大渡河流域年徑流變化特征及其歸因分析

張嵐婷，王文圣，劉淺奎，鄭芳芳

(四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065)

流域水資源變化量、水循環(huán)過程皆和氣候變化及人類活動有著顯著關(guān)聯(lián)[1-3]。確定徑流量的變化特征，量化氣候因素和人類活動對徑流變化的作用，既具理論意義又有實用價值。在徑流變化特征研究中，廣泛應(yīng)用了統(tǒng)計方法，并取得了大量研究成果。對于大渡河流域上的徑流變化特征，國內(nèi)學者已開展了一些工作，例如陳媛利用沙坪站1937—2008 年徑流資料，對大渡河流域徑流的變化特征進行了定性識別和定量分析[4]。定量分析氣候變化和人類活動對徑流影響的研究方法種類主要有水文模型模擬法類型和以氣候彈性系數(shù)法、降水-徑流雙累積曲線法、敏感性分析法等為代表的定量評估法類型[5-8]，前者具備較好的物理基礎(chǔ)，但參數(shù)存在一定的不確定性[9]；后者計算簡單，但需要較長的數(shù)據(jù)序列且序列中的噪聲會對評估結(jié)果造成干擾[10]。由王隨繼等[3]提出的累積量斜率變化率比較法，可以有效剔除噪聲，能方便地分離出氣候變化和人類活動對徑流的影響，并被廣泛應(yīng)用于黃河流域、松花江流域和黑河流域。

本文收集1951—2012 年大渡河流域內(nèi)氣象站年降水量、年平均氣溫和銅街子站年徑流量資料，采用多種方法、多種途徑系統(tǒng)分析大渡河流域徑流量的變化特征，同時探討氣候變化和人類活動對流域徑流量變化的影響程度。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

大渡河是岷江的最大支流，干流長1 062 km，流域面積77 400 km2(不含青衣江)。瀘定以上為上游，集水面積為58 943 km2，占全流域集水面積的76.2%；瀘定至銅街子為中游，集水面積為17 440 km2，占全流域集水面積的22.5%；銅街子以下為下游，集水面積為1 017 km2，占全流域集水面積的1.3%[11]。銅街子水文站為大渡河流域徑流的控制站，上、中、下游共選了14 個氣象站。水文站及氣象站分布見圖1。

分別收集了1951—2012 年銅街子站的年徑流量資料和14 個氣象站年降水量、年平均氣溫資料。14 個氣象站較均勻地分布在流域上，運用算術(shù)平均法計算流域面降水量和流域平均氣溫。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流變化特征分析方法 本文基于有序聚類法[12]、累積距平法及Pettitt 檢驗[13]對銅街子站年徑流量序列進行突變點識別，3 種方法互為驗證，拐點可信度更高；采用Mann-Kendall 秩次相關(guān)檢驗法[12]檢驗銅街子站年徑流量的變化趨勢；利用Morlet 小波分析法[14]識別出年徑流量的多尺度時間變化和主要的周期成分。限于篇幅，這里不再贅述相關(guān)分析方法。

圖1 大渡河流域氣象站及水文站位置Fig. 1 Location of meteorological stations and hydrological stations of the Dadu River basin

1.2.2 徑流變化歸因分析方法 本文應(yīng)用王隨繼等提出的累積量斜率變化率比較法（SCRCQ）[3]定量分析大渡河流域氣候因素和人類活動對徑流量變化的影響。累積量斜率變化率比較法的基本原理和步驟如下。

先確定突變年份，以突變年份為拐點，點繪拐點前、后時段不同累積量與年份的關(guān)系曲線，然后擬合拐點前、后時段相應(yīng)累積量與年份的線性回歸方程，突變前、后斜率分別計為Ka和Kb。

對于年徑流量，突變前、后的斜率為KRa和KRb，累積徑流量斜率變化率定義為：

式中：RSR為累積徑流量斜率變化率。

同理，對于年降水，

式中：RSP為累積降水量的斜率變化率；KPa和KPb分別為突變前、后的斜率。

對于年氣溫，

式中：RST為累積氣溫的斜率變化率；KTa和KTb分別為突變前、后的斜率。

降水和氣溫對徑流量的貢獻率CP、CT由斜率變化率計算得出，

氣候要素對徑流量變化的貢獻率（CC）為降水和氣溫因素貢獻率的總和，即：CC=CP+CT。

人類活動變化和氣候要素共同影響徑流量變化，則人類活動對徑流量的貢獻率（CH）為：CH=1?CP?CT。

2 結(jié)果與討論

2.1 年徑流量變化特征

2.1.1 年徑流量的趨勢性 根據(jù)年徑流量突變點識別中的突變年份把銅街子水文站年徑流序列分為3 段：1951—1968 年、1969—1987 年和1988—2012 年。各時段的徑流量均值顯著不同且呈減少趨勢。采用Mann-Kendall 趨勢檢驗法分別對銅街子站不同時段的年徑流量序列變化趨勢進行識別，結(jié)果見表1。

由表1 可知，1951—2012 年期間，銅街子站年徑流量序列表現(xiàn)為不顯著的減少趨勢；1951—1968 年期間和1988—2012 年期間，年徑流量序列存在不顯著的減少趨勢；1969—1987 年期間，年徑流序列表現(xiàn)出不顯著的增加趨勢。

表1 銅街子水文站年徑流趨勢Mann-Kendall 檢驗結(jié)果Tab. 1 Mann-Kendall test results of annual runoff trend at Tongjiezi Station

2.1.2 年徑流量的周期性 采用小波分析法識別年徑流量的周期成分，圖2 繪制了年徑流量序列小波方差，圖3 給出了年徑流量序列小波變換系數(shù)實部時頻分布。由圖3 能夠看到年徑流量演化過程中明顯存在著多時間尺度特征，其中6～8 年、10～12 年、15～20 年、22～30 年尺度的周期震蕩尤為突出；由圖2 可知，年徑流量的主要周期成分為7、11、17、28 年，其中28 年的時間尺度與最大峰值相對應(yīng)，為流域年徑流量變化的第一主周期，即28 年左右的周期震蕩最強。

圖2 銅街子站年徑流量序列小波方差Fig. 2 Wavelet variance of annual runoff series at Tongjiezi station

圖3 銅街子站年徑流序列小波變換系數(shù)實部時頻分布Fig. 3 Real part change process of wavelet analysis for annual runoff series at Tongjiezi Station

2.1.3 年徑流量的突變性 本文采用有序聚類法、累積距平法及Pettitt 檢驗等3 種方法，對銅街子水文站1951—2012 年期間年徑流量序列的突變點進行綜合判別。

有序聚類法識別成果及累積距平法診斷成果見圖4，識別出的年徑流量序列突變年份均為1968 年。由Pettitt 檢驗（給定顯著水平α=0.05）表明年徑流量序列突變亦發(fā)生在1968 年。3 種檢驗方法可以推斷出大渡河流域年徑流量在1968 年存在顯著性突變。

圖4 1951—2012 年徑流量序列突變點識別Fig. 4 Diagnosis of change point based on annual runoff from 1951 to 2012

同樣采用3 種檢驗方法對銅街子水文站1969—2012 年期間年徑流量序列進行突變點識別。由圖5(a)的總離差平方和（Sn）變化量可知，有序聚類法無法尋求突變點。從圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，該時期年徑流量累積距平表現(xiàn)出先減少后增加的變化趨勢，其突變點為1987 年。由Pettitt 檢驗亦得出1969—2012 年徑流量序列突變年份為1987 年，故可推斷大渡河流域年徑流量在1987 年亦發(fā)生顯著性突變。

圖5 1969—2012 年徑流量序列突變點識別Fig. 5 Diagnosis of change point based on annual runoff from 1969 to 2012

2.2 年徑流量變化的歸因分析

年徑流量變化是諸多因素共同作用的結(jié)果，大渡河流域年徑流量變化主要受氣候因素和人類活動影響。氣候變化主要通過水、熱兩方面來呈現(xiàn)影響，因此將氣候因子歸結(jié)為水因素和熱因素，分別以降水和氣溫表征。

2.2.1 基準期和影響期下的年徑流量、年降水量和年平均氣溫過程 以大渡河流域年徑流量突變年份1968 年和1987 年為轉(zhuǎn)折點將研究時段分為3 個時期：A 時段為1951—1968 年，B 時段為1969—1987 年，C 時段為1988—2012 年。大渡河流域年徑流量在A 時段主要受氣候變化影響，人類活動影響偏弱；B、C 時段人類活動增加，徑流量受人類活動和氣候變化共同作用。因此，將A 時段設(shè)為基準期，B、C 時段為影響期。大渡河流域在基準期及影響期年徑流量過程、年降水量過程及年平均氣溫過程見圖6。可見，大渡河流域年徑流量多年來總體呈不顯著下降趨勢，降水總體呈微弱下降趨勢，而氣溫總體呈上升趨勢。

圖6 大渡河流域年徑流、年降水、年平均氣溫過程及其均值變化Fig. 6 Annual series and its average for runoff, precipitation and average temperature in Dadu River basin

2.2.2 不同時期累積年徑流、降水量、氣溫與年份之間的相關(guān)關(guān)系 分別繪制累積年徑流量與年份、累積降水量與年份和累積氣溫與年份在A、B、C 時段的關(guān)系曲線，并擬合線性關(guān)系，結(jié)果見圖7。

以上各擬合關(guān)系的相關(guān)系數(shù)均大于0.999，表明年份與累積徑流、累積降水量和累積氣溫的線性關(guān)系很好。

2.2.3 氣候變化和人類活動對徑流量的貢獻率分析 表2 給出了大渡河流域累積年徑流量、累積年降水量和累積年氣溫關(guān)系的斜率及其變化情況。

表2 不同時期年份與各累積量關(guān)系的斜率及其變化Tab. 2 Slope and slope change of relation between year and accumulated quantity in different periods

由表2 可知：

(1) 與基準期A 相比，影響期B 累積年徑流量與年份線性關(guān)系的斜率減小了6.16 萬m3/a，斜率變化率為?11.13%；與基準期A 相比，影響期C 的斜率減小了2.19 萬m3/a，斜率變化率為?3.96%。

(2) 與基準期A 相比，影響期B 累積年降水量與年份線性關(guān)系的斜率減小了36.32 mm/a，變化率為?4.40%；與基準期A 相比，影響期C 的斜率小了23.88 mm/a，變化率為?2.89%。斜率變化率為負，表明降水序列有下降趨勢，與圖6(b)是一致的。

(3) 與基準期A 相比，累積年氣溫與年份線性關(guān)系的斜率增大了0.029 7 ℃/a，變化率為0.37%；與基準期A 相比，影響期C 的斜率增大了0.124 7 ℃/a，變化率為1.56%。斜率變化率均為正，且C 時段比B 時段變化率更大，表明氣溫序列呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，與圖6(c)是一致的。

對大渡河流域而言，降水量增加，徑流量亦增加，年徑流量與年降水量呈正相關(guān)；氣溫升高，徑流量減少，年徑流量與年平均氣溫呈負相關(guān)。

由計算結(jié)果可知：(1) 與基準期A 相比，影響期B 的氣候變化對年徑流量減少的貢獻率為36.22%，人類活動對年徑流量減少的貢獻率為63.78%。(2) 與基準期A 相比，影響期C 的氣候變化對年徑流量減少的貢獻率為33.68%，人類活動對年徑流量減少的貢獻率為66.32%。

圖7 累積量與年份的關(guān)系曲線Fig. 7 Relationship curves of cumulative quantity and year

2.3 討 論

降水量對年徑流量的影響在C 時段遠高于B 時段，平均氣溫對年徑流量的影響同樣在C 時段遠高于B 時段。綜合考慮降水量和平均氣溫的共同影響，氣候變化對徑流量變化的貢獻率在B、C 時段分別為36.22%、33.68%，氣候變化的貢獻率在C 時段略低于B 時段，而人類活動的貢獻率反而增大。

平均氣溫升高導(dǎo)致徑流量減少，一是江河湖泊水面蒸發(fā)增大致使徑流量減少；二是流域內(nèi)植物蒸騰作用及水分截留過程受到影響，隨之改變徑流量。

人類活動是大渡河流域徑流量變化的主導(dǎo)因素。1970 年代以來，社會經(jīng)濟狀況的轉(zhuǎn)好、人口數(shù)量的增多使工農(nóng)業(yè)用水量和生活耗水量加大，從而直接導(dǎo)致徑流量減少；此外，大渡河流域上豐富的水力資源得到大量開發(fā)，諸多水利水電工程的修建與運行皆對徑流量的自然變化過程產(chǎn)生影響；同時，工農(nóng)業(yè)開發(fā)及房地產(chǎn)業(yè)等的快速發(fā)展使得土壤利用類型和植被覆蓋率也發(fā)生了顯著變化，進而使地表入滲、匯流及補給等水循環(huán)過程改變，間接影響到徑流量。因此人類活動對年徑流量減少的貢獻率很大，且影響逐步加深。

累積量斜率變化率比較法在徑流量歸因分析的應(yīng)用，均是處于將氣候變化和人類活動視作兩大完全獨立因素的情景中，本文將降水和氣溫也當成互不干擾的兩個氣候因子來分別計算貢獻率。實際上，氣候變化與人類活動相互影響且關(guān)系密切，降水和氣溫之間也存在著一定的相關(guān)關(guān)系。尋求新的研究方法，對氣候變化和人類活動的影響進行更科學地分離和判定，是歸因分析研究需進一步開展的內(nèi)容。

3 結(jié) 語

利用大渡河流域徑流量及氣象資料，通過多種方法分析年徑流量變化特征，揭示了氣候變化與人類活動對流域年徑流量的影響，主要結(jié)論如下：

（1）大渡河流域年徑流量在1951—2012 年、1951—1968 年和1988—2012 年期間呈不顯著的減少趨勢，1969—1987 年期間呈不顯著的增加趨勢；年徑流量變化普遍存在6～8 年、10～12 年、15～20 年、22～30 年尺度的周期震蕩，主要周期成分為7、11、17、28 年；流域年徑流量在1968 年、1987 年發(fā)生突變。

（2）以人類活動輕微的A 時段（1951—1968 年）為基準期，影響期B（1969—1987 年）氣候變化對年徑流量減少的貢獻率為36.22%，人類活動對徑流減少的貢獻率達63.78%；影響期C（1988—2012 年）氣候變化對年徑流量減少的貢獻率為33.68%，人類活動的貢獻率達66.32%。人類活動是大渡河流域年徑流量減少的主導(dǎo)因素，氣候變化是次要因素。

（3）揭示了大渡河流域近60 年來年徑流量的變化趨勢及主要影響因素的貢獻率，為研究區(qū)徑流量變化歸因分析、水資源合理開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境修復(fù)與管理提供了參考。