劉 宇， 管子隆， 田濟揚， 劉榮華， 關(guān)榮浩

（1.中國水利水電科學(xué)研究院水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038；2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.長安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；4.長安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；5.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

流域水文系統(tǒng)受氣候變化和人類活動共同作用，一方面，氣候要素變化影響著流域的水量補給與排泄，直接或間接的導(dǎo)致流域水文循環(huán)過程發(fā)生變化［1］；另一方面，人類活動通過改變流域下墊面條件、修建水利設(shè)施等，影響著流域水文循環(huán)的產(chǎn)匯流機制，改變著水文時空分布和水文循環(huán)過程［2］。聯(lián)合國政府氣候變化專門委員會（Intergovernment panelon climate change，IPCC）第五次評估報告顯示，在過去的130 a 全球平均氣溫升高了0.85 ℃，在中緯度的大部分地區(qū)未來極端降水增大的可能性較大［3-4］。近年來，在我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展和全面啟動“退耕還林還草”工程的背景下，流域水文循環(huán)過程發(fā)生了顯著的變化［5］。以水而定、量水而行，現(xiàn)階段人類活動對水資源的開發(fā)利用得到約束，盡可能抑制不合理用水需求［6］。在氣候變化和人類活動共同影響下，流域水文演變和循環(huán)過程的內(nèi)部規(guī)律和外在條件都有著相應(yīng)的變化。眾多研究表明在黃河流域人類活動是徑流變化的主要驅(qū)動因素，黃河中上游窟野河流域、汾河流域和北洛河流域近年來人類活動對徑流變化的貢獻率均在70%以上［7-9］，洮河流域和清澗河流域人類活動對徑流變化的貢獻率相對較小但也均在50%以上［10-11］。

為厘清流域徑流變化驅(qū)動因素，眾多學(xué)者應(yīng)用不同方法對其進行研究，應(yīng)用較為廣泛的有模型模擬和經(jīng)驗統(tǒng)計模型等［12］。目前，在模型模擬中SWAT 模型在徑流變化驅(qū)動因素的研究應(yīng)用較多，如：吳小宏等［13］采用SWAT 模型對涇河流域氣候變化和土地利用變化及其對徑流的影響進行了研究分析，結(jié)果表明人類活動是流域徑流變化的主要因素；張洪波等［14］通過SWAT-MODFLOW 耦合模型，對黃河中游延河流域徑流變化進行了定量分析，結(jié)果表明下墊面變化的影響量約占人類活動影響總量的29.03%～65.79%；于成龍等［15］利用SWAT 模型研究了西遼河流域水文演變的驅(qū)動因素，結(jié)果表明自然因素對濕地變化的影響大于人類活動。此外，在經(jīng)驗統(tǒng)計模型中考慮了水量和熱量平衡的Budyko假設(shè)，目前也得到了廣泛應(yīng)用，如：孫福寶等［16］以黃河流域為研究對象，通過對其63個子流域水文氣象資料的研究分析，證明了Budyko假設(shè)在黃河流域的適用性；楊漢波等［17-18］基于Budyko假設(shè)對黃河流域不同子流域的氣候和下墊面變化對徑流變化的貢獻率進行了定量分析，結(jié)果表明Budyko假設(shè)對定量區(qū)分氣候和下墊面變化對流域徑流的影響具有廣闊的應(yīng)用前景；Zhang 等［19］考慮到植被作用對黃土高原的11個子流域的徑流變化歸因進行了研究分析，并給出了不同植被類型的植物有效水系數(shù)。總的來說，模型模擬能夠更準確模擬大氣、地表、土壤中水的遷移轉(zhuǎn)化過程，但其對方法的適用性和數(shù)據(jù)精度的要求較高，且計算相對復(fù)雜。而Budyko假設(shè)主要基于相關(guān)的物理理論定律和理論假設(shè)來分析流域水文過程機理，相比水文模型更為簡便易行，因此本研究選用Budyko 假設(shè)對流域徑流變化的驅(qū)動因素進行研究。

涇河流域作為黃河的二級支流，位于生態(tài)環(huán)境脆弱、水土流失嚴重的黃土高原，流域水資源短缺，嚴重制約著區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展［20］。尤其是進入21世紀以后，隨著流域內(nèi)人口的快速增長及農(nóng)田灌溉面積的增加，流域徑流大幅度減少［13］。如何加強人類活動對涇河流域水文變化的正向引導(dǎo)作用，實現(xiàn)人與自然和諧相處［21］，亟待對涇河流域水文演變規(guī)律及其變化歸因進行研究。本研究以涇河流域為研究區(qū)域，從水-熱-光等多個角度對涇河流域水文氣象演變規(guī)律進行分析，并基于Budyko假設(shè)對流域水文變化驅(qū)動因素進行研究，定量評估氣候變化及人類活動對流域水文變化的影響，以期為涇河流域水資源高效利用和科學(xué)配置提供合理有效的決策支持。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

涇河是渭河的最大支流，是黃河的二級支流，發(fā)源于寧夏回族自治區(qū)涇源縣六盤山東麓，流域面積45421 km2，占渭河流域面積的33.70%，河道全長455.1 km，流經(jīng)陜西、甘肅、寧夏3省，于陜西省西安市陳家灘注入渭河。流域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂颍哂杏隉嵬?、四季分明等特征。流域多年平均?951—2019年）降水量為517.9 mm，年降水量最多達727.1 mm，最少僅為325.6 mm，年內(nèi)分布主要集中在7—9月，占全年降水量的56.0%，11月—次年4月降水較少，僅占全年降水量的15.2%。此外，流域內(nèi)丘陵和臺地居多，河流水系較為發(fā)達。涇河流域位置、地形與水系如圖1所示。

圖1 涇河流域位置及水系圖Fig.1 Location and drainage system map of Jinghe River Basin

1.2 數(shù)據(jù)資料

涇河流域內(nèi)及周邊14 個國家氣象站點1951—2019 年日氣象資料，來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn）。張家山水文站1951—2018 年的實測徑流資料來源于水利部黃河水利委員會編印的《黃河流域主要水文站實測水沙特征值統(tǒng)計》。數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn）。多期土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn）。

1.3 研究方法

本研究擬采用Penman-Monteith 公式計算涇河流域潛在蒸發(fā)量，線性回歸法分析徑流變化趨勢，采用Mann-Kendall（M-K）檢驗和滑動t檢驗對流域年徑流時間序列的突變進行分析，采用小波分析對流域年徑流周期性進行分析，并基于Budyko假設(shè)理論對流域徑流變化驅(qū)動因素進行研究。具體研究方法如下：

（1）Penman-Monteith公式

采用世界糧農(nóng)組織（FAO）推薦的Penman-Monteith 公式［22］，對各站點潛在蒸發(fā)量進行計算，公式如下：

式中：ET0為潛在蒸發(fā)量（mm·d-1）；Rn為凈輻射（MJ·m-2·d-1）；G為土壤通熱量（MJ·m-2·d-1），通常取0；T為日平均氣溫（℃）；es、ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓（kPa）；Δ、γ分別為飽和水汽壓斜率和濕度表常數(shù)（kPa·℃-1）；μ2為地面以上2 m處風(fēng)速（m·s-1）。

（2）線性回歸法

線性回歸利用建立y=ax+b的一元線性回歸方程來反映其線性變化趨勢與傾向率。其中，a為斜率，若a＞0，表示y隨著x的增大而增大；若a＜0，表示y隨著x的增大而減?。蝗鬭=0，表示y隨著x的增大整體趨勢保持不變［23］。

（3）M-K檢驗

M-K 主要通過構(gòu)造秩序列（Sk）進行突變檢驗，計算公式如下［24］：

式中：k為小于等于n且不等于j的變量；αij為統(tǒng)計量，計算公式如下：

另外，通過Sk可計算得到UFk，計算公式如下：

式中：當k=1 時UF1=0；E（Sk）、VAR（Sk）分別為樣本均值和方差，計算公式如下：

（4）滑動t檢驗

滑動t檢驗可用于分析水文時間序列的突變性，計算公式如下［25］：

（5）小波分析

小波函數(shù)是指具有震蕩性且能夠迅速衰減到零的函數(shù)，即ψ(t)∈L2(R)且滿足公式（8）［26］：

鑒于水文時間序列的特征，選用Morlet 小波函數(shù)，計算公式如下：

式中：ε為常數(shù)；t為時間。

（6）基于Budyko假設(shè)定量識別徑流變化

Milly等［27］基于Budyko假設(shè)理論，提出了氣候變化導(dǎo)致徑流變化的計算公式，見公式（10～12）：

式中：Qc為氣候變化導(dǎo)致徑流的變化量（mm）；ΔP為降水量變化量（mm）；ΔET0為潛在蒸發(fā)量的變化量（mm）；α和β分別為降水量和潛在蒸發(fā)量每變化一個單位時的徑流變化量；φ為潛在蒸發(fā)量與降水量的比值。

在f(φ)的各種表達式中，Zhang 等［19］考慮到植被作用提出的Budyko假設(shè)解析式，計算公式如下：

式中：ETa為實際蒸發(fā)量(mm)；P為降水量(mm)；ω為植被水分利用系數(shù)，主要用于反映不同植被以不同方式吸收土壤中的水分，其值域為［0.1,0.22］，Zhang等［19］給出一般情況下的ω建議值，禾本科植物（包括土壤蒸發(fā)）為0.5，森林植被為2.0。

結(jié)合Zhang 等［19］的Budyko 假設(shè)解析式，可將α和β的計算公式分別化簡為：

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化特征

本研究以涇河流域1951—2019 年的氣象資料為基礎(chǔ)，采用線性回歸法對流域各氣象要素的變化趨勢進行計算分析。由圖2 可知，涇河流域各氣象要素中降水量、潛在蒸發(fā)量、最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫均有增高的趨勢，增高速率分別為0.127 mm·a-1、0.20 mm·a-1、0.032 ℃·a-1、0.027 ℃·a-1、0.028 ℃·a-1；日照時長、相對濕度和風(fēng)速有減小的趨勢，減少速率分別為0.002 h·a-1、0.054%·a-1、0.006 m·s-1·a-1。

圖2 1591—2019年涇河流域氣象要素年際變化Fig.2 Interannual variations of meteorological elements in Jinghe River Basin from 1591 to 2019

2.2 徑流變化特征

涇河流域1951—2018 年不同時期徑流深年際變化特征，如圖3 所示。流域年徑流深以0.41 mm·a-1的速率減少，其中汛期徑流深以0.27 mm·a-1的速率減少，約為非汛期的2 倍。此外，流域年徑流深、汛期徑流深、非汛期徑流深的最大值分別出現(xiàn)在1964 年（90.44 mm）、1964 年（62.23 mm）、1963 年（29.38 mm），最小值分別出現(xiàn)在2015 年（14.62 mm）、2015 年（5.44 mm）、2018 年（5.83 mm），變差系數(shù)分別為0.46、0.57、0.39，表明汛期徑流深年際波動程度更大。

圖3 1951—2018年涇河流域徑流變化趨勢Fig.3 Change trend of runoff in Jinghe River Basin from 1951 to 2018

利用M-K 突變檢驗、滑動t檢驗對涇河流域張家山水文站的徑流時間序列進行突變分析，如圖4所示。M-K 突變檢驗表明，涇河流域張家山水文站的徑流在1996 年發(fā)生突變；依據(jù)步長為5 的滑動t檢驗，在99%置信區(qū)間內(nèi)，可認為張家山水文站的徑流發(fā)生突變的年份為1996、1997、2009 年。綜合考慮兩種方法突變檢驗結(jié)果，認為涇河流域徑流在1996年發(fā)生顯著減少的突變。

圖4 涇河流域年徑流突變檢驗Fig.4 Test of abrupt change of annual runoff in Jinghe River Basin

涇河流域1996 年前后水文氣候要素統(tǒng)計特征值，如表1所示。由表可知，徑流深在突變后相較于突變前減少43.49%；氣象要素中僅相對濕度和風(fēng)速在突變后的平均值低于突變前，分別減少了3.59%、6.96%；降水量、潛在蒸發(fā)量、日照時長、最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫分別增加了0.60%、2.45%、0.38%、8.91%、31.83%和13.62%。另外，水文氣象要素突變后的變差系數(shù)均低于突變前，說明突變后的水文氣象要素變異性較小。

表1 涇河流域突變前后水文氣候要素統(tǒng)計特征值Tab.1 Statistical characteristic values of hydrological and climatic elements before and after the abrupt change in Jinghe River Basin

小波系數(shù)實部和方差圖能夠反映流域水文要素變化的周期特征（圖5），涇河流域年徑流存在10～20 a 的短周期和30～60 a 的長周期的豐枯變化特征（圖5a）。流域年徑流主要存在3個主周期，第一、第二和第三主周期分別為41 a、58 a 和15 a 特征時間尺度（圖5b）。

圖5 涇河流域年徑流小波系數(shù)實部和方差Fig.5 Real part and variance of annual runoff wavelet coefficients in Jinghe River Basin

2.3 徑流變化驅(qū)動因素研究

涇河流域各時期各類型土地利用面積，如圖6所示?；鶞势冢?980、1990、1995 年）流域農(nóng)田、草地、森林、荒漠和水體面積的平均值，分別為20370 km2、19848 km2、4277 km2、743 km2、206 km2，相較于變化期（2000、2005、2010、2015年）農(nóng)田面積減少了535 km2，森林和草地面積分別增加244 km2和126 km2。

圖6 涇河流域各時期土地覆被面積Fig.6 Area of land cover in Jinghe River Basin in different periods

依據(jù)Zhang等［19］給出的不同植被水分利用系數(shù)建議值，結(jié)合涇河流域不同土地利用面積對流域植被水分利用系數(shù)進行求解，得到流域基準期、變化期和總時期的植被水分利用系數(shù)分別為0.643、0.647和0.646。植被水分利用系數(shù)的增大主要是由于禾本科植物向森林植被轉(zhuǎn)化引起，其中，森林面積增加了244 km2，提高了流域植被水分利用系數(shù)。

依據(jù)不同時期植被水分利用系數(shù)，計算得到?jīng)芎恿饔蛩臍庀髤?shù)特征值（表2）。涇河流域由基準期到變化期，降水量均增加，徑流量均減小，潛在蒸發(fā)量除汛期外均增加。在不同時期汛期相較于年和非汛期徑流變化對降水量和潛在蒸發(fā)量變化均較為敏感，其中在變化期敏感程度最高，即流域汛期每增加1 mm 降水量（或潛在蒸發(fā)量）將引起流域徑流變化量為0.656 mm（或-0.281 mm）。此外，流域徑流變化對降水量的敏感程度是潛在蒸發(fā)量的2.3～5.3倍。

表2 涇河流域水文氣象參數(shù)特征值Tab.2 Characteristic values of hydrometeorological parameters in Jinghe River Basin

由表3 可知，突變后涇河流域多年平均年徑流深減少17.83 mm，其中汛期減少量占63.66%，為非汛期的1.75倍；年降水量和年潛在蒸發(fā)量分別增加3.10 mm和23.14 mm，均主要來源于非汛期，分別占70%和136%。依據(jù)Milly-Zhang公式，人類活動和氣候變化導(dǎo)致突變后流域：多年平均年徑流深分別減少16.13 mm、1.71 mm，貢獻率分別為90.43%、9.57%；汛期徑流深分別減少7.65 mm、4.35 mm，貢獻率分別為63.75%、36.25%；非汛期徑流深分別減少5.64 mm、0.36 mm，貢獻率分別為94.08%、5.92%。其中，降水量對年、汛期、非汛期徑流變化的貢獻率分別為-7.72%、-16.76%、-12.78%，潛在蒸發(fā)量對年、汛期、非汛期徑流變化的貢獻率分別為17.29%、53.01%、18.70%。

表3 涇河流域徑流變化歸因Tab.3 Attribution of runoff change in Jinghe River Basin

3 討論

目前，針對黃河流域徑流變化驅(qū)動因素的眾多研究表明：人類活動是引起黃河流域徑流變化的主要影響因素［7-11］，人類活動通過改變下墊面條件進而影響流域水循環(huán)過程，其對流域徑流變化的影響因素眾多，如土地利用變化、水資源開發(fā)、水利工程等均有明顯的影響［27］。由于缺少相關(guān)的基礎(chǔ)資料，本研究在評估氣候變化和人類活動對涇河流域徑流變化的貢獻率時，將降水量和蒸發(fā)量作為影響徑流變化的氣候因素，其他因素歸結(jié)為人類活動，這可能導(dǎo)致研究結(jié)果與實際結(jié)果存在一定的偏差。因此，在今后的工作中還需針對不同驅(qū)動因素對涇河流域徑流變化的影響進一步研究。

涇河流域位于水土流失嚴重且生態(tài)脆弱的黃土高原，其徑流變化相較于其他黃河流域的子流域更易受到人類活動的影響。本研究表明，人類活動對涇河流域徑流變化的影響程度遠高于氣候變化，該結(jié)果與吳小宏等［13］采用SWAT模型對該流域徑流變化的研究結(jié)果一致，但本研究時間序列較長，因此人類活動對徑流變化的貢獻率略大于其研究結(jié)果。此外，人類活動對年、汛期、非汛期徑流變化的貢獻率分別為90.43%、63.75%、94.08%，而其對汛期徑流變化的影響又遠小于非汛期。這一結(jié)論與Wang 等［28］基于Budyko 假設(shè)對黃河流域徑流變化，人類活動起主要作用，影響最大的是非汛期的平均流量，其次是年最大流量的研究結(jié)果一致。不同時期人類活動對徑流變化貢獻的差異，主要與涇河流域內(nèi)水利設(shè)施興建和農(nóng)田灌溉有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計流域內(nèi)灌區(qū)眾多，僅在1990年之前建成的萬畝以上灌區(qū)就有27處，農(nóng)業(yè)灌溉用水占流域多年平均徑流量的31.37%［29-30］。此外，流域內(nèi)大多數(shù)大型水庫為年調(diào)節(jié)水庫，為保證流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)灌溉用水量，其主要有“削峰補枯”的作用。因此，在非汛期時，人類活動對徑流變化的影響更大。此外，涇河流域徑流變化對降水量的敏感程度是潛在蒸發(fā)量的2.3～5.3倍，表明流域徑流時空變化過程與降水變化較為敏感，這與大多數(shù)研究較為一致［7-9］。但由于涇河流域徑流突變前后降水變化量較小，其中汛期降水變化量為0.84 mm，僅為潛在蒸發(fā)變化量的十分之一，因此降水變化對徑流變化的貢獻率相對較小。

4 結(jié)論

本研究以涇河流域為研究區(qū)域，對流域水文氣象演變規(guī)律進行分析，并對徑流變化過程中氣候變化和人類活動的貢獻率進行定量分析，主要結(jié)論如下：

（1）近70 a 來，流域年徑流深以0.41 mm·a-1的速率減少，其中汛期徑流深的減少速率約為非汛期的2 倍。各氣象因素中降水量、潛在蒸發(fā)量和氣溫呈增高趨勢，日照時長、相對濕度和風(fēng)速呈減少趨勢。

（2）流域年徑流深在1996 年發(fā)生顯著減少突變，突變后減少了43.49%，其中汛期減少量占63.66%，為非汛期的1.75 倍。流域年徑流深存在10～20 a的短周期和30～60 a的長周期的豐枯變化特征，第一、第二和第三主周期分別為41 a、58 a和15 a特征時間尺度。

（3）人類活動是流域徑流變化的主要影響因素，對年、汛期、非汛期的影響量分別為16.13 mm、7.65 mm、5.64 mm，貢獻率分別為90.43%、63.75%、94.08%。氣候變化對徑流變化的影響主要是由潛在蒸發(fā)量變化主導(dǎo)，潛在蒸發(fā)量對年、汛期、非汛期徑流變化的貢獻率分別為17.29%、53.01%、18.70%。