臧榮強(qiáng), 胡國(guó)華, 顧慶福, 邵全喜, 盛 豐, 周 慧

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長(zhǎng)沙 410114;3.湖南省水文水資源勘測(cè)局, 湖南 長(zhǎng)沙 410007; 4.澳大利亞國(guó)家數(shù)據(jù)研究所, 澳大利亞 佛意特 WA6014)

19世紀(jì)80年代以來，隨著溫室效應(yīng)影響，全球氣候環(huán)境波動(dòng)，氣溫持續(xù)升高，中國(guó)極端天氣發(fā)生的頻率升高。河川徑流量等水文要素也隨之受到了極大地影響，同時(shí)也影響著我國(guó)社會(huì)和諧穩(wěn)定以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程。人類活動(dòng)及氣候突變兩方面都對(duì)流域水循環(huán)徑流過程演變?cè)斐闪瞬煌潭鹊挠绊?，河川徑流的變化直接影響著水文系統(tǒng)的演變，也對(duì)整個(gè)流域水循環(huán)和水安全產(chǎn)生巨大的影響[1-5]。近年來，有學(xué)者對(duì)不同流域徑流變化的各類影響因素作了大量的研究，逐漸開始定量研究人類活動(dòng)和氣候變化等不同因素對(duì)徑流變化影響的貢獻(xiàn)率[6-8]。羅平玖[9]，王順強(qiáng)[10]，吳作平[11]等學(xué)者對(duì)沅水流域的徑流演變規(guī)律進(jìn)行了研究，探討了沅水中上游流域徑流的豐枯演變規(guī)律，對(duì)流域三個(gè)干流水文站徑流時(shí)序趨勢(shì)進(jìn)行了分析，提出了搜尋徑流系列近似周期及徑流周期檢驗(yàn)方法，并分析了沅水流域近年來徑流資料的周期規(guī)律；劉培亮[12]等根據(jù)湖南“湘資沅澧”4水的流域控制站近24 a實(shí)測(cè)的月徑流量數(shù)據(jù)，運(yùn)用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法和絕對(duì)變化幅度和相對(duì)變化幅度等方法，分別對(duì)四水流域汛期徑流量的年際變化趨勢(shì)及特征和年內(nèi)分配情況進(jìn)行了分析，將汛期內(nèi)徑流量分配指標(biāo)與湖南省水旱災(zāi)害現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行了關(guān)聯(lián)度的分析。本文運(yùn)用雙累積曲線分析法，以沅水流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，定量分析了降水和人類活動(dòng)對(duì)流域徑流變化的貢獻(xiàn)率，希望為沅水流域水資源開發(fā)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

沅水是湖南省入洞庭湖的第二大河流，存在南北兩個(gè)發(fā)源地，發(fā)源于貴州云霧山的龍頭江與啟自麻江縣源頭的河流匯合成為清水江，流入湖南境內(nèi)的芷江，芷江與渠水匯合后被稱為沅水；沅水有辰水、舞水、溆水和酉水等眾多支流，流經(jīng)貴州和湖南的21個(gè)縣市后最終流入洞庭湖。沅水河長(zhǎng)1 033 km，其中在湖南境內(nèi)568 km，流域面積8.92×104km2，其中在湖南境內(nèi)5.11×104km2。沅水流域?yàn)樵瀑F高原到洞庭湖平原的過度區(qū)域，上中游地區(qū)原為高原，后來受到流水、風(fēng)力等外力長(zhǎng)期侵蝕分割而形成侵蝕山。下游地區(qū)多為低矮丘陵區(qū)、沖積平原區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究對(duì)象為沅水干流桃源水文站以上流域，水文數(shù)據(jù)收集了1959—2014年沅水干流上3個(gè)水文站的實(shí)測(cè)徑流資料以及沅水流域及其附近23個(gè)雨量站的實(shí)測(cè)降水資料(表1)，對(duì)于部分難以收集的資料，本研究將采用序列插補(bǔ)法進(jìn)行完善。3個(gè)水文站中安江站位于干流中游偏上，浦市站位于干流中游偏下，桃源站則為流域的出口控制站。長(zhǎng)時(shí)間序列徑流量數(shù)據(jù)和降雨量數(shù)據(jù)來源于湖南省水文水資源勘測(cè)局及中國(guó)氣象局。

表1 沅水流域部分雨量及氣象站地理位置及其數(shù)據(jù)時(shí)段

2 研究方法

本研究采用累計(jì)距平法等對(duì)沅水流域的徑流、降水等序列的趨勢(shì)進(jìn)行分析，再結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)對(duì)沅水流域水文要素的序列突變情況進(jìn)行探討；根據(jù)水文序列的突變點(diǎn)，結(jié)合雙累積曲線法來分離降水和人類活動(dòng)要素對(duì)徑流的影響[13-17]。

2.1 滑動(dòng)t檢驗(yàn)

對(duì)已知的樣本序列X1,X2,…,Xn，選定其中1 a，分別取其前后相鄰的連續(xù)n1和n2年的樣本值計(jì)算統(tǒng)計(jì)量T值。

2.2 雙累積曲線法

雙累積曲線[18]方法是水文領(lǐng)域目前在水文氣象要素的一致性分析中最為常用的方法[15-17]，同時(shí)它能夠分析水文氣象要素的演變趨勢(shì)及其規(guī)律；其方法是以同期的降水和徑流連續(xù)累積值作為坐標(biāo)系的兩軸，當(dāng)水文序列發(fā)生突變，在突變點(diǎn)前后的曲線會(huì)發(fā)生較明顯的斜率變化。在基準(zhǔn)期中，累積徑流深(∑R)與累積降水量(∑P)存在以下關(guān)系：

∑R=k∑P=b

(1)

兩變量之間為線性關(guān)系。式中：k，b為參數(shù)。

將變異期的累積降水量作為變量∑P，可以計(jì)算得出該關(guān)系式模擬出的變異期累積徑流深∑R，在變異期與基準(zhǔn)期有相似的下墊面時(shí)，可以忽略模擬徑流深∑R值的人類活動(dòng)影響，模擬和實(shí)測(cè)徑流深的差值則為徑流受降水和人類活動(dòng)影響產(chǎn)生的變化量：

ΔQ人=R2實(shí)測(cè)-R2計(jì)算

(2)

ΔQ氣=R2計(jì)算-R1實(shí)測(cè)

(3)

為了分離氣候變化和人類活動(dòng)的影響，將不同因素對(duì)徑流改變的數(shù)值用貢獻(xiàn)率百分比代替，采用以下公式：

(4)

式中：Ci——人類活動(dòng)或降水對(duì)徑流演變的貢獻(xiàn)率(%)；R階段差——基準(zhǔn)期和變異期實(shí)測(cè)徑流深的差值(mm)。

3 結(jié)果與分析

3.1 沅水干流徑流量年際趨勢(shì)分析及突變點(diǎn)確定

沅水干流3個(gè)水文站安江、浦市和桃源的年際徑流變化過程如圖1，運(yùn)用線性回歸法分析安江、浦市和桃源3個(gè)水文站年徑流量可知：桃源站的年徑流量在波動(dòng)中呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，下降的速率為21.5×106m3/a；浦市站和安江站的年徑流量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，上升速率為36.8×106m3/a和0.84×106m3/a。

圖1 沅水干流各水文站徑流量年際變化和總體趨勢(shì)

由沅水干流標(biāo)準(zhǔn)化的年徑流量累積距平曲線(圖2)可知，浦市、安江以及桃源3個(gè)水文站的徑流量在1989年到2004年均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，在2004年到2014年均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。運(yùn)用滑動(dòng)t檢驗(yàn)對(duì)累積距平圖極值處的年份進(jìn)行突變分析，得到結(jié)果：安江站在1989年和2004年徑流突變檢驗(yàn)為顯著，其他年份突變檢驗(yàn)不顯著；同理，對(duì)桃源及浦市站累積距平極值的年份進(jìn)行滑動(dòng)t檢驗(yàn)得出：浦市和桃源站的徑流值均在1989年和2004年有顯著的突變，詳見表2，以發(fā)生突變的年份作為本研究水文序列的分界點(diǎn)，選取1959—1988年作為本流域徑流趨勢(shì)分析的基準(zhǔn)期，將1989—2003年作為變異期Ⅰ，2004—2014年作為變異期Ⅱ，各時(shí)期干流水文站的徑流特征值見表3。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化的年徑流量累積距平曲線表2 沅水干流各水文站年際徑流的滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果

年份站點(diǎn)t檢驗(yàn)顯著性1989年安江-3.42顯著1989年浦市-4.12顯著1989年桃源-2.47顯著2004年安江4.46顯著2004年浦市2.97顯著2004年桃源2.66顯著

3.2 降水與人類活動(dòng)對(duì)流域徑流變化貢獻(xiàn)率的分離

將徑流量序列的突變年份作為該序列分界線，繪制1959—1989年基準(zhǔn)期降水—徑流雙累積曲線圖(圖3)，安江站，浦市站和桃源站的雙累積曲線決定系數(shù)R2均大于0.99，表明該方法的擬合精度較高。因此，通過降水—徑流雙累積曲線的原理，將變異期徑流還原為基準(zhǔn)期徑流，再利用基準(zhǔn)期的雙累積曲線關(guān)系式，將變異期的累積降水量帶入關(guān)系式中，計(jì)算該變異期的徑流深，計(jì)算結(jié)果詳見表4。

表3 沅水干流各水文站年徑流量特征值

表4 雙累積曲線法定量分析降水與人類活動(dòng)對(duì)沅水流域徑流變化的影響

圖3 沅水干流各水文站降水和徑流深雙累積曲線

3.3 結(jié)果討論

沅水流域安江站以上：在變異期Ⅰ中，徑流改變受降水變化的影響比例為40%，受人類活動(dòng)影響比例為60%，主要原因?yàn)榘步疽陨狭饔蚰昶骄邓康?，貴州銅仁地區(qū)和湖南邵陽(yáng)地區(qū)干旱嚴(yán)重，在20世紀(jì)80年代初到90年代末，該區(qū)用水量明顯增加，到21世紀(jì)初期，用水量緩慢增加，趨勢(shì)趨于穩(wěn)定。安江站以上的流域，干旱程度嚴(yán)重，大多數(shù)年份中當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活取用水來源均為地表水。由此可知，在變異Ⅰ期中，沅水流域安江站以上的流域徑流變化主要受人類活動(dòng)因素影響；在變異期Ⅱ中，降水因子對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)占比為32.8%，而人類活動(dòng)因子的貢獻(xiàn)率為67.2%。

沅水浦市站以上：變異期Ⅰ中，降水因子影響量為53.2%，人類活動(dòng)因子影響量為46.8%；而在變異期Ⅱ，降水因子影響量為44.0%，人類活動(dòng)因子影響量為56.0%。由此可以得出結(jié)論，1989—2003年期間，對(duì)沅水浦市站以上流域區(qū)段來說氣候變化對(duì)域內(nèi)徑流變化做出了主要貢獻(xiàn)；但在2004—2014年間，人類活動(dòng)因子的影響量增加了9.2%，并成為該段流域內(nèi)徑流變化的主要影響因素。

沅水下游段(桃源站)：在變異期Ⅰ，降水對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率為74.3%，人類活動(dòng)因子貢獻(xiàn)比例為25.7%；在變異期Ⅱ中，降水因子影響量為52.0%，人類活動(dòng)因子影響量為48.0%。對(duì)沅水下游段來說， 1989—2003年期間徑流變化主要受到氣候因子的影響，2004—2014年期間人類活動(dòng)因子影響量上漲了22.3%，成為這一時(shí)期徑流量變化的主要貢獻(xiàn)因子。在研究劃分的3個(gè)子流域段中，沅水流域下游人類活動(dòng)因子影響量增幅最大。變異期Ⅱ中，沅水流域整體人類活動(dòng)影響量增幅到研究序列中的最大值，這與三板溪、洪江、碗米坡、鳳灘、高灘等5座梯級(jí)水電站有關(guān)，這5座水電站皆在2004年前后投產(chǎn)發(fā)電，提高了沅水流域水資源的利用率，大大舒緩了沅水流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)在電力供應(yīng)上的壓力，同時(shí)也調(diào)節(jié)了徑流，減小了部分水旱災(zāi)害的影響，使得流域內(nèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展。

4 結(jié) 論

(1) 采用累計(jì)距平法等對(duì)沅水流域的徑流、降水等序列的趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)探討了沅水流域水文要素的序列突變情況，發(fā)現(xiàn)桃源站的年徑流量在波動(dòng)中呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而浦市站和安江站的年徑流量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；3個(gè)水文站徑流量均在1989和2004年發(fā)生顯著突變，并據(jù)此將序列劃分為基準(zhǔn)期和變異期。

(2) 以1959—1988年作為基準(zhǔn)期，以不考慮蒸散發(fā)為研究前提，對(duì)徑流量變化在變異期受降水以及人類活動(dòng)的影響程度進(jìn)行定量評(píng)估。在變異期Ⅰ，沅水安江站上游，人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化做出了主要貢獻(xiàn)，其貢獻(xiàn)率為60%；在沅水下游段流域內(nèi)，徑流量變化主要受降水因子的影響，其貢獻(xiàn)率為74.3%；在變異期Ⅱ，沅水流域人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的影響都有不同程度的增加，流域下游受人類活動(dòng)的影響貢獻(xiàn)率的增幅最大。