基于Budyko假設的若爾蓋流域徑流變化歸因分析

趙娜娜 王賀年 于一雷 徐衛剛

摘要：變化環境下的水文循環研究是當今水科學研究的熱點之一，研究流域水文過程變化的響應機制，對未來流域水資源規劃及管理具有重要的現實意義。以若爾蓋流域為研究區域，基于Budyko假設理論，應用敏感性分析方法，對若爾蓋流域徑流變化進行歸因分析，結果表明：若爾蓋流域徑流對降水、潛在蒸散發和流域特征參數的敏感性系數分別為0.645 1、-0.234 7和-182.205 0，即若爾蓋流域降水每增加1 mm將導致流域徑流增加0.645 1 mm，潛在蒸散發每增加1 mm將導致流域徑流減少0.234 7 mm，流域特征參數每增加1將導致流域徑流減少182.205 0 mm;若爾蓋流域逐年徑流呈明顯的下降趨勢，與基準期（1960-1990年）相比，變化期（1991-2011年）徑流量減少了56.23 mm（20.48%），其主要影響因素為流域下墊面特征的變化，其貢獻率可達93.46%，而氣候變化的影響僅占5.57%。

關鍵詞：若爾蓋流域;徑流;氣候變化;流域特征參數;歸因分析

中圖分類號：P467文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：趙娜娜

The attribution analysis of streamflow changes in the Zoige basin based on the Budyko hypothesis

ZHAO Nana1，2，3，WANG Henian1，2，YU Yilei1，2，XU Weigang1，2

（1.Institute of Wetland Research，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China;2.Beijing Key Laboratory of Wetland Services and Restoration，Beijing 100091，China;3.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：The hydrologic cycle research under changing environment is one of the hot topics in water science study.The study on the response mechanism to hydrological process changes is of great practical significance to future water resources planning and management.In this study，based on the Budyko hypothesis，we conducted attribution analysis of the streamflow changes in the Zoige basin by sensitivity analysis，and the results showed that：the sensitivity coefficients of streamflow to precipitation，potential evapotranspiration，and catchment characteristic parameter were 0.654 1，-0.234 7，and -182.205 0，respectively，which means that every 1 mm increase in precipitation would induce a 0.654 1 mm increase in streamflow;every 1 mm increase in potential evapotranspiration would induce a 0.234 7 mm decrease in streamflow;every increase of 1 in the catchment characteristic parameter would induce a 182.205 0 mm decrease in streamflow.The streamflow of the Zoige basin showed a significantly decreasing trend.Compared with the reference period （1960-1990），the streamflow of the change period （1991-2011） decreased by 56.23 mm （20.48%）.The main influence factor was the change of underlying surface characteristics，whose contribution rate reached 93.46%.The climate change only contributed 5..57%.

Key words：the Zoige basin;streamflow;climate change;catchment characteristic parameter;attribution analysis

全球變化環境下的水文循環研究是當今流域水文學研究的熱點之一[1-2]，近50年來，中國各大流域的河川徑流量均呈明顯的下降現象，這已引起管理部門和公眾的廣泛關注，研究流域徑流變化的響應機制，對流域水資源規劃及管理具有重要的現實意義。近些年來，各國學者在流域徑流變化歸因分析等方面進行了大量研究[3-7]，大多數研究均采用分布式水文模型的方法，但是需要在模型校準和參數率定上耗費大量的精力[8-9]。Budyko假設理論的敏感性分析是近年來興起的研究氣候變化影響流域徑流的一個新的視角[10]，為探索流域徑流演變的驅動機制提供了更簡便的途徑。

若爾蓋高原濕地是青藏高原濕地的典型代表，是氣候變化的敏感區和脆弱區，也是世界上海拔最高、面積最大的高原泥炭沼澤的主要分布區之一;同時其作為黃河源區的重要生態系統，也是黃河上游流域水安全和生態安全的重要屏障，流域濕地水文情勢演變及其對生態環境變化和響應備受關注。近幾十年來，由于人類活動干擾、全球氣候變暖等因素的共同影響，若爾蓋濕地面積在不斷減少，僅1975年到2001年的26年間，沼澤濕地、湖泊濕地、河流濕地分別萎縮了20.2%、34.48%、48.03%，而沙化地卻增長了351.81%，濕地生態環境遭到嚴重破壞，對黃河上游源區的水源涵養、區域生態平衡、濕地資源保護和可持續利用構成了嚴重的威脅。

本研究以若爾蓋流域為研究區域，基于Budyko假設理論，應用敏感性分析方法研究氣候變化與流域下墊面特征變化對流域徑流變化的影響，明確各自的影響量和貢獻率，旨在為若爾蓋流域水資源管理提供參考。

1研究區概況

若爾蓋流域位于川西高原北端的阿壩藏族羌族自治州境內（101°37′-103°25′E，32°10′-34°06′N），跨阿壩、紅原和若爾蓋3個縣。流域地處青藏高原東緣，屬大陸性高原寒溫帶濕潤半濕潤季風氣候，雨熱同期，干濕季節分明。流域海拔3 400 mm以上，地勢西南高東北低，河溝縱橫，湖泊、沼澤、草甸遍布，主要河流為黑河、白河等，主要土壤類型為棕壤、草甸土、沼澤土等。由于若爾蓋濕地沒有設置入流水文站點，缺少入流水文資料，本研究以黃河上游吉邁水文站作為流入濕地的徑流控制點，以瑪曲站作為流出濕地的徑流控制點，對吉邁水文站和瑪曲水文站之間的集水流域（簡稱“吉邁—瑪曲流域”，面積為38 122 km.2，以下簡稱“若爾蓋流域”）作為研究區域，對流域1960-2011年的徑流變化進行分析，將位于流域東部的黑河、白河以及瑪曲流域組成的若爾蓋沼澤濕地（以下簡稱“若爾蓋濕地”）作為重點研究區域（圖1）。

2研究方法

2.1Budyko假設理論

Budyko（1974）[11]認為流域多年平均蒸散發是由大氣對陸面的水分供給（降水）和蒸發能力（凈輻射或潛在蒸散發量）決定的，蒸散發量是兩者之間的函數，其可簡單的表達為：

式中：E為流域實際蒸散發量（mm）;P為降水量（mm）;E0為流域潛在蒸散發量。

我國氣候學家傅抱璞教授（1981）[12]根據流域水文氣象的物理意義提出了一組Budyko假設的微分形式，通過量綱分析和數學推導，得出了Budyko假設的解析表達式：

式中：ω為流域下墊面特征參數，能夠反映流域下墊面狀況，與流域土地利用、植被、土壤等相關[13-15]。

由此，Budyko假設理論可發展為考慮流域特征的一個綜合表達式：

2.2流域徑流影響因素的敏感性分析

參考彈性系數概念[16]，本研究提出一個相似的參數為敏感性系數，能夠反映每單位因變量參數（X）變化引起的流域徑流變化量（?Q/?X）。

基于長時間序列的水量平衡公式P=E+Q，式（2）可以推導為徑流Q的模擬公式：

Q=[P.ω+E ..ω0].1/ω-E0[JY]（4）

基于式（4），應用微積分求偏導，可得流域徑流（Q）對氣候變化要素（P，E0）的敏感性系數：

其中，ω應用最小二乘法求解而得。

2.3數據來源

本研究選取位于若爾蓋流域及其周邊區域的10個氣象站點（見圖1、表1）1960-2011年逐日氣象數據（國家氣象信息中心http：//www.nmic.gov.cn/提供），主要包括蒸發皿蒸發量（Φ20）、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、日照時數、降水量和平均風速等。選擇吉邁和瑪曲水文站1960-2011年的月徑流數據用于徑流分析，氣象站和水文站的基本信息見表1。

3結果分析

3.1若爾蓋流域徑流演變特征

Mann-Kendall檢驗是水文學中普遍應用的非參數檢驗方法，其能夠定量地計算出時間序列的變化趨勢，適用于水文、氣象等一系列非正態分布的數據，本研究對若爾蓋流域1960-2011年間逐年徑流量進行Mann-Kendall趨勢檢驗，統計檢驗值Z為-2.83，其絕對值|Z|>2.58，表明研究區逐年徑流量表現為明顯的下降趨勢，且在0.01水平上顯著。另一方面，對若爾蓋流域逐年徑流量進行Mann-Kendall突變檢驗，結果（圖2）表明，研究區的年徑流量Mann-Kendall檢驗統計量UF值和UB值均超過了置信水平0.05相應的臨界值（Y=1.96和Y=-1.96），UF曲線和UB曲線在1991年出現交叉點，且交點位于兩臨界線之間，這說明研究區徑流變化過程中在1991年發生突變。

基于Mann-Kendall突變檢驗結果，若爾蓋流域逐年徑流的可能的突變點在1991年，由此將研究時段劃分為基準期（1960-1990年）和變化期（1991-2011年）。對比兩個研究時段內的流域多年平均徑流量，結果（圖3）表明，若爾蓋流域基準期多年平均徑流量為274.57 mm，變化期多年平均徑流量為218.34 mm，結果表明，與基準期相比，變化期徑流量減少了56.23 mm（20.48%）。

3.2基于Budyko假設的流域徑流對氣候因子及流域下墊面特征參數的敏感性

基于若爾蓋流域1960-2011年逐年數據，得到研究區多年平均徑流量（Q=251.86 mm）、多年平均降水量（P=687.45 mm）和多年平均潛在蒸散發量（E0=816.36 mm），代入式（4）同時應用最小二乘法，求得研究區流域特征參數值ω為1.9947。

基于式（5）、式（6）、式（7），求得若爾蓋流域徑流對降水的敏感性系數?Q/?P=0.6451，流域徑流對潛在蒸散發的敏感性系數?Q/?E0=-0.2347，流域徑流對流域特征參數的敏感性?Q/?ω=-182.2050。這分別表示了，若爾蓋流域降水每增加1 mm將導致流域徑流增加0.6451 mm，潛在蒸散發每增加1 mm將導致流域徑流減少0.2347 mm，流域特征參數每增加1將導致流域徑流減少182.2050 mm。

3.3若爾蓋流域徑流變化歸因分析

基于若爾蓋流域基準期（1960-1990年）逐年數據，得到該研究時段多年平均徑流量（274.57 mm）、多年平均降水量（683.96 mm）和多年平均潛在蒸散發量（813.73 mm），代入公式（4）同時應用最小二乘法，求得研究區基準期的流域特征參數值ω為1.8746;同理，基于變化期（1991-2011年）的多年平均徑流量（218.34 mm）、多年平均降水量（692.60 mm）和多年平均潛在蒸散發量（822.14 mm），求得研究區變化期的流域特征參數值為2.2064。兩個研究時段徑流、氣象及流域特征參數變化見表2。

基于若爾蓋流域徑流對氣候因子（P、E0）的敏感性系數及氣候變化量（ΔP、ΔE0），計算可得氣候變化對流域徑流的影響量為：

ΔQclimate=?Q/?P·ΔP+?Q/?E0·ΔE0=5.57+（-3.85）=3.60（mm）

基于若爾蓋流域徑流對流域特征參數值（ω）的敏感性系數及流域特征參數值變化量（Δω），計算可得流域特征變化對流域徑流的影響量為：

ΔQcatchment=?Q/?ω·Δω=-60.46（mm）

由此可得若爾蓋流域徑流變化歸因結果見表3，結果表明，在研究時段1960-2011年間若爾蓋流域徑流變化的主要原因是流域特征的變化，導致流域徑流減少60.46 mm，貢獻率可達93.46%，而氣候變化的影響僅占5.57%。

4討論

4.1基于雙累積曲線的結果驗證

雙累積曲線方法是水文氣象要素一致性或長期演變趨勢分析中最簡單、最直觀、最廣泛的方法。其基本假設為降水在有限的時段內其變化時自然變化的，流域下墊面變化對降水的影響是微弱的，而累積徑流量受下墊面及降水量共同作用，因此，通過雙累計曲線可以分辨流域下墊面變化對流域徑流的影響。

圖4為若爾蓋流域年降水量與徑流量的雙累積曲線圖，結果表明，1960-1990年間降水累積量與徑流累積量間有明顯的線性關系，其擬合直線的斜率在1991年發生明顯的變化，這也符合本研究中對研究時段的劃分，同時表明，下墊面變化在該時段開始對流域徑流有明顯的影響，其偏離點與原擬合直線的延長線的距離表示了下墊面變化的影響量。

從圖中可以看出，基準期累積徑流量∑Q=0.4033∑P-31.071，方程決定系數R.2為0.9907，觀測年數N為52年，統計檢驗達到了0.001置信水平。將變化期的累計降水量帶入擬合方程中，得到模擬累計徑流量，并反推變化期模擬逐年徑流量Q′，圖5反映了變化期逐年實測徑流量與模擬徑流量的對比，結果表明，變化期（1991-2011）實測年平均徑流量為218.34 mm，模擬年平均徑流量為279.12 mm，由此可知，下墊面導致的徑流變化量ΔQcatchment為60.78 mm。

4.2敏感性分析方法

相比其他研究方法，越來越多的研究者開始采用氣候敏感性分析方法來研究氣候變化對流域徑流的影響[17]。敏感性分析方法為探索流域徑流演變的驅動機制提供了更簡便的途徑[18]，也提供了一個新的視角。而大多數敏感性分析研究都是基于理論模型，其中應用最為廣泛的理論模型是多年水熱耦合平衡方程。Budyko假設是水熱平衡的典型代表，也是流域水文過程研究中應用最為廣泛的理論基礎之一[19-20]。而我國學者也分別在濕潤區[21]與非濕潤區[22-23]進行了應用，對其在我國的適用性進行了分析。本研究基于Budyko假設理論的敏感性分析方法，同時應用常用的雙累積曲線對研究結果進行驗證，結果表明敏感性分析方法的結果是可信的。

5結論

本研究以若爾蓋流域為研究區域，基于Budyko理論，分別對研究區徑流年際變化過程中氣候變化和下墊面變化的影響進行分析，研究結論如下。

（1）若爾蓋流域逐年徑流呈明顯的下降趨勢，基于突變點1991年，將研究時段劃分為基準期（1960-1990年）和變化期（1991-2011年），與基準期相比，變化期徑流量減少了56.23 mm（20.48%）。

（2）若爾蓋流域徑流對降水、潛在蒸散發和流域特征參數的敏感性系數分別為0.6451、-0.2347和-182.2050，表明，若爾蓋流域降水每增加1 mm將導致流域徑流增加0.6451 mm，潛在蒸散發每增加1 mm將導致流域徑流減少0.2347 mm，流域特征參數每增加1將導致流域徑流減少182.2050 mm。

（3）在研究時段1960-2011年間，若爾蓋流域徑流變化的主要影響因素是流域下墊面特征的變化，其貢獻率可達93.46%，而氣候變化的影響僅占5.57%。

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