秦嶺南北典型流域徑流變化規(guī)律的對比研究

柯新月，汪 妮

(西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

降雨和徑流是水循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，它們的變化在整個水資源系統(tǒng)的演化中起著主導作用，然而，近年來在氣候變化和人類活動的雙重影響下，河川徑流發(fā)生了不同程度的變化[1-3]，對社會生產和人民生活造成了重大影響，徑流變化規(guī)律的研究引發(fā)了諸多學者的關注。張建云等[4]應用1950 年以來中國六大流域19 個重點控制水文站的年徑流觀測資料研究發(fā)現(xiàn)，六大江河的實測徑流量均呈下降趨勢。孫甲嵐等[5]基于長江上游67 個氣象站點及主要干支流水文站1961—2005 年逐日平均氣溫及降水量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，長江上游年降雨有降低趨勢。李二輝等[6]對黃河干流陜縣站和河口鎮(zhèn)站1919—2010 年徑流量演變過程的分析表明，區(qū)域面平均降水量趨勢性變化不顯著，而上中游年徑流量自1985 年以來呈顯著減少趨勢。周帥等[7]通過分析黃河源區(qū)12個氣象站1960—2010年共51a降水和潛在蒸發(fā)資料，發(fā)現(xiàn)人類活動是導致黃河徑流量改變的主要因子，占比為67.62%。

秦嶺山脈不僅是中國南北方的天然分界線，也是著名的生物資源寶庫和長江、黃河兩大水系重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，具有獨特的區(qū)位與生態(tài)優(yōu)勢。2015 年，陜西省提出將建設秦嶺國家公園作為加快生態(tài)文明制度建設的重要實踐，并寫入了《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》、西安市《大秦嶺西安段保護利用總體規(guī)劃》和《大秦嶺西安段生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》。摸清水資源分布及其規(guī)律性對生態(tài)環(huán)境的保護和恢復、生物多樣性的維護意義重大，以水資源承載生態(tài)建設與保護是秦嶺國家公園建設的前提與基礎。馬新萍等[8]基于1959—2010 年灞河流域馬渡王水文站的實測徑流量數(shù)據(jù)分析認為，人類活動的影響是導致灞河流域徑流發(fā)生變化的主要因素，不同時期人類活動對徑流的影響率不同，降水變化是次要原因。張曉龍等[9]基于月河和灞河流域1960—2010年逐月徑流資料分析認為，兩流域徑流深未來會持續(xù)下降，灞河流域持續(xù)性略大于月河流域。為貫徹落實生態(tài)文明建設的需求，本文基于前人研究成果，在秦嶺陜西段南北兩坡分別選擇灞河與旬河作為代表流域，應用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法(M-K檢驗)、R/S法、滑動t檢驗法和雙累積曲線法等分析實測徑流序列突變性及其未來變化趨勢，通過徑流變化的主要影響因素的識別對秦嶺南北坡徑流特征進行分析對比，為構筑秦嶺國家公園“山、水、田、城”生態(tài)格局提供水文依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

灞河是渭河右岸一級支流，位于陜西省西安市東南部，地理坐標為109°00′～109°47′ E、33°50′～34°27′ N，發(fā)源于秦嶺以北的陜西藍田縣箭峪嶺，向南流經灞塬，在藍田縣有輞峪河匯入,在未央?yún)^(qū)譚家堡有浐河匯入，向北經10 km于灞橋區(qū)三郎村匯入渭河，河長78 km，流域面積為2 581 km2。灞河地勢南高北低，上中游段水系較為發(fā)育，面積大于10 km2的支流毛溝共61條。

旬河是漢江左岸一級支流，位于陜西省商洛市西南部和安康市東北部，發(fā)源于陜西省西安市長安區(qū)和陜西省安康市寧陜縣交界的秦嶺中段沙溝嶺南側，南北長約218 km，集水面積6 703 km2。地勢北高南低，支流共42 條，包括乾佑河、達仁河、月河、麻坪河、東川河等，其中乾佑河為最大支流。

秦嶺陜西段包括漢中、商洛、安康、渭南、寶雞、西安6個市39 個縣級行政區(qū)，53條入漢江支流和19 條入渭河支流(長度40 km以上)，其中漢江流域占秦嶺地區(qū)總面積的61.6%，渭河流域占秦嶺地區(qū)總面積的23.9%。

灞河屬渭河一級支流，流經陜西省的省會城市西安，旬河屬漢江在秦嶺南坡的主要支流，與灞河隔山相望。故本文選擇灞河、旬河流域作為秦嶺南北坡河流的代表以分析秦嶺南北水文差異及其規(guī)律性，兩流域在秦嶺陜西段中的位置如圖1所示。

圖1 灞河與旬河流域站點圖Fig.1 Stations of Bahe river and Xunhe river basin

1.2 數(shù)據(jù)來源

徑流資料采用灞河干流馬渡王水文站和旬河干流向家坪水文站的觀測數(shù)據(jù);降雨資料采用灞河流域羅李村水文站、穆家堰雨量站和旬河流域柴坪水文站、崇家溝雨量站、東江口雨量站的觀測數(shù)據(jù)，系列長度均為1956—2011年。

馬渡王水文站位于灞河下游，控制流域面積1 601 km2，是關中中部渭河南岸大面積區(qū)域代表站；向家坪水文站屬旬河河口控制水文站，集水面積6 448 km2。在充分收集、整理現(xiàn)有資料的基礎上，采用算術平均法獲得馬渡王與向家坪水文站上游面平均降雨量。

1.3 研究方法

本文采用滑動平均法[10]、Mann-Kendall趨勢檢驗法[11]和R/S法[12]分析兩流域徑流變化趨勢特征并對未來徑流量進行預測。利用滑動t檢驗[13]、Mann-Kendall突變檢驗法[14]、雙累積曲線法[15]等方法綜合分析徑流突變情況，判斷突變年，確定基準期，并通過徑流還原法[16]分析氣候變化和人類活動對涇河流域徑流深變化的貢獻率。

徑流還原法原理：將突變年作為基準期與變化期的交界點進行劃分。假設基準期累積降雨量(ΣP)與累積徑流量(ΣQ)線性關系為：

∑Q=k∑P+b

(1)

假設變化期與基準期的氣候變化同步，則將式(1)得出的變化期徑流模擬值與徑流實測值的差值定義為徑流受人類活動影響的變化量：

ΔQhuman=mean(Q2c)-mean(Q2m)

(2)

同上，可將變化期徑流實測值與基準期徑流實測值的差值定義為徑流受氣候變化和人類活動共同影響的變化量：

ΔQ=mean(Q2m)-mean(Q1m)

(3)

式中：mean表示取均值；1、2分別表示基準期與變化期;c、m分別表示模擬值與實測值。

2 結果與分析

2.1 徑流變化趨勢對比

根據(jù)灞河流域和旬河流域1956—2011年徑流數(shù)據(jù)，繪制徑流年際變化趨勢圖，如圖2所示。

由圖2(a)可以看出，灞河流域和旬河流域1980年前的徑流變化趨勢具有較高的相關性，呈波動下降趨勢，1981年徑流變化趨勢出現(xiàn)差異，相關性驟降。為使趨勢變化更為直觀，對數(shù)據(jù)進行滑動平均，由圖2(b)可以看出，灞河流域和旬河流域近50年來徑流變化總體呈現(xiàn)下降趨勢，灞河流域下降趨勢更為明顯。選用Mann-Kendall趨勢檢驗法及R/S法對灞河流域和旬河流域徑流變化趨勢進行進一步分析。經檢驗，馬渡王站肯德爾秩次相關檢驗統(tǒng)計量Z=-2.650 3，向家坪站統(tǒng)計量Z=-2.183 9，絕對值均大于1.96(在0.05顯著性水平下的臨界值)，說明兩流域徑流均呈現(xiàn)顯著的下降趨勢。用R/S法對兩流域徑流未來變化趨勢進行預測，如圖3所示，徑流序列擬合效果良好，灞河流域年徑流Hurst指數(shù)H為0.705 3>0.5，旬河流域年徑流Hurst指數(shù)H為0.925 9>0.5，表明灞河及旬河年徑流量時間序列均呈現(xiàn)正的持續(xù)性，即與現(xiàn)有的規(guī)律一致，將持續(xù)減少。

圖2 灞河與旬河年徑流變化趨勢圖Fig.2 Curves of annual runoff in Bahe and Xunhe river

圖3 灞河及旬河徑流序列的R/S分析Fig.3 Annual runoff R/S analysis of Bahe and Xunhe river

2.2 徑流突變點分析

采用滑動t檢驗法、Mann-Kendall突變檢驗法、雙累積曲線法對灞河及旬河流域徑流序列進行變異分析。

取步長為6，顯著性水平α=0.05，查表得t臨界值為±2.23?；瑒觮檢驗結果如圖4所示。由圖4(a)可知，灞河流域于1989年和1992年出現(xiàn)兩點極大值且通過顯著性水平檢驗；由圖4(b)可知，旬河流域t統(tǒng)計量于1975年、1981年和1983年出現(xiàn)極大值，于2000年后出現(xiàn)極小值，且通過顯著性水平檢驗(其中2000年后處于序列尾段的數(shù)據(jù)誤差較大，在此可忽略不計)。故通過滑動t檢驗法判斷1989年和1992年為灞河流域年徑流突變年，1975年、1981年和1983年為旬河流域年徑流突變年。

圖4 灞河及旬河徑流序列的滑動t檢驗圖Fig.4 Curves of sliding t-test technique of annual runoff in Bahe and Xunhe river

取顯著性水平α=0.05，查表得U臨界值為±1.96，Mann-Kendall檢驗結果如圖5所示。由圖5(a)可知，UF和UB曲線相交于1972年、1974年、1976年、1983年，由圖5(b)可知，UF和UB曲線相交于1970年，且交點均位于兩界限之間。故通過Mann-Kendall法判斷1972年、1974年、1976年、1983年為灞河流域年徑流突變年，1970年為旬河流域年徑流突變年。

圖5 灞河及旬河徑流序列的M-K檢驗圖Fig.5 Curves of Mann-Kendall technique of annual runoff in Bahe and Xunhe river

根據(jù)灞河及旬河流域降雨徑流數(shù)據(jù)繪制雙累積曲線圖，如圖6所示。

圖6 灞河及旬河雙累積曲線圖Fig.6 Double mass curve of the precipitation and runoff in Bahe and Xunhe river

由圖6(a)可知，灞河流域降雨徑流雙累積曲線于1972年、1992年發(fā)生偏離，由圖6(b)可知，旬河流域雙累積曲線于1981年發(fā)生偏離，分段擬合后，各區(qū)間線性相關系數(shù)均大于0.99。該方法表明，灞河流域突變點為1972年和1992年，旬河流域突變點為1981年。對上述三種突變點求解方法進行綜合分析，如表1所示。

表1 突變檢驗成果表Tab.1 Mutation test results table

結果表明，各方法所得突變點存在一定差異，綜合分析確定灞河流域在1956—2011年間存在兩個徑流突變點，分別為1972年和1992年,旬河流域在1956—2011年間存在一個徑流突變點，為1981年，突變方向均為下降。結合趨勢分析結果可知，兩流域徑流變化在1956—1980年間具有相似性，峰谷出現(xiàn)年份除1972年外基本一致，1981年旬河徑流發(fā)生減小突變，致使兩流域徑流變化出現(xiàn)差異，1992年灞河徑流突變使差異進一步擴大。通過資料查閱，1972年灞河流域馬渡王水文站上游建成白馬河水庫，之后到1982年陸續(xù)建成賽峪水庫、任家溝水庫、躍進水庫、三岔河水庫和候家河水庫共6座水庫；1981年旬河流域建成勝利水庫。水利工程建設引起下墊面條件變化，并改變了原來的水循環(huán)過程，致使變化期內徑流量減少。

2.3 徑流變化影響因素分析

影響徑流量的因素主要包括自然因素和人類活動兩方面。其中，自然因素主要表現(xiàn)為地形、土壤等下墊面條件和氣候條件，一般下墊面在較小時間尺度上認為是不發(fā)生改變的，因此主要考慮氣候因素如降雨對徑流量的影響；人類活動主要包括取用水、土地利用和水利工程等方面[15]。2.2節(jié)通過突變檢驗得到兩流域的年徑流突變點，由首個突變點可確定徑流基準期。灞河流域徑流突變點為1972年和1992年，根據(jù)突變點出現(xiàn)的年份將研究時間序列劃分為三個時段，分別為1956—1971年、1972—1991年、1992—2011年；旬河流域徑流突變點為1981年，劃分為1956—1980年、1981—2011年兩個時段。對基準期降雨和徑流時間序列進行擬合，得到回歸方程，并根據(jù)方程計算變化期徑流模擬值，利用徑流還原法計算得到人類活動和氣候變化對徑流變化的影響量和貢獻率，結果如表2所示。

表2 降雨和人類活動對灞河及旬河流域徑流量的影響Tab.2 Influence of precipitation and human activities on runoff decline in Bahe and Xunhe river basin

由表2可知，灞河流域徑流量從1956—1971年的5.73 億m3減少到1992—2011年的3.65 億m3，減少了36.22%；旬河流域徑流量從1956—1980年的19.63 億m3減少到1981—2011年的12.57 億m3，減少了35.98%，兩流域徑流減少幅度大致相同。其中，灞河流域1972—1991年的平均降雨量為897.28 mm，相較于基準期的平均降雨量增加了13.36 mm，徑流實測值卻較基準期減少了11.43%，說明這段時間人類活動對灞河流域徑流產生了巨大影響，之后1992—2011年模擬徑流量較基準期天然徑流量下降了12.82%，說明這段時間氣候變化引起徑流減少；兩個突變期的實測徑流量均明顯小于模擬值進一步說明了時段內徑流量受到人類活動的影響。

對兩因子的影響量和貢獻率進行分析計算發(fā)現(xiàn)，降雨和人類活動對灞河徑流兩個突變期的影響率分別為-23.26%、123.26%和35.40%、64.40%?？梢钥闯觯祟惢顒邮菍е洛焙訌搅髁繙p少的主要因素，但影響程度在逐時段減少，總體貢獻率為78.67%。

旬河流域1981—2011年平均降雨量為821.92 mm，相較于基準期的平均降雨量減少了0.43%，該時期徑流實測值較基準期減少了35.98%，且時段內徑流實測值明顯小于模擬值，說明這段時間人類活動對旬河流域徑流產生了巨大影響；突變期模擬徑流量較基準期天然徑流量變化不大，僅下降了0.51%，說明突變期徑流的減少受氣候變化的影響較小。對兩因子的影響量和貢獻率進行分析計算發(fā)現(xiàn)，降雨和人類活動對旬河徑流減少的影響率分別為1.42%和98.58%?？梢钥闯觯祟惢顒邮菍е卵訌搅髁肯陆档闹饕蛩?。

3 結論與討論

1) 灞河流域和旬河流域1980年前的年徑流變化基本同步，1981年徑流變化趨勢出現(xiàn)差異，相關性開始降低，但均于20世紀末達到谷值后開始波動上升，總體呈現(xiàn)波動下降趨勢。通過Mann-Kendall趨勢檢驗法和R/S法可知，兩流域年徑流均呈現(xiàn)顯著下降趨勢，且未來會持續(xù)下降，灞河流域徑流下降趨勢更為明顯。

2) 根據(jù)滑動t檢驗法、Mann-Kendall突變檢驗法和雙累積曲線法，綜合得出灞河流域突變年為1972年、1992年，旬河流域突變年為1981年，不具有一致性。分析認為，降雨和溫度變化是導致1992年灞河徑流突變的重要因素，而1972年的灞河徑流突變和1981年的旬河徑流突變則是受水利工程建設的影響。

3) 根據(jù)徑流還原法定量計算降雨和人類活動對灞河流域和旬河流域徑流變化的貢獻率,結果表明，人類活動是導致兩流域徑流減少的主要因素。其中旬河流域徑流減少受人類活動的影響率為98.58%；灞河流域徑流減少(兩個變化期)受人類活動的影響率分別為123.26%和64.40%，人類活動影響為主，但影響程度在逐時段減少。通過資料查閱，灞河流域降雨和氣溫均于1990年附近發(fā)生突變，降雨減少和氣溫升高均對徑流量減少有直接的影響，導致氣候變化對徑流減少的貢獻率開始增加，這與定量分析的結果相吻合。

4) 人類活動和氣候變化是驅動徑流變化的主要因素。在秦嶺南北兩個典型流域上，人類活動都是導致徑流減少的主要因素。國家對水土流失的治理、對自然環(huán)境的保護、對內陸地區(qū)城鎮(zhèn)化建設的支持等都是人類活動成為主要因素的原因。秦嶺地區(qū)生態(tài)建設與保護須以水資源承載力為前提，在徑流持續(xù)減少的情況下，應盡量減少人類活動對徑流量的影響，提高用水效率，加大節(jié)水力度，為秦嶺地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護與恢復提供支持。

5) 本文對秦嶺南北典型流域徑流的變化情況作了初步分析，一定程度上反映了秦嶺南北徑流的變化規(guī)律，下一步將擴大研究區(qū)域范圍，對秦嶺陜西段由東到西空間上的分布規(guī)律進行對比分析，從而為秦嶺地區(qū)生物資源的調查研究提供參考依據(jù)。