贛江上游瀲水流域徑流變化特征及其驅(qū)動力分析

黨 偉

（東莞市水利勘測設(shè)計院有限公司江西贛南分公司，江西 南昌 330000）

0 引言

全球氣候變化和人類活動驅(qū)動的土地利用和植被覆被變化（LUCC）是影響流域徑流變化的兩大主要因素[1，2]。氣候變化顯著影響區(qū)域的水循環(huán)過程，導致全球許多地區(qū)極端降水事件頻發(fā)，使得區(qū)域的水資源分布更加不均，增加了旱澇災(zāi)害的發(fā)生[3]。此外劇烈的人類活動，如水利工程的修建以及水土保持工程等都對流域的徑流有重要的影響。通過水利工程攔蓄作用，增加水面面積來增加蒸發(fā)量進而影響流域的徑流量；而水土保持措施則主要通過改變下墊面條件影響流域的產(chǎn)匯流過程來影響流域的徑流量。

前人關(guān)于氣候變化和人類活動對流域徑流量的影響開展了大量的研究。受區(qū)域氣候特征和人類活動程度的共同影響，不同區(qū)域得到的結(jié)果也不盡相同。大多數(shù)在黃土高原的研究結(jié)果表明該區(qū)域流域徑流量主要受人類活動的影響，而受氣候變化的影響較小[4～6]；而在南方紅壤區(qū)的研究結(jié)果表明該區(qū)域流域徑流的變化主要受氣候變化的影響，而受人類活動的影響較小[7，8]。此外，在同一區(qū)域不同的流域尺度下研究結(jié)果也存在一定的差異。在黃土高原地區(qū)，Li等[9]在黑河流域研究結(jié)果表明，流域徑流的變化主要受氣候變化的影響，貢獻率達95.8%；而陳玫君等[5]在北洛河流域的研究結(jié)果表明，流域徑流的變化主要受人類活動的影響，而受氣候變化的影響較小。在南方紅壤區(qū)，劉士余等[10]在彭沖澗小流域的研究結(jié)果表明：雖然降水對流域的徑流影響較大（67.5%），但人類活動的影響也不容忽略（32.5%）；而李琬欣等[11]在西南地區(qū)孫水河的研究結(jié)果表明，流域徑流的變化主要受人類活動的影響，但在不同的階段其影響程度存在一定的差異。因此，在不同的區(qū)域、流域尺度和階段，流域徑流的影響因素可能存在一定的差異。

贛江是鄱陽湖水系最大的支流，流域面積約占鄱陽湖流域面積的51%[12]，贛江徑流變化對鄱陽湖徑流量等水文特性具有重要的影響。近年來針對贛江流域徑流變化及其影響因素進行了大量的研究，但以往的研究主要集中在大中尺度的流域上，而對小尺度流域內(nèi)徑流的研究較少。贛江上游作為該流域乃至江西省水土流失最嚴重的地區(qū)之一，劉惠英和白樺[8]的研究結(jié)果表明贛江上游章水流域的徑流量占整個贛江流域的徑流量的44.6%，因此贛江上游流域徑流變化對贛江流域乃至鄱陽湖流域的生態(tài)環(huán)境具有重要的影響。但其所研究的章水流域上修建了大量的大型蓄水型水庫，大量蓄水型水庫的蓄水作用會顯著減小流域的徑流量，導致研究結(jié)果可能極大的低估水土保持工程措施和植被措施等人類活動對流域徑流的影響。基于此，本文選取贛江上游的典型流域-瀲水流域（贛江一級支流，不受蓄水型水庫的影響）為研究對象，通過對瀲水流域徑流變化特征及其驅(qū)動因素的分析，以期明確贛江上游流域徑流變化規(guī)律及其影響因素，為該地區(qū)流域水土保持效益評價和治理措施的選擇提供重要的理論和實踐依據(jù)。

1 流域簡介

瀲水流域位于江西省贛州市興國縣東北部（115°30'50″～115°52'12″E，26°18'04″～26°36'48″N），面積約為579km2。地貌為低山丘陵地貌，表現(xiàn)為東北高西南低，海拔200～1 200m之間；氣候為中亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均氣溫為18.6℃，多年平均降水量約為1 620mm（1967～2016），且年內(nèi)分配不均，降水主要集中在3～8月，多以暴雨形式出現(xiàn)。流域內(nèi)土壤主要以花崗巖殘坡積物和第四紀近代河流沖積物形成的水稻土和棕紅壤為主；植被以闊葉林（木禾、櫧栲等）、針葉林（馬尾松、杉木等）和果樹（臍橙）為主。由于歷史原因，瀲水流域曾是南方紅壤區(qū)水土流失最為嚴重的地區(qū)之一。20世紀80年代后，隨著“國家水土保持重點建設(shè)工程”和“退耕還林還草工程”等一系列水土保持工程措施的實施，流域內(nèi)嚴重的水土流失現(xiàn)狀得到了明顯的改善。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

瀲水流域控制水文站東村水文站1980～2010年的實測降水和徑流數(shù)據(jù)來源于江西省贛州市水文局。而楊文利等[13]在瀲水流域的研究結(jié)果表明，流域內(nèi)降水雖存在一定的空間變異，但變異較小，流域內(nèi)不同雨量站的月降水數(shù)據(jù)基本一致，相差不大，因此我們認為東村水文站的降水量基本能夠反映整個流域的降水量。

2.2 研究方法

2.2.1 累積距平法

累積距平法主要用于反映水文要素在時間序列上的變化趨勢及突變點，如果累積距平線在時間系列上由增加趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)闇p小趨勢，則可認為轉(zhuǎn)折點即為水文要素的突變點[5]，而劉惠英和白樺[8]采用Pettitt檢驗法得到的水文要素的突變點與累積距平法得到的水文要素的突變點也一致。此外，水文要素在某一時間段內(nèi)的累積距平值的大小也可以反映流域降水量和徑流量的階段性大小。以降水量為例，如果流域降水量累積距平值在某一時間段內(nèi)均大于零，則可認為該時間段內(nèi)流域處于一個豐水期，相反則為枯水期。其具體計算方法參照文獻[14]。

2.2.2 雙累積曲線法

雙累積曲線法主要用于定量分析氣候變化和人類活動對水文要素（降水量和徑流量等）變化的貢獻率。主要是通過在同一時間序列對不同的水文要素進行累加，得到雙累積曲線，通過曲線斜率的改變得到突變點，然后根據(jù)突變點兩側(cè)的斜率來計算氣候變化和人類活動對水文要素變化的貢獻率，具體計算方法見參考文獻[5，8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域降水量、徑流量年內(nèi)分布特征

瀲水流域降水在年內(nèi)的分布呈單峰型，主要集中在3～8月，約占全年降水量的72.43%。其中6月份的多年平均降水量最大為248.0mm，達全年降水量的15.45%；而12月份的多年平均降水量最小為37.0 mm，僅占全年降水量的2.30%（見圖1、表1）。從四季的分布來看，夏季的降水量最大為686.2mm，約占年降水量的42.76%；而冬季的降水量最小為158.6mm，僅占年降水量的9.88%，夏季降水量是冬季的4.3倍。此外夏季降水量的變異系數(shù)（25.76%）遠遠小于冬季降水量的變異系數(shù)（69.22%），這主要是因為南方紅壤區(qū)夏季降雨雨型較為一致，以集中的短時大暴雨為主，而冬季降雨雨型變化較大，大小分布不均。

圖1 瀲水流域1980～2010年降水量和徑流量年內(nèi)分布特征

表1 瀲水流域1980～2010年年降水量統(tǒng)計特征

徑流的年內(nèi)分布與降水的年內(nèi)分布一致，也呈單峰型，主要集中在3～8月，約占全年徑流量的75.93%。其中6月份的多年平均徑流量最大為1.24×108m3，約占全年徑流量的18.92%；而12月份的徑流量最小為0.17×108m3，僅占全年徑流量的 2.55%（見圖 1、表 2）。從四季的分布來看，夏季的徑流量最大為3.15×108m3，約占年徑流量的48.23%；而冬季的降水量最小為0.66×108m3，僅占年降水量的10.14%，夏季徑流量是冬季徑的4.8倍。此外夏季徑流量的變異系數(shù)（36.53%）也遠遠小于冬季徑流量的變異系數(shù)（74.01%），這與降水的季節(jié)分布密切相關(guān)。

表2 瀲水流域1980～2010年年徑流量統(tǒng)計特征

3.2 流域降水量、徑流量年際變化特征

瀲水流域1980～2010年平均降水量為1 604.8mm，變異系數(shù)為17.60%，屬中等程度變異。但不同年際間降水量差異較大，2002年的降水量最大為2 212.0mm，而1986年的降水量最小僅為945.2mm，降水量年際間的極值比為2.34（見表1）。M-K趨勢分析的結(jié)果表明，總體上1980～2010年流域降水量隨時間呈不顯著的波動增加（Z=0.06且＜1.96）趨勢（見圖 3），平均增加量為1.939mm/a（見圖2）。流域1980～2010年平均徑流量為6.53×108m3，變異系數(shù)為31.89%，也表現(xiàn)為中等程度變異。與降水量一致，徑流量在不同年際間差異也較大，最大值出現(xiàn)在2002年為10.52×104m3，最小值出現(xiàn)在1986年為3.07×104m3，極值比為3.43倍。而M-K趨勢分析的結(jié)果表明，徑流量年際間的變化規(guī)律與降水量相反，徑流量隨時間呈不顯著的波動減?。╖=-0.42且＜1.96）的趨勢（見圖3），平均減小量為0.008×104m3/a（見圖 2）。

圖2 瀲水流域1980～2010年降水量和徑流量年際變化特征

圖3 瀲水流域年降水量和年徑流量的M-K趨勢檢驗結(jié)果

雖然整體上流域的降水量呈微弱波動的增加趨勢，但是徑流量呈波動的減小趨勢，這可能是由于“國家水土保持重點建設(shè)工程”和“退耕還林還草工程”等一系列水土保持工程措施實施，如工程措施竹節(jié)水平溝和水平階等的實施有利于增加降水的入滲，進而減小產(chǎn)流量；此外，植被恢復使得流域內(nèi)植被的冠層和枯落物蓋度以及植被群落的生物多樣性等顯著增大，改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤的涵養(yǎng)水源能力，進而減小了地表徑流的產(chǎn)生。

瀲水流域不同年代降水量和徑流量的統(tǒng)計特征值如表3所示。流域平均降水量和徑流量在20世紀90年代（1991～2000年）均表現(xiàn)為最大，分別為1 685.5mm和7.2×108m3；而在 20世紀 80年代（1980～1990年）均最小，分別為1 532.8mm和6.2×108m3，分別減小了9.06%和13.89%。這表明不同的年代間降水量和徑流量也存在一定的差異，主要是因為降水和徑流在時間尺度上存在一定的周期性豐枯交替變化[14]。

表3 瀲水流域不同年代降水量和徑流量的分布特征

3.3 流域降水量、徑流量突變分析

對瀲水流域年降水量和徑流量進行累積距平分析，結(jié)果表明降水量和徑流量均在1984、1991和2002年發(fā)生突變，其中在1980～1984年和1991～2002年這兩個時間段內(nèi)，降水量和徑流量的累積距平線整體呈上升趨勢（見圖4（a）），表明這兩個時間段內(nèi)降水量和徑流量均在增加；而在1985～1990年和2003～2010年這兩個時間段內(nèi)，降水量和徑流量的累積距平線整體上呈下降的趨勢（見圖4（b）），表明這兩個時間段內(nèi)降水量和徑流量均在降低。而瀲水流域降水量和徑流量的累積距平值在1980～1985年和1997～2010年基本大于0（見圖4），表明該時段內(nèi)流域的降水和徑流相對較多；而在1986～1996年的累積距平值小于0（見圖4），表明該時段內(nèi)流域的降水和徑流相對缺乏。以上結(jié)果表明在過去30年，瀲水流域經(jīng)歷了豐水-枯水-豐水的循環(huán)交替過程。

圖4 瀲水流域1980～2010年年降水量和年徑流量累積距平

3.4 流域徑流量變化驅(qū)動力分析

采用雙累積曲線法，通過建立流域年降水量和年徑流量的雙累積曲線，分析流域徑流量變化的驅(qū)動因素及其貢獻率。根據(jù)流域降水量和徑流量累積距平分析的結(jié)果，瀲水流域在1980～2010年的降水量和徑流量均在1984、1991和2002年發(fā)生了突變，因此我們研究區(qū)間劃分為 1980～1984年、1985～1991 年、1992～2002年和2003～2010年4個時間段，各時段內(nèi)累積降水量和徑流量的擬合方程和相關(guān)系數(shù)如圖5所示。流域徑流量的變化主要是由氣候（降水）變化和人類活動引起的，瀲水流域在1983年以前受人類活動（水土保持措施）的影響較少，徑流量的變化主要是由降水量決定；自1983后，該流域被確定為全國八片水土保持重點治理區(qū)和鄱陽湖流域水土保持重點治理區(qū)后，實施了大量的水土保持植被和工程措施，流域徑流量的變化由降水和人類活動共同影響。因此，我們以1980～1984年為基準，來定量不同時段氣候（降水）和人類活動對流域徑流量變化的貢獻率。

圖5 瀲水流域1980～2010年年降水和年徑流雙累積曲線

結(jié)果表明與基準期相比，1985～1991年流域的年徑流量減小了2.32×104m3·a-1，其中降水和人類活動對徑流量減小的貢獻率分別占58.86%和41.14%。而1992～2002年流域年徑流量卻增加了 0.47×104m3·a-1，其中降水和人類活動對徑流量增加的貢獻率分別占70.44%和29.56%。2003～2010年流域的年徑流量減小了1.87×104m3·a-1，降水和人類活動對徑流量減小的貢獻率分別占45.16%和54.84%（見表4）。

表4 瀲水流域降水和人類活動對徑流量變化的貢獻率分析

流域徑流量的變化受自然因素（降水）和人類活動（水土保持措施和水利工程）的共同影響。如前所述，受水土保持措施的影響，雖然流域降水量呈微弱增加的趨勢，而徑流量總體呈減小的趨勢，但在不同階段其主要影響因素也存在一定的差異。以1980～1984年為基準，1985～1991 年的徑流量減小了 2.32×104m3·a-1，其減小主要受降水的影響較大，雖然水土保持措施如谷坊和水平溝等對徑流的削減有一定的效果，但減流效果不明顯。而1992～2002年，徑流的增大主要受降水的影響，且較1985～1991年降水的貢獻進一步增大，而該段時間內(nèi)流域內(nèi)土地利用類型及其所占的比例并沒有發(fā)生較大的變化（見表5）。其原因可能是土壤侵蝕導致谷坊和水平溝等水土保持措施被泥沙淤積，其對徑流的削減作用較小，因此該時期降水的作用較1985～1991年增大。通過查閱相關(guān)資料得出，“國家水土保持重點建設(shè)工程”和“退耕還林還草工程”等重大生態(tài)工程實施以來，興國縣瀲水流域共實施了坡面水系工程35km（控制面積達14.85km2），塘壩和谷坊等蓄水工程927個，竹節(jié)水平溝 3 430.6km[14，15]。此外，2002 年流域上游修建了一個小型的水電站，水電站僅用作發(fā)電，對流域徑流的變化的影響可以忽略不計。2003～2010年降水對徑流的影響較人類活動小，這與土地利用的變化密切相關(guān)。由表5可知，雖然灌木林地和疏林地的面積有所減小，但有林地的面積由29.99%增加到了36.94%，表明植被質(zhì)量有了明顯的改善，使得植被冠層和枯落物層的截留作用以及枯落物層的攔蓄作用明顯改善，增加了土壤的入滲量，延緩了徑流的匯流時間，進而達到了有效防洪減災(zāi)的作用。這結(jié)果與涂安國等[16]在贛江流域的研究結(jié)果相同。

表5 瀲水流域不同時期各土地利用類型所占的比例

總體而言，該流域徑流量的增加或減小的變化規(guī)律與降水量的變化一致，但徑流的變化受降水和人類活動的共同影響，且在不同階段其主要影響因素存在一定的差異。在流域水土流失治理初期（1985～2002年），徑流的變化主要受降水的影響，而治理后期（2002～2010年），由于植被質(zhì)量得到了有效的改善，流域徑流變化受植被的影響越來越大。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)瀲水流域近30年（1980～2010）的逐月、逐年降水和徑流數(shù)據(jù)，采用線性趨勢法、累計距平法和雙累積曲線法系統(tǒng)分析了該流域降水量和徑流量的年內(nèi)、年際分布特征和變化規(guī)律以及氣候變化和人類活動對徑流量變化的影響程度，得到以下主要結(jié)論：

（1）瀲水流域降水量和徑流量年內(nèi)分配呈單峰型，主要集中在3～8月，分別占年降水總量和徑流總量的72.43%和75.93%。

（2）瀲水流域降水量在年際間呈不顯著的增大趨勢，而徑流量呈不顯著的減小趨勢，主要是因為水土流失治理工程的實施使得流域植被質(zhì)量得到了有效的提高，涵養(yǎng)水源能力得到了提升，進而減小了流域的徑流量。

（3）流域徑流量受自然因素（降水）和人類活動（水土保持措施）的共同影響，降水的影響由59.05%下降到45.45%，而人類活動的影響由40.95%增加到了54.55%，表明人類活動對流域徑流的影響越來越大。但本文僅在總體上定量了人類活動對流域徑流變化的貢獻率，對各項人類活動的貢獻率仍不清楚，因此今后應(yīng)進一步定量出各項人類活動對流域徑流變化的貢獻率并得出流域徑流變化的主要影響因素。