基于水熱耦合平衡方程的六沖河上游流域徑流變化歸因分析

龍 達(dá)，董前進(jìn)*，楊榮芳

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2.貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550005)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)流域產(chǎn)匯流及水文循環(huán)過程的干擾加劇，同時(shí)全球變暖也對(duì)水資源產(chǎn)生了重大影響[1]，因此變化環(huán)境對(duì)區(qū)域水資源的影響已成為目前水資源研究的主要方向[2]，而河川徑流是水文水資源的重要組成部分，連接著地球大氣、陸地與海洋圈層系統(tǒng)間的物質(zhì)能量交流，在區(qū)域水文水資源循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，河川徑流變化反映了流域水文循環(huán)對(duì)氣候、下墊面狀況等環(huán)境條件變化的響應(yīng)[3]，定量分析徑流變化歸因不僅是支撐水資源管理的重要基礎(chǔ)工作，也是目前國際水文研究中的重要科學(xué)問題[4]。

目前許多科學(xué)家對(duì)徑流歸因辨識(shí)進(jìn)行了研究，劉綠柳等[5]基于SWAT模型對(duì)伊洛河徑流變化進(jìn)行人類活動(dòng)和氣候變化的貢獻(xiàn)率分析，魏曉婷等[6]采用累積量斜率變化率比較法進(jìn)行涇河流域徑流變化貢獻(xiàn)率分解。在Budyko假設(shè)提出后，許多科學(xué)家基于該假設(shè)進(jìn)行歸因分析，如Abera等[7]使用Budyko假設(shè)和遙感數(shù)據(jù)來評(píng)估氣候和地表變化對(duì)埃塞俄比亞水資源供應(yīng)的空間影響，Li等[8]基于Budyko假設(shè)研究土地利用/覆被變化(LUCC)和氣候變化對(duì)黃河流域的徑流變化的貢獻(xiàn)度，Choudhury[9]基于Budyko假設(shè)提出了水熱耦合平衡方程，得到了廣泛的應(yīng)用，Xu等[10]運(yùn)用水熱耦合平衡方程對(duì)海河流域近50年徑流變化進(jìn)行歸因分析，Shen等[11]運(yùn)用該方程對(duì)中國224個(gè)流域進(jìn)行了歸因分析。由于水量耦合平衡方程輸入變量和參數(shù)相對(duì)較少，且只需利用數(shù)據(jù)中簡單的線性關(guān)系便可分析計(jì)算，因此本文將利用水熱耦合平衡方程對(duì)六沖河上游流域徑流變化進(jìn)行歸因分析，從而有助于認(rèn)識(shí)區(qū)域水文過程變化規(guī)律，服務(wù)區(qū)域水資源精準(zhǔn)管理。

1 研究區(qū)概況

貴州烏江地處中國西南喀斯特腹地，是貴州八大流域中巖溶發(fā)育最典型、最復(fù)雜、面積最大的山區(qū)流域[12]，六沖河是烏江最大的一級(jí)支流。六沖河流域地處貴州省西北部畢節(jié)市及云南省鎮(zhèn)雄縣西南部境內(nèi)，集水面積約10 820 km2，干流全長273.4 km，天然落差1 243 m，河床平均坡降4.6%。受地貌及水文地質(zhì)條件的制約，河流迂回曲折，河谷深切，河面狹窄，落差較大[13]。

六沖河流域?qū)儆诒眮啛釒貨鰸駶櫦撅L(fēng)氣候，水熱資源適中。年平均降水量848.6～1 394.4 mm，月際變化大，70%左右的降水量集中在5—9月，年蒸發(fā)量1 050.0～1 200.0 mm，相對(duì)濕度78%～88%。每年5月初至10月底為六沖河汛期，最大洪峰主要集中在6—7月，其次為5、8、9月。受晚近構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，流域內(nèi)形成山盆期、大婁山期和烏江期等多級(jí)巖溶臺(tái)面。地貌類型包括峰叢洼地、峰叢溝谷、峰叢谷地和溶丘洼地等巖溶地貌和構(gòu)造中山、深切溝谷等構(gòu)造侵蝕地貌[14]。

2 研究方法

根據(jù)貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司提供的數(shù)據(jù)，六沖河流域七星關(guān)水文站日流量年限為1971—2009年且1994—1997年數(shù)據(jù)缺失，為了填補(bǔ)缺失數(shù)據(jù)，采用瓜仲河水文站1988—2009年月數(shù)據(jù)與七星關(guān)站對(duì)應(yīng)年份月數(shù)據(jù)進(jìn)行線性相關(guān)插補(bǔ)，進(jìn)而得到七星關(guān)站1994—1997年月數(shù)據(jù)，因此本文最終選取六沖河流域七星關(guān)水文站1971—1993年和1998—2009年的日平均流量序列以及七星關(guān)站1994—1997年月數(shù)據(jù)進(jìn)行徑流變化分析，七星關(guān)站位置見圖1。除此之外，由于六沖河上游流域內(nèi)沒有氣象站點(diǎn)，因此選取了距離研究區(qū)域最近的畢節(jié)、威寧2個(gè)氣象站1971—2009年的日降水、日平均氣溫和日照時(shí)間數(shù)據(jù)，進(jìn)行六沖河七星關(guān)站以上流域(流域面積約2 970 km2)蒸發(fā)和降水量的計(jì)算，這些數(shù)據(jù)來源于中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。

圖1 六沖河上游流域水系

2.1 徑流變化的彈性系數(shù)

在全球水量和能量平衡分析時(shí)，多年平均實(shí)際蒸散發(fā)量主要取決于大氣的水分供給(降水量)和能量供給(凈輻射量或潛在蒸散發(fā)量)之間的平衡[15]，Budyko認(rèn)為流域年平均實(shí)際蒸散發(fā)量E與年平均降雨量P的比值是年平均潛在蒸散發(fā)量E0與年平均降雨量P比值的函數(shù)，即Budyko假設(shè)[16-17]。

基于Budyko假設(shè)，Choudhury提出了流域水熱耦合平衡方程，其表達(dá)式如下[18]：

(1)

式中E0——年平均潛存蒸散發(fā)量；P——年平均降雨量；n——反映流域下墊面特征的綜合參數(shù)。

結(jié)合流域水量平衡方程及彈性系數(shù)[19]，年徑流量R的變化可表示為以下全微分形式[18]：

(2)

(3)

2.2 徑流變化貢獻(xiàn)量分析

根據(jù)徑流變化突變點(diǎn)將研究時(shí)段分為變化前、后2個(gè)子時(shí)段，徑流受到氣候變化及流域下墊面變化的影響，于是ΔR可以表示為[18]：

ΔR=ΔRP+ΔRE0+ΔRn

(4)

其中 ΔR——變化前、后時(shí)段徑流變化的差值；ΔRP、ΔRE0和ΔRn——P、E0及n變化引起的徑流變化，可由式(5)分別進(jìn)行計(jì)算[18]：

(5)

最后，降水、潛在蒸散發(fā)和下墊面變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率可由式(6)估算[21]：

(6)

式中Cxi——流域因子xi為P、E0或n時(shí)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率。

3 結(jié)果分析

3.1 水文要素變化趨勢(shì)分析

各水文要素趨勢(shì)變化及徑流突變情況見圖2，從圖2a可以看出，降水量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且最大降水量出現(xiàn)在1983年，為1 240.8 mm，最小值出現(xiàn)在1989年，為584.4 mm，兩者相差近一倍，與圖2c相比，可以發(fā)現(xiàn)降水量與徑流量年際變化幾乎一致，斜率分別為-3.02和-1.25，且極大值與極小值出現(xiàn)時(shí)間相同，表明降水量在徑流變化中有著重要影響，從圖2b可以看出，潛在蒸發(fā)量整體呈下降趨勢(shì)，斜率為-6.16，最大值出現(xiàn)在1972年，為1 693.3 mm，最小值出現(xiàn)在2008年，為1 195.7 mm。

運(yùn)用M-K趨勢(shì)分析方法[22]對(duì)六沖河七星關(guān)水文站年徑流量序列進(jìn)行趨勢(shì)顯著性判斷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在置信水平為0.05時(shí)下降趨勢(shì)不顯著(統(tǒng)計(jì)量絕對(duì)值為0.94小于1.96)。再運(yùn)用Pettitt法[23]對(duì)六沖河七星關(guān)站徑流量進(jìn)行突變點(diǎn)判斷，算得的統(tǒng)計(jì)量U結(jié)果見圖2d，U值在1986年達(dá)到最大值132，則突變點(diǎn)為1986年，其中檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量p值為0.36大于0.05，因此突變點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)意義上也不顯著。

a)年平均降水量

3.2 P、E0及n敏感性分析

六沖河上游流域各水文要素以及彈性系數(shù)的值見表1，對(duì)于氣象水文要素而言，影響期的多年平均降水量，多年平均徑流量和多年平均潛在蒸發(fā)量相比于基準(zhǔn)期有所下降，分別減小了10.27%、7.77%和15.58%，而下墊面指數(shù)相較于基準(zhǔn)期有所增加，增大了5.14%，其中干燥指數(shù)E0/P較基準(zhǔn)期有所增大(從1.57到1.61)，增大了2.78%，而徑流系數(shù)R/P較基準(zhǔn)期有所減小(從0.47到0.44)，減小了5.92%。

表1 六沖河上游流域氣象水文要素特征值及彈性系數(shù)

對(duì)于彈性系數(shù)而言，在影響期εp的值最大，其次是εn，最后是εE0，表明徑流對(duì)降水的變化最為敏感，且只有εP的值大于零，為1.51，表明降水每增大10%，徑流將增大15.1%，而εE0和εn的值分別為-0.51和-0.41，表明潛在蒸散發(fā)和下墊面指數(shù)每增大10%，徑流將分別減小5.1%和4.1%。相對(duì)于基準(zhǔn)期，εP和εE0的絕對(duì)值在影響期有所增大，表明降水和潛在蒸散發(fā)在影響期對(duì)徑流變化的作用更大，而εn的絕對(duì)值相比于基準(zhǔn)期有所減小，表明在影響期下墊面對(duì)徑流變化的作用變小。

圖3為降水、潛在蒸發(fā)量和下墊面指數(shù)的彈性系數(shù)在1971—2009年的變化，可以看出，εP和εE0的絕對(duì)值在1971—2009年的變化趨勢(shì)趨于水平且兩者變化趨勢(shì)一致，這是因?yàn)棣臥+εE0=1，因此兩者絕對(duì)值之差為1，但εP和εE0的絕對(duì)值在1986年均達(dá)到最大值，表明1986年降水及蒸發(fā)變化對(duì)徑流變化影響最大。而εn的絕對(duì)值在1986年后增加不少，表明下墊面對(duì)徑流變化的作用逐漸增大，但前面的分析表明下墊面在影響期的彈性系數(shù)絕對(duì)值略微減小，這可能是因?yàn)橄聣|面指數(shù)增大對(duì)εn減小的影響超過了干燥指數(shù)增大對(duì)εn增大的影響，因此各年與影響期整體算得的結(jié)果存在差異。

圖3 各氣象水文要素彈性系數(shù)年際變化

3.3 徑流量歸因分析

六沖河上游流域P、E0及n對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)見表2，具體計(jì)算見式(5)。其中徑流實(shí)際變化量與式(4)計(jì)算得到的徑流變化量兩者比較接近，由此認(rèn)為本文計(jì)算得到的貢獻(xiàn)量能夠較好評(píng)估氣候變化(降水量與潛在蒸發(fā)量變化)和人類活動(dòng)造成的下墊面變化對(duì)徑流變化的影響程度。降水量的減少對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)度為-64.95 mm，貢獻(xiàn)率高達(dá)113.3%，其次下墊面變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)度為-15.87 mm，貢獻(xiàn)率為14.4%，而潛在蒸發(fā)量增加對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)度為-8.23 mm，貢獻(xiàn)率為-27.7%，因此，降水量的減少是徑流變化的主要原因，其次是下墊面變化帶來的影響。其中，降水量的減少對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率超過100%，這主要是因?yàn)闈撛谡羯l(fā)在1971—2009年下降趨勢(shì)較大，而降水和徑流下降趨勢(shì)相對(duì)較小，因此蒸散發(fā)對(duì)徑流為負(fù)貢獻(xiàn)，降水對(duì)徑流為正貢獻(xiàn)，而下墊面指數(shù)變化率僅為5.14%，對(duì)徑流的正貢獻(xiàn)小于蒸散發(fā)對(duì)徑流的負(fù)貢獻(xiàn)，因此對(duì)徑流減小的正貢獻(xiàn)主要集中在降水上，且貢獻(xiàn)率將超過100%。

表2 六沖河上游流域氣象水文要素貢獻(xiàn)

3.4 討論

氣候變化和人類活動(dòng)是影響流域徑流變化的兩個(gè)最重要的因素。本文研究表明：影響六沖河上游流域徑流變化的主要因素為降水變化，其次是下墊面變化。部分學(xué)者也對(duì)烏江流域徑流變化歸因進(jìn)行過研究，如陳焰犢等[24]對(duì)畢節(jié)市1961—2010年降水量變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)近50年的降水量存在一定的波動(dòng)性，降水的減少在20世紀(jì)80年代后期至90年代前期比較明顯；熊亞蘭等[25]對(duì)烏江降雨徑流變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)降雨在1981—1994年偏枯。在喀斯特氣候變化影響方面，Liu等[26]發(fā)現(xiàn)喀斯特地區(qū)植被可利用水量較非喀斯特地區(qū)少一些，生態(tài)系統(tǒng)更依賴降水，因此降水帶來的影響更大，Wu等[27]對(duì)貴州省喀斯特地區(qū)中氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)降水帶來的變化最大，且穩(wěn)定在50%～60%，而人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響比起非喀斯特地區(qū)相對(duì)較小。由于六沖河上游流域位于西南喀斯特地區(qū)，20世紀(jì)80年代降水的減少對(duì)該流域徑流影響較大，本文分析結(jié)果與已有研究結(jié)果比較一致。

下墊面條件改變也是影響六沖河上游流域徑流變化的重要原因。人類活動(dòng)對(duì)下墊面的影響主要體現(xiàn)在土地利用的變化上，黃威廉[28]對(duì)六沖河上游流域土地資源利用情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)耕地面積占比最大，其次是林地和草地。而流域內(nèi)不同的土地利用類型使其具有不同的水循環(huán)及水文效應(yīng)，如草地面積的減小，使得土壤含水量降低，對(duì)流域徑流的調(diào)節(jié)能力下降；耕地面積的增加將改變流域用水分配，同時(shí)間接的影響流域其他土地利用方式，通過改變其產(chǎn)匯流條件來影響徑流的變化[21]。由于六沖河上游流域耕地占比較大，田少土多，以旱作為主，且大多為坡土，而20世紀(jì)80年代隨著人口增加，很多陡坡已被墾荒耕種，因此水土流失較為嚴(yán)重，林地中森林覆蓋率較低，這些下墊面的變化也對(duì)徑流產(chǎn)生一定的影響。

4 結(jié)論

本次研究對(duì)貴州省六沖河徑流變化進(jìn)行了趨勢(shì)和突變?cè)\斷，并對(duì)六沖河上游流域進(jìn)行徑流變化的歸因分析，得到的初步結(jié)論如下。

a)七星關(guān)站的徑流量呈顯著下降趨勢(shì)，且在1986年發(fā)生顯著突變。降水量與徑流量年際變化相一致，且極大值與極小值出現(xiàn)時(shí)間相同，表明降水量在徑流變化中有著重要影響。

b)對(duì)幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)降水量彈性系數(shù)最大，即徑流對(duì)降水的變化更為敏感。比起基準(zhǔn)期，降水和潛在蒸散發(fā)在影響期對(duì)徑流的作用更大，并在1986年達(dá)到最大值，而下墊面條件在影響期對(duì)徑流變化的作用較小，但作用在每年逐漸增大。

c)降水量的減少對(duì)六沖河上游流域徑流變化的貢獻(xiàn)率高達(dá)113.3%，其次是下墊面的變化，貢獻(xiàn)率為14.4%，而潛在蒸發(fā)量對(duì)徑流變化貢獻(xiàn)率較小，因此，可認(rèn)為徑流量在1986年后顯著減少的主要原因是降水量的減少。