我國主要河川徑流演變規律與歸因及其區域特征

徐宗學,班春廣,張 瑞

(1.北京師范大學水科學研究院,北京 100875; 2.城市水循環與海綿城市技術北京市重點實驗室,北京 100875;3.中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司,北京 100120;4.華北科技學院應急技術與管理學院,河北 廊坊 065201)

氣候變化和人類活動是變化環境的兩個重要方面,也是導致水文循環變化的根本原因,二者共同作用改變了江河湖泊的水量、水質以及其他水循環要素的狀態。氣候變化改變了全球水文循環現狀,引起地球上太陽輻射分布狀況發生變化,影響天然蒸發、水汽輸送和降水時空分布,對水文循環產生直接影響[1-2]。人類活動主要通過3種方式對水循環要素產生影響[3]：①通過改變土地利用和河道整治等影響流域產匯流條件;②通過跨流域調水和地下水開采等工程措施直接改變流域水量;③通過建設水庫等蓄水工程影響河道匯流過程。研究氣候變化和人類活動對河川徑流的影響,對于水資源開發利用、優化配置和生態保護等具有十分重要的現實意義。

在變化環境下,我國河川徑流演變規律發生了顯著變化,河川的徑流量和徑流季節分配發生了明顯改變。許多學者針對我國長江、黃河、珠江、海河、淮河、遼河、松花江、雅魯藏布江等大江大河河川徑流演變規律和徑流歸因分析等開展了廣泛且深入的研究,并取得了一些卓有成效的成果。本文系統梳理了近年來我國主要河川徑流演變規律,總結了河川徑流演變的主要歸因方法,并以雅魯藏布江流域徑流演變規律與歸因分析為案例開展研究,最后,總結得到變化環境下我國主要河川徑流演變規律與徑流歸因區域分布特征,以期為我國水資源綜合利用和優化配置提供科技支撐。

1 變化環境下徑流演變規律

1.1 徑流演變規律主要分析方法

目前,徑流演變規律的主要分析方法有：①徑流趨勢分析方法,包括Mann-Kendall非參數趨勢檢驗法[4-5](以下簡稱“M-K法”)、Spearman秩次相關檢驗法[6]、累積距平法[6]、線性回歸法[6]、滑動平均法[6];②徑流突變分析方法,包括M-K法、滑動t檢驗、Pettitt法;③徑流年內變化規律分析方法,包括徑流集中度和徑流集中期[7];④徑流周期性研究方法：集合經驗模態分解法[8]、功率譜分析法[6]、小波分析法[6]。表1為各種分析方法的優點。

表1 徑流演變規律主要分析方法的優點

1.2 我國主要河川徑流演變規律

在氣候變化和人類活動影響下,我國主要河川徑流演變規律發生了顯著變化,許多學者針對該變化開展了大量研究,如表2所示。王雁等[11]利用1951—2008年長江和黃河流域徑流資料研究了徑流演變規律,發現長江流域上游徑流減少趨勢顯著,中游和下游徑流呈微弱減少趨勢,黃河干流徑流量呈顯著遞減趨勢;鮑振鑫等[12]分析了1956—2016年黃河流域年、月徑流演變規律,結果表明除源頭區年徑流變化不顯著外,黃河流域徑流呈顯著減少趨勢,從上游到下游徑流減少幅度不斷增加,趨勢顯著性增加;潘扎榮等[13]基于淮河干流1956—2008年資料研究了徑流演變規律,發現淮河干流年徑流量總體呈遞減趨勢,中游遞減趨勢較上游明顯;張利茹等[14]采用M-K法及線性回歸方法研究了海河流域各典型區域年徑流量變化趨勢,結果表明海河流域年徑流量呈顯著減少趨勢;牟夏等[15]利用M-K法、有序聚類法、Yamamoto法研究無定河流域徑流量水文變異得到,1970—2007年無定河流域徑流量呈顯著減少趨勢;楊柳[16]基于石羊河流域1959—2019年徑流數據研究了徑流演變規律并發現,該流域徑流總體呈減少趨勢,減少速率為0.037億m3/a;胡興林[17]研究黑河流域徑流演變規律,發現徑流年際變化較小,徑流年內分布主要受季風氣候影響,1950—2000年徑流呈波動緩慢增加趨勢,2000—2010年徑流仍可能緩慢增加;蔡宜晴等[8]基于三江源區內4個水文站1956—2012年實測月徑流數據,研究得到三江源區直門達、吉邁和香達站年徑流量呈增加趨勢,唐乃亥站年徑流量呈減少趨勢;張永勇等[18]基于1958—2005年三江源3個水文站徑流數據,研究得出唐乃亥站年徑流和非汛期徑流過程呈顯著減少趨勢,直門達和昌都站徑流過程變化趨勢并不顯著;劉靜等[19]基于1956—2016年徑流實測數據探討了塔里木河流域三源流徑流演變規律,結果表明阿克蘇河和葉爾羌河徑流量呈顯著增加趨勢,和田河徑流量呈輕微增長趨勢。劉鑫[20]分析了大凌河1961—2010年徑流年際變化,發現大凌河徑流整體呈減少-顯著減少-增加-顯著減少的趨勢;唐蘊等[21]基于嫩江流域1956—2000年的年徑流量數據得到,嫩江流域徑流水文周期是32a,徑流整體不存在明顯的趨勢性;王玉新[22]基于1956—2004年嫩江干流水文站徑流數據,發現年徑流整體呈減少趨勢,徑流突變點為20世紀60年代初、80年代中和90年代末;徐宗學等[23]研究西南河流源區徑流變化規律發現三江源地區徑流在1956—2012年整體呈增加趨勢,除尼洋河外,雅魯藏布江流域的其他區域年徑流量整體呈不顯著減少趨勢。

表2 20世紀50年代以來我國主要河川徑流演變規律

2 變化環境下徑流歸因

2.1 徑流歸因主要分析方法

在研究國內外主要流域徑流演變規律的基礎上,許多學者基于水文模型法、統計分析方法和Budyko假設的流域水熱耦合平衡方法進一步開展了變化環境下徑流歸因分析研究,表3為徑流歸因主要分析方法。

表3 徑流歸因主要分析方法

水文模型主要包括概念性集總式水文模型、半分布式水文模型和基于物理機制的分布式水文模型,其優勢在于物理機制明確、能夠反映徑流變化過程,以及能應用于多個時間尺度,不足之處在于對數據精度和數據質量要求較高、計算較為復雜且不確定性較大。常用的水文模型主要包括VIC[24]、HBV[25]、SIMHYD[26]、XAJ[27]和SWAT模型[28]等。

統計分析方法的優勢在于輸入數據較少、計算過程相對簡單,不足之處在于缺少物理機制、無法反映徑流過程、僅能開展年尺度徑流變化研究。統計分析方法包括雙質量曲線法[29](double mass curve method)、累積量斜率變化率分析法[29](slope change ratio of cumulative quantity method)、雙累積曲線法[30]等。

Budyko假設的流域水熱耦合平衡方法的優勢在于具有一定的物理機制、計算過程簡單、參數容易計算,不足之處在于僅能應用于連續年和年尺度計算、無法反映徑流變化過程[29]。Choudhury[31]和Yang等[32]基于Budyko假設推導出流域水熱耦合平衡方程,即Choudhury-Yang方程,其表達式為

(1)

式中：E為年實際蒸散發量,mm;P為年降水量,mm;E0為年潛在蒸散發量,mm;n為反映流域下墊面特征的參數。

基于流域水量平衡方程和Choudhury-Yang方程,計算得到：

(2)

式中：R為徑流深,mm;εP、εE0和εn分別為徑流的降水(mm)、潛在蒸散發(mm)、下墊面彈性系數。

根據突變點檢測結果將研究時段劃分為兩個子時段,兩個子時段徑流深變化記為ΔR,根據流域降水、潛在蒸散發和下墊面彈性系數,估算出降水量變化(ΔP)、潛在蒸散發量變化(ΔE0)和下墊面變化(Δn)引起的徑流變化分別為

ΔRP=εP(R/P)ΔP

(3)

ΔRE0=εE0(R/E0)ΔE0

(4)

ΔRn=εn(R/n)Δn

(5)

2.2 我國主要河川徑流歸因

河川徑流的歸因問題是水文科學領域研究的熱點和難點問題之一,科學揭示徑流變化的主要驅動機制,建立徑流變化和各驅動機制之間的聯系成為現代水文學研究的重點。表4為我國主要河川徑流變化的歸因分析結果。王雁等[11]采用1951—2008年長江和黃河流域徑流資料分析了徑流減少原因,結果表明,相較于1951—1969年,1970—2008年長江流域和黃河流域人類活動是引起徑流量減少的主要因素,降水是引起徑流量減少的次要因素。Luan等[29]采用包括統計方法、敏感系數方法、水文模型法在內的8種方法研究了黃河流域20個主要子流域氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻,結果表明人類活動在徑流變化中起主導作用。王國慶等[33]基于SIMHYD概念性降水徑流模型研究得到1970—1999年氣候因素和人類活動分別占汾河流域年徑流減少量的35.9%和64.1%,人類活動是汾河流域徑流減少的主要因素。張麗梅等[34]基于Budyko假設的流域水熱耦合平衡方法定量評價了渭河流域氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻率,結果表明劇烈的人類活動引起的下墊面變化是徑流量減少的主要因素。劉酌希等[35]基于SWAT模型研究了洮河流域1955—2015年徑流減少原因,結果表明氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻分別為58.9%和41.1%,氣候變化是徑流減少的主要原因。牟夏等[15]研究得到無定河流域1970—2007年徑流呈減少趨勢,基于Budyko假設的流域水熱耦合平衡方法量化出氣候變化和人類活動對徑流量減少的貢獻分別為36.57%和63.43%。Wu等[36]研究了黃土高原17個流域1961—2013年徑流變化及歸因,結果表明15個流域呈減少趨勢,在汛期人類活動占徑流減少的貢獻為73%,在枯水期氣候變化對徑流減少的影響大于人類活動。李天生等[37]基于Budyko理論分析了珠江中上游流域氣候和植被變化對徑流的影響,結果表明1981—2013年降水量減少是徑流量減少的主導因素,歸一化植被指數(NDVI)對徑流減少貢獻影響并不顯著。Bao等[38]利用VIC模型研究得到人類活動是引起海河流域徑流減少的主要因素。Xu等[39]基于Budyko假設的流域水熱耦合平衡方法研究了海河流域內33個山區子流域1956—2005年徑流變化,發現氣候變化和植被覆蓋變化對徑流減少的平均貢獻分別為26.9%和73.1%。Wang等[40]基于Budyko假設的流域水熱耦合平衡方法研究了白洋淀流域徑流變化得出,氣候變化和下墊面變化對徑流減少的貢獻分別為7.55%和89.95%。莫崇勛等[41]基于彈性系數法定量分析了永定河流域1957—2010年的徑流呈減少趨勢的原因,結果表明永定河流域由氣候變化引起的徑流變化率為28%,人類活動引起的徑流變化率為72%。Ma等[42]基于分布式水文模型GBHM和氣候彈性系數模型開展了潮白河流域1956—2005年徑流減少歸因分析,發現氣候變化和人類活動對徑流減少的貢獻分別為55%和18%。彭濤等[43]基于Budyko假設的流域水熱耦合平衡方法研究漢江流域1964—2015年徑流變化歸因分析,結果表明下墊面變化是漢江流域徑流量減少的主要因素。徐宗學等[23]研究西南河流源區徑流驅動機制得出,氣候變化是導致三江源、雅魯藏布江和怒江流域徑流變化的主要原因,降水是徑流變化最關鍵的影響因子。張樹磊等[44]采用基于Budyko假設的流域水熱耦合平衡方法,研究了中國1960—2010年以來徑流量顯著減少的主要流域,結果表明降水減少和下墊面變化是徑流減少的主導因素。

表4 我國主要河川徑流歸因分析結果

3 案例分析

以雅魯藏布江流域為例進行徑流演變規律與徑流歸因分析。雅魯藏布江位于青藏高原東南部,發源于杰瑪央宗冰川,于巴昔卡流出國境,是我國重要的國際性河流。干流全長2057km,流域面積約24萬km2,雅魯藏布江水量豐富,蘊含豐富的淡水資源,在西藏地區和下游國家社會經濟發展中發揮著十分重要的作用[45]。因此,本文選取雅魯藏布江流域為應用案例,研究其徑流演變規律與徑流歸因。

3.1 雅魯藏布江流域徑流演變規律

黃俊雄等[46]分析了雅魯藏布江流域1956—2000年年徑流演變規律,結果表明流域徑流總體呈減少趨勢,演變過程中表現出明顯的階段性和突變性。洛珠尼瑪等[47]利用雅魯藏布江上中下游控制站1960—2009年年平均流量數據研究流域徑流演變規律,發現流域徑流20世紀60年代最豐,80年代最枯,年平均流量總體上略有減少趨勢,但不顯著。張建云等[48]采用1956—2018年雅魯藏布江奴下水文站實測數據分析了流域徑流演變特征,發現河川徑流呈增加趨勢,年徑流呈先增加后減少、再增加又減少的階段性特征。李浩等[49]利用雅魯藏布江奴下水文站1961—2015年逐月流量數據分析了徑流演變規律,發現年徑流量呈先減少后增加的變化趨勢,轉折點為1992年,徑流年內分配規律呈“坦化現象”。以上研究表明,采用不同時段和類型的徑流數據以及不同的分析方法,研究得到的雅魯藏布江徑流演變規律存在差異,表明徑流數據和分析方法對徑流演變規律影響較大。此外,研究的時段不同,所得結果也會有差別。

3.2 雅魯藏布江流域徑流歸因

采用Pettitt檢驗、滑動t檢驗和M-K法檢驗年徑流量突變點,同時采用Budyko假設的流域水熱耦合平衡方法對雅魯藏布江流域徑流變化進行歸因分析[45,50]?？紤]到冰川在流域內占有不可忽略的比例,因此冰川徑流變化在徑流歸因分析中應重點考慮。

基于雅魯藏布江干流上3座水文站(奴各沙、羊村和奴下)的位置信息劃分出4個子流域：奴各沙以上流域、奴各沙至羊村段流域、羊村至奴下段流域和奴下站以下流域。由于奴下站以下流域缺少相應的水文資料,無法進行徑流歸因分析,因此選取其他3個子流域進行徑流歸因分析,并定義奴各沙以上流域為上游、奴各沙至羊村段流域為中游、羊村至奴下段流域為下游。上中下游徑流量分別為奴各沙站實測徑流量、羊村站和奴各沙站徑流量的差值、奴下站與羊村站徑流量的差值。

經過3種統計方法檢測,得出各子流域的突變點位于1997年左右,因此選取1997年作為各子流域的突變點,以此劃分徑流變化的基準期(1966—1997年)和變化期(1998—2015年)?；贐udyko框架進行雅魯藏布江流域徑流變化歸因分析可知,在上游降水量變化、潛在蒸散量變化、下墊面變化、冰川徑流變化引起徑流量增加的貢獻分別為-0.81、-1.54、14.34、14.30mm,與其對應的貢獻率分別為-2.78%、-5.30%、59.61%、49.18%,對中游徑流量增加的相應貢獻分別為33.77、-1.16、31.24、22.34mm,對應的貢獻率分別為39.36%、-1.36%、36.4%、26.04%,對下游徑流量增加的貢獻分別為26.71、-0.04、-12.14、6.16mm,對應的貢獻率分別為129.21%、-0.17%、-55.74%、29.8%。

上述結果表明,下墊面變化和冰川徑流變化對上游徑流增加的貢獻占主導地位,降水量的變化對中下游徑流的增加影響最大,冰川徑流對上中下游的貢獻率均超過26%。通過對全流域徑流量歸因分析得出,徑流各影響因素對徑流增加的貢獻率分別為39.62%、-2.74%、32.32%、30.94%,表明除了降水因素,下墊面變化和冰川徑流變化對徑流變化具有重要作用。

4 我國主要河川徑流演變規律與徑流歸因區域分布特征

由于地形地貌、地理位置、流域面積、水文氣象、土壤植被等方面存在較大差異,加之受到人類活動的影響程度不同,全國范圍內主要河川徑流呈現不同的演變特征,同時徑流歸因方面也呈現出明顯的變化特征。因此,總結歸納我國主要河川徑流演變規律與徑流歸因區域分布特征具有重要意義。

4.1 我國主要河川徑流演變特征區域性規律

自20世紀50年代以來我國河川徑流在變化環境下出現顯著性或非顯著性變化,呈現區域性演變特征。長江流域上游徑流減少趨勢顯著,中下游徑流減少趨勢較為微弱;黃河流域干流徑流量呈顯著減少趨勢[11];海河流域各典型區域年徑流量呈顯著減少趨勢[14];淮河流域干流年徑流量呈遞減趨勢,中游遞減趨勢較上游顯著[13];在華北地區,永定河流域和潮白河流域徑流均呈減少趨勢[41-42];嫩江流域徑流呈減少趨勢,突變點位于20世紀60年代初、80年代中和90年代末[51];珠江流域徑流以-2.69mm/a的速率減少[52];西北諸河流域,黑河流域徑流在1950—2000年呈波動緩慢增加趨勢,2000—2010年仍可能緩慢增加[17],阿克蘇河和葉爾羌河流域徑流量增加明顯,和田河流域徑流量呈輕微增加趨勢;西南河流源區、三江源區徑流表現出增加趨勢,除尼洋河外雅魯藏布江流域年徑流量呈不顯著減少趨勢。

整體而言,長江流域、黃河流域、海河流域、華北地區、淮河流域、嫩江流域、珠江流域徑流均呈減少趨勢,西北諸河和西南河流源區部分河流呈緩慢增加趨勢。因此,過去幾十年以來我國主要河川徑流量除西北諸河和西南河流源區部分河流呈增加趨勢外,其他區域的河川徑流大多呈減少趨勢。

4.2 我國主要河川徑流歸因區域分布特征

人類活動是造成長江流域和黃河流域徑流減少的主要因素[11],也是引起海河流域徑流變化的主要原因。在珠江中上游流域,有研究表明以降水量減少為標志的氣候變化是導致徑流量減少的主要原因[37]。在華北地區,人類活動是造成永定河流域徑流減少的主要原因,氣候變化是引起潮白河流域徑流減少的主要原因。在西南河流源區,氣候變化是引起三江源、雅魯藏布江和怒江流域徑流變化的主要原因[23]。

綜上所述,長江流域、黃河流域、海河流域、華北地區部分河川徑流減少均為人類活動引起,珠江中上游流域、華北地區部分河流、西南河流源區徑流減少多為氣候變化引起。因此,我國主要河川徑流變化的主要原因是由人類活動引起的,這一研究結論與張樹磊等[44]研究得到的人類活動導致的下墊面變化對徑流減少影響較為顯著的結論一致。

5 結 論

a.M-K非參數趨勢檢驗方法是較為常用的徑流演變規律分析方法。水文模型法、統計分析方法和Budyko假設的流域水熱耦合平衡方法是進行徑流變化歸因分析的常用方法,其中Budyko假設的流域水熱耦合平衡方法應用較為廣泛。

b.我國主要河川徑流量除西北諸河和西南河流源區部分河流呈增加趨勢外,其他區域河川徑流大多呈減少趨勢。

c.人類活動是引起我國主要河川徑流變化的主要原因。