近50年澄碧河流域降雨徑流變化趨勢及成因分析

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(1.廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530004； 2.工程防災與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室， 廣西南寧530004；3.廣西防災減災與工程安全重點實驗室， 廣西南寧530004)

0 引言

隨著全球氣候變化以及人類活動的影響，流域的降雨徑流關(guān)系發(fā)生變化，這種變化將會對水資源生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生直接的影響[1]?？梢?，進行降雨—徑流關(guān)系影響因素的研究是十分必要的。

當前，國內(nèi)外眾多學者對流域降雨徑流關(guān)系的影響因素進行研究，如夏軍等[2]通過控制不同的雨強在下墊面條件不一致的區(qū)域進行降雨試驗，結(jié)果表明土地利用類型的變化對黃河岔巴溝流域的降雨徑流關(guān)系影響較大；魏兆珍等[3]運用可變模糊集理論對灤河流域進行研究，發(fā)現(xiàn)人類活動是造成流域徑流顯著減少并發(fā)生漸變式質(zhì)變的因素；郭愛軍等[4]基于Archimedean Copula函數(shù)對涇河流域進行研究，表明人類活動是影響降雨徑流關(guān)系的主要因素；顧海挺等[5]分析了枯水期的東江流域，認為新豐江水庫和楓樹壩水庫的徑流調(diào)節(jié)是導致流域降雨徑流關(guān)系發(fā)生變化的主要原因；WANG等[6]運用DTVGM水文模型研究了潮白河流域，發(fā)現(xiàn)人類活動對流域的降雨徑流關(guān)系產(chǎn)生了較大的影響；YANG等[7]發(fā)現(xiàn)耕地面積急速增加使得灌溉用水迅速增長是導致海河流域降雨徑流關(guān)系發(fā)生變化的主要因素。但這些研究卻很少涉及巖溶區(qū)流域，因巖溶區(qū)流域具有獨特的地質(zhì)構(gòu)造，使得降雨徑流特征也較其他地區(qū)復雜。澄碧河流域位于廣西典型的喀斯特巖溶地區(qū)，對其多年降雨徑流變化趨勢進行分析研究，具有十分重要的意義。

受數(shù)據(jù)資料的限制，本次研究僅收集到澄碧河流域1963～2011年共49年的降雨徑流數(shù)據(jù)，序列長度滿足要求，因此，本文對澄碧河流域近50年的降雨徑流變化特征及成因進行研究分析，以資為該流域水資源合理開發(fā)利用提供借鑒和參考。

圖1 澄碧河流域示意圖Fig.1 Chengbihe watershed

1 流域概況及研究方法

1.1 流域概況

澄碧河發(fā)源于百色北部的凌云縣青龍山，是典型的山區(qū)河流。流域的地下巖溶較為發(fā)育，巖溶地貌占流域面積的20 %以上，地下暗河縱橫，喀斯特滲漏現(xiàn)象普遍。澄碧河河流總長127 km，降雨年內(nèi)分配較不均勻，汛期(4～10月份)降雨量占全年的90 %，易造成汛期結(jié)束后徑流量反差較大，下游水庫汛后蓄滿率低。流域總面積2 087 km2，其中有70 %屬于凌云縣。論文采用澄碧河流域內(nèi)12個雨量站及澄碧河水庫壩首水文站1963年至2011年共49 a的降雨徑流同期觀測數(shù)據(jù)進行研究。

澄碧河流域水文控制站點如圖1所示。

1.2 研究方法

采用Mann-Kendall(下文簡稱M-K)非參數(shù)檢驗方法確定流域降雨和徑流序列的變化趨勢以及序列的突變時間點，該方法是檢驗序列變化趨勢的有效方法，其優(yōu)點在于不需要被檢驗的序列滿足一定的分布，且抗干擾性強[8]，方法的具體步驟見文獻[9]；而Hurst指數(shù)分析法能較好地反應序列趨勢持續(xù)性的強弱程度[10]，兩者結(jié)合可以分析序列的歷史變化趨勢并預估未來的發(fā)展勢態(tài)，論文借助Hurst指數(shù)分析法預測降雨及徑流的未來變化趨勢[11]；同時，應用雙累積曲線法探求流域降雨徑流關(guān)系發(fā)生突變的時間點，與M-K的突變分析相互檢驗，并用以分析不同階段人類活動或自然環(huán)境對流域徑流變化趨勢產(chǎn)生的影響[12]，以期為流域水資源的管理措施調(diào)整提供依據(jù)。

2 成果與分析

2.1 變化特征結(jié)果分析

2.1.1 年際變化特征

分別計算澄碧河流域的年均降雨深與徑流深的M-K趨勢判別系數(shù)Z及Hurst指數(shù)H(持續(xù)性系數(shù))的值，并繪制了澄碧河流域年際降雨、徑流的變化趨勢圖，見表1和圖2。

表1 年均降雨徑流序列的M-K及Hurst指數(shù)Tab.1 M-K and Hurst index of annual rainfall and runoff

圖2 多年降雨和徑流的變化趨勢圖Fig.2 Trend of rainfall and runoff for years

由表1可以看出：澄碧河流域的年均徑流深的趨勢系數(shù)Z為0.733，沒有超過95 %的顯著性閾值Zα2=±1.96，又因其持續(xù)性系數(shù)H為0.310，屬于反持續(xù)的區(qū)間(0，0.5)，但反持續(xù)性強度一般，說明流域的徑流量序列未體現(xiàn)出明顯的增減趨勢，且在未來出現(xiàn)某種單一變化趨勢的可能性不高；反觀年降雨量序列，其趨勢系數(shù)Z為3.387，遠超過99 %的顯著性指標Zα2=±2.32，且持續(xù)性系數(shù)0.849也表明趨勢存在較強的持續(xù)性，可知流域的年降雨量呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢，而這樣的趨勢還將進一步加強。

圖2直觀地顯示了澄碧河流域年降雨與年徑流變化趨勢出現(xiàn)的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，也反映出流域的年降雨量自上世紀90年代中期開始出現(xiàn)逐漸增大的趨勢，而徑流量并未隨著降雨的增加發(fā)生變化。為了準確地找出序列突變的時間點，圖3、圖4分別繪制了流域的年際降雨深、徑流深的M-K突變圖。

觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，上世紀60年代中期年降雨深的UF曲線(UF>0說明序列呈現(xiàn)增加趨勢，反之則為減少趨勢)在橫坐標軸附近上下擺動，證明此時期流域年降雨量呈往復變化趨勢，降雨量均有增減。1986～1988年期間，年降雨的UF與UB曲線(逆序列的UF值)在置信區(qū)間內(nèi)兩次相交，隨后UF曲線不斷上升，在90年代中期超過了置信區(qū)間上限，說明年降雨深序列在1986年發(fā)生了突變，開始進入逐步增長的階段，這與趨勢圖中反映的結(jié)果一致。

對圖4進行分析可以看出年徑流深的UF曲線在上世紀60年代至70年代初期位于坐標軸上方，說明這個時期徑流量有增加趨勢，且在60年代后期顯著增加；70年代中期開始，UF曲線基本處于坐標軸下方，但沒有超過置信區(qū)間，說明年徑流深呈不顯著的減小趨勢；與趨勢圖中反映的變化趨勢相近。UF曲線在置信區(qū)間內(nèi)與UB曲線有多處交點，其中，有效突變點只有一個，突變時間為1976年。

圖3 年降雨深M-K突變檢測圖
Fig.3 M-K mutation test of annual rainfall

圖4 年徑流深M-K突變檢測圖
Fig.4 M-K mutation test of annual runoff

2.1.2 年內(nèi)變化特征

由于澄碧河流域為山區(qū)流域，汛期降雨量大，且山谷匯流速度快，所以流域徑流的年內(nèi)分配較不均勻，季節(jié)變化顯著。考慮到流域的出口為澄碧河水庫，其對整個流域水資源的管理及下游的防洪與興利有著舉足輕重的作用，故對澄碧河流域降雨、徑流在年內(nèi)分配的變化趨勢進行研究。

根據(jù)文獻[13]可知，澄碧河流域的汛期為4月13日到10月31日，非汛期為11月1日到次年的4月12日。對流域汛期和非汛期的分析，同樣采用M-K趨勢檢驗及Hurst指數(shù)法進行統(tǒng)計計算，得到結(jié)果如表2。

表2 汛期和非汛期降雨徑流序列M-K及Hurst指數(shù)Tab.2 M-K and Hurst index of annual rainfall and runoff onflood and dry season

圖5 非汛期徑流深M-K突變檢測圖Fig.5 Trend of rainfall and runoff fordry seasons

表2主要反映兩個信息：一是澄碧河流域汛期和非汛期的降雨量均呈現(xiàn)顯著的增加趨勢，且在未來還有持續(xù)增加的可能；二是流域在非汛期的徑流量有著顯著的下降趨勢，這與汛期的穩(wěn)定趨勢有所不同，也與同時期的降水量顯著增長的趨勢存在較大反差。因此，用M-K法對非汛期徑流量序列進行突變檢測，見圖5，結(jié)果表明非汛期徑流量的下降突變時間點約為1990年。

2.2 影響分析

澄碧河流域降雨徑流深雙累積曲線見圖6，曲線在1986年處將流域49年的降雨徑流累積數(shù)據(jù)分為兩段序列，分別對其進行線性擬合，擬合后的直線相關(guān)系數(shù)均大于0.9，滿足雙累積曲線分段擬合的基本要求[14]，可見，經(jīng)M-K檢測得到的突變時間點較為合理。為更進一步研究流域降雨徑流關(guān)系發(fā)生變化帶來的影響，若以1963年至1986年作為基準期，依照基準期的降雨徑流相關(guān)關(guān)系延長基準序列，到2011年時，基準序列對應的累積徑流量比實際累積量多出約186億m3，相當于平均每年多12億m3以上，說明流域的降雨徑流關(guān)系在1986年發(fā)生了較大的改變，這一改變給流域的水資源量帶來不小的影響。

2.3 成因分析

2.3.1 降雨徑流關(guān)系變化的原因

封山育林、修建水庫和塘壩、建造土壩梯田等措施對流域內(nèi)的自然形態(tài)和調(diào)蓄能力會產(chǎn)生較大的影響，從而影響流域的蒸散發(fā)量和土壤入滲量，進而改變流域的產(chǎn)匯流規(guī)律。

20世紀50年代末至60年代初，經(jīng)歷了“大躍進”及饑荒之后的凌云縣境內(nèi)樹木砍伐嚴重，荒山遍布。缺少了根系的下墊面儲水能力減弱，致使流域在60年代末期頻發(fā)洪水災害，災情較嚴重，這點可從圖3的UF曲線中看出。改革開放后，流域內(nèi)正式制止毀林開荒，開展封山育林的活動，并取得了顯著的效果，流域內(nèi)森林面積以及覆蓋率變化見表3和圖7，從圖表中可以看出，澄碧河流域在1984年至1993年期間森林面積增加了1 047 km2，覆蓋率提高了1.5倍。因此，流域內(nèi)植物截留引起的蒸散發(fā)量增加，同時，下墊面條件得到有效改善，蓄水能力逐步提高，導致流域的產(chǎn)流量下降。所以，在80年代末，雖然由于氣候的因素流域降雨量呈現(xiàn)增加趨勢，但其出口的實測徑流量卻未隨之而增長。

表3 澄碧河流域森林面積及覆蓋率Tab.3 Forest area and coverage of Cheng-bi River Basin

圖6 降雨徑流深雙累積曲線
Fig.6 Double Mass Curve of rainfall and runoff

圖7 澄碧河流域森林面積及覆蓋率
Fig.7 Forest area and coverage of Cheng-bi River Basin

與此同時，澄碧河水庫管理局制定《水源森林保護區(qū)管理條例》；并設(shè)立澄碧河源頭保護區(qū)，注重水源地保護。如此一則加強了流域下墊面的保水能力，二則使以喀斯特巖溶地貌為主的流域源頭地區(qū)得以更好地發(fā)揮涵養(yǎng)徑流的作用。

上述分析證明了植樹造林這一人類活動，是澄碧河流域降雨徑流相關(guān)關(guān)系發(fā)生變化的主要原因，同時也為流域的水土保持、水源涵養(yǎng)、洪災抵御等起到了不可替代的積極作用。

2.3.2 徑流汛期和非汛期變化趨勢差異的原因

根據(jù)凌云縣地質(zhì)資料，澄碧河流域的源頭青龍山地區(qū)主要以喀斯特巖溶地貌為主，該地貌的特點是地下水蘊含量較大，且主要由地表水進行補償。流域中巖溶地區(qū)的面積達400 km2，當降雨來臨時，龐大的地下河網(wǎng)可以儲藏大量降雨，對流域的徑流有著天然的調(diào)節(jié)作用，故汛期的徑流量并未隨著降雨量的增加而呈現(xiàn)出較大的增長趨勢。而在非汛期，降雨雖然顯著增加，但降雨量級沒有明顯的變化。可見，此時的降雨大多都被河源的地下巖溶“庫區(qū)”所儲存，補充巖溶儲藏水，從而造成了盡管非汛期降雨趨勢增加，但同期的徑流量仍顯著減少。

從流域多年統(tǒng)計的降雨空間分布來看：流域西北地區(qū)的高山河源地帶降雨量最大，這與高海拔地區(qū)能促使水蒸氣的凝結(jié)作用有關(guān)；其次是流域中部；而靠近匯合口地區(qū)的降雨量為最少。大部分的降雨都被河源的地下巖溶“庫區(qū)”所儲存，只要降雨量級沒有太大的變化，到達流域出口的徑流量很難會有明顯的增長。

綜上，澄碧河流域汛期和非汛期徑流變化趨勢產(chǎn)生差異主要由流域特有的喀斯特巖溶地貌的保水作用及降雨空間分布的不均勻性造成。

3 結(jié)論

①澄碧河流域的年降雨深、汛期降雨深和非汛期降雨深均呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢，且具有較強的持續(xù)性，其中年降雨深在1986年發(fā)生突變。流域的年徑流深和汛期徑流深呈現(xiàn)出微弱的減少趨勢，具有一定的反持續(xù)性，說明年徑流深和汛期徑流深總體趨勢平穩(wěn)，年徑流深的突變時間為1976年；反之，流域非汛期徑流深顯著減少，且在1990年發(fā)生突變。

②澄碧河流域的降雨徑流關(guān)系在1986年發(fā)生了較大的變化，流域內(nèi)水資源量明顯減少，達到12億m3/a。

③通過對澄碧河流域降雨徑流相關(guān)關(guān)系發(fā)生變化的原因分析，發(fā)現(xiàn)引起這一變化的主要原因為流域境內(nèi)大規(guī)模的植樹造林活動。而流域非汛期徑流量呈現(xiàn)反常的減少趨勢是由流域特有的喀斯特巖溶地貌和空間降雨量分布不均衡共同作用的結(jié)果。

④建議進一步加強流域水環(huán)境的改善工作，在提高森林覆蓋率的基礎(chǔ)上豐富流域的植被品種，在保水的同時改善水質(zhì)。