氣候變化和土地利用變化對黃河源區徑流變化的累積影響評估

劉壯添，陳睿智，王 未

(珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611)

近年來，全球前200條河流中約1/3的徑流量發生了顯著變化[1]。其中，氣候變化和土地利用變化是徑流變化的主要驅動因素[2-6]。國內外學者目前廣泛采用Budyko框架研究徑流變化歸因[3,6-9]，如Liang等[3]基于Budyko框架評估了氣候變化和水土保持對黃土高原14個主要流域徑流變化的貢獻；龍達等[9]利用Budyko框架分析了氣候變化和人類活動對六沖河流域的影響。然而，當前的Budyko框架假定氣候和其他影響因素在某一時間點發生突變，往往僅評估兩段時期的平均徑流變化，因此難以反映氣候變化和土地利用變化的累積影響[10]。

黃河源區位于典型的干旱半干旱區，也是中國西北地區的主要水源地[11]。然而大量研究表明，自20世紀90年代以來，黃河源區水資源形勢嚴峻，如徑流顯著減少[12]、區域凍土[13-14]和草地退化[15]等。這些問題嚴重危及流域生態系統的穩定，制約了黃河源區的高質量發展。因此，精確刻畫氣候變化和土地利用變化的累積影響，對黃河源區水問題的成因剖析、水資源優化調度等具有重要的意義。

本文將采用基于時變參數的Budyko框架，細致刻畫過去50多年氣候變化和土地利用變化對黃河源區徑流變化的累積影響，以期揭示研究區徑流演變的內在機制。研究將進一步豐富和發展已有流域徑流變化歸因成果，為流域徑流演變內在機制分析提供參考借鑒。

1 方法與數據

1.1 研究區介紹

黃河源區(32°20′～36°10′N,95°53′～103°30′E) 是黃河的發源地，位于青藏高原東北部，流域面積12.2萬km2(圖1)。源區海拔從2 700 m 到6 183 m 不等，自西向東遞減。干流發源于青藏高原巴顏喀拉山脈，流經青海、四川、甘肅三省，止于唐乃亥水文站，全長1 553 km。該流域屬于高原山地氣候，年平均氣溫約-4～4℃，由西向東逐漸升高。多年平均降雨量510 mm，汛期(7—10月)降雨占全年的60%左右，時空分布不均。流域的景觀類型多樣，主要包括雪山、冰川、高原、山間盆地、山谷和湖泊等。其主要的土地利用類型為草地，約占區域總面積的80%以上[15]。

圖1 黃河源區水文站、氣象站與水系

1.2 數據來源

選取了吉邁、瑪曲和唐乃亥共3個水文站(圖1)，收集了1960—2016年共計57 a的月徑流數據，數據來源于黃河水利委員會水文局。此外，也收集了同一時間段流域內15個國家氣象站的日降雨、日最小和日最大氣溫觀測數據，數據來源于中國氣象數據網(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)。采用距離倒數插值法對日降雨、日最小和日最大氣溫數據進行插值處理[16]。3個水文站控制流域的基本特征見表1。

表1 水文站控制流域基本特征

1.3 研究方法

1.3.1水文要素變化分析

采用了降水P和潛在蒸散發E0來表征氣候變化。并且，采用Hargreaves方法[17]來計算潛在蒸散發E0，因為僅需要日最小和最大氣溫，公式如下：

(1)

式中Ra——地外輻射；λ——Tmean的汽化潛熱。

Mann-Kendall趨勢檢驗方法[9,18]已廣泛應用于趨勢分析，此次采用其分析3個水文站控制流域1960—2016年平均徑流、年平均降水和年平均潛在蒸散發的變化趨勢。對于時間序列X(t)(t=1,2,…,n)，其趨勢估計量β為：

(2)

1.3.2基于時變參數的Budyko框架

Budyko框架清晰揭示了年徑流與其影響因素(降水、潛在蒸散發和流域特征)間的非線性關系，已廣泛應用于徑流變化歸因[5-8]。其中，Choudhury-Yang方程可估計實際蒸散發E，并已廣泛應用于黃河流域[3,18-20]。方程如下：

(3)

式中n反映下墊面特征，如土壤特性、坡度、土地利用和植被覆蓋等。

流域水量平衡方程為：

Q=P-E-ΔS

(4)

式中ΔS為流域蓄水量的變化，在多年的尺度，流域多年蓄水量變化可忽略不計。采用10年均值對年徑流、年降水和年潛在蒸散發進行處理，使ΔS為0。年徑流、年降水、年潛在蒸散發和年實際蒸散發從第t-9年至第t年的均值分別記為Qt、Pt、E0,t和Et，則式(4)可變為：

(5)

式(5)中的參數n在大部分研究中通常取某個常數值，不能反映下墊面的時變影響。Zhang等[10]提出依賴時間變化的時變參數nt，從而更好地刻畫氣候變化和土地利用的影響，見下式：

(6)

nt=α+β1t+β2t2

(7)

其中α是常數，β1和β2是回歸系數。由每年的年徑流Qt、年降雨Pt、年蒸散發E0,t可計算得到每年的時間參數nt來進行擬合。

(8)

(9)

所以，可得到從第t0年到第t年氣候變化 (Ac,t) 和土地利用變化 (Al,t) 的累積影響為：

(10)

2 結果

2.1 水文氣象系列的年際變化

圖3顯示了3個站點控制流域年徑流、年降雨和年潛在蒸散發從1960—2016年的年際變化。吉邁站、瑪曲站和唐乃亥站多年平均徑流分別為85.25、162.25、164.60 mm，多年平均降水分別為452.70、540.26、525.85 mm，多年平均潛在蒸散發分別為708.85、744.69、755.64 mm。

圖2 從第t-1年至第t年氣候變化和土地利用影響分解示意

a)吉邁站

b)瑪曲站

c)唐乃亥站

3個站點的年潛在蒸散發都顯著增加，但年徑流和年降雨的變化呈現出區域差異(表2)。吉邁站年徑流無顯著變化，但年降雨和年潛在蒸散發顯著增加，增加率分別為1.07、2.28 mm/a；瑪曲站年徑流顯著減少，減少率為-0.66 mm/a，年降水無顯著變化，年潛在蒸散發增加率為1.60 mm/a；唐乃亥站和瑪曲站相似，年徑流顯著減少，減少率為-0.59 mm/a，年潛在蒸散發顯著增加。

表2 黃河源區水文站年徑流、年降雨和年潛在蒸散發的MK檢驗結果

2.2 Budyko框架

時變參數n隨時間的變化見圖4。吉邁站時變參數n從1969—2000年左右逐漸增加，之后有所減少。瑪曲和唐乃亥站時變參數n總體呈增加趨勢。3個站點控制流域nt平均值分別為1.79、1.39和1.29，更大的n值意味著在相同的氣候狀態下，實際蒸散發更大，產流減少，區域干旱化。3個站點的回歸相關系數分別為0.71、0.92和0.85，均大于0.70，故回歸模型能較好地擬合時變參數n的變化。

a)吉邁站

b)瑪曲站

c)唐乃亥站

圖5顯示了3個站點控制流域從1969—2016年的時變Budyko曲線。從圖中可以看出，3個站點的氣候存在較大波動，其干旱指數(E0/P)多年均值分別為1.56、1.38和1.44。吉邁站的水文氣象點對變化較為復雜，其干旱指數和時變參數均存在非線性變化，而瑪曲站和唐乃亥站點對變化較為相似。

a)吉邁站

b)瑪曲站

c)唐乃亥站

2.3 累積影響評估結果

3個站點氣候變化的累積影響曲線較相似(圖6a)。氣候變化從1973—1990年增加了徑流，其累積影響值在1983—1990年較大，達到了10 mm以上。從1991—2003年氣候變化減少了徑流，在2003年，3個站點的累積影響值分別為-10.85、-20.91、-21.66 mm。2004年以后，整體上氣候變化增加了徑流，最終對徑流變化的累積影響值都是正值。

3個站點土地利用變化的累積影響曲線存在區域差異(圖6b)。吉邁站土地利用變化從1969—1996年持續減少徑流，1997年后效應減弱。瑪曲和唐乃亥站土地利用變化都持續減少徑流。3個站點最終土地利用變化的累積影響分別為-9.17、-32.09、-31.65 mm。

a)氣候變化的累積影響/mm

b)土地利用變化的累積影響/mm

綜合來看，吉邁站年徑流無顯著變化趨勢，這是因為氣候變化對徑流有所增加，土地利用對徑流的減少相對其他2個站點較少，氣候變化對其徑流變化起了重要作用。而瑪曲和唐乃亥站年徑流顯著減少，土地利用變化對徑流的持續減少是重要的影響因素。

已有的研究[7]發現黃河源區徑流變化存在2個突變時間點(1989、2003年)，這和本文研究結果相一致。吉邁站控制流域年降水顯著增加，其余區域降水變化不明顯(表2)，其土地利用變化也更為復雜，黃河源區約63%的凍土位于吉邁[7]，因此吉邁站的影響因素和趨勢變化與其他2個站不同。對于氣候變化，雖然源區潛在蒸散發一直顯著增加，但年降水變化方向并不單一(表2)；對于土地利用，其變化因素較為復雜，包括草地退化和凍土退化[7,13-15],作用機制多元，所以不同時期土地利用和氣候變化對徑流的影響存在異質性。

3 結論

基于時變參數的Budyko框架系統評估了1960—2016年氣候變化和土地利用變化對黃河源區徑流變化的累積影響，結論如下：①源區3個站點年潛在蒸散發都顯著增加，其中瑪曲和唐乃亥年徑流顯著減少，但吉邁站年徑流無顯著變化；②回歸模型能較好地模擬時變參數n的變化，相關系數在0.7以上；③氣候變化對3個站點控制流域徑流的影響存在時間波動，氣候變化在1973—1990、2004年之后增加了徑流，而1991—2003年減少了徑流；除吉邁站部分時段外土地利用變化均減少了徑流。氣候變化對吉邁站徑流變化起了重要作用，而土地利用變化對瑪曲和唐乃亥站累積影響更大。

總的來說，基于時變參數的Budyko框架簡單但可靠，所需數據較少，能精確刻畫氣候變化和土地利用變化對徑流變化的累積影響，但對于時變參數的模擬仍缺乏充分的物理機制，今后仍需加強研究。