變化環(huán)境下渭河流域徑流豐枯遭遇變化特征及其影響因素分析

郭愛軍， 黃　強(qiáng)， 暢建霞， 王義民

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048)

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變化環(huán)境下渭河流域徑流豐枯遭遇變化特征及其影響因素分析

郭愛軍， 黃強(qiáng)， 暢建霞， 王義民

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048)

以渭河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用有序聚類與滑動(dòng)t檢驗(yàn)法診斷渭河干流(咸陽(yáng)站)、涇河(張家山站)與北洛河(狀頭站)1960-2010年徑流變異情況，引入Copula函數(shù)分析不同水文區(qū)徑流豐枯遭遇特征。結(jié)果表明：咸陽(yáng)站徑流于1969年、1993年變異，張家山站于1996年變異，狀頭站于1994年變異；變異點(diǎn)前后，各水文區(qū)相同設(shè)計(jì)頻率下徑流量顯著減小，干流減小趨勢(shì)最為顯著；不同水文區(qū)徑流豐枯遭遇概率變化顯著，1960—1993年徑流豐枯同步遭遇概率遠(yuǎn)大于豐枯異步，1994—2010年，除張家山-狀頭徑流遭遇組合外，徑流豐枯同步遭遇概率遠(yuǎn)小于豐枯異步，不同組合遭遇概率趨向均勻化；流域內(nèi)不利于調(diào)水概率顯著減小，持續(xù)且劇烈的人類活動(dòng)對(duì)徑流的改變是造成該現(xiàn)象的主因。

渭河流域； 徑流變異； Copula函數(shù)； 豐枯遭遇

不同水文區(qū)水資源的聯(lián)合調(diào)度與配置是對(duì)流域水資源進(jìn)行再分配，解決流域水資源時(shí)空分布與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不匹配的重要方法，而流域各水文區(qū)水資源的不同豐枯遭遇狀態(tài)，直接影響到調(diào)水量以及不同豐枯遭遇情景下配置方案的確定，進(jìn)而影響到不同水文區(qū)的用水權(quán)益保障和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[1]。故此，充分考慮水資源的不同豐枯遭遇狀態(tài)，對(duì)流域水資源的合理規(guī)劃、可持續(xù)利用等具有重要意義。目前，流域水資源的豐枯遭遇研究方法主要有統(tǒng)計(jì)法和聯(lián)合分布函數(shù)法，而Copula函數(shù)方法因其具有構(gòu)造靈活多變，可描述變量之間非線性、對(duì)稱及非對(duì)稱的相關(guān)關(guān)系等優(yōu)良特性[2]，在流域水資源的豐枯遭遇方面被諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者采納應(yīng)用[3-8]。但是在當(dāng)前氣候以及人類活動(dòng)劇烈變化的情景下，流域水資源的時(shí)空分布以及產(chǎn)匯流過程發(fā)生明顯改變，不同水文區(qū)變異情況不同，使得流域水資源豐枯遭遇情況隨之變化，從而對(duì)流域水資源聯(lián)合調(diào)度與配置產(chǎn)生影響。

渭河流域水資源分布與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡造成流域內(nèi)水資源供需分異問題突顯，人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)流域水資源改變明顯，變化環(huán)境下全流域的水資源配置顯得尤為重要[9]，因此對(duì)變化環(huán)境下流域各水文區(qū)徑流遭遇情景進(jìn)行分析，進(jìn)而確定不同配置方案則成為當(dāng)下亟需解決的問題?；诖耍疚囊晕己恿饔?yàn)檠芯繉?duì)象，在分析流域水資源變異的基礎(chǔ)上，采用Copula函數(shù)分析了涇河流域、北洛河流域以及渭河干流中上游在水資源變異前后豐枯遭遇變化情況，研究其遭遇狀況規(guī)律，并探討了氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)流域水資源豐枯遭遇狀態(tài)變化的影響。

1　研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)域概況

渭河發(fā)源于甘肅渭源縣鳥鼠山，流經(jīng)甘肅、寧夏、陜西3省(區(qū))，在陜西潼關(guān)注入黃河，干流全長(zhǎng)818 km，流域總面積13.5萬km2，如圖1所示。流域多年平均天然徑流量100億m3，占黃河流域天然徑流量的17.3 %，其中渭河干流咸陽(yáng)以上54.05億m3，支流涇河張家山以上為17.23億m3，北洛河源頭以上9.96億m3[10]。流域徑流空間分布不均勻，渭河南岸來水量占總來水量的48%以上，而集水面積僅占渭河流域面積的20%，南岸徑流系數(shù)平均0.26，是北岸的3倍左右。徑流年際變化大，年內(nèi)分配不均衡，最大年徑流量(218億m3)約為最小年徑流量(43億m3)的5倍，汛期(7月～10月)來水量約占全年的60%。

1.2數(shù)據(jù)

本研究收集了咸陽(yáng)水文站、張家山水文站和狀頭水文站的年徑流資料(黃河流域水文年鑒見圖1)；渭河流域21個(gè)氣象站的資料(含降雨量、氣溫、風(fēng)速等)收集自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，為保證資料系列的同步性和具有較長(zhǎng)的觀測(cè)系列，徑流和氣象資料均采用1960-2010年共51年的資料系列。潛在蒸發(fā)量采用世界糧農(nóng)組織(FAO)推薦的FAO Penman-Menteith公式計(jì)算得到。各流域的降雨量與潛在蒸發(fā)量根據(jù)各站點(diǎn)降雨量與潛在蒸發(fā)量，采用基于ArcGIS平臺(tái)的泰森多邊形法計(jì)算而來。

圖1　渭河流域水文站點(diǎn)分布圖Fig.1　Location of hydrologic stations in the Weihe River Basin

2　渭河流域徑流變異分析

采用有序聚類法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法[11]診斷渭河流域咸陽(yáng)水文站、張家山水文站以及狀頭水文站徑流量變異特征，將所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、驗(yàn)證，如圖2～4所示。

圖2　咸陽(yáng)站徑流量變異年份診斷Fig.2　Alteration diagnosis of runoff series at Xianyang station

圖3　張家山站徑流量變異年份診斷Fig.3　Alteration diagnosis of runoff series at ZhangJiashan station

圖4　狀頭站徑流量變異年份診斷Fig.4　Alteration diagnosis of runoff series at Zhuangtou station

有序聚類分析結(jié)果表明，咸陽(yáng)水文站年徑流量在1968年、1969年、1970年、1985年、1990年、1993年出現(xiàn)可疑變異點(diǎn)。滑動(dòng)t檢驗(yàn)(步長(zhǎng)為5)顯示1969年檢驗(yàn)值T=2.96>Tα/2，1993年檢驗(yàn)值T=5.75>Tα/2，這說明1969年、1993年為咸陽(yáng)站徑流量發(fā)生變異的年份。張家山水文站徑流量有序聚類法診斷表明，徑流量在1970年、1985年、1990年、1992年、1996年均出現(xiàn)可疑變異點(diǎn)，滑動(dòng)t檢驗(yàn)表明僅有1996年T=4.66>Tα/2，故涇河流域徑流序列于1996年發(fā)生明顯變異。狀頭水文站兩種變異診斷結(jié)果均表明北洛河流域徑流量發(fā)生變異的年份是1994年。

3　Copula函數(shù)的選擇與豐枯遭遇分析

3.1Copula函數(shù)的選擇

渭河流域徑流量變異診斷結(jié)果表明，渭河干支流徑流量均在1993年附近存在一個(gè)變異點(diǎn)，為了更好的對(duì)比分析徑流量變異前后水資源豐枯遭遇狀態(tài)特征，本文統(tǒng)一將各流域時(shí)間序列劃分為1960—1993年和1994—2010年兩個(gè)時(shí)段，其中1960—1993年為人類活動(dòng)相對(duì)較弱期，1994—2010年為人類活動(dòng)影響劇烈期。

采用皮爾遜III型分布來擬定渭河流域年徑流序列不同時(shí)段的邊緣分布，利用優(yōu)化適線法求取頻率分布曲線的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。選擇Clayton Copula和Gumbel-Hougaard Copula函數(shù)擬合不同流域徑流序列，通過Kendall秩相關(guān)系數(shù)估計(jì)Copula函數(shù)的參數(shù)θ，采用均方根誤差(RMSE)與赤池信息準(zhǔn)則(AIC)選擇最優(yōu)Copula函數(shù)[12]。

兩兩組合咸陽(yáng)水文站、張家山水文站以及狀頭水文站三站徑流序列，作為流域徑流遭遇組合。不同時(shí)段Copula函數(shù)的參數(shù)θ與擬合優(yōu)度檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　Copula函數(shù)參數(shù)估計(jì)結(jié)果及擬合優(yōu)度檢驗(yàn)

由表1可知，對(duì)于咸陽(yáng)-張家山徑流遭遇組合，兩時(shí)段均以Gumbel-Hougaard Copula函數(shù)擬合效果較優(yōu)；對(duì)于咸陽(yáng)-狀頭徑流遭遇組合，1960—1993年采用Gumbel-Hougaard Copula函數(shù)擬合效果較優(yōu)，1994—2010年采用Clayton Copula函數(shù)擬合效果較優(yōu)；對(duì)于張家山-狀頭徑流遭遇組合，1960—1993年采用Clayton Copula函數(shù)擬合效果較優(yōu)，1994—2010年采用Gumbel-Hougaard Copula函數(shù)擬合效果較優(yōu)。

3.2不同水文區(qū)豐枯遭遇分析

采用頻率法劃分不同水文區(qū)徑流量的豐枯組合，豐枯遭遇分為以下九種情形：

①豐豐型，p1=P(X≥xpf,Y≥ypf)；

②豐平型，p2=P(X≥xpf,ypk

③豐枯型，p3=P(X≥xpk,Y≤ypk)；

④平豐型，p4=P(xpk

⑤平平型，p5=P(xpk

⑥平枯型，p6=P(xpk

⑦枯豐型，p7=P(X≤xpk,Y≥ypf)；

⑧枯平型，p8=P(X≤xpk,ypk

⑨枯枯型，p9=P(X≤xpk,Y≤ypk)。

其中，pf=37.5%、pk=62.5%，分別為劃分徑流量豐、枯的頻率標(biāo)準(zhǔn)。不同時(shí)段豐、枯頻率下徑流量如表2所示。

表2　各站不同時(shí)段不同設(shè)計(jì)頻率下年徑流量

由表2可以看出，在人類活動(dòng)變化劇烈時(shí)期，即1994—2010年，各流域豐水年、枯水年的徑流量均較1960—1993年呈顯著減小趨勢(shì)。其中，渭河干流咸陽(yáng)站減小趨勢(shì)最為顯著，當(dāng)設(shè)計(jì)頻率為37.50%、62.50%時(shí)，變幅分別為58.84%、64.71%；支流涇河次之，設(shè)計(jì)頻率為37.50%、62.50%時(shí)，變幅分別為42.64%、40.94%；北洛河流域最小，設(shè)計(jì)頻率為37.50%、62.50%時(shí)，變幅分別為35.49%、35.21%。

圖5～7為不同時(shí)段流域不同水文區(qū)徑流豐枯遭遇的聯(lián)合分布等值線圖。

圖5　咸陽(yáng)-張家山徑流不同時(shí)段豐枯遭遇的聯(lián)合分布等值線圖Fig.5　Joint distribution of runoff between Xiayang and Zhangjiashan in different periods

計(jì)算上述9種徑流組合下豐枯遭遇概率，如表3所示。結(jié)合表3與圖5～7可看出，徑流變異前后，各水文區(qū)徑流豐枯遭遇概率發(fā)生明顯變化：①1960—1993年，不同水文區(qū)徑流豐枯同步遭遇概率遠(yuǎn)高于豐枯異步遭遇概率，咸陽(yáng)-張家山、張家山-狀頭與咸陽(yáng)-狀頭徑流豐枯同步遭遇的概率分別為68.34%、69.42%與59.20%；②1994—2010年不同水文區(qū)徑流豐枯異步遭遇概率高于豐枯同步遭遇概率，不同組合徑流遭遇概率趨向均勻化，如咸-張徑流遭遇中，1960—1993年豐枯遭遇概率變化范圍為1.83%～29.34%，1994—2010年為6.27%～14.31%；③徑流豐豐遭遇組合或枯枯遭遇組合會(huì)導(dǎo)致流域受水區(qū)無需調(diào)水或調(diào)水區(qū)無水可調(diào)的情況出現(xiàn)，故此認(rèn)為徑流豐豐遭遇組合與枯枯遭遇組合是不利于流域調(diào)水的情況。各水文區(qū)1960—1993年不利于調(diào)水的概率為24.48%～30.71%，1994—2010年不利于調(diào)水的概率為14.25%～24.33%，較之前顯著減小。

圖6　咸陽(yáng)-狀頭徑流不同時(shí)段豐枯遭遇的聯(lián)合分布等值線圖Fig.6　Joint distribution of runoff between Xianyang and Zhuangtou in different periods

圖7　張家山-狀頭徑流不同時(shí)段豐枯遭遇的聯(lián)合分布等值線圖Fig.7　Joint distribution of runoff between ZhangJiashan and Zhuangtou in different periods

表3　各河流徑流豐枯遭遇概率分析結(jié)果

注：豐枯異步中，以咸陽(yáng)-張家山遭遇為例，豐-平遭遇表示咸陽(yáng)豐-張家山平，平-豐遭遇表示咸陽(yáng)平-張家山豐，以此類推。

4　變化環(huán)境下渭河流域徑流豐枯遭遇影響因素探討

環(huán)境變化改變了流域水文過程，而人類活動(dòng)與氣候變化則是環(huán)境變化的主要影響因素，同時(shí)氣候變化與人類活動(dòng)之間的耦合關(guān)系密切，本研究從兩者的直接影響出發(fā)，暫不考慮其間的相關(guān)性。

渭河流域徑流主要來自降雨，降雨量的多寡決定著徑流補(bǔ)給來源的豐缺，蒸發(fā)量的大小反映著徑流損耗的多少[13]。各水文區(qū)不同時(shí)段氣象因子及徑流變化情況如表4所示。降雨方面，各水文區(qū)1994—2010年的降雨幅度均較1960—1993年有所減少，其中咸陽(yáng)以上流域降雨量減小幅度最大，為11.14%；涇河流域次之，為7.27%，北洛河流域最小，為6.29%；降雨量偏枯致使徑流量衰減，各水文區(qū)降雨量減小幅度遠(yuǎn)小于徑流量減小幅度。蒸發(fā)方面，各水文區(qū)潛在蒸發(fā)量均呈增加趨勢(shì)，但增加幅度較小，最大僅為5.51%(涇河流域)。

渭河流域影響徑流變化的人類活動(dòng)主要為水利水保工程的修建以及工農(nóng)業(yè)的持續(xù)性取用水。自20世紀(jì)70年代，渭河流域開始大量修建水利水保工程，截至1996年底，流域內(nèi)累計(jì)興修梯田52.85萬hm2，完成造林75.66萬hm2、種草20.54萬hm2，修建淤地壩2336座，各類水庫(kù)總庫(kù)容達(dá)16.8億m3[14-15]。以北洛河流域?yàn)槔?，劉斌[16]等研究表明，1990—1996年流域水利水保措施實(shí)施以及取用水是徑流量減少的主因，其中，水保措施減水量4182.4萬m3，水利措施減水量30563萬m3。水利設(shè)施調(diào)節(jié)能力的不斷增強(qiáng)、取用水規(guī)模的持續(xù)加大是導(dǎo)致流域不同時(shí)段設(shè)計(jì)徑流量減小、不同水文區(qū)徑流豐枯遭遇概率變化的主因。

上述分析表明，氣候變化對(duì)流域徑流的影響遠(yuǎn)小于人類活動(dòng)。水利水保工程的修建以及工農(nóng)業(yè)的直接取用水很大程度上改變了徑流年內(nèi)、年際變化分布，從而使流域不同水文區(qū)徑流豐枯遭遇概率發(fā)生變化。

表4　渭河流域不同時(shí)段徑流與氣象因子變化

5　結(jié)　論

1) 受大規(guī)模的水利水保等人類活動(dòng)的影響，渭河干流中上游(咸陽(yáng)站)徑流于1969年、1993年發(fā)生變異，涇河流域徑流于1996年變異，北洛河流域徑流于1994年變異。

2) 不同時(shí)段，相同設(shè)計(jì)頻率下徑流量顯著減小，其中渭河干流減小趨勢(shì)最為顯著，涇河次之，北洛河減小趨勢(shì)最小；

3) 咸陽(yáng)-張家山徑流遭遇組合，1960—1993年與1994—2010年均以Gumbel-Hougaard Copula函數(shù)擬合效果較優(yōu)；咸陽(yáng)-狀頭徑流遭遇組合，1960—1993年采用Gumbel-Hougaard Copula函數(shù)擬合效果較優(yōu)，1994—2010年為Clayton Copula函數(shù)；張家山-狀頭徑流遭遇組合，1960—1993年采用Clayton Copula函數(shù)擬合效果較優(yōu)，1994—2010年為Gumbel-Hougaard Copula函數(shù)。

4) 1960—1993年，不同水文區(qū)徑流豐枯同步遭遇概率遠(yuǎn)大于豐枯異步；1994—2010年，除張家山-狀頭徑流遭遇組合外，徑流豐枯同步遭遇概率遠(yuǎn)小于豐枯異步；不同水文區(qū)徑流豐枯同步遭遇概率減小，豐枯異步遭遇概率增加，不同組合遭遇概率趨向均勻化；流域內(nèi)不利于調(diào)水的組合(豐豐遭遇與枯枯遭遇)概率減小顯著；人類活動(dòng)(水利工程、水保措施以及工農(nóng)業(yè)的直接取用水)改變了徑流的年際、年內(nèi)分布與周期性變化，是造成豐枯遭遇發(fā)生顯著改變的主要原因。

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(責(zé)任編輯周蓓)

Synchronous asynchronous encounter probability of rich-poor runoff change and its influencing factors under the condition of changing environment in the Weihe River Basin

GUO Aijun， HUANG Qiang， CHANG Jianxia， WANG Yimin

(State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Taking Weihe River Basin as the study area， ordered clustering and slidingtmethods are used to detect the change point of runoff at the Xianyang station located in the mainstream of Weihe River, Zhangjiashan station located in the Jinghe River and Zhuangtou station located in the Beiluohe River. And Copula function is applied to analyze the synchronous-asynchronous encounter probability of rich-poor runoff. Results show: the change point of runoff occurred in 1969 and 1993 at the Xianyang station, 1996 at the Zhangjiashan station and 1994 at the Zhuangtou station. In comparison of runoff at different design frequencies from 1960 to 1993, runoff decreased remarkably at the corresponding design frequencies from 1994 to 2010, which was most significant in the mainstream of Weihe River. The synchronous asynchronous encounter probabilities changed remarkably in all hydrological zones. From 1960 to 1993, the synchronous encounter probabilities were greater than asynchronous encounter probabilities, which was inverse from 1994 to 2010 except the Zhangjiashan-Zhuangtou runoff encounter combinations. Additionally, the range of synchronous asynchronous encounter probabilities of different rich-poor runoff combinations decreased from 1994 to 2010, and the frequency against water diversion also decreased greatly. Sustained and intensive human activities changing runoff were the main reason for causing the changes of synchronous asynchronous encounter probability of rich-poor runoff.

Weihe River Basin; runoff variation; copula function; synchronous asynchronous encounter analysis

1006-4710(2016)02-0173-07

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.02.008

2015-06-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51190093，51179148，51179149)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(201101043)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20116118110009)

郭愛軍，男，博士生，研究方向?yàn)樗Y源系統(tǒng)工程。E-mail: sfagaj@163.com.cn

黃強(qiáng)，男，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)樗Y源系統(tǒng)工程與流域水文過程。E-mail: sy-sj@xaut.edu.cn

P333.6

A