趙娜娜 王賀年 于一雷 徐衛(wèi)剛

摘要：變化環(huán)境下的水文循環(huán)研究是當(dāng)今水科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，研究流域水文過(guò)程變化的響應(yīng)機(jī)制，對(duì)未來(lái)流域水資源規(guī)劃及管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。以若爾蓋流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，基于Budyko假設(shè)理論，應(yīng)用敏感性分析方法，對(duì)若爾蓋流域徑流變化進(jìn)行歸因分析，結(jié)果表明：若爾蓋流域徑流對(duì)降水、潛在蒸散發(fā)和流域特征參數(shù)的敏感性系數(shù)分別為0.645 1、-0.234 7和-182.205 0，即若爾蓋流域降水每增加1 mm將導(dǎo)致流域徑流增加0.645 1 mm，潛在蒸散發(fā)每增加1 mm將導(dǎo)致流域徑流減少0.234 7 mm，流域特征參數(shù)每增加1將導(dǎo)致流域徑流減少182.205 0 mm;若爾蓋流域逐年徑流呈明顯的下降趨勢(shì)，與基準(zhǔn)期（1960-1990年）相比，變化期（1991-2011年）徑流量減少了56.23 mm（20.48%），其主要影響因素為流域下墊面特征的變化，其貢獻(xiàn)率可達(dá)93.46%，而氣候變化的影響僅占5.57%。

關(guān)鍵詞：若爾蓋流域;徑流;氣候變化;流域特征參數(shù);歸因分析

中圖分類號(hào)：P467文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：趙娜娜

The attribution analysis of streamflow changes in the Zoige basin based on the Budyko hypothesis

ZHAO Nana1，2，3，WANG Henian1，2，YU Yilei1，2，XU Weigang1，2

（1.Institute of Wetland Research，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China;2.Beijing Key Laboratory of Wetland Services and Restoration，Beijing 100091，China;3.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：The hydrologic cycle research under changing environment is one of the hot topics in water science study.The study on the response mechanism to hydrological process changes is of great practical significance to future water resources planning and management.In this study，based on the Budyko hypothesis，we conducted attribution analysis of the streamflow changes in the Zoige basin by sensitivity analysis，and the results showed that：the sensitivity coefficients of streamflow to precipitation，potential evapotranspiration，and catchment characteristic parameter were 0.654 1，-0.234 7，and -182.205 0，respectively，which means that every 1 mm increase in precipitation would induce a 0.654 1 mm increase in streamflow;every 1 mm increase in potential evapotranspiration would induce a 0.234 7 mm decrease in streamflow;every increase of 1 in the catchment characteristic parameter would induce a 182.205 0 mm decrease in streamflow.The streamflow of the Zoige basin showed a significantly decreasing trend.Compared with the reference period （1960-1990），the streamflow of the change period （1991-2011） decreased by 56.23 mm （20.48%）.The main influence factor was the change of underlying surface characteristics，whose contribution rate reached 93.46%.The climate change only contributed 5..57%.

Key words：the Zoige basin;streamflow;climate change;catchment characteristic parameter;attribution analysis

全球變化環(huán)境下的水文循環(huán)研究是當(dāng)今流域水文學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[1-2]，近50年來(lái)，中國(guó)各大流域的河川徑流量均呈明顯的下降現(xiàn)象，這已引起管理部門和公眾的廣泛關(guān)注，研究流域徑流變化的響應(yīng)機(jī)制，對(duì)流域水資源規(guī)劃及管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近些年來(lái)，各國(guó)學(xué)者在流域徑流變化歸因分析等方面進(jìn)行了大量研究[3-7]，大多數(shù)研究均采用分布式水文模型的方法，但是需要在模型校準(zhǔn)和參數(shù)率定上耗費(fèi)大量的精力[8-9]。Budyko假設(shè)理論的敏感性分析是近年來(lái)興起的研究氣候變化影響流域徑流的一個(gè)新的視角[10]，為探索流域徑流演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供了更簡(jiǎn)便的途徑。

若爾蓋高原濕地是青藏高原濕地的典型代表，是氣候變化的敏感區(qū)和脆弱區(qū)，也是世界上海拔最高、面積最大的高原泥炭沼澤的主要分布區(qū)之一;同時(shí)其作為黃河源區(qū)的重要生態(tài)系統(tǒng)，也是黃河上游流域水安全和生態(tài)安全的重要屏障，流域濕地水文情勢(shì)演變及其對(duì)生態(tài)環(huán)境變化和響應(yīng)備受關(guān)注。近幾十年來(lái)，由于人類活動(dòng)干擾、全球氣候變暖等因素的共同影響，若爾蓋濕地面積在不斷減少，僅1975年到2001年的26年間，沼澤濕地、湖泊濕地、河流濕地分別萎縮了20.2%、34.48%、48.03%，而沙化地卻增長(zhǎng)了351.81%，濕地生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，對(duì)黃河上游源區(qū)的水源涵養(yǎng)、區(qū)域生態(tài)平衡、濕地資源保護(hù)和可持續(xù)利用構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。

本研究以若爾蓋流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，基于Budyko假設(shè)理論，應(yīng)用敏感性分析方法研究氣候變化與流域下墊面特征變化對(duì)流域徑流變化的影響，明確各自的影響量和貢獻(xiàn)率，旨在為若爾蓋流域水資源管理提供參考。

1研究區(qū)概況

若爾蓋流域位于川西高原北端的阿壩藏族羌族自治州境內(nèi)（101°37′-103°25′E，32°10′-34°06′N），跨阿壩、紅原和若爾蓋3個(gè)縣。流域地處青藏高原東緣，屬大陸性高原寒溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，雨熱同期，干濕季節(jié)分明。流域海拔3 400 mm以上，地勢(shì)西南高東北低，河溝縱橫，湖泊、沼澤、草甸遍布，主要河流為黑河、白河等，主要土壤類型為棕壤、草甸土、沼澤土等。由于若爾蓋濕地沒(méi)有設(shè)置入流水文站點(diǎn)，缺少入流水文資料，本研究以黃河上游吉邁水文站作為流入濕地的徑流控制點(diǎn)，以瑪曲站作為流出濕地的徑流控制點(diǎn)，對(duì)吉邁水文站和瑪曲水文站之間的集水流域（簡(jiǎn)稱“吉邁—瑪曲流域”，面積為38 122 km.2，以下簡(jiǎn)稱“若爾蓋流域”）作為研究區(qū)域，對(duì)流域1960-2011年的徑流變化進(jìn)行分析，將位于流域東部的黑河、白河以及瑪曲流域組成的若爾蓋沼澤濕地（以下簡(jiǎn)稱“若爾蓋濕地”）作為重點(diǎn)研究區(qū)域（圖1）。

2研究方法

2.1Budyko假設(shè)理論

Budyko（1974）[11]認(rèn)為流域多年平均蒸散發(fā)是由大氣對(duì)陸面的水分供給（降水）和蒸發(fā)能力（凈輻射或潛在蒸散發(fā)量）決定的，蒸散發(fā)量是兩者之間的函數(shù)，其可簡(jiǎn)單的表達(dá)為：

式中：E為流域?qū)嶋H蒸散發(fā)量（mm）;P為降水量（mm）;E0為流域潛在蒸散發(fā)量。

我國(guó)氣候?qū)W家傅抱璞教授（1981）[12]根據(jù)流域水文氣象的物理意義提出了一組Budyko假設(shè)的微分形式，通過(guò)量綱分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出了Budyko假設(shè)的解析表達(dá)式：

式中：ω為流域下墊面特征參數(shù)，能夠反映流域下墊面狀況，與流域土地利用、植被、土壤等相關(guān)[13-15]。

由此，Budyko假設(shè)理論可發(fā)展為考慮流域特征的一個(gè)綜合表達(dá)式：

2.2流域徑流影響因素的敏感性分析

參考彈性系數(shù)概念[16]，本研究提出一個(gè)相似的參數(shù)為敏感性系數(shù)，能夠反映每單位因變量參數(shù)（X）變化引起的流域徑流變化量（?Q/?X）。

基于長(zhǎng)時(shí)間序列的水量平衡公式P=E+Q，式（2）可以推導(dǎo)為徑流Q的模擬公式：

Q=[P.ω+E ..ω0].1/ω-E0[JY]（4）

基于式（4），應(yīng)用微積分求偏導(dǎo)，可得流域徑流（Q）對(duì)氣候變化要素（P，E0）的敏感性系數(shù)：

其中，ω應(yīng)用最小二乘法求解而得。

2.3數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選取位于若爾蓋流域及其周邊區(qū)域的10個(gè)氣象站點(diǎn)（見(jiàn)圖1、表1）1960-2011年逐日氣象數(shù)據(jù)（國(guó)家氣象信息中心http：//www.nmic.gov.cn/提供），主要包括蒸發(fā)皿蒸發(fā)量（Φ20）、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、降水量和平均風(fēng)速等。選擇吉邁和瑪曲水文站1960-2011年的月徑流數(shù)據(jù)用于徑流分析，氣象站和水文站的基本信息見(jiàn)表1。

3結(jié)果分析

3.1若爾蓋流域徑流演變特征

Mann-Kendall檢驗(yàn)是水文學(xué)中普遍應(yīng)用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，其能夠定量地計(jì)算出時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，適用于水文、氣象等一系列非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，本研究對(duì)若爾蓋流域1960-2011年間逐年徑流量進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值Z為-2.83，其絕對(duì)值|Z|>2.58，表明研究區(qū)逐年徑流量表現(xiàn)為明顯的下降趨勢(shì)，且在0.01水平上顯著。另一方面，對(duì)若爾蓋流域逐年徑流量進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)，結(jié)果（圖2）表明，研究區(qū)的年徑流量Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量UF值和UB值均超過(guò)了置信水平0.05相應(yīng)的臨界值（Y=1.96和Y=-1.96），UF曲線和UB曲線在1991年出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且交點(diǎn)位于兩臨界線之間，這說(shuō)明研究區(qū)徑流變化過(guò)程中在1991年發(fā)生突變。

基于Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果，若爾蓋流域逐年徑流的可能的突變點(diǎn)在1991年，由此將研究時(shí)段劃分為基準(zhǔn)期（1960-1990年）和變化期（1991-2011年）。對(duì)比兩個(gè)研究時(shí)段內(nèi)的流域多年平均徑流量，結(jié)果（圖3）表明，若爾蓋流域基準(zhǔn)期多年平均徑流量為274.57 mm，變化期多年平均徑流量為218.34 mm，結(jié)果表明，與基準(zhǔn)期相比，變化期徑流量減少了56.23 mm（20.48%）。

3.2基于Budyko假設(shè)的流域徑流對(duì)氣候因子及流域下墊面特征參數(shù)的敏感性

基于若爾蓋流域1960-2011年逐年數(shù)據(jù)，得到研究區(qū)多年平均徑流量（Q=251.86 mm）、多年平均降水量（P=687.45 mm）和多年平均潛在蒸散發(fā)量（E0=816.36 mm），代入式（4）同時(shí)應(yīng)用最小二乘法，求得研究區(qū)流域特征參數(shù)值ω為1.9947。

基于式（5）、式（6）、式（7），求得若爾蓋流域徑流對(duì)降水的敏感性系數(shù)?Q/?P=0.6451，流域徑流對(duì)潛在蒸散發(fā)的敏感性系數(shù)?Q/?E0=-0.2347，流域徑流對(duì)流域特征參數(shù)的敏感性?Q/?ω=-182.2050。這分別表示了，若爾蓋流域降水每增加1 mm將導(dǎo)致流域徑流增加0.6451 mm，潛在蒸散發(fā)每增加1 mm將導(dǎo)致流域徑流減少0.2347 mm，流域特征參數(shù)每增加1將導(dǎo)致流域徑流減少182.2050 mm。

3.3若爾蓋流域徑流變化歸因分析

基于若爾蓋流域基準(zhǔn)期（1960-1990年）逐年數(shù)據(jù)，得到該研究時(shí)段多年平均徑流量（274.57 mm）、多年平均降水量（683.96 mm）和多年平均潛在蒸散發(fā)量（813.73 mm），代入公式（4）同時(shí)應(yīng)用最小二乘法，求得研究區(qū)基準(zhǔn)期的流域特征參數(shù)值ω為1.8746;同理，基于變化期（1991-2011年）的多年平均徑流量（218.34 mm）、多年平均降水量（692.60 mm）和多年平均潛在蒸散發(fā)量（822.14 mm），求得研究區(qū)變化期的流域特征參數(shù)值為2.2064。兩個(gè)研究時(shí)段徑流、氣象及流域特征參數(shù)變化見(jiàn)表2。

基于若爾蓋流域徑流對(duì)氣候因子（P、E0）的敏感性系數(shù)及氣候變化量（ΔP、ΔE0），計(jì)算可得氣候變化對(duì)流域徑流的影響量為：

ΔQclimate=?Q/?P·ΔP+?Q/?E0·ΔE0=5.57+（-3.85）=3.60（mm）

基于若爾蓋流域徑流對(duì)流域特征參數(shù)值（ω）的敏感性系數(shù)及流域特征參數(shù)值變化量（Δω），計(jì)算可得流域特征變化對(duì)流域徑流的影響量為：

ΔQcatchment=?Q/?ω·Δω=-60.46（mm）

由此可得若爾蓋流域徑流變化歸因結(jié)果見(jiàn)表3，結(jié)果表明，在研究時(shí)段1960-2011年間若爾蓋流域徑流變化的主要原因是流域特征的變化，導(dǎo)致流域徑流減少60.46 mm，貢獻(xiàn)率可達(dá)93.46%，而氣候變化的影響僅占5.57%。

4討論

4.1基于雙累積曲線的結(jié)果驗(yàn)證

雙累積曲線方法是水文氣象要素一致性或長(zhǎng)期演變趨勢(shì)分析中最簡(jiǎn)單、最直觀、最廣泛的方法。其基本假設(shè)為降水在有限的時(shí)段內(nèi)其變化時(shí)自然變化的，流域下墊面變化對(duì)降水的影響是微弱的，而累積徑流量受下墊面及降水量共同作用，因此，通過(guò)雙累計(jì)曲線可以分辨流域下墊面變化對(duì)流域徑流的影響。

圖4為若爾蓋流域年降水量與徑流量的雙累積曲線圖，結(jié)果表明，1960-1990年間降水累積量與徑流累積量間有明顯的線性關(guān)系，其擬合直線的斜率在1991年發(fā)生明顯的變化，這也符合本研究中對(duì)研究時(shí)段的劃分，同時(shí)表明，下墊面變化在該時(shí)段開(kāi)始對(duì)流域徑流有明顯的影響，其偏離點(diǎn)與原擬合直線的延長(zhǎng)線的距離表示了下墊面變化的影響量。

從圖中可以看出，基準(zhǔn)期累積徑流量∑Q=0.4033∑P-31.071，方程決定系數(shù)R.2為0.9907，觀測(cè)年數(shù)N為52年，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)達(dá)到了0.001置信水平。將變化期的累計(jì)降水量帶入擬合方程中，得到模擬累計(jì)徑流量，并反推變化期模擬逐年徑流量Q′，圖5反映了變化期逐年實(shí)測(cè)徑流量與模擬徑流量的對(duì)比，結(jié)果表明，變化期（1991-2011）實(shí)測(cè)年平均徑流量為218.34 mm，模擬年平均徑流量為279.12 mm，由此可知，下墊面導(dǎo)致的徑流變化量ΔQcatchment為60.78 mm。

4.2敏感性分析方法

相比其他研究方法，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始采用氣候敏感性分析方法來(lái)研究氣候變化對(duì)流域徑流的影響[17]。敏感性分析方法為探索流域徑流演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供了更簡(jiǎn)便的途徑[18]，也提供了一個(gè)新的視角。而大多數(shù)敏感性分析研究都是基于理論模型，其中應(yīng)用最為廣泛的理論模型是多年水熱耦合平衡方程。Budyko假設(shè)是水熱平衡的典型代表，也是流域水文過(guò)程研究中應(yīng)用最為廣泛的理論基礎(chǔ)之一[19-20]。而我國(guó)學(xué)者也分別在濕潤(rùn)區(qū)[21]與非濕潤(rùn)區(qū)[22-23]進(jìn)行了應(yīng)用，對(duì)其在我國(guó)的適用性進(jìn)行了分析。本研究基于Budyko假設(shè)理論的敏感性分析方法，同時(shí)應(yīng)用常用的雙累積曲線對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明敏感性分析方法的結(jié)果是可信的。

5結(jié)論

本研究以若爾蓋流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，基于Budyko理論，分別對(duì)研究區(qū)徑流年際變化過(guò)程中氣候變化和下墊面變化的影響進(jìn)行分析，研究結(jié)論如下。

（1）若爾蓋流域逐年徑流呈明顯的下降趨勢(shì)，基于突變點(diǎn)1991年，將研究時(shí)段劃分為基準(zhǔn)期（1960-1990年）和變化期（1991-2011年），與基準(zhǔn)期相比，變化期徑流量減少了56.23 mm（20.48%）。

（2）若爾蓋流域徑流對(duì)降水、潛在蒸散發(fā)和流域特征參數(shù)的敏感性系數(shù)分別為0.6451、-0.2347和-182.2050，表明，若爾蓋流域降水每增加1 mm將導(dǎo)致流域徑流增加0.6451 mm，潛在蒸散發(fā)每增加1 mm將導(dǎo)致流域徑流減少0.2347 mm，流域特征參數(shù)每增加1將導(dǎo)致流域徑流減少182.2050 mm。

（3）在研究時(shí)段1960-2011年間，若爾蓋流域徑流變化的主要影響因素是流域下墊面特征的變化，其貢獻(xiàn)率可達(dá)93.46%，而氣候變化的影響僅占5.57%。

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