河川径流变化及归因定量识别
王豪杰+左其亭+罗增良
摘要：径流演变特征研究可为在变化环境下制定流域水资源规划、建立流域水文响应机制提供科学依据。以沙颍河流域代表水文站阜阳站为例，运用M-K检验法和小波分析法分析了1956年-2011年径流变化特征，并从气候变化及人类活动的角度分析了径流变化的主要驱动因素。结果表明：沙颍河阜阳站径流总体呈下降趋势，但下降趋势不明显，总體未达到95%显著性水平；在1966年前后存在明显的突变点；径流存在13a、26 a两类周期变化特性，周期演变过程受人类活动影响显著。就驱动因素而言，人类活动对径流变化的贡献率在65%以上，气候变化对径流变化的影响较弱，表现为从负向到正向的趋势。
关键词：径流演变；气候变化；人类活动；蒸发率函数；阜阳站
中图分类号：P333 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）05-0036-07
近几十年来随着工业社会的迅速发展和人类活动的快速扩张，自然环境受人类活动的影响日益加深，全球气候也随之发生剧烈变化。全球性的气候变化和人类对水资源利用程度的逐渐加深，对水文过程产生较大影响，尤其对水资源的形成和转化产生直接影响，因此变化环境下的水文过程分析在国际水文研究中备受关注。气候变化通过影响区域内降水和温度等气象因素对水文过程产生影响，人类活动对水文过程的影响则主要表现在下垫面性质变化导致的蒸发、入渗及产汇流等过程的改变。在分析二者对径流影响的过程中，常用的方法包括弹性分析、水热平衡分析法、线性分析法、COPU LA函数法等。
淮河流域是我国人口密度最大的流域之一，沙颍河是淮河最大的支流。自20世纪60年代以来，人类在沙颍河流域的取用水活动逐渐增强，并修建了大量水利工程设施以满足社会发展，径流过程受日益增长的人类活动的影响。此外，沙颍河径流演变过程也受到气候变化带来的影响。但目前对沙颍河流域径流的研究，主要集中在河流水质污染及径流特性方面，缺乏气候变化及人类活动对其演变特征影响机制的分析。本文选取沙颍河流域重要控制站点——阜阳站为代表站，采用1956年-2011年流量数据，运用M-K检验、小波分析法，对阜阳站径流演变趋势、径流突变及周期变化特征进行分析，并采用阜阳气象站气象数据，结合PLM公式，计算阜阳站潜在蒸发量，从气候变化及人类活动的角度分析径流演变过程及二者的贡献率。
1研究区概况
沙颍河发源于河南嵩山地区，在阜阳市沫河口流入淮河，以颍河为源全长共545.21km，流域面积39 075.30 km2。降水量年际及年内分布不均，年际降水量变化大，易呈现连涝或连旱现象。径流形式主要为雨洪型。
阜阳水文站位于阜阳市三里湾，控制面积35246 km2，是沙颍河流域重要的控制性站点，能直观反映流域径流的演变趋势，此外，水文站位于沙颍河下游平原区，所控制流域是人类活动较强的区域之一，径流过程同时受气候变化和人类活动的影响。基于上述考虑，选取阜阳站作为沙颍河流域代表站，研究其径流演变特征，并从人类活动和气候变化的角度对其驱动因素进行分析。
2方法与数据
2.1研究思路
运用M—K检验以及小波分析法对阜阳站径流演变特征进行分析；在此基础上，确定径流受人类活动影响较弱的时期作为基准期，根据水量平衡原理和P-M公式计算阜阳站基准期的实际蒸发量和潜在蒸发量，通过蒸发率函数确定地区特征参数ω、β、γ；将基准期之后的研究期以10年为单位划分时段，根据阜阳站气象资料，分别计算各时段的潜在蒸发量，分析降水、潜在蒸发量变化情况及对径流的影响；计算气候变化和人类活动分别引起的径流变化量，并分析二者对径流变化的贡献。
2.2研究方法
（1）径流演变特征分析。
Mann-Kendall检验。在水文序列的时变性分析过程中，M-K检验是一项被普遍应用的非参数检验工具。该方法对水文序列数据的要求较低，计算较简便，可适用于降水、径流、气温等水文要素的长序列趋势分析。通过M-K检验，可以分析水文序列的长期发展趋势，得出水文序列的突变性以及突变时间。
小波分析。在水文分析中，小波分析主要应用于水文过程的多时间尺度和周期变化分析，能客观定量地得出数据序列中隐藏的多种周期性变化，并可以对数据序列局部进行细化分析，以得出长序列内部的周期变化规律。
（2）径流影响因素识别。
气候变化可引起降水、气温、风速等气象因素的变化，导致水文循环过程发生变化，通过影响降水和蒸发情况，进而影响地区的水量平衡状态。对阜阳地区而言，水量平衡可以表示为：
R=P-E+ΔS （1）
式中：R为径流量；P为降水量；E为阜阳实际蒸发量；ΔS为区域水量变化量。在长期自然计算条件下，ΔS可近似为0。
在水量收支平衡的基础上，Zhang等认为，在一个较长的时期内，区域多年平均实际蒸散发量与年平均降水量、流域潜在蒸发量和植被水分利用能力有密切的关系，并基于全球超过250个地区的分析结果，提出了如下蒸发率函数：
式中：E0为潜在蒸发量；ω为植被水分利用能力，表示区域森林覆盖状况对函数的影响程度。
自20世纪60年代以来，随着人类活动的扩张，阜阳市水资源的消耗也随之大幅增长。选取阜阳站受人类活动影响较小的时期，通过水量平衡方程推导该时期的实际蒸发量，并通过PLM公式推求逐日潜在蒸发量，累加得到年潜在蒸发量。使用蒸发率函数确定区域植被水分利用能力ω。
P-M公式计算形式如下：
气象数据同样采用1956年-2011年阜阳气象站每日记录资料，包括风速、气温（最低、最高、平均）、日降水量、大气压以及平均水汽压等。另外，由于阜阳气象站缺少太阳净辐射数据，考虑到阜阳与合肥经纬度相近，因此采用合肥市太阳净辐射数据代替计算。endprint
3阜阳站径流演变特征
3.1径流趋势变化
根据沙颍河流域阜阳站1956年-2011年径流序列数据，运用趋势线分析和M-K秩次相关检验法分析阜阳站径流的变化情况，见图1。
由图1可知，沙颍河阜阳站年径流量在研究期内呈下降趋势，径流平均线性递减率为1.34 mm/year。径流年际分布不均匀，年平均径流量最大值为414.0 mm，最小值仅18.3 mm，径流极端值出現频繁。1956年-1965年径流量较大，时段内年平均径流量为204.1 mm，且存在明显的丰枯交替现象。1965年以后年径流量明显减小，丰枯交替现象减弱，与从该时期起人类活动逐渐增强和流域内各类水利工程调度运行影响一致。根据M-K趋势检验值Z=-1.42，同样表明阜阳站径流序列呈下降趋势，满足90%置信水平，但未达到95%显著性水平。
3.2径流突变特征
在分析沙颍河阜阳站径流趋势的基础上，应用M-K检验法分析其突变特征，如图2。
由UF曲线可知，沙颍河阜阳站径流量呈下降趋势，UF和UB两条曲线在1957年-1966年产生了多个交点，这是由于沙颍河流域在该时期内大量修建水利工程，其截流和取水过程使流域内径流发生剧烈的变化，进而影响阜阳站径流也发生相应的变化。其中，白龟山水库1966年全面建成，总库容9.22亿m3；昭平台水库总库容7.13亿m3，1959年建成部分土建工程，1964年由于河道严重冲刷，造成沙河改道，严重影响了沙颍河下游阜阳站径流过程。因此，确定径流序列在1966年发生突变，1993年-2004年下降趋势达到95%显著性水平。总体下降趋势与M-K秩次相关检验分析一致，未达到95%显著性水平。
3.3径流周期变化
采用小波分析方法对沙颍河阜阳站径流周期变化特性进行分析，并使用M atlab工具绘制小波变换系数实部分布图和方差图，见图3、图4。
根据实部分布图和方差图，可知阜阳站径流呈现出明显的多时间变化特征，存在13 a、26 a两类周期变化特征，13 a周期变化对径流序列的方差贡献最大，是径流演变的第一主周期，26 a周期变化为第二周期。
绘制小波系数模方分布图，如图5。对径流序列中各存在周期的能量大小进行分析可知，13 a周期的能量最强，周期最显著，但在时间尺度上从20世纪60年代后期开始发生衰减，并在1980年前基本消失，转为26 a的周期特性；26 a径流变化周期在13 a周期发生衰减的同时开始出现，周期显著性较弱，但分布时间均匀，一直持续到研究期结束，表现为稳定发生趋势。这一现象的出现一方面是由于从该时期开始，阜阳地区人类活动逐渐增强，对径流周期演变的影响逐渐加深；另一方面是由于该时期沙颍河流域大量修建水利工程，对流域内水文过程造成了较大的影响，使沙颍河阜阳站径流特性发生了较大改变。
4阜阳站径流演变驱动因素贡献分析
径流演变驱动因素分为自然因素和人为因素。其中自然因素包括降水、气温、水汽压、太阳辐射等要素的影响，而潜在蒸发量是对区域内除降水外各气象要素的综合反映。径流演变过程中，降水量增加可通过产汇流过程引起径流量增加，而潜在蒸发量的上升可增加实际蒸散发量，进而引起径流量减少。
本文分析的人为因素主要表现为人类的取用水活动和水利工程对径流产生的影响作用，是阜阳地区人类生活、工业、农业用水以及流域内各类水利工程建设运行影响的综合体现。
4.1降水及潜在蒸发量变化分析
（1）降水变化分析。
根据阜阳气象站降水数据绘制年降水量趋势分析图，见图6。可知阜阳站降水量在20世纪60和70年代相对较少，80年代之后降水量相对上升，在长时期内呈现轻微上升趋势。另外，90年代后，降水极值出现频率与前期相比有增大的趋势。总体而言，沙颍河阜阳站降水量受气候影响呈轻微上升趋势，90年代之后受全球气候变暖影响，降水量年际波动变大。
（2）潜在蒸发量变化分析。
根据阜阳气象站1956年-2011年数据，计算逐日潜在蒸发量，进行累加计算得阜阳站历年潜在蒸发量，绘制趋势分析图，如图7。并结合M-K趋势检验值Z=-2.65，可知阜阳站潜在蒸发量总体有显著下降趋势，满足99%显著性水平。对潜在蒸发量序列做M-K突变分析，并绘制潜在蒸发量突变趋势如图8。可知沙颍河阜阳站潜在蒸发量在1974年发生突变，突变前UFr后）>0，潜在蒸发量呈上升趋势。突变点后的UF（k）<0，潜在蒸发量开始呈现下降趋势，并在1983年之后达到95%显著性水平。
4.2径流演变驱动因素贡献率
沙颍河阜阳站径流量在1966年发生突变，在突变年发生之前，人类活动对径流的影响较弱，因此采用1956年-1965年为基准年，以10年为单位划分研究时段，分析基准期之后各时段径流变化情况。采用基准期阜阳站实测水文气象数据，根据蒸发率函数率定参数。率定得植被水分利用能力ω=1.478。并计算得出阜阳地区径流敏感性参数β=0.451，γ=-0.235。在此基础上，根据公式（41计算二者对沙颍河阜阳站各时段径流变化的影响分量和贡献率ηc和ηh，结果见表1。
由表1计算结果可以看出，人类活动对径流量变化的贡献率在各时期均在65%以上，在2006年-2011年达到95%以上，是沙颍河阜阳站径流量变化的主要影响因素。从对径流量的影响大小来看，在1986年-1995年达到最大，相比基准期，径流量降低了167.5 mm，贡献率为88.08%；1995年以后人类活动影响大小逐渐减弱，但由于气候变化对径流的影响也同时减弱，人类活动贡献率反而增加，并于2006年-2011年达到95%的最大贡献率。气候变化对径流量的贡献率则逐渐减弱，1976年-1985年最大为34.14%，2006年-2011年最小，仅为4.3%。影响模式则表现为从负向到正向的趋势，这种模式与阜阳当地气候的变化情况密切相关。根据对沙颍河阜阳站降水量和潜在蒸发量的趋势分析可以看出，和基准期相比，降水量在1966年-1985年相对较低，1985年后逐渐上升，对径流量影响表现为从减少作用向增加作用转变。潜在蒸发量在1974年左右产生突变，突变前呈上升趋势，之后逐渐下降，并在1983年之后达到95%显著性水平。而潜在蒸发量与径流量变化呈负相关。因此，根据降水和潜在蒸发量的综合分析结果，阜阳站气候变化在1966年-1985年对径流影响表现为减少作用，在1985年之后表现为增大作用。
5结论
本文以沙颍河阜阳站为代表站，基于M-K检验方法和小波分析法，分析沙颍河阜阳站径流演变特性，并根据蒸发率函数，从气候变化及人类活动的角度，分析阜阳站径流变化情况，主要结论如下。
（1）沙颍河阜阳站径流总体呈现下降趋势，但下降趋势不明显，M-K检验结果显示，径流在1993年-2004年下降趋势达到显著性水平，总体下降趋势则未达到统计意义显著水平；径流序列在1966年前后存在明显突变点；存在13 a、26 a两类演变周期，且周期演变进程受人类活动尤其是水利工程修建影响显著。
（2）在径流变化过程中，人类活动始终起着负向减流作用，对径流变化的贡献率在65%以上。影响量大小呈现先增后减趋势，说明随着社会经济发展，人类对水资源的利用程度逐渐加深，利用方式则表现为逐渐从无节制的利用方式向可持续利用的方式转变。而气候变化对径流的影响相对较弱，且呈现先负面减流后增大径流的趋势。endprint
