乔雪媛,石朋,2,陈喜,2,张志才,瞿思敏,吴淼
(1.河海大学 水文水资源学院,江苏 南京 210098;2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098)
在全球气候变暖的背景之下,日益剧烈的人类活动,导致流域下垫面和水文循环特征发生了巨大变化[1]。极端气候、水文事件的出现日益频繁,对全球和区域的水资源与水安全构成了严重威胁,并直接影响到人类社会的可持续发展[2]。认识一个区域的径流变化规律,对研究该区水量平衡和合理开发水资源具有重要意义。而一个区域的干旱和洪涝灾害,又与该区域河川径流量的年内分配密切相关,因此在关注区域径流年际变化的同时,也应该将年内变化纳入研究范围[3]。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告指出,在全球持续变暖的情况下,探索自然变化和人类活动影响下的水资源演变规律是一个新的水科学问题。国内外许多学者在这一方面做了大量的研究工作。N M Velpuri和G B Senay[4]对1950—2009年期间美国共计62个城市流域的月降水、径流和径流系数资料进行了季节性Mann-Kendall趋势检验,研究所覆盖的21个主要城市中心分别发生了不同程度的趋势变化。Daniela Anghileri[5]针对阿尔卑斯山流域1974—2010年间的实测资料,提出了使用MASH以探索水文气候因子的变化趋势以及对流域水资源的影响。刘健等[6]利用鄱阳湖流域1955—2003年3个主要水文站(外洲、李家渡、梅港)月径流实测资料,采用统计方法和小波方法,分析近50年该流域径流的年内、年际和周期变化特征。魏红义等[7]以渭河流域华县站1956—2000年径流资料为基础,运用R/S分析法,对渭河流域径流序列进行了趋势分析。刘睿等[8]以淮河流域上游漯河站为研究对象,采用Mann-Kendall法、里海哈林法和滑动游程检验法对1957—2010年的年降雨量和年径流深序列跳跃变异进行诊断。时下也有许多针对全国大小流域径流变化的相关研究,绝大多数都是以单个流域作为研究对象,而少有研究者将几个各具代表性的流域放在一起对照分析,Gu Ying[9]等虽整理总结了中国主要河流的径流变化趋势,但并没有进行过多的细节分析。为更具有参照性地分析流域径流变化,本文选取渭河、淮河和北江三个处于不同气候区的代表性流域,通过分析年内分配不均匀系数、径流集中度和集中期的时空变化规律,以此探讨三大流域近年来的径流变化特征,为流域水利工程建设、生态环境保护和水资源合理利用提供科学依据,具有重要的理论意义和现实意义。
由于气象因素(气温、降水等)存在季节性变化,导致径流也随之发生季节性的变化。为反映径流在年内分配的不均匀程度,本文采用径流年内分配不均匀系数[10]来分析径流的年内变化。年内分配不均匀系数的计算公式为:
(1)
其中:
集中度和集中期的计算则是将一年中各月的径流量作为向量,其径流量的大小为向量长度,所处月份作为向量方向[12]。径流集中度指各月径流量按月以向量方式叠加,其各分量的合成向量占年径流量的百分数,反映径流量在年内的集中程度。集中期是指各月径流向量合成后向量所指方向对应的月份,反映全年径流量集中的重心指向的月份[13]。1~12月份对应的向量方位角分别为:0°,30°,60°,…,360°,将每个月的径流量分解到x和y两个方向上,得到x和y方向的分量分别为Rx和Ry:
(2)
(3)
D=arctan(Ry/Rx)
(4)
Mann-Kendall检验法(以下简称为MK法)是一种时间序列趋势的检验方法。对于时间序列X={x1,x2,…,xn},定义检验统计量S为[14]:
(5)
式中:
假设各变量独立同分布,则统计量S近似服从正态分布,其均值、方差分别为:
E(S)=0
(6)
(7)
式中,m为序列中秩次相同的组数;tj为第j个秩次相同的组中所包含观测值的个数。
当n>10时,用式(8)计算MK法的统计量。
(8)
当样本数量n比较大时,UC近似服从标准化正态分布。假设序列无趋势,给定显著性水平α,则根据|UC|与临界值Uα/2的比较结果判定序列趋势的统计显著性[15]。
渭河是黄河流域面积最大、水量最多的第一大支流,发源于甘肃省渭源县鸟鼠山,全长818 km。渭河流域地处东经103.5°~110.5°和北纬33.5°~37.5°之间,流域总面积13.48万km2,北部为黄土高原,南部为秦岭山区。流域地处大陆性季风气候区、干旱地区和湿润地区的过渡地带,春暖干旱,夏季热而多雨且有伏旱,秋凉湿润,冬季气候干燥寒冷、降水稀少。流域多年平均降水量610.4 mm,受地形等因素影响,流域降水分布由东南向西北递减,南部秦岭山麓降水充沛,最大年降水量在1 000 mm以上,平原地区年降水量约为500 mm[16]。
淮河流域位于长江和黄河两流域间(东经111.9°~121.8°,北纬30.9°~36.6°),跨湖北、河南、安徽、江苏、山东五省,流域面积27万km2,是南北气候带的自然分界区。淮河以北属暖温带区,以南属亚热带区,该地区四季分明,雨热同季,多年平均降水量888 mm左右,由于影响流域降水的水汽主要来自孟加拉湾和太平洋,因此南、东部的降水较北、西部多[17]。淮河流域地形总态势为西高东低。流域西部、南部和东北部为山区、丘陵,约占总面积的三分之一;其余为广阔平原,约占三分之二。
北江隶属珠江水系,是珠江流域三大河流之一,发源于江西省信丰县石碣大茅山的浈江。浈江向南流经广东省的南雄、始兴,至韶关市与武江汇合后称为北江。流域面积4.67万km2,占珠江流域总面积的10.3%。北江流域属亚热带季风性气候。北江流域径流补给的主要方式是降水,多年平均降水量1 800 mm,自南向北递减,变化范围在1 300~2 400 mm之间[18]。北江上源的浈江,除源头8 km左右为山地河流,大部分河段蜿蜒流动于始兴-南雄盆地与仁化-丹霞盆地中。盆地里的地形以和缓的丘陵与平原为主,地势较平缓,河流呈羽状水系。
由上述三个流域基本概况可知,渭河、淮河、北江分别位于我国不同地理位置,有显著的气候差异与地貌差异,具有代表性,故选取这三个流域进行径流变化特征分析。
渭河流域、淮河流域、北江流域各站点实测径流资料序列如表1所示。
表1 三大流域各站点实测径流资料序列
在考虑资料系列的代表性等综合因素后,选取了渭河、淮河、北江三个流域片共17个站点的逐日径流资料进行研究。其中,渭河流域选取了华县、林家村、咸阳、魏家堡、张家山5个控制站,淮河流域选取了班台、蒋家集、漯河、沙颍河、王家坝、息县、新蔡7个控制站,北江流域选取了长坝、高道、横石、犁市、石角5个控制站。表1列出了各控制站选取径流资料序列的起止年份。本文研究对象中渭河侧重于中下游,淮河侧重于上游片的分析。
利用17个站点的逐日径流资料,按式(1)计算各个站点不同时期的年内分配不均匀系数,以年代划分,经整理后列于表2。
按式(3)和式(4)分别计算各站点的径流集中度和集中期,按同样的划分标准,列于表3。
表2 三大流域各站点实测径流量年内分配不均匀系数Cv
表3 三大流域各站点实测径流量集中度(Cd)与集中期(D)
由表2可以看出以下几点。
1)三大流域的径流年内分配不均性具有明显的地域性差异,北江各站点的Cv值皆未超过1.00,总体上小于淮河和渭河流域的Cv值。从大于1.00的Cv值所占的比例来看,淮河流域的比例要稍高于渭河流域。
2)年内分配不均匀程度不仅在流域之间存在着明显差异,流域各站点间也呈现不同的差异,如渭河流域中张家山的Cv值始终大于同时期的华县和咸阳站;在淮河流域中仅有班台站一直稍大于同时期的息县站,其它站点之间则无明显的大小关系;北江流域的长坝站Cv值亦始终小于同时期的高道和横石站。
3)在自然因素和人为因素的多重影响下,各个流域的径流年内分配情况在近几十年间也发生了不同程度的变化,其中淮河流域各站点的Cv值年际变化未呈现趋势性,表现为随年代交替变化;渭河流域中除林家村站的不均匀程度有明显的增长趋势,其余5个站点的Cv值皆为无趋势性的波动变化。而北江流域的分析表明,各站点的年内分配不均匀性皆有减小趋势,且上世纪70年代与之前相比有明显的减幅。
从表3可以看出以下几点。
1)渭河流域的集中期稍晚一些,在7~9月间波动,淮河流域的集中期在6月中下旬至8月之间波动,北江流域的集中期稍早一些,处于5~7月间。流域各自站点之间总体来说比较接近,相近程度与流域的尺度和所处的地理位置有关,从表3可知北江流域各站点的集中期最为接近的。
2)三大流域的集中期没有随时间变化的明显趋势,又以北江的最为稳定。值得注意的是,渭河流域各站点的集中期都在2000年之后达到一个新的峰值。
3)集中度的规律与不均匀系数一致,北江流域的集中度呈一定的递减趋势,淮河流域的站点皆无明显的变化趋势。
图1列举了渭河流域的林家村、华县、张家山三站的不均匀系数和集中度随时间变化趋势图,从图中可以直观看出,三个站点的Cv与Cd变化趋势基本吻合,其中,林家村的不均匀程度增加趋势明显,而华县、张家山及其余站点并未呈现出特定趋势。
图1 林家村、华县、张家山不均匀系数(Cv)及集中度(Cd)时间序列变化图
同样,在气候条件变化和人类活动影响等多重作用下,各流域的年径流量和年内分配也发生了一定变化,采用MK非参数统计检验法检验各站点的实测径流量变化趋势及显著性。
按式(8)计算各月份及月平均径流量的MK统计量,列于表4中,图2给出了三大流域月平均MK值站点分布图。
表4 三大流域各站点实测径流量MK统计结果
图2 三大流域月平均MK值站点分布图
从表4可以看出以下几点。
1)渭河流域的径流年际变化趋势明显,年序列变化的MK统计量绝对值皆大于2.58,满足99%的显著性检验,呈明显的径流减少趋势,其中又以林家村的趋势最为明显,其统计量达到-5.95。所有测站12个月份的月径流量无一不呈现衰减趋势,而且非汛期的MK统计值的绝对值明显大于汛期的统计值。径流年际变化的倾斜度与显著性并无相关性,其中以华县的减小程度最大,其次为咸阳站,张家山径流减弱程度最小。
2)淮河流域径流量总体呈不显著的衰减趋势,各站之间存在较大的差异,其中蒋家集月平均径流量的MK统计量为-1.69,通过90%的显著性检验,漯河站和沙颍河站的统计量分别为-2.09和-2.34,皆通过了95%的显著性检验。从各月的分析结果来看,除王家坝、息县外,其余5个测站一年至少有10个月的统计量为负值,表现为径流量的衰减趋势,所有测站的MK月统计量在12个月份中以6月份的值最大,说明淮河流域一年中径流在6月份有最强的增加趋势或者最弱的衰减趋势。从空间分布格局而言,北部衰减趋势强于流域上游地区。倾斜度与显著性的变化具有较好的一致性,整体变化幅度较小,而流域西北部,例如沙颍河、漯河站的削减幅度较为明显,而西南部的王家坝、息县站则有微弱的增幅。
3)北江流域月径流量总体呈缓慢增长的趋势,以1月份增幅最为明显;其中犁市站全年12月MK统计量皆为正值,并且月平均的MK统计量达到2.32,通过95%的显著性检验,其余4个测站在5、6月份皆出现了径流衰减的趋势;北江流域各站点非汛期MK统计量的明显大于汛期的值,干流西北侧增加趋势较东南侧更为明显。流域所有站点倾斜度皆为正值,除表现出最大的年径流增幅的横石站,其余站点显著性与倾斜度具有较好的相关性。
近40年来渭河流域年均气温逐年升高趋势明显,到90年代平均气温急剧上升,冬季上升最显著,整体上来从东向西、从南向北递减的趋势。径流与气温变化呈负相关关系,即气温的升高会导致径流的减少。流域大部分地区潜在蒸散量呈增大趋势,空间上呈现出由东北向西南递减[19-20]。流域年内降水集中在夏季和秋季,年降水量从1951—2009年有逐年下降的趋势。1990年后降水量急剧下降且变化明显。序列分析表明,气候因素和人类活动的影响对渭河径流量的影响基本各占1/2,变化期相对基准期的年平均径流变化量中,气候因素贡献率为49.0%,人类活动贡献率占51.0%[21]。气候变化对径流的影响主要表现为变化期降水减少45.9 mm,潜在蒸散增加35.0 mm[21]。自1970 年以来,由于流域开展了大规模的水利水保工程建设,如宝鸡峡灌溉工程、交口抽渭灌溉工程、冯家山水库和石头河水库等一批大型灌区和水库的建设,人类对水资源的需求不断加大,工农业耗水量呈上升趋势。渭河上中游林家村、魏家堡、咸阳站控制流域中人类活动对径流变化影响分别占65%、59%和55%,这意味着人类活动相比气候变化而言,对径流减少具有相对重要的作用[22]。上世纪70 年代以来,建设水利水保工程等对地表径流的拦蓄利用而使径流量的减少十分显著,进入20 世纪90年代渭河径流量的减少主要受气候作用的影响较大。
淮河流域近50年来平均气温呈显著上升趋势,冬季平均气温的增温幅度最大,春、秋季次之;相较而言,淮河流域东部尤其是东北部地区的升温趋势更加明显[23]。淮河流域蒸发皿蒸发量存在显著的下降趋势。在一年的四季中,春夏季节蒸发量最大,下降趋势最强;淮河流域北部和西部蒸发量最大,下降趋势最强[24-25]。淮河流域降水年内分布主要集中在6月下旬至7月中旬,空间分布基本呈南高北低的格局,较南部地区而言,北部地区降水相对集中[17]。降水质心呈向西南方向偏移趋势,其中向南偏移更为显著[26]。对于流域降水集中度的变化与迁移,径流有相一致的变化,从表2可以看出,处于北部的沙颍河、漯河、班台三个站点的Cv值相对同时期的流域其他站点都要高一些,并且表现为随时间推移而减小。近45年来淮河流域降水量的年际振荡较为剧烈,年降水量呈下降趋势,各季节变化趋势不一,但均未达显著水平。流域内汛期和年降水量的年际变化则具有明显的阶段性,主要表现在上世纪90年代前基本为下降趋势,2000年后明显上升。流域6~8月份的总降雨均呈减少趋势,但淮河水系6月份呈增加趋势[27],解释了表4中淮河流域各站点径流的弱减少趋势以及6月份的反常变化。45年来,降水的空间格局发生了一定的变化,表现在淮河中上游和淮河沿岸地区的降水量增加,而流域东北部的降水量则呈减少趋势[17]。对照图2,可以发现径流发生了一致性变化,流域北部出现较明显的衰减趋势,而上游部分则呈现较弱的衰减或者弱增加趋势。
北江流域年平均气温整体呈显著上升趋势,各季节平均气温均有上升趋势,其中夏秋两季上升较为明显[28]。就流域蒸发皿蒸发量而言,北江上游有微弱增加趋势而下游地区则呈显著减少趋势,针对各个月份,除6、11、12 月3个月份呈不显著增加趋势外,其余9个月份均呈不同程度的下降趋势,其中1月份下降最为显著。北江流域雨量多、强度大,降雨多集中在汛期的4~9月,又以5月降水最多[29-30]。对比可知,北江的径流集中期由此早于渭河和淮河流域。近四十年来,流域降雨量总体呈不显著的增加趋势,其中西北部趋势较明显,后汛期(7~9月)较前汛期(4~6月)趋势更明显,1月份的降水增加趋势显著,近20年来汛期径流占年径流的比例略有减小,强降水期有“6月-5月-6月”的推移过程[30],与表4结论中径流变化特征一致,同时也对应了表2中北江流域径流集中期的波动变化。北江流域降雨与径流的相关性较好,降雨序列基本上不存在趋势,而径流序列呈缓慢上升趋势,这说明径流的增加主要受到了人类活动的影响。人类活动的间接影响主要表现为植被改变、水土流失、城镇化等造成的下垫面条件变化。近20年来,人类活动导致了流域内水土流失的进一步发生与发展,植被覆盖率呈下降趋势。人类活动间接减小了流域的蒸发和蒸腾量,这是引起流域内径流增加的主要原因[31]。同时由于1970年后流域内兴建了较多的水利工程,如飞来峡水库、北江大堤等,加大了对流域径流的调节力度,使得其年内分配不均匀系数于上世纪70年代有明显的减幅。
1)三个流域的径流年内分配存在地域性差异,北江流域的径流年内分配不均匀程度要小于渭河和淮河流域,并且流域各测站间的差异明显,较集中期的分布差异而言,北江流域也明显早于渭河、淮河流域。
2)在受到不同程度的自然气候条件和人类活动等多重影响下,北江流域的不均匀程度和集中度随时间变化一致呈减小趋势,渭河除了林家村站有明显增大的趋势,其余站点与淮河均无明显变化趋势;渭河流域的各站点年径流量一年12个月皆呈明显的衰减趋势,淮河流域年径流量呈缓慢衰减趋势,6月份存在反常的趋势,空间上北部趋势较流域上游更为明显,而北江流域呈缓慢增长趋势,干流西北侧的趋势较为明显。
3)径流变化响应分析中,渭河流域受到自然和人为因素影响各占1/2,其中自然因素表现为降雨量的下降和潜在蒸发量的增大,以及上世纪70 年代以来,建设水利水保工程等对地表径流的拦蓄利用而使径流量的减少十分显著;对应于淮河流域降水集中度、降水周期、格局的变化,其径流具有一致性的时空变化,表现为流域北部站点径流年内分配不均匀系数较高并呈减小趋势,所有站点年、月径流量(除6月份径流量)呈不显著的减弱趋势,在径流空间格局中亦有流域北部衰减更为明显的现象。北江流域的径流集中度随降水发生了一致的推移变化,降雨径流相关性较好,而降雨序列基本上不存在趋势,而径流序列呈缓慢上升趋势,这说明径流的增加主要受到了人类活动的影响。
本文针对选取的渭河、淮河、北江三大流域着重进行了径流量的年内分配不均匀系数、径流集中度与集中期的变化及月、年径流量的变化趋势,在前人研究基础上分析了径流变化对于气候变化的响应,仍有部分现象无法解释,有待采用更多的径流变化指标来定量分析流域径流变化趋势及其背后原因。
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