沙潁河代表站徑流演變特征及歸因分析

王豪杰+左其亭+羅增良

摘要：徑流演變特征研究可為在變化環境下制定流域水資源規劃、建立流域水文響應機制提供科學依據。以沙潁河流域代表水文站阜陽站為例，運用M-K檢驗法和小波分析法分析了1956年-2011年徑流變化特征，并從氣候變化及人類活動的角度分析了徑流變化的主要驅動因素。結果表明：沙潁河阜陽站徑流總體呈下降趨勢，但下降趨勢不明顯，總體未達到95%顯著性水平；在1966年前后存在明顯的突變點；徑流存在13a、26 a兩類周期變化特性，周期演變過程受人類活動影響顯著。就驅動因素而言，人類活動對徑流變化的貢獻率在65%以上，氣候變化對徑流變化的影響較弱，表現為從負向到正向的趨勢。

關鍵詞：徑流演變；氣候變化；人類活動；蒸發率函數；阜陽站

中圖分類號：P333 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0036-07

近幾十年來隨著工業社會的迅速發展和人類活動的快速擴張，自然環境受人類活動的影響日益加深，全球氣候也隨之發生劇烈變化。全球性的氣候變化和人類對水資源利用程度的逐漸加深，對水文過程產生較大影響，尤其對水資源的形成和轉化產生直接影響，因此變化環境下的水文過程分析在國際水文研究中備受關注。氣候變化通過影響區域內降水和溫度等氣象因素對水文過程產生影響，人類活動對水文過程的影響則主要表現在下墊面性質變化導致的蒸發、入滲及產匯流等過程的改變。在分析二者對徑流影響的過程中，常用的方法包括彈性分析、水熱平衡分析法、線性分析法、COPU LA函數法等。

淮河流域是我國人口密度最大的流域之一，沙潁河是淮河最大的支流。自20世紀60年代以來，人類在沙潁河流域的取用水活動逐漸增強，并修建了大量水利工程設施以滿足社會發展，徑流過程受日益增長的人類活動的影響。此外，沙潁河徑流演變過程也受到氣候變化帶來的影響。但目前對沙潁河流域徑流的研究，主要集中在河流水質污染及徑流特性方面，缺乏氣候變化及人類活動對其演變特征影響機制的分析。本文選取沙潁河流域重要控制站點——阜陽站為代表站，采用1956年-2011年流量數據，運用M-K檢驗、小波分析法，對阜陽站徑流演變趨勢、徑流突變及周期變化特征進行分析，并采用阜陽氣象站氣象數據，結合PLM公式，計算阜陽站潛在蒸發量，從氣候變化及人類活動的角度分析徑流演變過程及二者的貢獻率。

1研究區概況

沙潁河發源于河南嵩山地區，在阜陽市沫河口流入淮河，以潁河為源全長共545.21km，流域面積39 075.30 km²。降水量年際及年內分布不均，年際降水量變化大，易呈現連澇或連旱現象。徑流形式主要為雨洪型。

阜陽水文站位于阜陽市三里灣，控制面積35246 km²，是沙潁河流域重要的控制性站點，能直觀反映流域徑流的演變趨勢，此外，水文站位于沙潁河下游平原區，所控制流域是人類活動較強的區域之一，徑流過程同時受氣候變化和人類活動的影響。基于上述考慮，選取阜陽站作為沙潁河流域代表站，研究其徑流演變特征，并從人類活動和氣候變化的角度對其驅動因素進行分析。

2方法與數據

2.1研究思路

運用M—K檢驗以及小波分析法對阜陽站徑流演變特征進行分析；在此基礎上，確定徑流受人類活動影響較弱的時期作為基準期，根據水量平衡原理和P-M公式計算阜陽站基準期的實際蒸發量和潛在蒸發量，通過蒸發率函數確定地區特征參數ω、β、γ；將基準期之后的研究期以10年為單位劃分時段，根據阜陽站氣象資料，分別計算各時段的潛在蒸發量，分析降水、潛在蒸發量變化情況及對徑流的影響；計算氣候變化和人類活動分別引起的徑流變化量，并分析二者對徑流變化的貢獻。

2.2研究方法

（1）徑流演變特征分析。

Mann-Kendall檢驗。在水文序列的時變性分析過程中，M-K檢驗是一項被普遍應用的非參數檢驗工具。該方法對水文序列數據的要求較低，計算較簡便，可適用于降水、徑流、氣溫等水文要素的長序列趨勢分析。通過M-K檢驗，可以分析水文序列的長期發展趨勢，得出水文序列的突變性以及突變時間。

小波分析。在水文分析中，小波分析主要應用于水文過程的多時間尺度和周期變化分析，能客觀定量地得出數據序列中隱藏的多種周期性變化，并可以對數據序列局部進行細化分析，以得出長序列內部的周期變化規律。

（2）徑流影響因素識別。

氣候變化可引起降水、氣溫、風速等氣象因素的變化，導致水文循環過程發生變化，通過影響降水和蒸發情況，進而影響地區的水量平衡狀態。對阜陽地區而言，水量平衡可以表示為：

R=P-E+ΔS （1）

式中：R為徑流量；P為降水量；E為阜陽實際蒸發量；ΔS為區域水量變化量。在長期自然計算條件下，ΔS可近似為0。

在水量收支平衡的基礎上，Zhang等認為，在一個較長的時期內，區域多年平均實際蒸散發量與年平均降水量、流域潛在蒸發量和植被水分利用能力有密切的關系，并基于全球超過250個地區的分析結果，提出了如下蒸發率函數：

式中：E₀為潛在蒸發量；ω為植被水分利用能力，表示區域森林覆蓋狀況對函數的影響程度。

自20世紀60年代以來，隨著人類活動的擴張，阜陽市水資源的消耗也隨之大幅增長。選取阜陽站受人類活動影響較小的時期，通過水量平衡方程推導該時期的實際蒸發量，并通過PLM公式推求逐日潛在蒸發量，累加得到年潛在蒸發量。使用蒸發率函數確定區域植被水分利用能力ω。

P-M公式計算形式如下：

氣象數據同樣采用1956年-2011年阜陽氣象站每日記錄資料，包括風速、氣溫（最低、最高、平均）、日降水量、大氣壓以及平均水汽壓等。另外，由于阜陽氣象站缺少太陽凈輻射數據，考慮到阜陽與合肥經緯度相近，因此采用合肥市太陽凈輻射數據代替計算。endprint

3阜陽站徑流演變特征

3.1徑流趨勢變化

根據沙潁河流域阜陽站1956年-2011年徑流序列數據，運用趨勢線分析和M-K秩次相關檢驗法分析阜陽站徑流的變化情況，見圖1。

由圖1可知，沙潁河阜陽站年徑流量在研究期內呈下降趨勢，徑流平均線性遞減率為1.34 mm/year。徑流年際分布不均勻，年平均徑流量最大值為414.0 mm，最小值僅18.3 mm，徑流極端值出現頻繁。1956年-1965年徑流量較大，時段內年平均徑流量為204.1 mm，且存在明顯的豐枯交替現象。1965年以后年徑流量明顯減小，豐枯交替現象減弱，與從該時期起人類活動逐漸增強和流域內各類水利工程調度運行影響一致。根據M-K趨勢檢驗值Z=-1.42，同樣表明阜陽站徑流序列呈下降趨勢，滿足90%置信水平，但未達到95%顯著性水平。

3.2徑流突變特征

在分析沙潁河阜陽站徑流趨勢的基礎上，應用M-K檢驗法分析其突變特征，如圖2。

由UF曲線可知，沙潁河阜陽站徑流量呈下降趨勢，UF和UB兩條曲線在1957年-1966年產生了多個交點，這是由于沙潁河流域在該時期內大量修建水利工程，其截流和取水過程使流域內徑流發生劇烈的變化，進而影響阜陽站徑流也發生相應的變化。其中，白龜山水庫1966年全面建成，總庫容9.22億m³；昭平臺水庫總庫容7.13億m³，1959年建成部分土建工程，1964年由于河道嚴重沖刷，造成沙河改道，嚴重影響了沙潁河下游阜陽站徑流過程。因此，確定徑流序列在1966年發生突變，1993年-2004年下降趨勢達到95%顯著性水平。總體下降趨勢與M-K秩次相關檢驗分析一致，未達到95%顯著性水平。

3.3徑流周期變化

采用小波分析方法對沙潁河阜陽站徑流周期變化特性進行分析，并使用M atlab工具繪制小波變換系數實部分布圖和方差圖，見圖3、圖4。

根據實部分布圖和方差圖，可知阜陽站徑流呈現出明顯的多時間變化特征，存在13 a、26 a兩類周期變化特征，13 a周期變化對徑流序列的方差貢獻最大，是徑流演變的第一主周期，26 a周期變化為第二周期。

繪制小波系數模方分布圖，如圖5。對徑流序列中各存在周期的能量大小進行分析可知，13 a周期的能量最強，周期最顯著，但在時間尺度上從20世紀60年代后期開始發生衰減，并在1980年前基本消失，轉為26 a的周期特性；26 a徑流變化周期在13 a周期發生衰減的同時開始出現，周期顯著性較弱，但分布時間均勻，一直持續到研究期結束，表現為穩定發生趨勢。這一現象的出現一方面是由于從該時期開始，阜陽地區人類活動逐漸增強，對徑流周期演變的影響逐漸加深；另一方面是由于該時期沙潁河流域大量修建水利工程，對流域內水文過程造成了較大的影響，使沙潁河阜陽站徑流特性發生了較大改變。

4阜陽站徑流演變驅動因素貢獻分析

徑流演變驅動因素分為自然因素和人為因素。其中自然因素包括降水、氣溫、水汽壓、太陽輻射等要素的影響，而潛在蒸發量是對區域內除降水外各氣象要素的綜合反映。徑流演變過程中，降水量增加可通過產匯流過程引起徑流量增加，而潛在蒸發量的上升可增加實際蒸散發量，進而引起徑流量減少。

本文分析的人為因素主要表現為人類的取用水活動和水利工程對徑流產生的影響作用，是阜陽地區人類生活、工業、農業用水以及流域內各類水利工程建設運行影響的綜合體現。

4.1降水及潛在蒸發量變化分析

（1）降水變化分析。

根據阜陽氣象站降水數據繪制年降水量趨勢分析圖，見圖6。可知阜陽站降水量在20世紀60和70年代相對較少，80年代之后降水量相對上升，在長時期內呈現輕微上升趨勢。另外，90年代后，降水極值出現頻率與前期相比有增大的趨勢。總體而言，沙潁河阜陽站降水量受氣候影響呈輕微上升趨勢，90年代之后受全球氣候變暖影響，降水量年際波動變大。

（2）潛在蒸發量變化分析。

根據阜陽氣象站1956年-2011年數據，計算逐日潛在蒸發量，進行累加計算得阜陽站歷年潛在蒸發量，繪制趨勢分析圖，如圖7。并結合M-K趨勢檢驗值Z=-2.65，可知阜陽站潛在蒸發量總體有顯著下降趨勢，滿足99%顯著性水平。對潛在蒸發量序列做M-K突變分析，并繪制潛在蒸發量突變趨勢如圖8。可知沙潁河阜陽站潛在蒸發量在1974年發生突變，突變前UFr后）>0，潛在蒸發量呈上升趨勢。突變點后的UF（k）<0，潛在蒸發量開始呈現下降趨勢，并在1983年之后達到95%顯著性水平。

4.2徑流演變驅動因素貢獻率

沙潁河阜陽站徑流量在1966年發生突變，在突變年發生之前，人類活動對徑流的影響較弱，因此采用1956年-1965年為基準年，以10年為單位劃分研究時段，分析基準期之后各時段徑流變化情況。采用基準期阜陽站實測水文氣象數據，根據蒸發率函數率定參數。率定得植被水分利用能力ω=1.478。并計算得出阜陽地區徑流敏感性參數β=0.451，γ=-0.235。在此基礎上，根據公式（41計算二者對沙潁河阜陽站各時段徑流變化的影響分量和貢獻率η_c和η_h，結果見表1。

由表1計算結果可以看出，人類活動對徑流量變化的貢獻率在各時期均在65%以上，在2006年-2011年達到95%以上，是沙潁河阜陽站徑流量變化的主要影響因素。從對徑流量的影響大小來看，在1986年-1995年達到最大，相比基準期，徑流量降低了167.5 mm，貢獻率為88.08%；1995年以后人類活動影響大小逐漸減弱，但由于氣候變化對徑流的影響也同時減弱，人類活動貢獻率反而增加，并于2006年-2011年達到95%的最大貢獻率。氣候變化對徑流量的貢獻率則逐漸減弱，1976年-1985年最大為34.14%，2006年-2011年最小，僅為4.3%。影響模式則表現為從負向到正向的趨勢，這種模式與阜陽當地氣候的變化情況密切相關。根據對沙潁河阜陽站降水量和潛在蒸發量的趨勢分析可以看出，和基準期相比，降水量在1966年-1985年相對較低，1985年后逐漸上升，對徑流量影響表現為從減少作用向增加作用轉變。潛在蒸發量在1974年左右產生突變，突變前呈上升趨勢，之后逐漸下降，并在1983年之后達到95%顯著性水平。而潛在蒸發量與徑流量變化呈負相關。因此，根據降水和潛在蒸發量的綜合分析結果，阜陽站氣候變化在1966年-1985年對徑流影響表現為減少作用，在1985年之后表現為增大作用。

5結論

本文以沙潁河阜陽站為代表站，基于M-K檢驗方法和小波分析法，分析沙潁河阜陽站徑流演變特性，并根據蒸發率函數，從氣候變化及人類活動的角度，分析阜陽站徑流變化情況，主要結論如下。

（1）沙潁河阜陽站徑流總體呈現下降趨勢，但下降趨勢不明顯，M-K檢驗結果顯示，徑流在1993年-2004年下降趨勢達到顯著性水平，總體下降趨勢則未達到統計意義顯著水平；徑流序列在1966年前后存在明顯突變點；存在13 a、26 a兩類演變周期，且周期演變進程受人類活動尤其是水利工程修建影響顯著。

（2）在徑流變化過程中，人類活動始終起著負向減流作用，對徑流變化的貢獻率在65%以上。影響量大小呈現先增后減趨勢，說明隨著社會經濟發展，人類對水資源的利用程度逐漸加深，利用方式則表現為逐漸從無節制的利用方式向可持續利用的方式轉變。而氣候變化對徑流的影響相對較弱，且呈現先負面減流后增大徑流的趨勢。endprint