代曉穎, 許有鵬, 林芷欣, 王 強(qiáng), 徐 羽, 高 斌

(南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023)

在全球變化的大背景下，我國水安全與水資源供應(yīng)問題越來越突出[1]。流域徑流變化與日益嚴(yán)峻的旱澇災(zāi)害關(guān)系密切，認(rèn)清徑流變化的特征與機(jī)制對(duì)于保證區(qū)域水安全具有重要意義。氣候變化與人類活動(dòng)作為影響地表徑流的兩個(gè)重要因素，受到了國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-4]。氣候變化通過影響降水、蒸散發(fā)等要素，進(jìn)而改變流域的徑流量[5-6]。人類活動(dòng)通過改變土地利用方式、修建水利工程設(shè)施等，對(duì)流域徑流產(chǎn)生直接或間接的影響[7-8]。對(duì)流域徑流變化進(jìn)行定量的歸因分析將有利于正確認(rèn)識(shí)變化環(huán)境下的水文變化特征，并為進(jìn)一步制定區(qū)域洪澇防控政策提供依據(jù)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于分離氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率展開了許多研究，主要包括水文模型模擬分析以及水文統(tǒng)計(jì)分析兩大類[9-12]。通過SWAT等水文模型進(jìn)行貢獻(xiàn)率分析的研究方法對(duì)于研究區(qū)數(shù)據(jù)要求較高，雙累積曲線、降雨—徑流多元線性經(jīng)驗(yàn)方程等水文統(tǒng)計(jì)研究方法賦權(quán)過程存在不確定性。

基于水熱耦合平衡方程的徑流變化歸因分析，以降水、潛在蒸散發(fā)以及下墊面變化為主要分析對(duì)象，從水量平衡與熱量平衡的角度，將三者對(duì)流域徑流變化的貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量分離[13]。相關(guān)學(xué)者運(yùn)用該方法在加拿大、中國等地區(qū)流域的徑流變化歸因分析中已取得較好的研究結(jié)果[14-15]。秦淮河流域位于我國城市化發(fā)展迅速的長江下游三角洲地區(qū)，是江蘇省南京市的母親河，其徑流變化對(duì)南京防洪減災(zāi)、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義?；诖耍疚牟捎没谒疅狁詈掀胶夥匠痰姆椒?，對(duì)秦淮河流域1987—2015年的徑流變化進(jìn)行歸因分析，以期為該流域水資源可持續(xù)利用及洪澇防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

秦淮河流域地處長江下游江蘇省西南部，包括南京市區(qū)的一部分及江寧區(qū)、溧水區(qū)和句容市的大部分。秦淮河有溧水河、句容河兩源，兩源在江寧區(qū)西北村匯合為秦淮河干流，從東水關(guān)流入南京城。秦淮河下游與南京護(hù)城河合一，自東向西橫貫市區(qū)南部至西水關(guān)流出匯入長江。秦淮河干流長約34 km，流域集水面積約2 631 km2。秦淮河流域是一典型山間盆地，沿河兩岸是低洼圩區(qū)，地面高程6～8 m，圩區(qū)后部是丘陵山區(qū)，地面高程300 m以下。秦淮河中下游地區(qū)由于地勢(shì)平坦，平原區(qū)洪澇水相互交織，外江洪水頂托、內(nèi)澇難排，共同導(dǎo)致該平原區(qū)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高、防汛壓力大。隨著近年來城市化進(jìn)程加快，流域中下游的洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)顯著增大，嚴(yán)重威脅人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。

圖1 秦淮河流域位置、地形、水系及站點(diǎn)分布

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選用了秦淮河流域內(nèi)1987—2015年期間的降水?dāng)?shù)據(jù)、徑流數(shù)據(jù)、潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)、下墊面數(shù)據(jù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)人口數(shù)據(jù)。降水?dāng)?shù)據(jù)來源于研究區(qū)內(nèi)22個(gè)雨量站的實(shí)測(cè)資料，通過泰森多邊形法求得面降水量數(shù)據(jù)。徑流數(shù)據(jù)取自水文年鑒中流域出口武定門站、秦淮新河站的日徑流數(shù)據(jù)，潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來源于南京國家氣象站相關(guān)氣象數(shù)據(jù)(平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、平均本站氣壓、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、平均相對(duì)濕度)，通過采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式[16]求得。土地利用數(shù)據(jù)來源于Landsat衛(wèi)星遙感影像解譯結(jié)果，植被覆蓋數(shù)據(jù)采用NDVI指數(shù)表示，選取代表年份植被生長季的Landsat衛(wèi)星遙感影像，在Erdas Imagine 2014軟件中處理計(jì)算所得。江蘇省經(jīng)濟(jì)及人口數(shù)據(jù)來源于2016年《江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 水文氣象分析 采用累積距平法對(duì)徑流深進(jìn)行初步分析[17]，累積距平法可以通過觀察徑流序列差積曲線的變化來判斷數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散程度和變化趨勢(shì)，并找到徑流序列的轉(zhuǎn)變年份。同時(shí)，采取線性趨勢(shì)分析等方法對(duì)各項(xiàng)水文氣象要素變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。

2.2.2 徑流變化歸因分析 Budyko[18]認(rèn)為流域內(nèi)長期年均實(shí)際蒸散發(fā)量可用于描述其多年能量狀況，年均降水量可用于衡量其多年水分狀況，因此二者的比值(E/P)主要由流域內(nèi)長年的水熱耦合平衡所決定，而該比值可由流域內(nèi)長期年均降水量、年均潛在蒸散發(fā)量來表示。該公式后來被相關(guān)學(xué)者不斷發(fā)展為Choudhury-Yang公式[19-21]，表達(dá)式如下：

(1)

式中：E為年平均實(shí)際蒸散發(fā)量；P為年平均降水量；E0為年平均潛在蒸散發(fā)量；n為反映流域下墊面特征的參數(shù)(簡稱下墊面參數(shù))，流域下墊面特征包括地形、土壤和植被等，采用流域多年平均的蒸散發(fā)(E=P-R)，潛在蒸散發(fā)(E0)和降水(P)，由公式(1)可以反算出下墊面參數(shù)n。

公式(1)中P，E0，n是相互獨(dú)立的變量，結(jié)合流域長期平均的水量平衡方程(P=E+R)以及Schaake對(duì)彈性系數(shù)的定義[22]，年徑流深R的變化可以表示為以下全微分形式：

(2)

依據(jù)水熱耦合平衡方程的微分形式，可以求出徑流的降水彈性系數(shù)(εP)、徑流的潛在蒸散發(fā)彈性系數(shù)(εE0)以及徑流的下墊面彈性系數(shù)(εn)，令φ=E0/P，計(jì)算公式如下[23]：

(3)

(4)

(5)

根據(jù)轉(zhuǎn)變年份將研究時(shí)間劃分為兩個(gè)階段，從階段1到階段2年徑流的變化可以用兩個(gè)階段的多年平均徑流深之差(ΔR)來表示。徑流深的變化由氣候變化(ΔRC)及流域下墊面變化(ΔRn)兩方面因素導(dǎo)致，其中氣候變化的影響包括降水變化引起的徑流變化(ΔRP)和潛在蒸散發(fā)變化引起的徑流變化(ΔRE0)兩部分。

根據(jù)徑流的氣候彈性系數(shù)(εP和εE0)和下墊面系數(shù)(εn)，可以分別估算出降水、潛在蒸散發(fā)和下墊面變化引起的徑流變化，公式如下：

(6)

式中：ΔP，ΔE0，Δn分別表示兩個(gè)階段的多年平均降水量、潛在蒸散發(fā)量和下墊面參數(shù)的差值。階段1和階段2的流域下墊面條件，可以分別基于兩個(gè)階段的多年平均P，E0和E由公式(1)反算得到。

由降水、潛在蒸散發(fā)和下墊面(參數(shù)n)變化引起的徑流變化可計(jì)算出三者對(duì)于流域徑流變化的貢獻(xiàn)率，公式如下：

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流深變化趨勢(shì)及轉(zhuǎn)變年份檢驗(yàn)

從年徑流深累積距平變化曲線(圖2A)可以看出，1987—2000年徑流深累積距平總體呈現(xiàn)較為劇烈的波動(dòng)下降趨勢(shì)，2001—2015年距平呈現(xiàn)相對(duì)平穩(wěn)的波動(dòng)上升趨勢(shì)，因此可以判斷流域徑流在2001年左右發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變。根據(jù)轉(zhuǎn)變年份，將研究的時(shí)間序列劃分為兩個(gè)階段，1987—2000年為階段1，2001—2015年為階段2。

如圖2B所示，秦淮河流域年徑流深曲線與其5年滑動(dòng)平均曲線均顯示，流域的年徑流變化并不穩(wěn)定，總體呈上升的趨勢(shì)，并伴隨一定幅度的震蕩，1991年年徑流深最大。在1987—2015年期間，年徑流深以113.82 mm/10 a的速率遞增。與2001年前相比，轉(zhuǎn)變發(fā)生后年均徑流深增加52.21%，可見秦淮河流域的徑流深產(chǎn)生了較為顯著的增加，區(qū)域洪澇安全的潛在威脅日益加劇。

3.2 降水及潛在蒸散發(fā)變化趨勢(shì)分析

氣候變化對(duì)水循環(huán)過程產(chǎn)生直接影響，是改變流域徑流的主要因素之一。一般來說，徑流量隨著降水量的增加而增加，隨著蒸發(fā)量的增加而減少。由圖3A可知，秦淮河流域降水量在1987—1996年波動(dòng)幅度明顯，在1997—2015年波動(dòng)較為平穩(wěn)，而線性趨勢(shì)分析顯示其多年間變化并不明顯。年降水量在1991年達(dá)到峰值，與徑流深峰值相對(duì)應(yīng)。1987—2000年降水呈減少趨勢(shì)，與累積距平的變化特征相一致。潛在蒸散發(fā)變化曲線及其5年滑動(dòng)平均曲線顯示(圖3B)，潛在蒸散發(fā)在1987—2005年變化幅度較小，較為平穩(wěn)，而2006年后增加幅度顯著。在1987—2015年期間，潛在蒸散發(fā)總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。與2001年前相比，轉(zhuǎn)變發(fā)生后年均降水增加2.42%，潛在蒸散發(fā)增加6.24%。

3.3 徑流變化的歸因結(jié)果

根據(jù)計(jì)算，1987—2015年秦淮河流域降水、潛在蒸散發(fā)以及下墊面的彈性系數(shù)見表1。當(dāng)年降水量增加1%時(shí)，秦淮河流域的年徑流深增加幅度為0.69%；當(dāng)年潛在蒸散發(fā)量增加1%時(shí)，流域的年徑流深將減小0.92%；當(dāng)流域下墊面參數(shù)增加1%時(shí)，流域年徑流深將減小0.64%。可見在秦淮河流域，徑流變化對(duì)于潛在蒸散發(fā)最為敏感，對(duì)降水敏感度其次，下墊面最低。

圖2 秦淮河流域徑流深累積距平及年際變化

圖3 秦淮河流域降雨及潛在蒸散發(fā)年際變化

表1 秦淮河流域降水、潛在蒸散發(fā)、下墊面彈性系數(shù)及其對(duì)徑流變化貢獻(xiàn)率

由表1可知，降水減少、潛在蒸散發(fā)增大以及下墊面變化對(duì)徑流增加的貢獻(xiàn)率分別為4.0%，-13.6%，115.5%。盡管秦淮河流域徑流對(duì)降水及潛在蒸散發(fā)變化更為敏感，但較之2001年前，轉(zhuǎn)變發(fā)生后時(shí)段內(nèi)二者的變化幅度較小，根據(jù)計(jì)算公式(6)，由降水及潛在蒸散發(fā)變化引起的徑流減少量較少，因此氣候變化總體對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率較低。而2001年后下墊面參數(shù)n變化幅度達(dá)-49.77%，其對(duì)流域徑流變化貢獻(xiàn)率高達(dá)115.5%?？傮w而言，氣候變化與下墊面變化對(duì)于徑流減少的貢獻(xiàn)率分別為-9.6%，115.5%，下墊面變化對(duì)徑流變化的影響大于氣候變化，這與Bian等[24]的研究結(jié)果一致。

4 討 論

4.1 氣候變化對(duì)徑流變化的影響

1987—2015年期間秦淮河流域降水與徑流年際變化基本呈現(xiàn)相同的規(guī)律，流域徑流對(duì)于降水響應(yīng)較好。研究區(qū)徑流發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變后，年均降水增加28.09 mm，增加幅度較小，對(duì)于流域徑流增加影響為正。潛在蒸散發(fā)由氣溫、日照、相對(duì)濕度等多個(gè)氣象要素所決定，反映流域綜合的氣候特征。2001年后流域內(nèi)年均潛在蒸散發(fā)量增加60.85 mm，變化幅度較為明顯，對(duì)于徑流增加產(chǎn)生反向影響。

秦淮河流域與太湖流域在近30年間的降水量與徑流量變化基本一致，呈一定程度的上升[25]。流域降水變化直接影響徑流，因此降水與徑流年際變化往往呈現(xiàn)一致的變化特征，流域徑流對(duì)降水變化較為敏感[26]。盡管目前有“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象的存在，但許多研究認(rèn)為流域內(nèi)潛在蒸散發(fā)的增加具有減流的作用[27-28]，使得其對(duì)流域徑流增加的貢獻(xiàn)率為負(fù)。1987—2015年秦淮河流域徑流變化對(duì)氣候變化更為敏感，但其本身變化幅度較小，因此總體對(duì)徑流變化的影響并不大，在太湖上游西苕溪流域[29]的相關(guān)研究中有類似結(jié)論。

4.2 下墊面變化對(duì)徑流變化的影響

通常認(rèn)為流域下墊面條件中的地形、地質(zhì)和土壤條件相對(duì)穩(wěn)定，因此下墊面參數(shù)n的變化主要由土地利用變化/植被覆蓋變化導(dǎo)致。一般認(rèn)為n值的增加是由流域內(nèi)植被覆蓋的提高導(dǎo)致的[30]，秦淮河流域n值在2001年后下降了49.77%，可以認(rèn)為這主要是因?yàn)榱饔騼?nèi)植被覆蓋降低。秦淮河流域所處的江蘇省南京市以及句容市，位于中國東部城市化高速發(fā)展地區(qū)。江蘇省2015年國民經(jīng)濟(jì)占全國的10.4%，是我國第二大經(jīng)濟(jì)強(qiáng)省，全省城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝?6.4%，城市化率較高。近年來伴隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，區(qū)域內(nèi)下墊面變化顯著。

南京市近30年來，建成區(qū)面積擴(kuò)大了6倍多，2000年之后各時(shí)段耕地和城市建設(shè)用地年均總變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2000年之前[31]，這與本文所判斷的徑流轉(zhuǎn)變年份相接近。如圖4所示，1987—2013年期間，流域內(nèi)建設(shè)用地面積增幅較大，增加了345.88%；耕地面積持續(xù)下降，降幅為14.94%。流域內(nèi)林地面積經(jīng)歷先增多后減小過程，總體呈下降趨勢(shì)，水域與裸地面積所占比重一直較小。流域內(nèi)自然下墊面被不透水面取代，使得降水后流域地表自然的截留、入滲、填洼等功能減弱，從而導(dǎo)致地表徑流量增大，匯流時(shí)間縮短，洪水發(fā)生頻率增多，洪澇風(fēng)險(xiǎn)增大[32-33]。

植被的冠層、根系以及其枯枝落葉能通過截留、增大土壤蓄滲能力、減緩坡面漫流等而起到減少徑流的作用。良好的植被覆蓋度將有利于減少流域的產(chǎn)流量[34]，從而降低流域的洪澇風(fēng)險(xiǎn)。由圖5可知，伴隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，建設(shè)用地規(guī)模的不斷擴(kuò)張，秦淮河流域植被覆蓋度在近30年來明顯降低，尤其是流域下游地區(qū)，處于南京市市轄區(qū)，下墊面變化顯著。秦淮河流域內(nèi)植被對(duì)于徑流的調(diào)節(jié)功能降低，使得其徑流增加，從而導(dǎo)致洪澇風(fēng)險(xiǎn)的加劇。

圖4 秦淮河流域土地利用類型變化

圖5 秦淮河流域植被覆蓋變化

5 結(jié) 論

(1) 1987—2015年流域年徑流總體呈上升的趨勢(shì)，并伴隨一定幅度的震蕩。徑流深在2001年左右發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，以此將時(shí)間序列劃分為兩個(gè)階段，2001年后，流域年均徑流深增加約52.21%。秦淮河流域的徑流深產(chǎn)生了較為顯著的增加，對(duì)于區(qū)域洪澇安全的威脅日益加劇。

(2) 年降水量多年間變化趨勢(shì)并不明顯，年潛在蒸散發(fā)量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。與轉(zhuǎn)變發(fā)生前相比，2001年后年平均降水增加2.42%，潛在蒸散發(fā)增加6.24%，下墊面參數(shù)減小49.77%?？傮w上，1987—2015年秦淮河流域氣候變化幅度小于下墊面變化幅度。

(3) 徑流深對(duì)于降水、潛在蒸散發(fā)以及下墊面的彈性系數(shù)分別為0.69，-0.92，-0.64，徑流變化對(duì)于氣候變化更加敏感。氣候變化與下墊面變化對(duì)徑流深增加的貢獻(xiàn)率分別為-9.6%，115.5%，城市化等人類活動(dòng)導(dǎo)致的下墊面變化為影響徑流變化的主要因素。建議城市發(fā)展采取低影響開發(fā)模式。

基于水熱耦合平衡方程的徑流歸因方法，僅考慮了降水、潛在蒸散發(fā)以及下墊面變化這3個(gè)主要因素對(duì)流域徑流量的變化，而實(shí)際中還存在其他影響較小的因素，包括流域內(nèi)人民生活取用水的變化等。因此，三者的貢獻(xiàn)率之和并不等于100%，在海河流域的徑流變化分析中也有類似結(jié)論[22]。對(duì)于其他因素對(duì)流域徑流變化的影響，在今后的研究中還有待進(jìn)一步分析。