采用多元線性回歸加殘差分析法[12]對降水量進行空間插值，得到白龍江上游降水量的空間插值數據。采用交叉檢驗法，以誤差平均值和誤差標準差為指標對插值前后的數據進行T檢驗。檢驗結果表明，在99%的置信度下絕大部分數據的顯著性概率均大于0.01，插值結果可靠。

1.3　分析方法

采用Mann—Kendall法、集中度和集中期、R/S分析法、降水—徑流深度雙累積曲線法等數理統計方法，研究了白龍江上游徑流年際、季節(春、夏、秋、冬四季分別為3—5月、6—8月、9—11月和12月—翌年2月)及月尺度上的變化特征，并建立了降水和徑流之間的關系。

1.3.1Mann—Kendall檢驗法采用Mann—Kendall非參數檢驗方法進行趨勢分析，其優點是受異常值和數據分布特征的影響較小，被廣泛應用于水文和氣象時間序列的變化趨勢分析[13]。利用Mann—Kendall統計值進行趨勢顯著性檢驗時，先假設數據序列平穩且隨機獨立，通過兩尾檢驗于正態分布表中查出一定顯著性水平下的臨界檢驗值。當統計值大于臨界檢驗值時，認為數據序列變化趨勢顯著。同時Mann—Kendall統計值為正時表示序列呈上升趨勢，當Mann—Kendall統計值為負時表示序列呈下降趨勢。Mann—Kendall統計值的絕對值越大，表明序列變化趨勢越顯著。將數據序列逆序，再重復Mann—Kendall計算過程，得到另一統計值，若兩組統計值的交叉點位于信度之間，該點便是突變點的開始。本研究采用Mann—Kendall法研究了白龍江上游徑流的年際變化趨勢及突變情況。

1.3.2集中度和集中期集中度和集中期是采用逐月徑流來反映年內徑流集中程度和最大徑流出現時間的重要指標[14-15]。集中度和集中期的計算是將一年內各月徑流作為向量，月徑流的大小為向量的長度，所處的月份為向量的方向。從1月到12月每月的方位角分別為0，30，60，…，360度，并把每個月的徑流分解為x和y兩個方向上的分量，其計算公式為：

(1)

式中：R——徑流； Cd——集中度； D——集中期。

1.3.3R/S分析法利用R/S分析法計算徑流的長期相關性特征[16]，其計算方法為：給定一時間序列Xi，i=1,2,…,n，對于任意正整數n，定義：

均值序列：

(2)

累積離差序列：

(3)

極差序列：

Rξ=maxYξ-minYξ(ξ=1,2,…,n)

(4)

標準差序列：

(5)

考慮比值序列：

(6)

1.3.4雙累積曲線雙累積曲線法的基本思想是兩個變量按同一時間長度逐步累加，其拐點可作為分析變量階段性變化的依據[17-18]。本研究運用降水—徑流深度雙累積曲線揭示降水和人類活動對白龍江上游徑流變化的影響。

2結果與分析

2.1　白龍江上游徑流變化特征

由圖1可以看出，1961—2010年白龍江上游年徑流量呈減少趨勢，其變化率為-3.942 ×108m3/10a(R2=0.362， p<0.001)，Mann—Kendall秩序相關系數檢驗的統計值(M值)為-4.057<-2.57，表明白龍江上游年徑流量減少趨勢極顯著。采用R/S分析法預測未來白龍江上游年徑流量可能的變化趨勢，其Hurst指數為0.98>0.5，表明未來徑流量變化與現在保持相同的趨勢，即持續減少。結合M值和Hurst指數分析，若白龍江上游的氣候變化和人類活動依然保持現有趨勢或變化更為劇烈時，其年徑流量將繼續呈顯著減少趨勢。從白龍江上游年徑流量累積距平曲線的變化情況來看(圖1)，近50a來，白龍江上游年徑流量大致經歷了“增加—減少—增加—減少”4個階段：1961—1968年，年徑流量呈增加趨勢；1969—1972年，年徑流量呈減少趨勢；1973—1990年，年徑流量再次呈增加趨勢；1991年以后，年徑流量再次呈減少趨勢。

圖1　近50 a來白龍江上游年徑流量的年際變化特征

白龍江上游四季徑流量均呈遞減趨勢(圖2)，春季、夏季、秋季、冬季徑流量變化率依次為-0.422×108m3/10 a(R2=0.473，p<0.001)，-0.741×108m3/10 a(R2=0.338，p<0.001)，-1.291×108m3/10 a(R2=0.196，p<0.01)，-1.498×108m3/10 a(R2=0.214，p<0.001)，冬季徑流減少速率最快，其次是秋季、夏季和春季。由表1可以看出，Mann—Kendall秩序相關系數檢驗的四季徑流M值分別為-4.927，-4.077，-3.522和-2.886，均小于-2.57，表明白龍江上游四季徑流量均呈極顯著減少趨勢，且春季徑流減少最為明顯，其次為夏季、秋季和冬季。采用R/S分析法對四季徑流未來可能的變化趨勢進行預測，其Hurst指數分別為0.984，0.964，0.661和0.94，均大于0.5，表明白龍江上游四季徑流變化趨勢與現狀保持一致。結合M值和Hurst指數分析，若白龍江上游的氣候變化和人類活動依然保持現有趨勢或變化更為劇烈時，在未來一段時間內白龍江上游四季徑流量將繼續呈顯著減少趨勢。

采用Mann—Kendall秩相關分析法對近50 a來白龍江上游月徑流量序列進行分析(圖3)，結果表明，除6，8，10月徑流量呈顯著減少趨勢外，其余月份均呈極顯著減少趨勢。

圖2　近50 a來白龍江上游徑流量季節變化特征

季節Mann—Kendall秩次相關系數M值趨勢Mα=0.05Mα=0.01顯著性Hurst指數未來趨勢春-4.9269遞減±1.96±2.57極顯著0.9835遞減夏-4.0769遞減±1.96±2.57極顯著0.9644遞減秋-3.5216遞減±1.96±2.57極顯著0.6606遞減冬-2.8859遞減±1.96±2.57極顯著0.9399遞減

圖3　近50 a來白龍江上游月徑流量趨勢演化

2.2　白龍江上游降水與徑流的相互關系

白龍江上游徑流集中度的年際變化呈波動性(圖4)，50 a中有40 a徑流集中度在30%～50%之間，占80%，最小值為20.19%，最大值為48.43%，表明白龍江上游徑流相對集中在某幾個月內。近50 a來白龍江上游徑流集中度有微弱下降趨勢，其變化率為0.14 %/10 a(R2=0.001，p=0.827)，表明徑流年內分配有趨于均勻化的趨勢。白龍江上游徑流集中期亦呈波動性，且隨著時間推移，集中期有提前趨勢，其變化率為-0.794 d/10 a(R2=0.004，p=0.644)。從徑流集中期的時間分布范圍來看，主要集中在8月15日至9月15日，50 a中有34 a落在這一時間段內，占總年份的68%。白龍江上游降水集中度分布在41.98%～64.73%之間，大部分集中在50%～60%之間，且近50 a來降水集中度略有下降趨勢(圖4)，其年際變化率為-0.127 %/10 a(R2=0.001，p=0.796)。降水集中期分布在7月15日至8月15日，有42 a的集中期在7月20日至8月10日，占總年份的84%，且近50 a來降水集中期有提前趨勢，其年際變化率為-0.988 d/10 a(R2=0.034，p=0.199)。白龍江上游徑流主要以降水補給為主。對研究區年徑流深度和降水量進行相關分析，得到年降水量和年徑流深呈極顯著正相關性，相關系數為0.636 3(p<0.001)，表明降水對徑流變化有很強的控制作用。

徑流系數表示流域降水量轉化為徑流量的比率。分析可知，近50 a來，白龍江上游徑流系數呈顯著減小趨勢(p<0.001)，表明降水量轉化為徑流的部分在逐年減少。采用Mann—Kendall突變檢測法對白龍江上游年徑流量進行突變檢測得到(圖5)，徑流量在1990年發生了由多到少的突變，突變前(1961—1990年)平均徑流系數為0.52，突變后(1991—2010年)為0.38，表明突變后降水轉化為徑流的比率減少。

圖4　近50 a來白龍江上游徑流、降水集中度和集中期的年際變化

圖5　白龍江上游年徑流量Mann-Kendall突變檢測

徑流的形成受流域內氣候和下墊面等各種自然地理因素的綜合影響。

降水轉化為徑流需經歷停蓄階段、漫流階段和河槽集流3個階段。由于每次降水的強度和持續性不同，加之流域下墊面的影響，徑流的形成需要時間，因此流域內每次降水匯流至河道內需要一定的時間[19]，本研究運用降水和徑流的集中期來探討徑流對降水的滯后效應。

白龍江上游徑流集中期晚于降水集中期，且兩者波動形式基本一致，徑流對降水存在滯后效應(圖6)。徑流集中期相對降水集中期滯后的天數大致集中在15～40 d內，50 a中有34 a滯后時間在這一區間，占68%。徑流對降水平均每年滯后天數為22.6 d，表明從流域降水開始經過停蓄、漫流、河槽集流，然后匯流至河道大概需要20 d左右的時間。此外，近50 a來白龍江上游徑流滯后于降水的天數有微弱上升趨勢，其變化率為-0.442 d/10 a(R2=0.003，p=0.704)，各年代平均滯后天數為21.6，23.8，24.3，12.6和30.1 d，除20世紀90年代外，徑流對降水滯后天數均呈增加趨勢。

結合徑流系數年際變化特征和徑流—降水滯后性分析結果可知，隨徑流系數逐漸減小，徑流對降水的滯后時間逐漸增加，表明降水轉化為徑流的部分在減少，大部分降水被植物截留、填洼、入滲和蒸發，導致徑流對降水的滯后時間延長。

圖6　白龍江上游降水-徑流集中期對比及滯后時間的年際變化

2.3　白龍江上游降水和人類活動對徑流變化的影響

白龍江上游降水—徑流深度雙累積曲線在1968年以后發生顯著偏移(圖7)，且此年份位于徑流突變點之前，因此，可將1968年以前的時段定為徑流量未受人類活動干擾的基準期，并對降水—徑流深度雙累積曲線進行分段。

為了表明基準期選取的可行性，建立基準期內的累積降水∑P與累積徑流深度∑RD的相關方程，其方程為:∑RD=0.544∑P+12.565。依據基準期年降水和徑流深度資料，分析徑流深度與降水的相關關系，建立基準期內的徑流深度RD和降水量P的相關方程，其方程為：RD=0.63P-50.86，R2=0.884。根據年降水量與年徑流深度的相關方程可得到不同時段理論徑流深度，并將其作為天然徑流深度的近似值。各時段降水變化對徑流變化的影響值為基準期實測值與各個時段計算值的差值；人類活動對徑流變化的影響值為基準期實測值與各時段實測值的差值減去降水變化的影響值。由表2可知，20世紀90年代以前，降水的影響率大于50%，表明降水是影響徑流變化的主要因素。20世紀90年代以后，降水的影響率降到了20%左右，而人類活動的影響率達到80%左右，表明人類活動已代替降水成為影響徑流變化的主要因素，降水—徑流深度雙累積曲線的分段結果與徑流的突變時間相對應。1989年，我國正式批準開展長江中上游防護林體系建設。2000年10月，國務院正式批準了《長江上游黃河上中游地區天然林資源保護工程實施方案》。防護林工程與天保工程的實施改變了白龍江上游下墊面條件，植被條件的改善可使得更多的降水被截留和入滲，徑流對降水的滯后時間有所延長，降水轉化為徑流的比率有所下降，因此降水對徑流的影響程度有所降低。

圖7　白龍江上游降水-徑流深度雙累積曲線

起止年份降水/mm徑流深度/mm實測計算差值(計算值-實測值)/mm降水因子影響值/mm影響率/%人類活動因子影響值/mm影響率/%1961—1967640.00352.23352.21—————1968—1983600.34303.39327.2448.8425.0051.1823.8548.821984—1989578.14290.17313.2562.0638.9862.8123.0837.191990—2002605.35227.28330.39124.9621.8417.48103.1282.522003—2010600.40230.85327.27121.3824.9620.5796.4279.431968—2010596.06262.92324.5489.1327.7031.0161.6168.99

3結論與討論

(1) 近50 a來，白龍江上游年徑流量呈極顯著遞減趨勢，且未來的一段時間內徑流的遞減趨勢還將持續。四季和1—12月徑流量均呈顯著減少趨勢。

(2) 白龍江上游徑流對降水的響應存在滯后效應，50 a平均滯后天數為22.6 d，且滯后天數隨時間推移呈微弱增加趨勢。

(3) 受氣候變化和人類活動影響，白龍江上游年徑流在1990年發生由多到少突變。近50 a來，流域徑流系數逐漸減小，表明降水轉變為徑流的部分減少，更多的降水被植物截留、填洼、入滲和蒸發。

(4) 20世紀90年代以前，白龍江上游徑流變化主要受降水影響，其次為人類活動；20世紀90年代以后，人類活動對徑流的影響率超過降水，成為影響徑流變化的主要因素。

(5) 在分析氣候要素對徑流變化的影響時，本文僅考慮降水對徑流變化的影響，實際上徑流變化也會受到溫度、蒸發量、土地利用覆蓋變化等[20-22]的影響，因此在徑流變化原因分析上可能會存在一定誤差。白龍江上游徑流對降水滯后時間的延長以及徑流系數的減少可能與該區土地利用方式的轉變有關(例如長江中上游防護林體系建設、白龍江上游源區天然林保護工程等)，但流域土地利用方式的變化對白龍江上游徑流影響的過程和機制目前尚不清楚，這些都需要在未來的研究中進一步分析和說明。

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Runoff Variation Characteristics and Its Responses to Precipitation and Human Activities in Upper Reaches of Bailong River Basin

ZHANG Xiaoxiao, ZHANG Yu, XU Haojie

(CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000,China)

Abstract：[Objective] Researching the characteristics of runoff changing in the upper reaches of Bailong River in recent 50 years, and further analyzing the lagging effect of runoff to precipitation and the impacts of precipitation and human activities on runoff changes. [Methods] Based on monthly runoff observation data in Wudu hydrological station and monthly rainfall data in weather stations in the upper reaches of Bailong River basin in 1961—2010, the monthly, seasonal and annual variations of runoff in upper reaches of Bailong River basin and its tendency were analyzed using methods of concentration frequency, concentration period, Mann—Kendall test, rescaled range analysis, and so on. [Results] The annual runoff distribution in the studied area was extremely uneven. The multi-year average of runoff concentration frequency was about 34.92%; the inter-annual change of annual runoff demonstrated a decreasing trend significantly, at a rate of -3.942×108m3/10 a(p<0.001). The Hurst index was 0.98, which indicated that the decreasing trends of runoff in the studied area will continue in the future. The seasonal and monthly change of runoff also decreased significantly(p<0.05). The annual runoff dropped off abruptly in 1990 which indicated that annual runoff showed a significantly decreasing trend. There was an about 22.6 days hysteresis in the response of runoff to precipitation, and the hysteresis had slightly rising trend. The annual runoff coefficient showed that the runoff from rainfall decreased significantly(p<0.001) with the time due to plant interception, infiltration and evaporation in recent 50 years. The runoff coefficient after 1990 decreased by 0.14 as compared with the previous period. [Conclusion] Before 1990, precipitation was the dominant factors, whilst, the variations of runoff in the studied area were mainly attributed to human activities after 1990.

Keywords:the upper reaches of Bailong River basin; runoff change; precipitation variation; human activities

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0014-06

中圖分類號：P339

通信作者：張鈺(1963—),男(漢族),甘肅省平涼市人,博士,副教授,主要從事水資源規劃論證評價和水土保持方面的研究。E-mail:gszhangyu@126.com。

收稿日期：2013-12-10修回日期：2014-07-10
資助項目：國家自然科學基金項目“黑河上游土壤水文異質性觀測試驗及其對山區水文過程的影響”(91125010)
第一作者：張曉曉(1988—),女(漢族),黑龍江省齊齊哈爾市人,碩士研究生,研究方向為工程水文學。E-mail:xxzhang2011@lzu.edu.cn。