杜嘉妮，蔡宜晴，劉希勝，王 崗，閔 敏

（青海省水文水資源測(cè)報(bào)中心，西寧 810001）

0 引 言

地表徑流作為水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是揭示水資源的重要指標(biāo)。近年來(lái)，在全球暖化背景下，氣侯變化使流域水循環(huán)和水文過程產(chǎn)生改變，水資源的時(shí)空分布也隨之發(fā)生改變［1］；同時(shí)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)如城鎮(zhèn)化發(fā)展、水利工程建設(shè)、水土保持工程實(shí)施等，使下墊面條件發(fā)生了顯著變化［2］，改變了流域產(chǎn)匯流機(jī)制。因此變化環(huán)境下水循環(huán)成為水科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題，研究流域水文過程與演變機(jī)制，評(píng)價(jià)各驅(qū)動(dòng)要素的貢獻(xiàn)，對(duì)流域水資源管理、水資源可持續(xù)利用及促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前定量識(shí)別徑流變化歸因常用的方法主要為水文模型法和基于Budyko 假設(shè)的敏感性方法。水文模型法基于物理過程模擬驅(qū)動(dòng)因素的貢獻(xiàn)率，物理概念清晰，但受模型結(jié)構(gòu)、模型參數(shù)、初始和邊界條件的影響，存在一定的不確定性，可能會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生較大誤差?；贐udyko 假設(shè)的敏感性方法主要基于年尺度進(jìn)行研究，物理意義明顯，對(duì)數(shù)據(jù)要求低，并且能對(duì)各要素的貢獻(xiàn)率單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，是一種簡(jiǎn)單有效的分析方法，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用［3，4］。

湟水位于黃河上游，是青海的母親河，是青海省東部地區(qū)工農(nóng)業(yè)的主要水源，也是該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的根本保障。近年來(lái)，由于氣侯變化、人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，湟水水資源供需矛盾突出、水污染加劇、水能資源無(wú)序開發(fā)、水土流失嚴(yán)重，水事矛盾尖銳，如何應(yīng)對(duì)環(huán)境變化帶來(lái)的影響是水資源管理面臨的關(guān)鍵問題之一。目前有關(guān)湟水徑流的研究主要著重于徑流模擬與預(yù)測(cè)［5-7］，研究變化環(huán)境下各要素對(duì)徑流變化貢獻(xiàn)率的相對(duì)較少，張調(diào)風(fēng)［8］和劉希勝［9］分別采用累積量斜率變化率法和雙累積曲線定量評(píng)價(jià)氣侯變化和人類活動(dòng)對(duì)湟水徑流變化的貢獻(xiàn)率，上述方法均為統(tǒng)計(jì)分析法，缺乏與其他方法的比較。本文進(jìn)一步采用基于Budyko假設(shè)的敏感性方法，定量識(shí)別氣侯變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的貢獻(xiàn)（影響），為實(shí)現(xiàn)變化環(huán)境下水資源管理、優(yōu)化配置和可持續(xù)利用提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

湟水是黃河上游一級(jí)支流，發(fā)源于青海省海晏縣包呼圖山，流經(jīng)青海、甘肅兩省，于甘肅省永靖縣注入黃河。全長(zhǎng)374 km，流域面積1.77 萬(wàn)km2，其中青海省境內(nèi)流域面積1.61 萬(wàn)km2，多年平均天然徑流量21.56 億m3。氣候?qū)俑咴珊蛋敫珊禋夂?，多年平均氣?.1～8.1 ℃，其中川水地區(qū)多年平均氣溫3.3～8.1 ℃，是流域內(nèi)最暖地區(qū)；淺山和河谷地區(qū)多年平均氣溫2.1～3.2 ℃，屬冬寒夏涼的半干旱和干旱氣候區(qū)；腦山地區(qū)多年平均氣溫為1 ℃，屬高寒半濕潤(rùn)山地氣候。降水量分布由河谷向兩側(cè)山區(qū)遞增，河谷地區(qū)降水一般在300～400 mm，山區(qū)則達(dá)到500～600 mm。水面蒸發(fā)量空間變化與降水量相反，隨海拔的升高而降低，河谷地區(qū)多年平均水面蒸發(fā)量在900 mm 以上，而山區(qū)則在700 mm左右。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

民和水文站數(shù)據(jù)來(lái)源于黃河水利委員會(huì)水文局，其他水文站和雨量站的數(shù)據(jù)來(lái)源于青海省水文水資源測(cè)報(bào)中心，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于青海省氣象局。本文選用湟水民和水文站1957-2017年實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)作為研究徑流變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。降水采用流域內(nèi)81 個(gè)水文氣象站點(diǎn)的降水量，系列長(zhǎng)度1957-2017年。潛在蒸散發(fā)采用流域內(nèi)氣象站的逐日最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、10 m 處風(fēng)速及氣壓資料，利用FAO 修訂的Penman-Monteith 方法［10］計(jì)算，系列長(zhǎng)度1961-2017年。面降水和潛在蒸散發(fā)通過泰森多邊形法計(jì)算求得。收集到區(qū)域1986、1990、1995、2000、2005、2010、2015 和2017年月度合成30 m×30 m 地表植被指數(shù)數(shù)據(jù)［11］。該數(shù)據(jù)采用最大值合成（Max value composition，MVC）方法，利用Landsat5，Landsat8 和sentinel2 紅光和近紅外兩個(gè)通道的反射率數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表月度NDVI 產(chǎn)品的合成。數(shù)據(jù)通過Google Earth Engine 云平臺(tái)對(duì)反射率進(jìn)行月度合成，來(lái)源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//data.tpdc.ac.cn/）。

圖1 湟水示意圖Fig.1 The overview of the Huangshui River

2 研究方法

2.1 線性傾向估計(jì)趨勢(shì)分析

yi表示樣本為n的變量，xi為yi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立兩者之間的線性關(guān)系，即：

式中：a為回歸系數(shù)；b為回歸常數(shù)；a和b利用最小二乘法進(jìn)行計(jì)算。

利用a與相關(guān)系數(shù)之間的關(guān)系，求出yi和xi的相關(guān)系數(shù)R。

當(dāng)a＞0（＜0）時(shí)，表明變量y隨x變化呈增加（減少）趨勢(shì)。相關(guān)系數(shù)R表示y和x之間相關(guān)程度，給定顯著性水平α，若|R|＞Rα，表明變量y隨時(shí)間x變化趨勢(shì)顯著；否則變化趨勢(shì)不顯著。

2.2 突變檢驗(yàn)

目前突變檢驗(yàn)的方法很多，不同的方法原理不同，可能得出的結(jié)果也不一樣，為了合理確定判別突變點(diǎn)，需對(duì)多種方法比較以確定。本文采用累積距平和滑動(dòng)t檢驗(yàn)［12］判別徑流突變點(diǎn)。

2.2.1 累積距平

累積距平常用來(lái)判斷序列的變化趨勢(shì)，有時(shí)也用來(lái)診斷發(fā)生突變的大致時(shí)間。對(duì)于序列x，其某一時(shí)刻t的累積距平可表示為：

其中：

2.2.2 滑動(dòng)t檢驗(yàn)

該方法是通過檢驗(yàn)兩系列均值是否有顯著性差異來(lái)判別突變，如果兩序列的均值差異超過了一定的顯著性水平，可認(rèn)為均值發(fā)生了質(zhì)變，有突變發(fā)生。

將一樣本為n的序列x分成兩個(gè)樣本為n1和n2的子序列x1和x2，定義統(tǒng)計(jì)量：

式中：

給定顯著性水平α，若|t|＞tα，表明存在顯著性差異，|t|最大值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)即認(rèn)為發(fā)生了突變。為避免子序列長(zhǎng)度不同引起突變點(diǎn)漂移，反復(fù)變動(dòng)子序列的長(zhǎng)度進(jìn)行比較，以提高計(jì)算準(zhǔn)確度。文中n1=n2=10，顯著性水平α取0.05。

2.3 氣候和下墊面對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率

2.3.1 Budyko假設(shè)

多年平均情況下，一個(gè)流域的水量平衡方程可表示為：

式中：Q、P、E分別代表流域多年平均徑流量、降水量、實(shí)際蒸散發(fā)量，mm。

Budyko［13］假設(shè)認(rèn)為流域?qū)嶋H蒸散發(fā)受水分（主要為降水）和能量（主要為潛在蒸散發(fā)）兩個(gè)供應(yīng)條件的影響，并給出了反映水分和能量關(guān)系的耦合平衡方程，即：

式中：E0代表流域多年平均潛在蒸散發(fā)量，mm；P、E代表含義同上。

基于Budyko 假設(shè)，1981年傅抱璞［14］通過量綱分析和微分理論得到實(shí)際蒸散發(fā)的計(jì)算公式：

式中：E、E0、P代表含義同上；n是流域下墊面特征參數(shù)，主要反映下墊面變化對(duì)流域水量平衡的影響。

結(jié)合式（9）、（11），流域多年平均水量平衡方式可表示為：

式中：P、E0、Q已知，可求出n。

2.3.2 徑流對(duì)氣候的敏感性

由式（12）可知，徑流Q可以表示P、E0、n的函數(shù)，結(jié)合敏感性系數(shù)的定義：ε=表示徑流Q對(duì)獨(dú)立變量X的敏感性系數(shù)，X代表P、E0、n。

徑流對(duì)各變量的敏感性系數(shù)表示如下：

徑流對(duì)各變量的敏感性定義為單位變量的變化導(dǎo)致徑流的變化程度，敏感性系數(shù)為正（負(fù)）表示徑流隨變量的增加而增加（減小），通過式（13）～（15）可分別求得徑流對(duì)各變量的敏感性系數(shù)。

2.3.3 徑流變化貢獻(xiàn)率分析

各變量對(duì)徑流的影響表示為：

式中：ΔQ＇為計(jì)算得到的徑流變化量。

根據(jù)徑流突變點(diǎn)，將徑流序列分為基準(zhǔn)期和變化期，基準(zhǔn)期的徑流為Q1，變化期的徑流為Q2，徑流的變化量ΔQ可以用兩時(shí)段的徑流之差來(lái)表示：

式中：ΔQ為實(shí)測(cè)的徑流變化量。

各變量對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率表示為：

式中：X表示P、E0、n，C表示各變量對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率。

3 結(jié)果分析

3.1 徑流變化

湟水民和站徑流年內(nèi)分配不均勻，年內(nèi)最大徑流量2.601億m3，出現(xiàn)在9月；最小徑流量0.609 億m3，出現(xiàn)在3月，最大月徑流量是最小月徑流量的4.27 倍。連續(xù)最大四個(gè)月徑流量出現(xiàn)在7-10月，占全年徑流量的57.8%。

湟水民和站年徑流呈減少趨勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著，變化傾向率為-0.60 億m3/10 a，與黃河流域徑流減少的趨勢(shì)一致。多年平均徑流量15.91 億m3，其中年徑流量最大值31.12 億m3，出現(xiàn)在1961年，最小值7.089 億m3，出現(xiàn)在1991年，極值比4.39，年際變化較大。20世紀(jì)70年代、90年代和21世紀(jì)前10 a 徑流較多年平均分別偏少8.10%、13.3%、12.7%；20世紀(jì)60年代和80年代徑流較多年平均偏多14.4%和10.8%；2010-2017年徑流與多年平均基本持平，偏少0.27%，徑流變化呈現(xiàn)出豐-枯-豐-枯-枯-平的年代際變化規(guī)律。

3.2 趨勢(shì)及突變分析

圖2 湟水徑流年際變化Fig.2 Interannual variation of runoff in the Huangshui River

為了進(jìn)一步了解湟水徑流變化趨勢(shì)，采用累積距平判斷變化趨勢(shì)。如圖3（a）所示，湟水1957-2017年徑流經(jīng)歷了二次明顯的波動(dòng)，主要表現(xiàn)在1957-1968年和1981-1990年徑流增加，1969-1980年和1991-2004年徑流減少，2004年以后徑流減少趨勢(shì)變緩，接近多年平均水平。由此看出，湟水徑流在1968年、1980年、1990年和2004年發(fā)生轉(zhuǎn)折。

累積距平可以初步判斷出徑流突變點(diǎn)發(fā)生的時(shí)段，為了更準(zhǔn)確確定突變點(diǎn)，進(jìn)一步采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)來(lái)識(shí)別突變點(diǎn)，如圖3（b）所示，湟水徑流T統(tǒng)計(jì)值有三處超出了0.05 顯著性水平，出現(xiàn)在1980年、1990年和2004年，雖然1968年徑流經(jīng)歷了由增加到減少的轉(zhuǎn)折，但未超出顯著性水平。綜合確定湟水徑流突變年份為1980年、1990年和2004年。

圖3 湟水徑流累積距平和滑動(dòng)t檢驗(yàn)Fig.3 Accumulative anomaly and moving t test of runoff in the Huangshui River

根據(jù)湟水徑流突變年份，將徑流系列劃分為基準(zhǔn)期和變化期，湟水徑流基準(zhǔn)期為1957-1980年，變化期為1981-1990年、1991-2004年和2005-2017年。

3.3 徑流的敏感性分析

表1給出了湟水基準(zhǔn)期和變化期各變量的特征值以及徑流對(duì)各變量的敏感性系數(shù)。從表1中可以看出變化期1981-1990年相比其他時(shí)段，降水、徑流、徑流系數(shù)較大，而潛在蒸散發(fā)和干旱指數(shù)較小，說明變化期1981-1990年氣候較其他時(shí)段濕潤(rùn)。

表1 湟水不同時(shí)段水文氣象特征值Tab.1 Hydro-climate characters of different times in the Huangshui River

敏感性系數(shù)的符號(hào)有正有負(fù)，正（負(fù)）值表示與徑流呈正（負(fù)）相關(guān)，說明Q與P正相關(guān)，與E0和n負(fù)相關(guān)。數(shù)值的大小則表示對(duì)徑流的影響程度，?Q/?P、?Q/?E0和?Q/?n的范圍分別在0.40～0.47、-0.16～-0.13 和-105.6～-77.6，表明P增加1%將導(dǎo)致Q增加0.40%～0.47%，E0增加1%將導(dǎo)致Q減少0.13%～0.16%，n增加1%將導(dǎo)致Q減少77.6%～105.6%。從3個(gè)變量的敏感系數(shù)絕對(duì)值可以看出，徑流對(duì)下墊面（n）的變化最為敏感。

3.4 徑流變化歸因識(shí)別

各變量對(duì)徑流的影響見表2。計(jì)算得到的徑流變化值（ΔQ＇）與實(shí)測(cè)的徑流變化值（ΔQ）相差-1.82～0.21 mm，誤差范圍為4.47%～7.46%，說明本文評(píng)估氣侯和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的方法基本可靠。

表2 徑流變化歸因分析Tab.2 The attribution analysis of runoff changes

湟水徑流變化期不同時(shí)段降水、潛在蒸散發(fā)和下墊面對(duì)徑流變化的影響程度不同。變化期1981-1990年降水對(duì)徑流的影響最顯著，其次是潛在蒸散發(fā)，下墊面的影響最小。變化期1991-2004年和2005-2017年下墊面對(duì)徑流的影響最顯著，其次是降水，潛在蒸散發(fā)的影響最小。綜上所述，湟水1981-1990年降水是影響徑流增加的主要因素，1990年以后下墊面變化是導(dǎo)致徑流減少的主要因素。這與以往學(xué)者的研究基本一致［8，9，15］，如楊大文等人［15］的研究表明，黃河流域各子流域徑流突變發(fā)生在20世紀(jì)80年代末和90年代初，對(duì)大多數(shù)流域，降水對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率為49.3%，潛在蒸散發(fā)對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率為-3.5%，下墊面變化對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率為72.0%，下墊面變化對(duì)徑流減少起主導(dǎo)作用。

湟水土地面積僅占青海省土地面積的2.3%，卻承載著全省約60%的人口，人口密集且人類活動(dòng)頻繁。根據(jù)全國(guó)第一次水利普查統(tǒng)計(jì)的湟水水庫(kù)相關(guān)數(shù)據(jù)，截至1980年水庫(kù)累積庫(kù)容6 730.3 萬(wàn)m3，1990年水庫(kù)累積庫(kù)容12 976 萬(wàn)m3，2004年水庫(kù)累積庫(kù)容達(dá)到35 927 萬(wàn)m3。水庫(kù)的修建使徑流的年內(nèi)分配發(fā)生變化，攔蓄洪水削減洪峰，另外還會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)和滲漏增加。根據(jù)青海省第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)資料，民和水文站以上湟水年取用水量1980年以前為3.534 億m3，1981-1990年為5.266 億m3，1991-2004年為6.244 億m3，2005-2017年為6.718 億m3。由此可以看出，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口逐年增長(zhǎng)和城市化、工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，以及農(nóng)業(yè)灌溉面積的增加，生產(chǎn)生活用水增加對(duì)湟水徑流的影響越來(lái)越大，使徑流量不斷減少。

湟水干流西寧以下的黃土丘陵區(qū)水土流失嚴(yán)重，是水土保持的重點(diǎn)區(qū)域，先后實(shí)施了一系列生態(tài)保護(hù)工程和綠化工程。根據(jù)全國(guó)第一次水利普查水土保持措施數(shù)據(jù)，截至2010年湟水累計(jì)完成水土保持治理面積2 092.2 km2，其中，基本農(nóng)田中梯田面積1 246.0 km2，水土保持林（喬木林、灌木林）663.2 km2，經(jīng)濟(jì)林8.1 km2，種草43.2 km2，封禁治理131.7 km2，淤地壩建設(shè)661 座，小型蓄水保土工程62 864 個(gè)。經(jīng)過治理，水土流失面積減少，湟水干流輸沙量呈顯著減少趨勢(shì)，并且下游站點(diǎn)的減少趨勢(shì)強(qiáng)于上游站點(diǎn)［9］，反映了實(shí)施水土保持措施的效果。水土保持措施的實(shí)施大大改變了徑流原來(lái)的產(chǎn)匯流特性與路徑，林草地較荒地截留和持水能力強(qiáng)，梯田較坡耕地入滲能力強(qiáng)，這些使降水不易直接形成徑流，導(dǎo)致地表徑流量減少。

我國(guó)從1999年開始推行退耕還林還草政策，青海省按照黨中央、國(guó)務(wù)院的部署，自2000年開始實(shí)施這一重大舉措，湟水過度墾殖和超載放牧導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，被列入重點(diǎn)實(shí)施的區(qū)域，受資料獲得限制，未收集到流域退耕還林（草）面積數(shù)據(jù)，根據(jù)收集到的流域NDVI數(shù)據(jù)，可以看出NDVI年均值和生長(zhǎng)季均值均呈增加趨勢(shì)（見表3），表明地表植被覆蓋度在增加。張曉明等人［16］認(rèn)為，黃土丘陵溝壑區(qū)森林植被增加對(duì)徑流有顯著的調(diào)節(jié)作用，不論是一場(chǎng)暴雨、雨季還是年際尺度，均使流域產(chǎn)流能力下降，導(dǎo)致徑流量減少。

表3 湟水歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）信息表Tab.3 The NDVI information in the Huangshui River

總的來(lái)說，1990年以后人類活動(dòng)使湟水下墊面發(fā)生變化主要體現(xiàn)在水利工程建設(shè)、退耕還林（草）和水土保持措施實(shí)施，這些共同作用于河川徑流，使徑流量趨于減少，而這種減流作用有可能隨著人類活動(dòng)加劇而增強(qiáng)。

4 討 論

氣侯和下墊面是影響流域徑流的重要因素，識(shí)別二者對(duì)徑流的影響時(shí)，關(guān)鍵在于將二者的影響進(jìn)行分離，無(wú)論是基于Budyko假設(shè)的敏感性方法還是水文模型，在分離氣候變化和下墊面對(duì)徑流的影響時(shí)，都假設(shè)氣候變化和下墊面是兩個(gè)相互獨(dú)立的變量。而事實(shí)上，氣候變化和下墊面變化并非完全獨(dú)立，是相互影響的。如氣溫升高，蒸發(fā)加劇，土壤水分及下滲將隨之改變，反之土壤濕度及植被的變化也會(huì)影響土壤增發(fā)、植被蒸騰和降水。目前的水量平衡方程中，未考慮蓄水量的變化，忽略了水利工程的攔蓄影響，近幾十年來(lái)人類活動(dòng)加強(qiáng)，蓄水量也會(huì)有很大的變化，忽略長(zhǎng)期蓄水量的變化有可能會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差。還有將水熱耦合平衡方程中的下墊面作為一個(gè)整體考慮，下墊面參數(shù)（n）的物理意義和數(shù)學(xué)表達(dá)式尚未明確。在未來(lái)研究中需進(jìn)一步考慮水利工程攔蓄影響以及量化下墊面因子，以便更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響。

5 結(jié) 論

本文以湟水為研究對(duì)象，采用線性傾向估計(jì)、累積距平、滑動(dòng)t檢驗(yàn)分析徑流變化特征，基于Budyko 假設(shè)的敏感性方法定量評(píng)價(jià)氣侯和下墊面對(duì)徑流的影響，主要結(jié)論如下：

（1）湟水徑流年內(nèi)分配不均，連續(xù)最大四月徑流量占全年徑流量的57.8%；年徑流總體呈不顯著減少趨勢(shì)，變化傾向率為-0.60 億m3/10 a；年代際徑流變化呈現(xiàn)出豐-枯-豐-枯-枯-平的變化規(guī)律。

（2）利用累積距平和滑動(dòng)t檢驗(yàn)對(duì)徑流進(jìn)行突變檢測(cè)，湟水徑流突變年份為1980年、1990年和2004年。根據(jù)突變年份將徑流系列劃分為基準(zhǔn)期和變化期，湟水徑流的基準(zhǔn)期為1957-1980年，變化期 為1981-1990年、1991-2004年 和2005-2017年。

（3）采用基于Budyko假設(shè)的敏感性方法計(jì)算徑流對(duì)各變量的敏感系數(shù)，結(jié)果顯示，徑流對(duì)下墊面的變化最為敏感；湟水1981-1990年降水是影響徑流增加的主要因素，1990年以后下墊面變化是導(dǎo)致徑流減少的主要因素，人類活動(dòng)導(dǎo)致下墊面發(fā)生變化主要體現(xiàn)在水利工程建設(shè)、退耕還林（草）和水土保持措施實(shí)施。