漓江流域徑流演變歸因分析

吳沛霖，班華珍，吳衛(wèi)熊，李昊翔

（1.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院 廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530023；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070）

0 引言

漓江流域是國家生態(tài)保護(hù)重點(diǎn)領(lǐng)域和禁止開發(fā)區(qū)域，是珠江水系重要的水源涵養(yǎng)地，漓江流域水資源和景觀資源的可持續(xù)利用對于維持流域內(nèi)以及下游河流的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有十分重要的意義。流域的徑流量直接影響流域的生態(tài)環(huán)境與可利用水資源量，但在氣候變化和人類活動的背景下，流域徑流量發(fā)生了不同程度的改變[1]。降雨是徑流形成的首要條件，氣溫是影響水文循環(huán)的重要因素[2]，NDVI[3]和土地利用類型[4]揭示下墊面的透水性，這些因素直接或間接地影響了流域的徑流演變。進(jìn)行流域徑流演變歸因分析，有利于揭示流域生態(tài)環(huán)境演變過程，對流域水資源開發(fā)利用有重要意義。

國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了徑流演變分析及演變的歸因分析。通常從對水文、氣象要素的趨勢性、突變性和周期性探究要素的演變規(guī)律[5]。常用的徑流演變分析方法總體上可以分為水文模型法、基于Budyko 假設(shè)的彈性系數(shù)法、雙累積曲線法和累積斜率變化率分析法[6]。本文獲取了1991—2020年漓江流域降雨、徑流、氣溫、NDVI數(shù)據(jù)與土地利用情況，進(jìn)行各要素的趨勢分析和突變分析、與徑流的線性相關(guān)性分析，最后采用累積斜率變化率分析法定量分析人類活動與氣候變化對徑流演變的影響，旨在探明流域徑流量演變的驅(qū)動因素，成果可為涵養(yǎng)漓江流域水資源提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

漓江是珠江流域西江水系一級支流桂江的上游河段，發(fā)源于桂林市興安縣西北部的越城嶺貓兒山八角田高山沼澤帶。本文將陽朔站址以上作為漓江流域的研究區(qū)，面積約5585 km2。流域年平均降雨量為1900～2000 mm，汛期一般在3～8 月，汛期連續(xù)最大4個(gè)月徑流量占年總徑流量60%以上。流域內(nèi)多為土嶺和石山交錯(cuò)、崗丘平川相間分布，地勢北高南低。流域內(nèi)主要水文站點(diǎn)有靈渠（三）水文站、桂林水文站、良豐水文站、陽朔水文站等。流域示意圖見圖1。

圖1 漓江流域水系河流及其站點(diǎn)分布情況示意圖

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)

月平均降雨量、月平均徑流量數(shù)據(jù)來自水文年鑒，空缺數(shù)據(jù)（2018 年）采用內(nèi)插的方法進(jìn)行處理；NDVI數(shù)據(jù)、土地利用變化數(shù)據(jù)出自遙感解譯；年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)來自資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（www.resdc.cn）。

2.2 方法

本文采用線性趨勢法、累積距平法分析徑流量、降雨、氣溫的趨勢和突變。利用Pearson 相關(guān)系數(shù)計(jì)算徑流量與降雨、氣溫、NDVI、土地利用變化的線性相關(guān)性。利用累積量斜率變化率分析法定量分析氣候變化和人類活動對徑流的影響。

2.2.1 線性趨勢法

設(shè)有時(shí)間序列xi（i=1，2，3，…，n），ti表示xi所對應(yīng)的時(shí)間，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程：

式中：xi為時(shí)間序列；ti為年份；a、b為回歸常數(shù)，b＞0表示序列有增大趨勢，反之，有減小趨勢。

2.2.2 累積距平法

累積距平法是一種通過曲線反映序列變化趨勢的非線性統(tǒng)計(jì)方法，從累積距平曲線的起伏可以判斷系列的演變趨勢及變化，并根據(jù)累積距平曲線的轉(zhuǎn)點(diǎn)判斷其突變點(diǎn)。時(shí)間序列x在t時(shí)刻的累積距平值如式（3）：

將n個(gè)時(shí)刻的累積距平全部算出來，即可繪制出累積距平曲線進(jìn)行分析。累積距平曲線呈上升趨勢，表示距平值增加，呈下降趨勢則表示距平值減小。從曲線明顯的上下起伏可以判斷其長期顯著的演變趨勢及持續(xù)性變化，甚至可以判斷出發(fā)生突變的大致時(shí)間。

2.2.3 Pearson相關(guān)系數(shù)

Pearson 相關(guān)系數(shù)用來衡量兩個(gè)變量間的線性關(guān)系程度，用以對定距連續(xù)變量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為：

式中：x，y分別表示兩個(gè)變量；n為變量個(gè)數(shù)；R為Pearson相關(guān)系數(shù)。

2.2.4 累積量斜率變化率分析法

累積量斜率變化率分析法根據(jù)突變年份將徑流系列劃分為基準(zhǔn)期和人類活動期兩個(gè)時(shí)期，基準(zhǔn)期人類活動較少，可忽略不計(jì)；人類活動期徑流同時(shí)受氣候變化與人類活動的影響?；趦蓚€(gè)時(shí)期，分別計(jì)算降雨、氣溫、徑流累積量回歸方程斜率變化，并進(jìn)一步計(jì)算氣溫、降雨和人類活動對徑流的貢獻(xiàn)率。

（1）建立累積線性回歸方程?；鶞?zhǔn)期和人類活動期的累積量-年份線性回歸方程如下：

基準(zhǔn)期：

式中：xbasei和xvarii分別為基準(zhǔn)期和人類活動期的徑流量、降雨、氣溫；t1和t2分別為基準(zhǔn)期和人類活動期的長度，a；S為累積量斜率；b為截距。

（2）斜率變化率計(jì)算。降雨、氣溫和人類活動的斜率變化率根據(jù)下式計(jì)算：

式中：SP1、SP2、ST1、ST2、SR1、SR2分別為基準(zhǔn)期和人類活動期降雨、氣溫和徑流的累積量斜率；RSR、RSP、RST分別為人類活動期相對于基準(zhǔn)期的變化率。

（3）貢獻(xiàn)率計(jì)算。對徑流量變化的貢獻(xiàn)率根據(jù)以下公式計(jì)算：

降雨對徑流的影響：

式中：CH、CP、CT分別為人類活動、降雨和氣溫對徑流變化的貢獻(xiàn)率。

3 結(jié)果與討論

3.1 徑流演變分析

漓江流域1991—2020 年徑流變化趨勢如圖2所示?？傮w而言，流域徑流以0.3 835×108m3/a的速率增長。根據(jù)累積距平法，在置信度α=0.05的條件下，徑流量于2015 年前后發(fā)生突變。年徑流量在1991—2004年間呈現(xiàn)較大幅度的波動，2004—2015年波動幅度變緩，但均值與上一時(shí)期基本一致；2015 年降雨量迅速增大，在后幾年呈現(xiàn)下降趨勢，但最終又上升至與2015年基本持平。

圖2 漓江流域1991—2020年徑流量

1991—2014 年間，漓江流域平均徑流量為68.65×108m3；標(biāo)準(zhǔn)偏差為15.51；極大值出現(xiàn)在1993年，為99.97×108m3，極小值出現(xiàn)在2011年，為40.68×108m3，極大極小值比例為2.46。2015—2020年間平均徑流量為95.61×108m3；標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.22；極大值出現(xiàn)在2015 年，為106.59×108m3，極小值出現(xiàn)在2017年，為83.32×108m3，極大極小值比例為1.30。表明2015年后流域徑流量顯著增大，且年際變化減小。

3.2 氣候變化分析

漓江流域1991—2020年降雨量、氣溫變化如圖3所示。流域年降雨量、年均氣溫分別以15.56 mm/a和0.0 271℃/a的速率上升。

圖3 漓江流域1992—2020年降雨量、平均氣溫變化圖

根據(jù)累積距平法，在置信度α=0.05 的條件下，年降雨量于2012 年前后發(fā)生突變，年均氣溫于2017 年前后發(fā)生突變。突變前后各特征值如表1所示。

表1 突變前后各特征值情況

年降雨量在突變后極大極小值均顯著增大，極值比變低，表明極大值與極小值間差距減小，突變后降雨量有總體增大的趨勢，突變以后標(biāo)準(zhǔn)偏差增大，表明突變后降雨量年際變化增大。降雨量-徑流量Pearson相關(guān)系數(shù)為0.93，表明年降雨量和年徑流量的呈正相關(guān)趨勢，且線性相關(guān)性較高。年降雨量和年徑流量的變化曲線也呈現(xiàn)相似趨勢，均為1991—2014年間上下波動，2014—2020年間數(shù)值增大，仍上下波動。相關(guān)性較強(qiáng)的原因之一是漓江屬雨源型補(bǔ)給性河流，降雨是影響徑流量的主要因子。

年均氣溫突變后極大極小值均顯著增大，極值比基本不變，但標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著增大，對比圖3 可知，氣溫在1991—2017 年間變化較為平緩，在2016年到達(dá)30 年間最低點(diǎn)后開始拉升，均值顯著增大。氣溫-徑流量的Pearson 相關(guān)系數(shù)為0.23，線性相關(guān)性弱。且氣溫在1991—1997年間變幅較小，呈波動趨勢，1998—2017年間趨勢與前一個(gè)時(shí)期一致，但波動增大，后數(shù)值增減上升；而年徑流量在1991—1997和1998—2017 年間并沒有呈現(xiàn)出相同的趨勢，表明氣溫影響了徑流量的變化，但不是主要因素。

3.3 NDVI變化分析

漓江流域1991—2020 年NDVI 變化如圖4 所示。從長系列看，流域NDVI 以0.0 052/a 的速率上升。根據(jù)累積距平法，在置信度α=0.05 的條件下，NDVI于2010年前后發(fā)生突變。

圖4 漓江流域1990—2020年NDVI變化圖

1991—2011年間，漓江流域平均NDVI 為0.57；標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.05；極大值出現(xiàn)在2003年，為0.65，極小值出現(xiàn)在1991 年，為0.49，極大極小值比例為1.33。2012—2020年間平均NDVI為0.68；標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.04；極大值出現(xiàn)在2012年，為0.71，極小值出現(xiàn)在2014 年，為0.62，極大極小值比例為1.15。漓江流域地表植被覆蓋區(qū)域逐漸增多，且年際間的變化逐步減小。

NDVI-徑流量的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.39，線性相關(guān)性較差。變化趨勢方面，NDVI 在1991—2004年間呈現(xiàn)波動上升趨勢，2005—2011年上升趨勢停滯，后逐漸上升；徑流量在1991—2004 年間大幅度波動，2005—2014年均值降低，波動幅度減緩，后逐漸上升，兩者未呈現(xiàn)完整的同步變化或先后變化趨勢。NDVI影響了徑流量的變化，但不是主要因素。

3.4 土地利用變化分析

通過遙感解譯，將漓江流域土地利用類型分為旱地、植被、稻田、水體和城鎮(zhèn)，不同年份流域的土地利用類型見表2。由表2 可以看出，旱地面積增大，植被面積減小，但5年間的變化幅度不超過5%，30年累計(jì)變化幅度不超過10%，流域呈現(xiàn)荒漠化趨勢。30 年間，稻田和水體的面積有增有減，總體呈現(xiàn)出面積增加的趨勢；1995—2000 年間，稻田面積變幅最大，增大了31.13%；2005—2010年間，水體面積變幅最大，增大了32.68%。1990—2020 年間，城鎮(zhèn)面積呈現(xiàn)逐步上升趨勢，且增速在1995—2020年達(dá)到最大，為40.32%，2020 年漓江流域的城鎮(zhèn)面積為1990 年的3 倍，表明城市在這30 年間急劇擴(kuò)張，人類活動跡象明顯。

表2 不同年份漓江流域土地利用與徑流量變化

由表2的Pearson相關(guān)系數(shù)可以看出，旱地、稻田和城鎮(zhèn)的面積與徑流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，植被和水體的面積與徑流量呈正相關(guān)關(guān)系；城鎮(zhèn)面積變化與徑流量變化相關(guān)性強(qiáng)，水體面積變化與徑流量變化的相關(guān)性中等，稻田面積變化與徑流量變化的呈弱相關(guān)，旱地、植被的面積與徑流量變化的相關(guān)性較弱。

1990 年和2020 年漓江流域地物類型分布分別見圖5和圖6。由圖5和圖6可以看出，城鎮(zhèn)急劇擴(kuò)張的地方位于桂林市及周邊地區(qū)、雁山區(qū)、興安縣、陽朔縣等，且原有區(qū)域多為稻田與旱地，城鎮(zhèn)化擴(kuò)張導(dǎo)致下墊面變化，由原有透水面變成不透水面。城市化擴(kuò)張，大量原有稻田變?yōu)槌擎?zhèn)，為了保證糧食生產(chǎn)，漓江流域上游大溶江與靈渠交匯處、雁山區(qū)、陽朔縣周邊開始大量種植水稻，但青獅潭水庫下游稻田逐步退化成為旱地。為解決桂林市防洪及漓江枯水期補(bǔ)水問題，自2009 年起，漓江流域上游開始進(jìn)行小溶江水庫、川江水庫及斧子口水庫的建設(shè)，并于2014 年陸續(xù)進(jìn)行蓄水，故漓江流域水體面積在2010—2020年間逐步增大，且在上游區(qū)域呈現(xiàn)出大面積水域范圍，人類活動對漓江流域土地利用類型的變化影響顯著，而下墊面的變化又會引起徑流量變化。

圖5 1990年漓江流域地物類型分布圖

圖6 2020年漓江流域地物類型分布圖

3.5 基于累積量斜率變化率的徑流演變歸因分析

年份與累積徑流量、累積降雨量、累積氣溫的相關(guān)關(guān)系圖分別見圖7～圖9，根據(jù)式（5）～式（12）計(jì)算出的氣候變化和人類活動對徑流演變的貢獻(xiàn)率見表3。

表3 氣候變化和人類活動對徑流演變的貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)

圖7 年份與累積徑流量相關(guān)關(guān)系圖

圖8 年份與累積降雨量相關(guān)關(guān)系圖

圖9 年份與累積氣溫相關(guān)關(guān)系圖

若無人類活動影響，1990—2020 年的年份-累積徑流量斜率變化率應(yīng)保持不變，表明人類活動使年份-累積徑流量斜率變化了35.35%。從前文分析可知，漓江為雨源型河流，流域受降雨影響較大，故徑流演變有54.11%受降雨影響。此外，氣溫變化對徑流的演變貢獻(xiàn)率僅為4.49%，與前文的Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果一致。綜上，氣候變化對漓江流域徑流演變的貢獻(xiàn)率為58.60%，人類活動對漓江流域徑流演變的貢獻(xiàn)率為41.40%。

4 結(jié)論

（1）1990—2020 年間，漓江流域年徑流量呈上升趨勢，并于2015年前后發(fā)生突變。

（2）1990—2020 年間，漓江流域年降雨量呈上升趨勢，并于2012 年前后發(fā)生突變，降雨量與徑流量的相關(guān)系數(shù)為0.93，在幾個(gè)影響因子中的相關(guān)度最高；年均氣溫呈上升趨勢，并于2017 年前后發(fā)生突變，與徑流量的相關(guān)系數(shù)為0.23，相關(guān)性弱；NDVI呈上升趨勢，并于2010 年前后發(fā)生突變，與徑流量的相關(guān)系數(shù)為0.39，相關(guān)性較弱。

（3）1990—2020 年間，漓江流域土地變化也呈現(xiàn)出明顯的人為驅(qū)動因素，而土地利用變化導(dǎo)致的下墊面變化也是徑流演變的主要影響因素之一。

（4）經(jīng)定量分析，降雨對徑流演變的貢獻(xiàn)率最高，為54.11%，氣溫變化對徑流的演變貢獻(xiàn)率為4.49%，氣候變化對漓江流域徑流演變的貢獻(xiàn)率為58.60%，人類活動對漓江流域徑流演變的貢獻(xiàn)率為41.40%。