氣候變化對湘江流域徑流量的影響研究

劉東燦　李靜

摘 要：通過滑動平均、彈性系數等方法，以降雨量、潛在蒸發量作為影響徑流量改變的影響因素，分析氣候變化對湘江流域徑流量的影響。得出流域彈性系數ɑ、β在水文變異的各階段呈現先增大后減小的變化，水利工程運行和森林覆蓋率的提高促進了洞庭湖流域徑流的調節能力；降雨量的變化對流域徑流量影響起主導地位。

關鍵詞：氣候變化；徑流量；洞庭湖流域

近百年來，湘江流域氣溫呈現明顯升高的趨勢，氣溫的升高勢必影響流域內的降雨量與蒸發量，進而影響流域內的徑流量。由水量平衡方程（P=E+R+?S）可知，降雨是一個流域水量輸入的主要部分，而蒸發則是一個流域水量輸出的主要部分，它們對流域的徑流量都會產生直接的影響。

1 材料及方法

1.1數據來源

本次研究的基礎數據時間長度均為1960-2015年，其中降雨量、潛在蒸發量數據來自國家氣象中心及湖南省氣象局，徑流量數據來自湘潭站。

1.2分析方法

1）趨勢分析法

采用 Mann-Kendall 趨勢檢驗法（下文簡稱 MK 檢驗）和線性回歸方法進趨勢分析。MK 檢驗及線性回歸法介紹較多，這里不再贅述。

2）水熱耦合平衡關系及彈性系數法

在現代水文學上，常用水熱耦合平衡關系以及彈性系數來量化氣候變化對徑流量的影響。流域地表能量平衡表達式為：

上式中Rn 為凈輻射量，H 為顯熱通量，G 為地表熱通量，在年尺度或者多年尺度上，地表熱通量 G 基本是平衡的，可忽略不計。

Milly 和 Dunne[1]對 Budyko曲線[2]進行深入分析，對其求偏導，并將流域降雨量與潛在蒸散發對實際蒸散發的影響考慮在內，得出如下關系式：

聯合閉合流域水量平衡方程、Budyko 曲線及其偏導關系式，并將流域降雨量、潛在蒸散發對流域徑流的影響考慮在內，建立新的關系式：

氣候變化對流域徑流的影響可通過流域降雨量和潛在蒸散發的變化對流域徑流的影響來反映，估算氣候變化對流域徑流的影響可在長序列上分階段建立如下關系式：

Choudhury 公式改寫為：

降雨 P、潛在蒸散發EO的彈性系數分別為ɑ、β，對 Choudhury 公式求偏導數得：

2 結果

2.1趨勢分析

趨勢分析結果可得（圖2-1）湘江流域多年平均降雨量、潛在蒸發量、徑流量分別為1562 mm、1024mm、653×108m3。流域歷年降雨量最大值為2001年2198mm，潛在蒸發量的最大值為1978年1076mm，徑流量的最大值為1994年1007×108m3。由回歸方程可知，流域降雨量、潛在蒸發量隨時間變化呈逐漸降低趨勢，流域徑流量呈緩慢增加趨勢。由滑動趨勢線及MK突變分析（圖2-2）可得流域潛在蒸發量呈現先下降，后上升的變化趨勢，降雨量和將流量的變化波動性較大，但兩者的變化趨勢相一致。

2.2氣候變化對流域徑流量的影響

湘江流域月平均降雨量、潛在蒸發量、徑流深（表2-1）在研究期間并沒有突破顯著性水平，每年的5、6月份為流域汛期，結合MK突變檢驗、洞庭湖流域經濟不同時期的發展狀況以及肖鵬對流域水資源有序聚類的分析[3]，特將1978年作為此次水文階段劃分的起點，1988年為水文變異的第一個年份（1988年湖南省森林覆蓋率顯著提高），2003年為水文變異的第二個年份（三峽大壩2003年6月份開始運行）。故此次研究中水文序列的變異階段共有三段：1978-1988年、1989-2002年、2003-2015年。

根據湘江流域在這三個階段中的降雨量、潛在蒸發量及徑流量，利用水熱耦合平衡關系及彈性系數計算得到流域各階段下墊面參數K、彈性系數ɑ、β。分析可得，湘江流域在研究期間的三個階段內的下墊面參數K分別為：2.295、2.731、1.702，第二個階段的參數明顯高于其他兩個階段，則流域在該階段的Budyko曲線上升趨勢最大，實際蒸發量較其他階段更高。流域彈性系數ɑ、β值先增大后減小，說明流域內水利工程的運行和森林覆蓋率的提高促進了湘江流域的徑流調節能力，降低了徑流對氣候變暖的敏感性。由分析可知，降雨量的變化對流域徑流量的變化起主導地位。

3 結論

（1）在研究期間流域氣象水文要素未發生明顯突變，流域徑流量整體呈現下降趨勢。降雨量年內分布不均勻，汛期為每年的5-9月份；月平均潛在蒸發量年內波動明顯，潛在蒸發量的最大值為7月份、最小值為1月份，變化趨勢并不明顯。流域徑流變化有明顯的周期性。

（2）流域各階段的彈性系數ɑ、β值與降雨量P和潛在蒸發量E0變化趨勢相同，流域彈性系數ɑ、β計算值均呈現先增大后減小的變化，說明流域內的水利工程運行和森林覆蓋率的提高促進了洞庭湖流域徑流的調節能力，降低了徑流對氣候變暖的敏感性。通過計算分析得到，降雨量和潛在蒸發量對流域徑流量均起到一定作用，但降雨量的變化對洞庭湖流域徑流量的變化起主導地位。

參考文獻

[1]Milly PCD，Dunne K A.Macroscale water fluxes 2.Water and energy supply control of theirinterannual variability[J].Water Resources Research，2002，38（10）：21-24.

[2]許珊珊等.Budyko理論在水文氣候分區中的應用研究[J].中國農村水利水電，2017（03）：17-20.

[3]肖鵬.洞庭湖流域水資源演變歸因分析[D].清華大學，2014.

作者簡介

劉東燦，男，1995--，籍貫：河南省禹州市，學歷：本科，單位：九江學院旅游與國土資源學院，研究方向：水文與水資源

李靜，女，1984--，籍貫：山東省茌平縣，學歷職稱：博士研究生，副教授，單位：九江學院旅游與國土資源學院，研究方向：森林生態水文