清姜河流域年徑流變化趨勢(shì)及氣候與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流的影響分析

田紅綱

(陜西省寶雞水文水資源勘測(cè)中心,陜西 寶雞 721000)

0 引言

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),近70年以來(lái),全球氣候發(fā)生了巨大變化,水資源匱乏、水環(huán)境污染、水生態(tài)損害等自然災(zāi)害問(wèn)題日益突出,氣候的變化與人類(lèi)的活動(dòng)是造成河川徑流量變化的兩大重要原因[1],而氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流變化之間的相互作用關(guān)系也已受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者和政府部門(mén)的極大重視,是目前世界水文學(xué)與水資源研究與分析的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。張建云等[1-2]分析結(jié)果顯示我國(guó)主要河川徑流量年內(nèi)分配在空間和時(shí)間上呈現(xiàn)出顯著的差異性、不均衡性,我國(guó)六大流域主要江河實(shí)測(cè)年徑流量的減少趨勢(shì)十分明顯;李斌等[3]分析表明渭河中下游地區(qū)的實(shí)測(cè)年徑流量呈下降趨勢(shì)。

本文以清姜河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,以代表站益門(mén)鎮(zhèn)水文站為研究分析對(duì)象,采用滑動(dòng)平均、線性回歸、豐枯變化、曼-肯德?tīng)?Mann-Kendall)檢驗(yàn)、SCRAQ等方法,分析探討清姜河流域年徑流量變化趨勢(shì)和突變情況,分析氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)因子對(duì)年徑流量變化的影響程度,這對(duì)清姜河流域綜合治理與水資源管理有重要意義,為清姜河流域水資源合理的開(kāi)發(fā)利用與經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供用水支撐。

1 研究區(qū)概況

清姜河集水總面積234.4 km2,河長(zhǎng)43.0 km,其發(fā)源于秦嶺的玉皇山,上游地貌為土石山區(qū),中、下游為山前丘陵和渭河谷地,區(qū)域植被良好,水質(zhì)清澈,自東南流向西北,于陜西省寶雞市渭濱區(qū)石家營(yíng)村附近匯入渭河。益門(mén)鎮(zhèn)水文站1955年建站,集水面積219 km2,多年平均年徑流量1.26億 m3,為清姜河流域代表水文站。研究區(qū)域水系概況及水文站地理位置見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域水系及水文站點(diǎn)圖

2 數(shù)據(jù)及分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

依據(jù)清姜河流域的特性,綜合分析流域內(nèi)水文站點(diǎn)分布情況與代表性,徑流、降水資料的一致性與可靠性,選取益門(mén)鎮(zhèn)水文站作為該流域代表站,資料系列長(zhǎng)度為1956-2020年共65 a,降水、徑流資料數(shù)據(jù)均來(lái)源于《水文年鑒》。

2.2 分析方法

(1)線性回歸分析是將自變量與應(yīng)變量之間的關(guān)系建立模型[4],得到線性擬合函數(shù),進(jìn)而預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)。

(2)根據(jù)徑流距平百分率P可以將年徑流量劃分為5個(gè)等級(jí)[5],豐水:P>20%;偏豐:10%

(1)

(3)Mann-Kendall檢驗(yàn)[6]是水文氣象研究與分析中最基本的突變點(diǎn)檢驗(yàn)方法,UF和UB兩條統(tǒng)計(jì)曲線的交叉點(diǎn)即為突變點(diǎn)。

(4)SCRAQ[7]是根據(jù)降水—徑流雙累積曲線偏移的拐點(diǎn),確定出徑流發(fā)生突變的年份,在時(shí)間序列上劃分為基準(zhǔn)期(人類(lèi)活動(dòng)較少時(shí)期)和人類(lèi)活動(dòng)頻繁期;通過(guò)繪制各階段年份—累積徑流、降水、蒸發(fā)等的關(guān)系圖,確定各階段徑流、降水、蒸發(fā)的斜率;計(jì)算各階段徑流、降水、蒸發(fā)等因子相對(duì)于基準(zhǔn)期斜率的變化率。

假設(shè)累積徑流量關(guān)系線突變年份前后的斜率分別SRi1和SRi2,累積降水量關(guān)系線的斜率分別為SPi1和 SPi2,則降水量對(duì)徑流量變化的影響率Cpi計(jì)算式為[8]:

(2)

在不考慮蒸散發(fā)的前提下,依據(jù)水量平衡原理,則人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于徑流變化影響率CHi為100-CPi。

3 結(jié)果與分析

3.1 年徑流年際變化分析

通過(guò)對(duì)益門(mén)鎮(zhèn)水文站1956-2020年年徑流量、5 a滑動(dòng)平均過(guò)程線和線性回歸分析表明(圖2),最大豐水年徑流為1964年的3.27億 m3,最小枯水年徑流量為1995年的0.38億 m3;1984-2002年徑流量整體上呈下降趨勢(shì),2003-2011年總體上呈上升趨勢(shì);1989-2016年徑流量基本處于多年平均徑流量水平線以下。從1956-2020年整體系列來(lái)看,年徑流量波動(dòng)變化劇烈、年際變化差異性大、減少趨勢(shì)明顯,其減少率為-0.010 9億 m3/a,年徑流量小于多年平均值的年數(shù)占比66.7%。

圖2 益門(mén)鎮(zhèn)站年徑流量變化趨勢(shì)

3.2 年徑流豐枯變化分析

通過(guò)對(duì)益門(mén)鎮(zhèn)水文站年徑流豐枯變化趨勢(shì)分析可知(圖3),1956-1970年徑流量大部分處于豐水期,極少數(shù)年份處于枯水期,豐水期歷時(shí)較長(zhǎng),一般為3～4 a,其余年份豐水期歷時(shí)較短,一般為1～2 a;1971-1990年呈波動(dòng)變化,豐水年與枯水年交替出現(xiàn);1991-2016年基本處于枯水年,極少數(shù)處于豐水年;1991-2002年連續(xù)12 a處于枯水期,綜合反映了清姜河徑流量呈減少趨勢(shì)。

圖3 益門(mén)鎮(zhèn)站年徑流豐枯變化趨勢(shì)

3.3 年徑流量突變分析

通過(guò)分析益門(mén)鎮(zhèn)水文站Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線得出以下結(jié)論(圖4),清姜河年徑流量1984-2002年間,徑流量呈明顯的逐年下降趨勢(shì),其中在1993年減少趨勢(shì)達(dá)到了顯著性水平0.05的臨界線。UF與UB兩條統(tǒng)計(jì)曲線的交叉點(diǎn)為1971年和1977年,即1971年和1977年為徑流的突變拐點(diǎn)。

圖4 益門(mén)鎮(zhèn)水文站年徑流量M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量曲線

為了進(jìn)一步確定年徑流量的突變年份,計(jì)算并繪制益門(mén)鎮(zhèn)水文站年降水—年徑流雙累積曲線(圖5),依據(jù)雙累積曲線偏移的拐點(diǎn),從而確定徑流發(fā)生突變的年份。分析可知,年徑流在1988年和2002年發(fā)生了較為明顯的偏移,1956-1987年、1988-2002年、2003-2020年各階段線性回歸擬合R2均大于0.99,說(shuō)明了各階段擬合相關(guān)程度極高,年徑流量在1988年和2002年發(fā)生突變。

圖5 年降水-年徑流雙累積曲線

3.4 氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)年徑流量影響分析

在不考慮清姜河流域蒸散發(fā)的情況下,利用SCRAQ法分析氣候變化(年降水量)與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)年徑流變化的影響率。根據(jù)益門(mén)鎮(zhèn)水文站年降水—年徑流雙累積曲線(圖5)的偏移拐點(diǎn)年份,將年降水與年徑流量在時(shí)間序列上劃分為1956-1987年、1988-2002年和2003-2020年3個(gè)時(shí)間段,各階段年份與累計(jì)年徑流、年降水線性擬合成果(見(jiàn)圖6、圖7)。1987年以前人類(lèi)活動(dòng)較弱,1987年以后隨著經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量的飛速發(fā)展,水利工程的建設(shè)和下墊面條件的改變,對(duì)年徑流變化影響較大的是人類(lèi)活動(dòng),因此將1956-1987年劃分為基準(zhǔn)期(人類(lèi)活動(dòng)較少時(shí)期),1988-2002年和2003-2020年2個(gè)階段劃分為人類(lèi)活動(dòng)與氣候變化共同作用時(shí)期。

圖6 年份-累積年徑流量關(guān)系

圖7 年份-累積年降水關(guān)系

各階段的累積年徑流量、年降水量的斜率見(jiàn)表1,分析可知:與基準(zhǔn)期相比,1988-2002年徑流減少了47.77%、降水減少了13.17%;2003-2020年徑流減少了28.16%、降水減少了3.55%。

表1 各階段累積年徑流量、年降水量變化量

各階段氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)年徑流量變化的影響率見(jiàn)表2,通過(guò)分析表明:1988-2002年降水量對(duì)徑流變化的影響程度為27.57%,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響程度為72.43%;2003-2020年降水量對(duì)徑流變化的影響程度12.60%,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響程度為87.40%。1988-2002年高溫、干旱極端事件頻發(fā),降水量顯著偏小,氣候變化對(duì)年徑流變化的影響率較大;2003年我國(guó)環(huán)境保護(hù)工作會(huì)議的召開(kāi),人們意識(shí)到環(huán)境保護(hù)的重要性,注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和治理,氣候變化對(duì)年徑流變化的影響率呈減少趨勢(shì);近20 a以來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量的飛速發(fā)展,城鎮(zhèn)、工業(yè)等用水量的增加,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

表2 各階段氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)年徑流量變化的影響率

與基準(zhǔn)期相比,各階段的年徑流量都呈現(xiàn)出不同程度的減少趨勢(shì),而人類(lèi)活動(dòng)對(duì)年徑流量變化的影響率占比70%以上且呈明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì),由此可見(jiàn),影響年徑流變化的主要因素是人類(lèi)活動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)自1956年以來(lái),清姜河流域年徑流量波動(dòng)變化劇烈、年際變化差異性大、減少趨勢(shì)明顯,減少率為-0.010 9億 m3/a,其中1984-2002年下降趨勢(shì)顯著,在1991-2002年連續(xù)12年間年徑流量都處于枯水期。

(2)依據(jù)M-K檢驗(yàn)、降水-徑流雙累積曲線,清姜河徑流突變年份分別為1971年、1977年、1987年和2002年。

(3)在氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)共同作用的影響下,清姜河流域年徑流量的減少趨勢(shì)十分明顯,其中主要因素是人類(lèi)活動(dòng),次要因素是氣候變化,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)年徑流變化的影響呈顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)。