清姜河流域年徑流變化趨勢及氣候與人類活動對徑流的影響分析

田紅綱

(陜西省寶雞水文水資源勘測中心,陜西 寶雞 721000)

0 引言

通過研究發現,近70年以來,全球氣候發生了巨大變化,水資源匱乏、水環境污染、水生態損害等自然災害問題日益突出,氣候的變化與人類的活動是造成河川徑流量變化的兩大重要原因[1],而氣候變化與人類活動對徑流變化之間的相互作用關系也已受到了國內外學者和政府部門的極大重視,是目前世界水文學與水資源研究與分析的熱點問題之一。張建云等[1-2]分析結果顯示我國主要河川徑流量年內分配在空間和時間上呈現出顯著的差異性、不均衡性,我國六大流域主要江河實測年徑流量的減少趨勢十分明顯;李斌等[3]分析表明渭河中下游地區的實測年徑流量呈下降趨勢。

本文以清姜河流域為研究區域,以代表站益門鎮水文站為研究分析對象,采用滑動平均、線性回歸、豐枯變化、曼-肯德爾(Mann-Kendall)檢驗、SCRAQ等方法,分析探討清姜河流域年徑流量變化趨勢和突變情況,分析氣候變化與人類活動因子對年徑流量變化的影響程度,這對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發利用與經濟社會可持續發展提供用水支撐。

1 研究區概況

清姜河集水總面積234.4 km2,河長43.0 km,其發源于秦嶺的玉皇山,上游地貌為土石山區,中、下游為山前丘陵和渭河谷地,區域植被良好,水質清澈,自東南流向西北,于陜西省寶雞市渭濱區石家營村附近匯入渭河。益門鎮水文站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。研究區域水系概況及水文站地理位置見圖1。

圖1 研究區域水系及水文站點圖

2 數據及分析方法

2.1 數據來源

依據清姜河流域的特性,綜合分析流域內水文站點分布情況與代表性,徑流、降水資料的一致性與可靠性,選取益門鎮水文站作為該流域代表站,資料系列長度為1956-2020年共65 a,降水、徑流資料數據均來源于《水文年鑒》。

2.2 分析方法

(1)線性回歸分析是將自變量與應變量之間的關系建立模型[4],得到線性擬合函數,進而預測其變化趨勢。

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

(1)

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

(4)SCRAQ[7]是根據降水—徑流雙累積曲線偏移的拐點,確定出徑流發生突變的年份,在時間序列上劃分為基準期(人類活動較少時期)和人類活動頻繁期;通過繪制各階段年份—累積徑流、降水、蒸發等的關系圖,確定各階段徑流、降水、蒸發的斜率;計算各階段徑流、降水、蒸發等因子相對于基準期斜率的變化率。

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

(2)

在不考慮蒸散發的前提下,依據水量平衡原理,則人類活動對于徑流變化影響率CHi為100-CPi。

3 結果與分析

3.1 年徑流年際變化分析

通過對益門鎮水文站1956-2020年年徑流量、5 a滑動平均過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,2003-2011年總體上呈上升趨勢;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年整體系列來看,年徑流量波動變化劇烈、年際變化差異性大、減少趨勢明顯,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占比66.7%。

圖2 益門鎮站年徑流量變化趨勢

3.2 年徑流豐枯變化分析

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

圖3 益門鎮站年徑流豐枯變化趨勢

3.3 年徑流量突變分析

通過分析益門鎮水文站Mann-Kendall統計量曲線得出以下結論(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,其中在1993年減少趨勢達到了顯著性水平0.05的臨界線。UF與UB兩條統計曲線的交叉點為1971年和1977年,即1971年和1977年為徑流的突變拐點。

圖4 益門鎮水文站年徑流量M-K檢驗統計量曲線

為了進一步確定年徑流量的突變年份,計算并繪制益門鎮水文站年降水—年徑流雙累積曲線(圖5),依據雙累積曲線偏移的拐點,從而確定徑流發生突變的年份。分析可知,年徑流在1988年和2002年發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,說明了各階段擬合相關程度極高,年徑流量在1988年和2002年發生突變。

圖5 年降水-年徑流雙累積曲線

3.4 氣候變化與人類活動對年徑流量影響分析

在不考慮清姜河流域蒸散發的情況下,利用SCRAQ法分析氣候變化(年降水量)與人類活動對年徑流變化的影響率。根據益門鎮水文站年降水—年徑流雙累積曲線(圖5)的偏移拐點年份,將年降水與年徑流量在時間序列上劃分為1956-1987年、1988-2002年和2003-2020年3個時間段,各階段年份與累計年徑流、年降水線性擬合成果(見圖6、圖7)。1987年以前人類活動較弱,1987年以后隨著經濟高質量的飛速發展,水利工程的建設和下墊面條件的改變,對年徑流變化影響較大的是人類活動,因此將1956-1987年劃分為基準期(人類活動較少時期),1988-2002年和2003-2020年2個階段劃分為人類活動與氣候變化共同作用時期。

圖6 年份-累積年徑流量關系

圖7 年份-累積年降水關系

各階段的累積年徑流量、年降水量的斜率見表1,分析可知:與基準期相比,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活動對年徑流量變化的影響率見表2,通過分析表明:1988-2002年降水量對徑流變化的影響程度為27.57%,人類活動對徑流變化的影響程度為72.43%;2003-2020年降水量對徑流變化的影響程度12.60%,人類活動對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,降水量顯著偏小,氣候變化對年徑流變化的影響率較大;2003年我國環境保護工作會議的召開,人們意識到環境保護的重要性,注重生態環境的保護和治理,氣候變化對年徑流變化的影響率呈減少趨勢;近20 a以來,隨著經濟高質量的飛速發展,城鎮、工業等用水量的增加,人類活動對徑流變化的影響率呈增長趨勢。

表2 各階段氣候變化與人類活動對年徑流量變化的影響率

與基準期相比,各階段的年徑流量都呈現出不同程度的減少趨勢,而人類活動對年徑流量變化的影響率占比70%以上且呈明顯的增長趨勢,由此可見,影響年徑流變化的主要因素是人類活動。

4 結語

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

(2)依據M-K檢驗、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)在氣候變化與人類活動共同作用的影響下,清姜河流域年徑流量的減少趨勢十分明顯,其中主要因素是人類活動,次要因素是氣候變化,人類活動對年徑流變化的影響呈顯著的增長趨勢。