1961─2010年降水和土地利用變化對淮河干流上中游徑流的影響

唐為安，田紅，盧燕宇，謝五三，王勝

1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院 大氣探測與水循環(huán)實驗室，安徽 合肥 230026；2. 安徽省氣候中心，安徽 合肥 230031；3. 安徽省大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感重點實驗室，安徽 合肥 230031

1961─2010年降水和土地利用變化對淮河干流上中游徑流的影響

唐為安1,2,3，田紅2,3，盧燕宇2，謝五三2，王勝2

1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院 大氣探測與水循環(huán)實驗室，安徽 合肥 230026；2. 安徽省氣候中心，安徽 合肥 230031；3. 安徽省大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感重點實驗室，安徽 合肥 230031

為了研究近50 a來降水和土地利用變化對淮河干流上中游徑流變化的影響程度，利用逐日徑流和降水資料，采用線性趨勢、累積距平、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法和t檢驗等統(tǒng)計方法，探討了淮河干流上中游徑流的變化趨勢、突變等，并基于雙累積曲線，構(gòu)建了降水-徑流關(guān)系模型，定量估算了降水和土地利用變化對徑流的貢獻程度。結(jié)果表明，（1）淮河干流上游徑流量呈增加趨勢，其線性傾向率為0.08×108m3·a-1，而中游呈減少趨勢，其線性傾向率為-0.38×108m3·a-1，且中游徑流量CV大于上游；上游和中游降水量均呈增加趨勢，其線性傾向率分別為0.34和1.72 mm·a-1；徑流量的年際波動均大于降水量。（2）上游徑流量突變年份為1972年，降水對徑流量影響的基準(zhǔn)時段為1961─1972年；中游徑流量突變年份為1985年，降水對徑流量影響的基準(zhǔn)時段為1961─1985年。（3）相對于基準(zhǔn)時段，降水有利于徑流增加，而土地利用變化導(dǎo)致徑流減少。（4）土地利用變化是引起徑流變化的主導(dǎo)因素，對上游和中游徑流量變化的貢獻率分別為 76%和 74%；降水對徑流量變化起著次要作用，但其影響也不容忽視。

徑流量；降水；土地利用；淮河干流上中游

氣候變化和人類活動改變了水循環(huán)，對全球環(huán)境產(chǎn)生了影響，特別是水資源（Milly et al.，2008，Wagener et al.，2010）。氣候要素，尤其是降水在很大程度上決定了流域徑流。此外，流域本身的一些特性，比如土地利用、地表覆蓋等，也與徑流的產(chǎn)生密切相關(guān)（Wang et al.，2009）。氣候變化往往導(dǎo)致氣候要素的變化，比如降水，而人類活動往往會改變流域特性（Beven，2001；Kezer et al.，2006）。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第四次評估報告中指出，在全球持續(xù)變暖的情況下，探索自然變化和人類活動影響下的水資源演變規(guī)律是一個新的水科學(xué)問題（IPCC，2007）。近年來，國內(nèi)外諸多研究表明：氣候變化和人類活動已導(dǎo)致了明顯的徑流變化，且氣候變化和人類活動對徑流的影響程度存在區(qū)域差異性（Mondal et al.，2012；Liu et al.，2012）。此外，研究還發(fā)現(xiàn)僅氣候變化已無法解釋某些流域徑流的變化趨勢，人類活動比如土地利用、地表類型變化（LUCC）也同樣會改變水文進程，影響徑流的產(chǎn)生（Fu et al.，2004；Zhang et al.，2006；Raymond et al.，2008；Tomer et al.，2009）。例如，Raymond et al.（2008）認(rèn)為在理解Mississippi河流徑流增加時土地利用變化及其管理比氣候變化更重要。Wang et al.（2009）研究表明潮白河的徑流下降是由于流域土地利用變化等人類活動所導(dǎo)致的。由于兩大因素共同發(fā)生作用，導(dǎo)致其單獨的水文效應(yīng)往往難以區(qū)分（Tollan，2002；Chen et al.，2004），而這些信息對區(qū)域生態(tài)建設(shè)和水資源管理等決策是非常重要的。

目前，水文模型和數(shù)理統(tǒng)計是開展氣候變化和人類活動對徑流影響研究的主要方法。水文模型特別是分布式水文模型，可以較好地模擬出流域的水文狀況，是分析徑流變化的重要工具。郝振純等（2006）利用全球氣候模型（GCMs）與大尺度分步式水文模型相耦合評估了黃河源區(qū)對氣候變化的敏感性。但模型參數(shù)眾多，校準(zhǔn)往往比較復(fù)雜，而數(shù)理統(tǒng)計方法計算容易、操作簡單，可以對因人類

活動導(dǎo)致的環(huán)境變化的水文效應(yīng)進行有效的描述（張蕾娜等，2004）而被廣泛應(yīng)用。姚治君等（2003）采用Mann-Kendall（以下簡稱M-K法）、年徑流累積曲線和回歸分析等研究發(fā)現(xiàn)，人類活動是引起潮白河徑流減少的主要因素。李志等（2010）基于M-K法和雙累積曲線法分離了1972─2000年氣候變化和人類活動對黑河徑流的影響。李斌等（2011）基于6種Budyko公式評估了洮兒河流域中上游氣候變化的徑流影響，研究表明人類活動對流域水文過程具有顯著影響。

伴隨著氣候變化及人類活動影響，淮河流域徑流的演變規(guī)律發(fā)生了很大變化（寧遠(yuǎn)等，2003；Li et al.，2013）。近幾年來，已有學(xué)者開展相關(guān)研究（劉睿等，2013；Ma et al.，2014），但綜合分析兩者對淮河徑流影響的量化研究仍相對較少。因此，本文基于水文站點的實測徑流資料，兼顧淮河干流上游和中游，采用多種數(shù)理統(tǒng)計方法揭示徑流的變化趨勢，通過M-K法和滑動t檢驗在確定徑流突變點的基礎(chǔ)上，識別降水對徑流影響的基準(zhǔn)時段，并基于雙累積曲線，構(gòu)建降水-徑流的關(guān)系模型，定量地評估降水和土地利用變化兩個因素對徑流的影響程度，以期為區(qū)域水資源合理利用和可持續(xù)發(fā)展等提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

徑流數(shù)據(jù)選取淮河干流上游控制站王家壩、中游控制站吳家渡 1961─2010年的逐日流量數(shù)據(jù)作為水文分析的基礎(chǔ)，計算中各站點流量數(shù)據(jù)均換算成測站以上流域面積的徑流量；氣象資料來源于安徽省氣象信息中心的淮河干流 12個國家氣象站逐日降水資料。考慮到淮河干流氣象站點分布比較均勻，因此本文以河南省的桐柏、隨州、信陽、羅山、隨州、息縣、潢川、淮濱及固始9個氣象站點的年降水量的算術(shù)平均值作為干流上游降水量，以安徽省的穎上、阜南、霍邱、壽縣、鳳臺、蚌埠、淮南及懷遠(yuǎn)8個氣象站點的年降水量的算術(shù)平均值作為干流中游降水量。

1.2 方法

首先，采用M-K法（魏鳳英，2007）與滑動t檢驗確定徑流量時間序列變化趨勢以及突變時間，識別出降水對徑流量影響的基準(zhǔn)時段，所謂基準(zhǔn)時段，即該時段內(nèi)徑流量的波動主要是由降水等氣候要素變化引起的，而人類活動導(dǎo)致的土地利用變化等對徑流量的波動沒有影響或影響較小。M-K法是世界氣象組織推薦并廣泛使用的非參數(shù)檢驗方法，已在氣象（Zhang et al.，2011）、水資源（劉光生等，2012）、農(nóng)業(yè)（唐為安等，2011）等多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。

土地利用變化影響顯著期內(nèi)的實測徑流量與基準(zhǔn)時段內(nèi)的徑流量之間的差值主要包括土地利用變化影響和降水變化影響兩個部分，提出了二者對徑流量影響的分離方法。具體計算公式如下：

式中：ΔRT為徑流量變化總量；ΔRH為土地利用變化對徑流量的影響量，包括下墊面土地利用、地表覆蓋類型變化以及水利工程等所引起的徑流量的變化量；ΔRC為降水變化所引起的徑流量的變化量；RHR為土地利用變化影響顯著期內(nèi)的實測徑流量均值；RN為基準(zhǔn)時段內(nèi)的徑流量均值；HNR 為土地利用變化影響顯著期內(nèi)的天然徑流量，由雙累積曲線法構(gòu)建的徑流-降水關(guān)系計算得到；Hη與Cη分別為土地利用變化和降水變化對徑流影響百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 淮河干流上中游徑流量和降水量變化特征

近50 a來，淮河干流上游徑流量呈增加趨勢，其線性傾向率為0.08×108m3·a-1，中游呈減少趨勢，線性傾向率為-0.38×108m3·a-1。上游多年平均徑流量為75.8×108m3，中游為210.2×108m3。上游年徑流量最大值出現(xiàn)在2003年，中游出現(xiàn)在1991年，分別為140.1×108和526.2×108m3；上游年徑流量最小值出現(xiàn)在1966年，中游出現(xiàn)在1994年，分別為15.0×108和39.1×108m3。兩者的年際極值比，即最大與最小年徑流量比值，分別為9.32和13.46（圖1）。

由圖2可知，上游年徑流量在1961─1972年以及 2002─2010年期間呈增加趨勢，而其他時段呈減少趨勢；而中游徑流量在上世紀(jì) 60年代初、1978─1985年以及2002─2010年期間呈增加趨勢，而1965─1977年、1986─1990年以及1992─2001年期間呈減少趨勢。

近50 a來，淮河上中游年降水量均呈增加趨勢，其線性傾向率分別為0.34和1.72 mm·a-1。上游多年平均降水量為 1052.2 mm，中游為 945.4 mm；上游最大年降水量出現(xiàn)在1987年，為1460.2 mm，中游最大年降水量出現(xiàn)在1991年，為1505.6

mm；兩者的最小年降水量均出現(xiàn)在1966年，分別為532.8和486.4 mm（圖3）。

圖1 淮河上游（左）和中游（右）徑流量變化特征（1961─2010年）Fig. 1 Variations of stream flow in the upper (left) and middle (right) reaches of Huai River from 1961 to 2010

圖2 淮河上游和中游徑流量累積距平（1961─2010年）Fig. 2 Cumulative anomaly of annual streamflow in the upper and middle reaches of Huai River from 1961 to 2010

圖3 淮河上游（左）和中游（右）降水量變化特征（1961─2010年）Fig. 3 Variations of precipitation in the upper (left) and middle (right) reaches of Huai River from 1961 to 2010

由圖4可以看出，年徑流量的年際間的波動幅度明顯大于年降水量的波動幅度，分析表明，上中游徑流量的變異系數(shù)（CV）分別為0.47和0.53，年降水量的分別為0.22和0.23，年徑流量的CV均大于年降水量的。此外，中游年徑流量的 CV大于上游，說明淮河中游年際徑流量變化較上游更為劇烈，在水資源利用和管理上較上游難度更大。

圖4 淮河上游（左）和中游（右）徑流量和降水量距平百分率變化特征（1961─2010年）Fig. 4 Variations of streamflow and precipitation anomaly percentage in the upper(left) and middle(right) reaches of Huai River from 1961 to 2010

綜上所述，上游年徑流量及上中游降水量呈增加趨勢，而中游年徑流量呈下降趨勢，與降水量變化趨勢出現(xiàn)背離。上中游徑流量的 CV均大于降水

量，即徑流的年際變化程度較降水更為劇烈。可見，淮河干流年徑流量和年降水量的變化和波動趨勢不一致，在一定程度上說明了降水并非是影響徑流變化的唯一因素，非氣候因素擾動了降水-徑流關(guān)系。

2.2 降水對淮河上中游徑流量影響的基準(zhǔn)時段確定

M-K法分析結(jié)果表明：上游和中游年徑流量均未有顯著性變化趨勢（ 050.=α ，下同），且兩者UB與UF線均有數(shù)個交點（圖5），因此采用滑動t檢驗來進一步確定徑流量的突變點。

圖5 淮河上游（左）和中游（右）年徑流量M-K檢驗結(jié)果（1961─2010年）Fig. 5 Results of Mann-Kendall analysis of annual streamflow in the upper (left) and middle (right) reaches of Huai River from 1961 to 2010

滑動t檢驗結(jié)果表明，上游年徑流量在1972年前后出現(xiàn)顯著性差異，中游在 1985年前后出現(xiàn)顯著性差異（圖略），而M-K法在這兩個時間點上也檢驗出了突變點，且這也與上文年徑流量的累積距平分析結(jié)果是一致的。因此，最終確定上游年徑流量突變點為1972年，而中游年徑流量突變點為1985年。進一步確定降水對上游徑流量影響的基準(zhǔn)時段為1961─1972年，土地利用變化影響顯著期為1973─2010年；中游的基準(zhǔn)時段為1961─1985年，土地利用變化影響顯著期為1986─2010年。

2.3 降水和土地利用變化對徑流量變化的貢獻分析

利用年徑流量和降水量的雙累計曲線（穆興民等，2010），構(gòu)建基準(zhǔn)時段內(nèi)年徑流量與降水量關(guān)系模型，依據(jù)該模型估算土地利用變化影響顯著期內(nèi)的天然年徑流量，并利用式（1）～（5），估算土地利用變化影響顯著期內(nèi)的降水量和土地利用變化對徑流量的貢獻程度，計算結(jié)果如表1。

表1 降水和土地利用變化對淮河干流年徑流量的貢獻程度Table 1 The impacts of precipitation and land use change on annual streamflow in the Main Stream of Huai River

構(gòu)建的上游年徑流量與降水量關(guān)系模型為（圖6左）：

圖6 淮河上游（左）和中游（右）年徑流量和降水量雙累積曲線圖Fig. 6 Double mass curves of annual streamflow and precipitation in the upper(left) and middle(right) reaches of Huai River from 1961 to 2010

中游年徑流量與降水量關(guān)系模型為（圖6右）：

式（6）～（7）中，ΣR表示累積徑流量（109m3），ΣP表示累積降水量（103mm），r2表示相關(guān)系數(shù)的平方，ɑ表示顯著性水平。

由表1可知，降水變化和土地利用變化對徑流量的改變起著截然相反的作用。相對于基準(zhǔn)時段，土地利用變化影響顯著期內(nèi)降水變化對上中游徑流量均是正貢獻，起著增加徑流量的作用，即降水越多則徑流量越多，其中降水對上游徑流量的貢獻率為24%，中游為21%；而土地利用變化對上中游徑流量均是負(fù)貢獻，起著減少徑流量的作用，即土地利用變化越大則徑流量越少，其中土地利用變化對上游徑流量的貢獻率為76%，中游為79%。因此，無論是上游還是中游，人類活動所導(dǎo)致的土地利用變化是引起淮河干流上中游徑流量變化的主要因素，降水變化起著次要作用，但在當(dāng)前氣候變暖加速全球水循環(huán)的背景下，其對徑流量的影響也是不容忽視的。

3 討論

通過對淮河干流上中游降水量M-K分析表明：上游降水量在 1972年前后并未發(fā)生顯著性突變，中游降水量的變化趨勢在 1985年前后也未出現(xiàn)顯著性突變，所以上述時段導(dǎo)致上游和中游徑流量突變的主要原因，并不是氣候因素導(dǎo)致的，而是由人類活動導(dǎo)致的土地利用變化等所造成的（圖7）。通過對淮河上中游降水量的進一步分析表明，上游1973─2010年屬于降水偏多時段，降水量增加速率為1.32 mm·a-1，有利于徑流量的增加，而中游1986─2010年降水量增加速率為3.40 mm·a-1，也有利于徑流量的增加。

圖7 淮河上游（左）和中游（右）年降水量M-K檢驗結(jié)果（1961─2010年）Fig. 7 Results of Mann-Kendall analysis of annual rainfall in the upper(left) and middle(right) reaches of Huai River from 1961 to 2010

上世紀(jì) 80年代以來，淮河流域開始試點水土保持工作，并于 1984年編制了《淮河流域水土保持規(guī)劃》，著力減少坡耕地，增加植被，封山育林育草，一定程度上控制了水土流失。這些人類活動使得研究區(qū)域的土地利用、地表覆蓋發(fā)生變化，從而一定程度上引起了徑流的減少（肖幼，2000）。Zhang et al.（2011）研究表明：近半個世紀(jì)以來，受堤壩和防洪門等水利工程或設(shè)施的調(diào)控作用，淮河流域降水和徑流量的相關(guān)程度從上游到下游逐漸減小，由此說明，水利工程或設(shè)施對淮河流域徑流量的影響程度自上而下在逐漸增加。綜上所述，本文的分析結(jié)果與實際情況基本一致。

4 結(jié)論

本文利用淮河干流上中游 1961─2010年逐日降水和徑流量資料，在分析降水量和徑流量變化趨勢、突變等的基礎(chǔ)上，采用雙累積曲線法，構(gòu)建了降水-徑流關(guān)系模型，定量地估算了降水和土地利用變化對徑流量的貢獻程度。主要結(jié)論如下：

（1）近50 a來，淮河干流上游徑流量呈增加趨勢，傾向率為0.08×108m3·a-1，中游呈減少趨勢，傾向率為-0.38×108m3·a-1；上中游徑流量變化趨勢存在年代際差異。年降水量均呈增加趨勢，線性傾向率分別為0.34和1.72 mm·a-1。上中游徑流量的年際波動大于降水量，且中游徑流量和降水量的年際變率均大于上游。

（2）采用M-K法和滑動t檢驗，確定上游徑流量突變發(fā)生1972年，降水對徑流量影響的基準(zhǔn)時段為1961─1972年；中游徑流量突變發(fā)生在1985年，降水對徑流量影響的基準(zhǔn)時段為1961─1985年。

（3）采用雙累積曲線法，構(gòu)建了降水-徑流關(guān)系模型，并定量估算了降水和土地利用變化對徑流量的貢獻。相對于基準(zhǔn)時段，降水變化和土地利用變

化對徑流量的改變起著截然相反的作用，降水變化起著增加徑流量的作用，而土地利用變化減少了徑流量。

（4）人類活動所導(dǎo)致的土地利用變化是引起干流徑流量變化的主要因素，對上中游徑流量變化的貢獻率分別達76%和79%；降水變化主要起著次要作用，對徑流量的貢獻率分別為24%和21%，但其對徑流量的影響也不容忽視。

本文基于降水-徑流關(guān)系模型定量地分析了降水和土地利用變化對徑流量的影響，該方法可以較好地實現(xiàn)兩大要素的水文效應(yīng)分離，但需要注意的是文中氣候因子只考慮了降水，而并未涉及氣溫、蒸發(fā)等其它氣候因子對徑流量的影響，且僅通過統(tǒng)計方法分析了降水和土地利用變化對徑流量影響，雖對造成徑流量的變化原因進行了簡單的探討，但在徑流量變化過程中兩者之間的交互作用及其原理，卻未深入研究。因此在今后的研究中，應(yīng)結(jié)合氣象、水文、生態(tài)等多學(xué)科，融合遙感等多種監(jiān)測手段，從自然因素和人為因素著手，盡可能考慮較多的影響因子，借助水文模型更加真實地模擬流域徑流變化情況。

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平凹愛吃面，還愛結(jié)交做面的人。他的朋友中，岐山人不少，其中有一個因為做面而發(fā)達的大老板叫胡永豐。平凹為陜西面食飯店題寫的第一塊匾額就是“永豐岐山面”，現(xiàn)在是注冊商標(biāo)，已經(jīng)成為西安城里的金字招牌。這家店總店雄踞雁塔腳下，外地客人來來往往，如潮涌動，頭一眼看到的就是平凹題寫的門口牌匾。看到賈平凹的字，多半人會進來吃面。這就是名人效應(yīng)。

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Impacts of Precipitation and Land Use Change on the Main Stream of Huai River from 1961 to 2010

TANG Weian1,2,3, TIAN Hong1,2, LU Yanyu2, XIE Wusan2, WANG Sheng2
1. Key Laboratory of Atmospheric Sciences and Satellite Remote Sensing of Anhui Province, Anhui Institute of Meteorological Sciences, Hefei 230031, China; 2. Anhui Province Climate Center, Hefei 230031, China; 3. Laboratory of Atmosphere Observation and Water Cycle, School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

In order to evaluate the impacts of precipitation and land-use change on the streamflow in the upper and middle reaches of Huai River from 1961 to 2010, this study analyzed the tendency and mutation of streamflow by adopting historical daily streamflow and precipitation data together with statistical methods, such as linear regression, accumulative anomaly analysis, Mann-Kendall non-parametric test, and t-test. Based on the double mass curves principle, we established the model of annual streamflowprecipitation to quantitatively estimate the contribution of change at precipitation and land-use on streamflow. The results showed that annual streamflow increased at a linear trend rate of 0.08×108m3·a-1in the upper reaches of Huai River, while decreased in the middle reaches at a linear trend rate of -0.38×108m3·a-1, and coefficient of variation of annual streamflow in the middle reaches was greater than the upper reaches. Meanwhile, precipitation in both reaches increased at linear trend rate of 0.34 and 1.72 mm·a-1, respectively. However, the inter-annual fluctuation of streamflow was more notable than precipitation. In addition, the abrupt change of streamflow occurred in 1972. The period of 1961─1972 was then determined as reference period in the upper reaches. The abrupt change and reference period of the middle reaches were 1985 and 1961─1985, respectively. Furthermore, compared to the reference period, precipitation would increase streamflow, but land use change tended to incur a decrease of streamflow in both reaches. Land use change was the main driving force for the change of annual runoff compared with precipitation change, with contributions being 76% and 74% for the upper and the middle, respectively. However, it is worth to note that the contribution of precipitation to the change of streamflow could not be neglected.

streamflow; precipitation; land-use; upper and middle reaches of the main stream of Huai river

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.10.009

X14

A

1674-5906（2015）10-1647-07

唐為安，田紅，盧燕宇，謝五三，王勝. 1961─2010年降水和土地利用變化對淮河干流上中游徑流的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2015, 24(10): 1647-1653.

TANG Weian, TIAN Hong, LU Yanyu, XIE Wusan, WANG Sheng. Impacts of Precipitation and Land Use Change on the Main Stream of Huai River from 1961 to 2010 [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(10): 1647-1653.

國家自然科學(xué)基金項目（41205126）；中國氣象局氣候變化專項（CCSF201507）；安徽省氣象局科技發(fā)展基金項目（AHXJ201305）

唐為安（1980年生），男，高級工程師，碩士，主要從事氣候變化及其影響研究。E-mail: twa_1980@163.com

2015-05-22