淮河上游徑流演變規(guī)律及其對氣候驅動因子的響應

劉永婷, 徐光來, 高 超, 任秀真, 劉繼鋒, 李 鵬

(1.安徽師范大學 地理與旅游學院, 安徽 蕪湖 241002; 2.安徽自然災害過程與 防控研究省級實驗室, 安徽 蕪湖 241002; 3.寧波大學 地理與空間信息技術系, 浙江 寧波315211; 4.信陽市水文水資源勘查局, 河南 信陽 464000; 5.河南省駐馬店水文水資源勘測局, 河南 駐馬店450003)

流域水文循環(huán)是一個相當復雜的過程，并受多種因素的影響，其中降水、蒸發(fā)和徑流是水文循環(huán)的基本途徑[1-2]。隨著氣候變化和人類活動綜合作用的加劇，降水、蒸發(fā)和河川徑流等水文要素發(fā)生顯著的時空變化，引發(fā)部分流域極端氣候及水文事件的頻率和強度增加，加劇了旱澇災害頻發(fā)的風險[3-4]。近年來，變化環(huán)境下的徑流演變規(guī)律及其對氣候變化和人類活動等驅動因子的響應逐漸成為目前研究的熱點問題之一[5-6]。

關于降水、徑流關系、徑流演變規(guī)律及徑流變化驅動因子等開展了大量研究，廣泛使用線性趨勢法、降水徑流雙累積曲線及小波周期分析等數(shù)理統(tǒng)計方法，主要涉及潮河流域、黃河流域、長江流域、元江—紅河等眾多流域。另外研究人員們也分別對渭河、白龍江和漢江等流域上游水源區(qū)的徑流量變化趨勢及其影響因素進行了研究[7-10]，結果表明各流域徑流量總體上均呈減少趨勢，不同區(qū)域影響徑流量減少的主導因素差異顯著。

淮河流域地處南北氣候的過渡區(qū)域，氣候條件復雜，旱澇災害頻發(fā)，嚴重威脅了流域的社會經濟發(fā)展，因而充分認識淮河上游徑流量的演變規(guī)律及其與氣候因子的相關性，可為流域農業(yè)生產、水利工程建設和可持續(xù)發(fā)展提供參考。現(xiàn)在已有關于淮河流域徑流變化趨勢及其與氣候要素、土地利用等因素的相互關系的研究[11-13]。

但在徑流、降水和潛在蒸散發(fā)三者的變化趨勢、周期性和相互關系等方面的研究相對較少，徑流變化對氣候驅動因子的響應程度仍需進一步探討。

本文擬以淮河上游為研究區(qū)，運用時序分析和交叉小波分析法探討流量和氣候要素(降水、潛在蒸散發(fā))的變化趨勢及周期性特征，采用氣候彈性系數(shù)探討流量變化對氣候要素(降水、潛在蒸散發(fā))的響應，并定量估算兩氣候要素對流量變化的貢獻率。旨在揭示淮河流域上游地區(qū)水文氣候要素的變化特征，從而為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)性開發(fā)利用提供一定的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)選擇的是長臺關以上的流域，位于113°27′—114°6.6′E，32°6.6′—32°43.2′N，海拔介于69～1 110 m。流域內地貌以低山丘陵為主，地勢西北高東南低。流域屬于濕潤氣候向半濕潤氣候過渡帶，年平均氣溫為11～16 ℃，研究區(qū)年降水量為500～1 500 mm，受東亞季風影響大，流域降水年內分布不均，多集中在6—9月，易發(fā)生旱澇災害。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)均來源于河南省信陽市水文局。流量數(shù)據(jù)為1975—2014年淮河上游長臺關站的實測流量數(shù)據(jù)。長臺關站(114°4′E，32°19′N)位于河南省信陽市的長臺關鎮(zhèn)，控制流域總面積約3 090 km2，是淮河上游的重要水文站[14]?；春恿饔虻拿娼邓恳罁?jù)流域各個站點降水量(表1)，采用泰森多邊形法計算獲得。潛在蒸散發(fā)根據(jù)區(qū)內和周圍各站點的常規(guī)觀測資料，采用彭曼公式計算得到日參考蒸散發(fā)，然后采用IDW插值得到長臺關站控制范圍內的參考蒸散發(fā)。插值得到的結果與流域內南灣蒸發(fā)皿觀測資料具有很好的一致性。插值結果可以用來表示流域的面潛在蒸散發(fā)量[1]。

表1 淮河上游雨量站點信息

2.2 研究方法

本文采用Morlet小波功率譜對其進行周期演變分析，運用連續(xù)小波變換(CWT)、交叉小波變換(XWT)和小波相干(WTC)分析年平均流量和氣候要素(降水、潛在蒸散發(fā))在時頻中的相關性及其所包含的周期性特征，并運用置信水平α=0.05下的紅噪音標準譜進行顯著性檢驗[15-16]。

借鑒Schaake等[17]提出的氣候變化彈性模型，探討流量與氣候要素(降水、潛在蒸散發(fā))的響應關系。根據(jù)徑流對降水和潛在蒸散發(fā)的彈性系數(shù)，氣候變化引起的流量變化可表為：

(1)

3 結果與分析

3.1 流域內的水文變化

1975—2014年淮河上游多年平均流量為32.65 m3/s，流域最大流量72.46 m3/s(1989)，最小值出現(xiàn)在2001年，僅為4.19 m3/s，絕對變化幅度為68.27 m3/s。多年平均降水量為993.09 mm，年降水最大值出現(xiàn)在2000年(1 427.49 mm)，最小值出現(xiàn)在2001年(500.45 mm)，與流量極值出現(xiàn)相同時間。多年平均潛在蒸散發(fā)量為767.2 mm，流域最大潛在蒸散發(fā)量為1 086.5 mm(2001)，最小值584.4 mm(1980)，絕對變化幅度為502.1 mm。

淮河上游年平均流量、年降水量和年蒸散發(fā)量線性趨勢均未達到p<0.05的顯著性水平(圖1a)，其中流量波動較大(Cv=0.60)，降水量其次(Cv=0.23)，蒸發(fā)量波動較小(Cv=0.11)。年平均流量與降水呈正相關，與蒸散發(fā)呈負相關(圖1b)。

圖1 淮河上游地區(qū)年平均流量(Q)、降水量(P)和潛在蒸散發(fā)量(Eo)線性趨勢(a)與相關性(b)

3.2 徑流及氣候要素周期性分析

為了識別淮河上游水文氣象序列的周期成分及其在時間尺度上的分布，本文選用交叉小波對淮河上游年平均流量和氣候要素(降水、潛在蒸散發(fā))的變化特征及三者不同時間尺度相關關系進行分析，得到年平均流量、降水及潛在蒸散發(fā)的連續(xù)小波功率譜、交叉小波功率譜和小波相干譜(如圖2所示)。黑色和白色分別表示能量密度的谷值和峰值，黑色細實線為小波影響錐邊界，黑色粗實線為95%置信區(qū)間邊界，通過紅噪聲檢驗?；春由嫌蔚哪昶骄髁吭?982—1998年有6～12 a長周期，年降水量在2000—2003年主要以1～3 a周期為顯著周期(超過95%的置信度水平)，年潛在蒸散發(fā)量周期在1978—1985年有2 a左右顯著周期(圖2a—2c)。在多時間尺度上，年平均流量和年降水量存在顯著正相關關系，在1998—2004年的相關顯著周期為1～3 a，并且在1979—2000和2000—2013年疊加了6～9，9～10.5 a周期帶。年降水量和年潛在蒸散發(fā)量在1978—1982年存在2 a左右相關顯著周期，年潛在蒸散發(fā)量與年平均流量的2～3 a顯著周期變化主要分布在1999—2003年，其中年潛在蒸散發(fā)量與年平均流量在1987—2001年疊加7～9 a的周期(圖2d—2f)。

圖2 年平均流量(Q)、降水量(P)和潛在蒸散發(fā)量(Eo)的小波功率譜、交叉小波功率譜和小波相干譜

由圖2g可知，年平均流量和年降水量在大部分時頻域中表現(xiàn)同相位關系，1987—2013年年平均流量和年降水量在2～6 a左右的共振周期上表現(xiàn)為同相位正相關變化特征，相反，年降水量和年潛在蒸散發(fā)量則表現(xiàn)為明顯的反向位關系(圖2h)，1980—1984年在2 a左右、1998—2005年在3.5 a左右的共振周期上存在顯著的負相關，在1998—2013年亦趨于負相關，但并不顯著。年潛在蒸散發(fā)量和年平均流量在1990—2005年兩者趨于反向位負相關變化，在約3 a左右的周期上較為顯著。

綜上所述，水文氣象要素變化周期具有一定差異，也存在相似性，年平均流量、降水和潛在蒸散發(fā)量變化的年代際周期特征，以2～3 a周期為常見，這與以往研究淮河上游年平均流量存在的主要周期相一致[21]。

3.3 徑流對氣候要素變化的響應

為進一步評估氣候要素對徑流的影響，定量分析出兩氣候因子在流量變化中所在的比重，年降水和年潛在蒸散發(fā)對年平均流量的彈性系數(shù)εP和εEo分別為2.30和-0.47(表2)，即10%的降水減少導致23.0%的流量減少，而潛在蒸散發(fā)增加10%，將導致流量減少4.7%，這說明隨著降水的減少，年平均流量減少的速度更快些?？赡苁且驗榻邓^少的時候，地下流量的比例較大，而降水較多時，地下流量的比例較小，這就導致地表流量變化的速度要快于降水變化速度。各季節(jié)氣候因子對年平均流量的貢獻有一定差異，四季降水對年平均流量的彈性系數(shù)均為正值，其中夏季降水的彈性系數(shù)最大。夏季和冬季的潛在蒸散量對年平均流量的彈性系數(shù)為負值，而春季和秋季潛在蒸散量對年平均流量的彈性系數(shù)為正值，可能是日照時數(shù)和風速的下降造成了潛熱通量減少，出現(xiàn)“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象[22]。

表2 彈性系數(shù)法定量分析氣候變化對淮河上游徑流變化的影響

基于彈性系數(shù)法定量評估氣候變化和人類活動對流域流量變化的影響，結果顯示氣候變化和人類活動對流量減少的影響率分別為70.07%和29.93%，氣候變化是導致淮河上游流量減少較為主要的原因。由此可見，長臺關年平均流量與降水量關系密切，而與潛在蒸散發(fā)的關系不大，未來降水的變化是影響水資源變化的主要因素。

4 討論與結論

4.1 討 論

河川徑流的減少與氣候變化有著密切的聯(lián)系，人類活動的加劇也會對徑流產生一定影響，如控制性水利工程、生產生活用水和水土保持措施等，這些人類活動均會造成河道徑流量的減少。長臺關上游14 km處正在建設一個大型水庫——出山店水庫，總庫容達到1.72×109m3。出山店水庫上游有中型水庫6座，小型一類水庫16座，小型二類水庫83座，以上105座水庫總庫容達2.17×109m3。水庫建設對汛期徑流量影響較大，但對于年徑流量影響相對較小，所以本文的年平均流量數(shù)據(jù)為1975—2014年淮河上游長臺關站的實測數(shù)據(jù)，并未進行資料還原。本文研究表明降水量的減少和潛在蒸散發(fā)的增加在一定程度上影響了淮河流域上游的徑流量，而潛在蒸散發(fā)的變化對徑流減少的影響微弱，降水量減少和下墊面變化是造成徑流減少的重要因素，這與張樹磊等[23]的研究結果相吻合。由于研究區(qū)以農業(yè)為主，生產和生活過多用水，也會致使流域上游徑流減少。另外，土地覆被/土地利用變化對流域徑流的減少也有重要影響[24]。20世紀80年代以來，淮河流域開始實行水土保持工作，改變了研究區(qū)的土地利用和植被覆蓋，一定程度上引起了徑流的減少[25]，徑流量的周期變化受降水量的影響小，這與圖1中平均流量過程線變化趨勢一致。

蒸發(fā)是水文學研究的難題，研究區(qū)的實際蒸發(fā)量是流域水面蒸發(fā)、植被蒸騰和土壤蒸發(fā)的總和，而本文的蒸發(fā)數(shù)據(jù)是基于普通氣象資料利用彭曼公式計算出來的(僅考慮流域水面蒸發(fā))，只是蒸發(fā)的一部分。在探討徑流影響因素時只考慮了徑流與降水、潛在蒸散發(fā)的相關關系，但徑流變化同時會受到溫度、社會經濟耗水和土地利用等的影響。氣候彈性系數(shù)法是在假設降水和潛在蒸散發(fā)是相互獨立的變量前提下，分離降水和潛在蒸散發(fā)對徑流的影響，這也會降低結果的精確率，因此單純地對比分析三者的變化特征會存在一定誤差。由于本研究采用數(shù)據(jù)時間序列較短，也未能在更長時間尺度上研究該流域植被、土地利用、水利工程等更多因子對徑流的影響。如何細化徑流變化對不同人類活動的響應，需要更加深入地探討。未來應利用水文模型與多變量彈性分析相結合，情景模擬和定量評價流域徑流的多時空尺度變化特征，定量區(qū)分氣候變化和人類活動作用，精確分析流域徑流對氣候驅動因子的響應。

4.2 結 論

(1) 1975—2014年淮河上游年平均流量和年降水均呈鋸齒狀震蕩，而年潛在蒸散發(fā)呈微弱增加趨勢(變化不明顯)，年際變化率分別為-3.8 m3/(s·10 a)，-26.3 mm/10 a和2.1 mm/10 a。徑流量年內分配不均衡，Cv超過0.50，徑流年際變化較為強烈。

(2) 淮河上游年平均流量、年降水量和年潛在蒸散發(fā)量存在2～3 a的顯著周期。年徑流量與降水量在多時間尺度存在顯著正相關，年平均流量與年潛在蒸散發(fā)量存在顯著負相關周期，顯著相關區(qū)域均主要分布于20世紀90年代以后。

(3) 基于彈性系數(shù)法定量估算了氣候變化對徑流的影響，10%的降水減少導致23.0%的徑流減少，而潛在蒸散發(fā)增加10%，將導致徑流減少4.7%。年平均流量與降水量關系密切，而與潛在蒸散發(fā)的關系不大，降水是導致淮河上游徑流減少的主要氣候要素。