黃土高原昕水河流域徑流變化及其對環(huán)境要素的響應

王國慶，張建云，李雪梅，金君良，劉翠善，鮑振鑫，嚴小林，宋曉猛

（1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京210029；2.水利部應對氣候變化研究心，南京210029；3.黃河水利委員會水文局，鄭州450002）

黃土高原氣候干旱，水土流失嚴重；水資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化是當前該區(qū)域面臨的主要環(huán)境問題［1］。河川徑流是支撐區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善的重要因素，隨著全球性氣候變化和日益加劇的人類活動，黃河流域?qū)崪y徑流出現(xiàn)較大幅度的衰減，如花園口站1980—2004年的實測徑流量與1955—1979年相比減少了33.1%，黃土高原多數(shù)支流實測徑流也呈現(xiàn)銳減趨勢，成為典型的季節(jié)性河流［2］，對區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境保護乃至社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展提出了嚴峻挑戰(zhàn)。深入分析黃土高原典型流域徑流變化及其對環(huán)境要素的響應關(guān)系，對于水資源的合理利用以及生態(tài)環(huán)境工程建設(shè)等方面具有重要意義。

本文以位于黃土高原腹地的昕水河流域為研究對象，系統(tǒng)診斷近60a來實測徑流量的演變趨勢及階段性變化特征，分析不同階段實測徑流與氣候要素之間的響應關(guān)系，初步揭示徑流演變的驅(qū)動要素，以期為昕水河流域的治理開發(fā)及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 流域概況

昕水河是黃河中游左岸的一級支流，具有南北兩源，北源發(fā)源于交口縣石口鎮(zhèn)，流經(jīng)馮家鄉(xiāng)、朱家峪鄉(xiāng)、隰縣、水堤鄉(xiāng)，在午城鎮(zhèn)與南源相匯。南源發(fā)源于山西省蒲縣東北的摩天嶺，與北源匯合后向西流經(jīng)大寧縣、曲峨、徐家垛后匯入黃河。干流長度135km，流域面積4 326km2。大寧是昕水河流域最下游控制站，建站于1955年，具有較好的長序列觀測水文資料。流域內(nèi)及鄰近周邊有9個站點的長系列降水觀測資料。流域水系及氣象、水文站點分布見圖1所示。

圖1 昕水河流域水系及雨量站點位置分布示意圖

根據(jù)1955—2008年資料統(tǒng)計，昕水河流域多年平均降水量約為510mm，受季風氣候的影響，降水具有年際變化較大且年內(nèi)分配不均的特點，最大年降水量約為最小年降水量的2.2倍。大寧站多年平均年徑流為1.48億m3，其中，汛期徑流量約占年徑流量的60%以上。為防治水土流失，自20世紀70年代以來，昕水河流域水利化程度提高顯著，截至1999年，流域內(nèi)共修建中小型水庫2座，總庫容達到710萬m3，修建骨干工程12座，總控制面積61km2；淤地壩885座，谷坊3 867道，水窖19 554眼；修建梯田17 951hm2，造喬木林23 793hm2，種草3 332hm2，淤成壩地1 794hm2。流域內(nèi)的這些人類活動在一定程度上改變了下墊面條件，使流域的水文狀況發(fā)生了一定的變化。

1.2 有序聚類分析方法

受人類活動或氣候變化顯著影響后的水文序列在某種意義上異于原天然序列；在“類”的角度上，可將影響后的序列和原有序列（天然序列）視為兩類，因此，天然序列和影響后序列間突變點的推求可以采用有序聚類分析法。

利用有序聚類分析法推估水文序列的可能顯著干擾點 ，其實質(zhì)上就是推求最優(yōu)分割點，使同類之間的離差平方和最小，而類與類之間的離差平方和相對較大。最優(yōu)點分割方法如下：

總離差平方和為：

一般地，若序列有兩個明顯的階段性過程，則總離差平方和的時序變化呈現(xiàn)單谷底現(xiàn)象，谷底對應的年份即為最優(yōu)的序列突變年份；若兩個或兩個以上的明顯階段性過程，則總離差平方和的時序變化呈現(xiàn)寬谷底現(xiàn)象，谷底兩端對應的年份即為最優(yōu)的突變年份。這樣，就可以根據(jù)谷底發(fā)生的時間劃分序列變化的階段。目前，有序聚類分析方法是針對水文序列階段性異常變化的較為有效的方法之一［3］。

2 結(jié)果與分析

2.1 實測徑流演變的階段性

昕水河流域氣候干旱，降水、蒸發(fā)對河川徑流影響顯著，大部分降水消耗于蒸發(fā)損失，多年平均徑流深32.4mm，年徑流系數(shù)為0.02～0.13，多年平均徑流系數(shù)約為0.06。圖2給出了1955—2008年大寧站年均流量及其5a滑動平均變化過程。由圖2可以看出：（1）大寧站實測流量總體呈現(xiàn)遞減趨勢，多年平均線性遞減率為－0.85mm／a。（2）在1965年之前，實測流量總體偏高，且豐枯交替變化現(xiàn)象明顯，該時期平均徑流量約為55.6mm，其中，1958年和1964年徑流量較大，均超過100mm。（3）1980年之后的實測徑流量明顯偏小，多數(shù)年份的徑流量低于多年均值，其中，90年代平均徑流量21.1mm，較多年均值偏少1／3，該時期只有1993年的實測徑流量超過多年均值，約為40.1mm。（4）21世紀以來，處于持續(xù)性流量偏低階段，多年平均徑流量為15.7mm，不到多年均值的一半。

圖2 昕水河流域大寧站1955－2010年實測流量及其5a滑動平均過程

采用有序聚類的方法，分析了大寧站實測流量變化的階段性，圖3給出了1955—2008年實測流量離差平方和的時序變化過程。由圖3可以看出，實測流量離差平方和總體呈現(xiàn)寬谷底的變化過程，在1965年前后進入谷底，在1979年實測流量離差平方和達到最低點。由此可以說明，大寧站實測流量變化以1965年和1979年為分界總體可以劃分為三個階段，分別為：第一階段1955—1965年，第二階段1966—1979年，第三階段1980—2008年。河川徑流量變化的階段性與流域內(nèi)的人類活動密切相關(guān)，昕水河流域自20世紀60年代中期之前水土保持面積總體較少且變化較為穩(wěn)定，20世紀70年代以來，林地面積顯著增加；21世紀以來，草地和壩地面積增加明顯。實測徑流量階段性變化的診斷結(jié)果與流域人類活動強度變化總體相符。

昕水河流域氣溫年內(nèi)分布季節(jié)差異明顯，多年平均氣溫約為9.0℃；6—8月份氣溫較高，一般均在20℃以上，其中，7月份氣溫最高；11月份，氣溫由正轉(zhuǎn)負，12月至次年2月份，氣溫一直在0℃以下，其中，1月份氣溫最低。降水主要集中在7—9月份，且多以暴雨形式出現(xiàn)，該三個月降水約占年降水量的60%。實測流量的年內(nèi)分配為雙峰型過程，3月份有個小的峰值出現(xiàn)；汛期8月份峰值較大，約占年徑流量的25%。主汛期高強度暴雨下的超滲產(chǎn)流是昕水河流域7月，8月份洪水及汛期水量的主要原因；盡管3月份降水量僅占年降水量的3.0%，但由于該月氣溫升高顯著，流域內(nèi)的前期積雪消融，冰雪融水有效補給河川徑流，使得流量顯著增加。

圖3 昕水河流域大寧站1955－2008年實測流量離差平方和時序變化

前述分析結(jié)果表明，昕水河流域?qū)崪y流量呈現(xiàn)階段性減少趨勢，以1955—1965年為基準期，圖4給出了后兩個階段實測徑流量較基準期的變化。由圖可以看出：（1）在1966—1979年期間，實測徑流量較基準期減少31.9%；在年內(nèi)分配上，1—4月份和7月份較前期偏少幅度小于20%，其余月份偏少幅度均超過20%，其中，5月份偏少最多，接近60%。（2）在1980—2008年期間，實測徑流量較基準期減少更為顯著，平均偏少62.42%；在季節(jié)分配上，1—3月份偏少幅度為30%～40%，其余月份偏少幅度在60%左右。

圖4 昕水河流域不同階段實測徑流量較基準期變化的年內(nèi)分配

2.2 不同階段徑流與氣象要素之間的響應關(guān)系

降水是流域河川徑流的重要驅(qū)動力［4－6］，降水的豐枯變化在一定程度上決定了昕水河河川徑流量的變化狀況。統(tǒng)計結(jié)果表明，1966—1979年和1980—2008年昕水河流域降水量較1955—1965年分別偏少7.2%和16.6%。在年內(nèi)分配格局上，1966—1979年期間有3個月份（3月、5月、8月）較基準期明顯偏少，偏少幅度達40%，其余月份略微偏多或與基準期持平；1980—2008年期間只有12月份降水量較基準期約偏多40%左右，其余月份均較基準期偏少。盡管很難從1966—1979年階段降水的年內(nèi)分配看出降水對河川徑流季節(jié)分配影響的貢獻，但1980—2008年降水大幅度減少無疑對該時期河川徑流量的銳減起到了至關(guān)重要的作用。

人類活動也是影響河川徑流的主要驅(qū)動因子，以對比試驗小流域為對象，穆興民等［7］、王國慶等［8］對比分析了天然小流域與治理小流域在相同降水過程下的洪水過程，發(fā)現(xiàn)治理的小流域洪水過程變緩，峰值流量明顯變小。諸如水利工程及水土保持等人類活動通過改變區(qū)域下墊面條件，使得降水徑流關(guān)系發(fā)生改變，進而對流域的產(chǎn)匯流狀況產(chǎn)生一定影響［9－10］。圖5給出了昕水河流域不同階段年降水量與徑流量的相關(guān)關(guān)系。

圖5結(jié)果表明：（1）不同階段降水徑流關(guān)系點群分布區(qū)域存在一定差異，其中，第一階段降水徑流關(guān)系點群集中在上部；降水量小于580mm時，第二階段的點群處于第一階段點群分布范圍之內(nèi)，但當降水量超過580mm，第二階段的點群分布低于第一階段點群；第三階段的點群分布最低；由此表明，當降水量小于580mm時，對于相同的年降水量，第一、二階段的產(chǎn)流量基本相當，但均高于第三階段的產(chǎn)流量，當降水量大于580mm，對應相同的年降水量，第一階段產(chǎn)流量最大，第二階段次之，第三階段產(chǎn)流量最小。（2）不同階段降水徑流關(guān)系的變化無疑是由于流域內(nèi)水土保持等人類活動影響造成的，不同階段降水徑流關(guān)系點群的分布同時表明，在年降水量不超過580 mm的情況下，第二階段新增人類活動對徑流量的影響并不明顯，而在第三階段，新增人類活動對河川徑流量的影響卻較為顯著；當降水量超過580mm時，不同階段新增人類活動對河川徑流量的影響均較為明顯。（3）不同階段降水徑流關(guān)系斜率差異明顯，其中，1955—1965年期間的降水徑流關(guān)系斜率最大（0.173），說明在人類活動較少期間，單位降水增加引起的河川徑流量變化較大；而1980—2008年的降水徑流關(guān)系斜率最?。?.079）；說明隨著降水增加，河川徑流變化較小，該時期地下徑流占河川徑流的較大成分；在降水較大情況下人類活動對河川徑流特別是地面徑流的影響更為明顯。統(tǒng)計結(jié)果表明，三個階段年降水量與徑流量之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.82，0.62，0.51，說明人類活動不僅改變了河川徑流量，而且降低了年降水量與徑流量之間的相關(guān)性。

圖5 昕水河流域不同階段年降水量與徑流量的相關(guān)關(guān)系

人類活動對不同季節(jié)河川徑流量的影響存在差異，圖6—7分別給出了昕水河流域汛期（6—10月份）和非汛期（11—次年5月份）月降水與徑流量之間的相關(guān)關(guān)系。

圖6 昕水河流域不同階段汛期（6—10月份）月降水量與徑流量的相關(guān)關(guān)系

圖7 昕水河流域不同階段非汛期（11—5月份）月降水量與徑流量的相關(guān)關(guān)系

由圖6可以看出：（1）三個階段月降水量的變化范圍基本一致，變化范圍大多在0～250mm，其中，第三階段有一個月份降水量超過250mm。第一階段汛期月降水量大于100mm的月份約占45.5%，第二、三階段汛期約30%和26.9%的月份降水量超過100mm；汛期較大降水月份的顯著偏少是徑流量減少的重要原因之一。（2）汛期月降水量與徑流量的關(guān)系點群分布格局總體與年降水徑流關(guān)系點群的分布類似，第一階段點群集中在上部，第三階段點群位于下部，人類活動對第三階段汛期影響明顯。此外，與年尺度降水徑流關(guān)系不同的是月尺度降水徑流關(guān)系的非線性更加明顯。（3）第三階段內(nèi)，降水量小于130mm時，徑流量沒有大的變化，當降水量超過130mm，徑流量才有所增加，說明第三階段即便在汛期，河川徑流仍以地下徑流為主，降水產(chǎn)生的地面徑流多被水土保持工程攔蓄，人類活動對河川徑流的影響顯著。

由圖7可以看出：（1）三個階段非汛期月降水量與徑流量關(guān)系點群散亂，降水徑流的相關(guān)性較差；三個階段非汛期點群分布格局與汛期類似，其中，第三階段點群處于下部，說明人類活動不僅影響汛期徑流量，而且對非汛期徑流量也具有一定的影響。（2）值得注意的是，在降水量偏低（小于10mm）的情況下，三個階段的河川徑流量變化幅度偏大，如第一階段非汛期個別月份在降水量接近0的情況下，月徑流量卻高達8mm，由此說明，在降水量較少的情況下，徑流并非直接源于當月降雨。前述分析表明，昕水河流域冬季降水較少且氣溫較低，三月份氣溫升高引起流域內(nèi)冰雪消融，對河川徑流補給可能有一定影響，圖8給出了非汛期月平均氣溫與徑流量之間的相關(guān)關(guān)系。

圖8 昕水河流域不同階段非汛期（11—5月份）月均氣溫與徑流量的相關(guān)關(guān)系

由圖8可以看出：（1）氣溫與徑流關(guān)系點群具有明顯的區(qū)域性，不同階段的點群區(qū)域分布類似與降水徑流關(guān)系點群的分布特征，第三階段集中在下部區(qū)域。（2）此外，大約以5℃為閾值，不同階段氣溫徑流關(guān)系點群呈現(xiàn)左右集中分布；在月氣溫低于5℃的情況下，徑流隨氣溫升高具有增加趨勢，其中，第一階段增加幅度較為明顯；當月氣溫高于5℃時，氣溫與徑流基本沒有相關(guān)性；分析認為，昕水河流域在11月份至次年3月份氣溫低于5℃時，該時期降水偏少且多以降雪形式出現(xiàn)，3月份氣溫回暖，溫度高于0℃，流域內(nèi)的前期積雪融化導致河川徑流增加。非汛期氣溫高于5℃的月份主要集中在4月、5月，該時期氣溫較高，蒸發(fā)較大，而該時期的降水尚難以滿足蒸發(fā)的損耗，因此，導致河川徑流存在隨氣溫升高而減少的趨勢。（3）同時也可以看出，當氣溫低于－5℃時，不同階段氣溫徑流點群變化幅度較小，由此可以推斷，由于氣溫較低，冰雪難以融化，該時期河川徑流主要為地下徑流成分。（4）前述分析表明，氣溫、降水在季節(jié)分配上具有較好的同步性，即汛期氣溫較高，降水量也較大。當氣溫超過5℃時，隨氣溫升高而徑流量增大的規(guī)律實際上反映了徑流與降雨之間的響應關(guān)系。不同時期氣溫與徑流量之間的差異也間接反映了人類活動對流域水文的影響。

3 結(jié)論

大寧站實測流量總體呈現(xiàn)遞減趨勢，以1965年、1980年為分界點呈現(xiàn)三個階段變化特征，21世紀以來，昕水河流域一直處于持續(xù)性流量偏低階段，多年平均流量不到多年平均徑流量的1／2。昕水河流域降水的年內(nèi)分配為單峰型過程，實測流量的年內(nèi)分配為雙峰型過程。主汛期高強度暴雨下的超滲產(chǎn)流是昕水河流域7月、8月份洪水及汛期水量的主要原因。3月份氣溫升高引起的積雪消融是3月份凌峰產(chǎn)生的重要組成。不同階段降水徑流關(guān)系點群分布區(qū)域存在一定差異，其中，第一階段降水徑流關(guān)系點群集中在上部，第三階段的點群分布最低，說明人類活動對第二階段河川徑流有一定影響，對第三階段影響更為明顯。前期積雪及積雪融化對河川徑流量影響的氣溫閾值約為±5℃，當氣溫低于－5℃時，河川徑流量以地下徑流量為主。當氣溫高于5℃時，氣溫對河川徑流量的影響主要體現(xiàn)為增大流域蒸發(fā)導致徑流量減少，基本不再存在融雪徑流成分。昕水河流域水土流失嚴重，是國家開展水土保持生態(tài)工程建設(shè)的重點區(qū)域，大規(guī)模的水土保持等系列人類活動對流域水文產(chǎn)生深遠的影響，定量評估變化環(huán)境下昕水河流域徑流變化原因是未來研究的重要科學問題和有效遴選適宜的水土保持措施，開展昕水河流域治理的重要前期工作。

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