北洛河流域分期徑流變異診斷及成因分析

孔 波，樊晶晶，黃 強(qiáng)

(西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

近年來，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注變化環(huán)境對水文變異的影響[1]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在1990年就提出了氣候變化問題，2014年發(fā)布的報告[2]則明確指出，全球性的水循環(huán)系統(tǒng)、冰雪消融情況、海平面變化以及極端天氣出現(xiàn)的頻率、程度都發(fā)生了顯著變化，與之關(guān)系緊密的氣候變化和人類活動引發(fā)了水文系列變異問題。國內(nèi)外的相關(guān)研究表明，美國多條河流的水文系列在20世紀(jì)后期發(fā)生了明顯變異[3]，我國的海河、黃河、渭河等流域的徑流系列均發(fā)生了顯著變異[4-7]。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，水文氣象資料的可靠性、一致性、代表性是水文水利計算的基礎(chǔ)。但變化環(huán)境往往會導(dǎo)致水文系列出現(xiàn)變異，破壞水文系列一致性，變異點(diǎn)前后的系列具有顯著不同的特征。在工程水文水利計算中，如果采用非一致性的水文系列進(jìn)行計算，計算結(jié)果將會出現(xiàn)偏差，可能會給水利工程規(guī)劃、設(shè)計、管理帶來風(fēng)險，可見，診斷水文系列變異具有重要意義。

目前，關(guān)于徑流變異的研究有很多，如張強(qiáng)等[8]采用滑動T檢驗(yàn)和Mann-Whitney U檢驗(yàn)對黃河干流7個水文站月均流量進(jìn)行了水文變異診斷分析，認(rèn)為黃河干流7個水文站徑流存在變異現(xiàn)象，且下游變異時間要早于中上游。杜建等[9]認(rèn)為東江流域在1972—1973年水文系列發(fā)生了變異，變異后徑流的枯水變幅增大，且與降水的相關(guān)性明顯減弱。謝平等[10-11]于2008年使用Hurst系數(shù)診斷了無定河流域降雨時空變異，于2012年研究了烏力吉木仁河的徑流系列變異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩個流域的降雨、徑流系列均出現(xiàn)了變異。已有的研究大多針對年徑流系列變異問題，缺乏對年內(nèi)分期徑流系列變異的研究，如缺乏對汛期、汛枯交替期、枯期、枯汛交替期徑流變異的研究。本文以北洛河流域?yàn)檠芯繉ο?，將一年劃分為枯汛交替?5—6月)、汛期(7—9月)、汛枯交替期(10—11月)、枯期(12月至次年4月)4個時期來研究流域分期徑流系列的變異問題，定量分析各時期的徑流變異時間、變異程度以及主要驅(qū)動力,旨在為北洛河流域水資源開發(fā)利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

北洛河也稱洛河，古稱洛水或北洛水，為黃河二級、渭河一級支流，是陜西省最長的河流，發(fā)源于陜西定邊縣白于山南麓的草梁山，全長680.3 km，全都位于陜西省境內(nèi)。河源分3支，西支為石澇川，中支為水泉溝，東支為亂石頭川，在吳旗匯流后稱為北洛河，河流自西北向東南流經(jīng)志丹、甘泉、富縣、洛川、黃陵、宜君、澄城、白水、蒲城、大荔，至三河口入渭河，水系呈明顯的羽毛型，流域總面積2.69萬km2。狀頭水文站位于北洛河下游，控制面積為2.52萬km2，占北洛河流域的94%[12]。本文采用相關(guān)水文手冊狀頭水文站1956—2016年徑流資料，該資料可以充分反映北洛河流域的變化情況，可靠且具代表性。

2 研究方法

水文序列變異的診斷方法[4]有很多，大致可分為3類[13]。第1類是定性方法，如過程性法、滑動平均法、Hurst系數(shù)法等，這類方法計算簡單，但計算過程中人為干擾較強(qiáng)，適用于定性診斷，只能判斷系列是否出現(xiàn)變異，但診斷不出確切的變異點(diǎn)；第2類是趨勢診斷方法，如Kendall法、Spearman法等，這類方法可以判斷趨勢的顯著性，但無法找到確切的變異點(diǎn)；第3類是跳躍診斷方法，如Mann-Kendall法、有序聚類法、滑動T檢驗(yàn)法、滑動F檢驗(yàn)法等，這類方法不但能診斷系列是否出現(xiàn)變異，而且可以找到確切的變異點(diǎn)。本研究采用Mann-Kendall法和有序聚類法進(jìn)行變異點(diǎn)診斷。

2.1 Mann-Kendall法

Mann-Kendall法是水文變異診斷常用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法[13]，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也可以排除少數(shù)異常值干擾。分析統(tǒng)計系列構(gòu)成的兩組曲線，如果曲線出現(xiàn)交叉點(diǎn)，則判斷系列發(fā)生變異，交叉點(diǎn)對應(yīng)的時間即為變異點(diǎn)時間。該方法計算過程簡單，結(jié)果明確，但對系列長度要求較高，不同長度的系列，結(jié)果可能不同。其計算公式比較常用，本文不再贅述。

2.2 有序聚類法

傳統(tǒng)的有序聚類法通過計算離差平方和，尋求同類之間最小離差平方和，以最優(yōu)分割點(diǎn)來確定變異點(diǎn)。該方法僅考慮了同類之間離差最小原則，診斷的變異點(diǎn)不全，可能有缺失[14]。因此，本研究在此基礎(chǔ)上，對公式做了改進(jìn)，在保持同類之間離差最小的同時，還考慮了不同類之間的離差最大。改進(jìn)后的公式如下：

假定水文系列{xi}(i=1，2，…，n) 最可能的變異點(diǎn)是τ，不同類之間的離差用d來表示：

(1)

(2)

(3)

目標(biāo)函數(shù)為

(4)

當(dāng)Sn取值為最小時，對應(yīng)的τ(2≤τ≤n-1)為變異點(diǎn)。改進(jìn)后的有序聚類法可避免診斷變異點(diǎn)缺失的問題。

2.3 變異等級劃分

不同的變異診斷方法得出的變異點(diǎn)可能不同，其變異程度也不盡相同。本文采用變異等級劃分方法，找出系列變異程度最大的變異點(diǎn)，該方法基于均值和變差系數(shù)Cv的改變程度來劃分等級。首先，按照式(5)(6)對序列變異點(diǎn)前后的均值和Cv值進(jìn)行計算，得到均值和Cv值的變化系數(shù)[13]：

(5)

(6)

按照兩種變化系數(shù)的值，將變異程度分為了7個等級[15]：無變異(0級)、弱變異(1級)、輕變異(2級)、中變異(3級)、較強(qiáng)變異(4級)、強(qiáng)變異(5級)和重變異(6級)，其劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。統(tǒng)計所有變異點(diǎn)對應(yīng)的變異等級，并選取每個時期變異等級最高的點(diǎn)作為本時期的變異點(diǎn)。

表1 基于均值和Cv值變化系數(shù)的變異等級劃分

圖1 北洛河流域1956—2016年不同分期的降水量和徑流深

2.4 貢獻(xiàn)率計算

目前，國內(nèi)外研究者提出了很多方法定量分析氣候變化和人類活動對徑流變異的貢獻(xiàn)率[16-19]。本文參考張建云等[19]提出的基于SIMHYD模型的徑流還原方法來計算氣候變化和人類活動對徑流變異的貢獻(xiàn)率。此方法的計算原理為：假設(shè)還原后的徑流量與基準(zhǔn)期天然徑流量的差值ΔRC為氣候變化導(dǎo)致，則人類活動導(dǎo)致的實(shí)測徑流量與基準(zhǔn)期天然徑流量的差值ΔRT分為兩部分，一部分是人類活動影響部分ΔRH，另外一部分是氣候變化影響部分ΔRC，計算公式為

ΔRT=RHR-RN

(7)

ΔRH=RHR-RHN

(8)

ΔRC=RHN-RN

(9)

(10)

(11)

式中：ΔRT為徑流變化總量；RHR為人類活動影響階段實(shí)測徑流量；RN為基準(zhǔn)期的天然徑流量；ΔRH為人類活動的徑流影響量；RHN為人類活動影響階段天然徑流量； ΔRC為氣候變化的徑流影響量；ηH為人類活動對徑流影響的貢獻(xiàn)率；ηC為氣候變化對徑流影響的貢獻(xiàn)率。

3 變異診斷結(jié)果及分析

3.1 資料分析

圖1為北洛河流域1956—2016年各時期降水、徑流深的變化情況。由圖1可知，降水和徑流都集中在汛期出現(xiàn)，各分期降水都呈現(xiàn)下降趨勢，汛期最明顯；徑流在汛期為下降趨勢，其余均為上升趨勢，其中枯期上升明顯；降水為減少趨勢，而徑流呈現(xiàn)了增加趨勢，說明降水徑流產(chǎn)流關(guān)系發(fā)生了變化。

3.2 變異診斷及分析

a. Mann-Kendall診斷結(jié)果。采用Mann-Kendall法對北洛河流域各分期徑流序列進(jìn)行變異點(diǎn)診斷，結(jié)果如圖2所示，圖2中M-K值為通過計算得到的UF(按時間順序計算得到的統(tǒng)計量序列)、UB(按逆時間順序計算得到的統(tǒng)計量序列)的值。由圖2可以看出，不同時期變異點(diǎn)如下：枯汛交替期1964年、1980年；汛期1962年、1986年、1994年；汛枯交替期1969年；枯期2001年。

b. 有序聚類法診斷結(jié)果。采用有序聚類法對北洛河流域各分期徑流診斷，結(jié)果如圖3所示。其中，數(shù)值最小的點(diǎn)對應(yīng)的年份為變異點(diǎn)的年份。由圖3可以看出，不同分期變異點(diǎn)如下：枯汛交替期1966年；汛期1994年；汛枯交替期1970年；枯期2001年。

3.3 變異等級劃分

統(tǒng)計所有變異點(diǎn)對應(yīng)的變異等級，Mann-Kendall法和有序聚類法得到的變異點(diǎn)對應(yīng)的變異等級結(jié)果分別見表2和表3。

由表2和表3可以看出，兩種變異診斷方法得出的變異點(diǎn)略有不同，變異等級從0級到4級，0級是干擾性虛假變異點(diǎn)，可以排除；Mann-Kendall法診斷的變異點(diǎn)較全，枯汛交替期、汛期、汛枯交替期變異等級都比較低，為弱變異和輕變異，枯期變異等級最高，為較強(qiáng)變異；有序聚類法得到的變異點(diǎn)較少，汛期為弱變異，枯汛交替期為中變異，枯期變異等級最高，為4級。兩種方法診斷的結(jié)果基本一致。

圖2 北洛河流域Mann-Kendall法徑流變異診斷結(jié)果

圖3 北洛河流域有序聚類法徑流變異診斷結(jié)果

表2 各時期變異程度Mann-Kendal法計算結(jié)果

表3 各時期變異程度有序聚類法計算結(jié)果

綜上所述，北洛河流域分期徑流變異等級與徑流量有關(guān)，徑流量較大時期(汛期、汛枯交替期)的變異等級低，徑流量小的時期(枯汛交替期、枯期)變異等級高，徑流量最小的枯期變異程度最高。

從兩種方法診斷的結(jié)果中選取各分期變異等級最高的點(diǎn)作為本時期的變異點(diǎn)：枯汛交替期選定的變異點(diǎn)為1966年、汛期選定的變異點(diǎn)為1986年、汛枯交替期選定的變異點(diǎn)為1969年、枯期選定的變異點(diǎn)為2001年。

4 變異歸因分析

4.1 貢獻(xiàn)率

氣候變化與人類活動對北洛河分期徑流變異的貢獻(xiàn)率計算結(jié)果見表4。從表4可以看出，氣候變化與人類活動共同影響導(dǎo)致了徑流變異，但各分期貢獻(xiàn)率不等。其中，枯汛交替期變異后的徑流深增大，人類活動的貢獻(xiàn)率為75.5%，而氣候變化的貢獻(xiàn)率為24.5%，說明人類活動是枯汛交替期徑流變異的主要驅(qū)動力；其余3個分期變異后的徑流深都減小，氣候變化在汛期、汛枯交替期和枯期的貢獻(xiàn)率分別為58.9%、60.7%和74.2%，在這3個分期氣候變化貢獻(xiàn)率大、人類活動貢獻(xiàn)率小，說明氣候變化是影響這3個分期變異的主要因素。

表4 氣候變化和人類活動的貢獻(xiàn)率

4.2 徑流變異原因

a. 氣候變化。洛河流域的氣候在近幾十年發(fā)生了較大變化，20世紀(jì)70年代、90年代ENSO事件致使大氣環(huán)流和我國氣候異常，徑流變異。

b. 人類活動。近幾十年來，隨著人口增長，人們生產(chǎn)、生活的需水量增大，北洛河流域人類活動越來越頻繁，為了滿足用水需求，大量修建水庫(總庫容達(dá)到19 321萬m3)、引水工程(568座)、提水工程(973座)和集雨工程(年利用量1 034.36萬m3)等水利工程[20]；同時，流域內(nèi)水資源開發(fā)利用不合理，缺乏統(tǒng)籌安排[21]。為了滿足生存需求，北洛河流域大量陡坡(7.3萬hm2)被開墾成農(nóng)田，引起水土流失等嚴(yán)重生態(tài)問題[22]。為了解決這些生態(tài)問題，北洛河流域20世紀(jì)90年代開展了退耕還林工作并在1999年完成，流域徑流在2001年后發(fā)生顯著變化[23-25]。因此，枯期徑流在2001年表現(xiàn)出較強(qiáng)變異(4級)。

5 結(jié) 論

a. 北洛河流域降水和徑流都集中在汛期出現(xiàn)，各分期降水量都存在不同程度的下降趨勢，汛期最明顯；徑流量在汛期為下降趨勢，其余均為上升趨勢，其中枯期上升明顯；降水量為減少趨勢，而徑流量呈現(xiàn)了增加趨勢，說明降水徑流產(chǎn)流關(guān)系發(fā)生了變化，下墊面發(fā)生了變化。

b. 北洛河流域各分期變異等級從0級到4級，排除0級的無變異點(diǎn)，各分期均發(fā)生了變異；其變異程度與徑流量有關(guān)，徑流量較大的分期(汛期、汛枯交替期)的變異等級低，徑流量小的分期(枯汛交替期、枯期)變異等級高，徑流量最小的枯期為4級較強(qiáng)變異。

c. 枯汛交替期變異后的徑流深增大，人類活動對枯汛交替期徑流變異的貢獻(xiàn)率較大，是徑流變異的主要驅(qū)動力；汛期、汛枯交替期和枯期變異后的徑流深都減小，在這3個分期氣候變化貢獻(xiàn)率大、人類活動貢獻(xiàn)率小，氣候變化是這3個分期徑流變異的主要驅(qū)動力。