李瑤 董增川 張城 邵逸卿 倪效寬 孟金玉 徐亦凡 魏園

摘 要：探究流域徑流變化及其影響因素對流域水資源的可持續(xù)開發(fā)利用具有重要意義。利用１９６０—２０１９ 年石羊河流域水文氣象資料，通過Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 突變檢驗和Ｐｅｔｔｉｔｔ 檢驗確定蔡旗站徑流序列的突變年份，采用ＳＷＡＴ 模型和基于Ｂｕｄｙｋｏ 假設的彈性系數(shù)法進行徑流變化歸因對比分析，定量辨識氣候變化和人類活動對徑流變化的影響。結果表明：近６０ ａ 蔡旗站年徑流量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，并在１９７２ 年和２００２ 年發(fā)生突變；ＳＷＡＴ 模型與彈性系數(shù)法對徑流變化歸因分析結果基本一致，ＳＷＡＴ 模型分析結果表明，變化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年氣候變化對徑流變化的貢獻率分別為３２．１８％、４６．０９％，人類活動對徑流變化的貢獻率分別為－６７．８２％、－５３．９１％，而彈性系數(shù)法分析結果表明，兩個時期氣候變化對徑流變化的貢獻率分別為３０．８０％、４１．４４％，人類活動對徑流變化的貢獻率分別為－６９．２０％、－５８．５６％，相對于１９６０—１９７２ 年，１９７３—２０１９ 年石羊河流域徑流變化受人類活動的影響大于氣候變化的影響。人類活動是引起石羊河流域徑流變化的主要因素。

關鍵詞：氣候變化；人類活動；徑流；ＳＷＡＴ 模型；Ｂｕｄｙｋｏ；石羊河

中圖分類號： ＴＶ１２１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．００６

引用格式：李瑤，董增川，張城，等．基于ＳＷＡＴ 模型和Ｂｕｄｙｋｏ 假設的石羊河流域徑流變化歸因對比分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：３０－３５．

河川徑流不僅是水文循環(huán)的重要組成部分，而且是影響生態(tài)環(huán)境變化和社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。在氣候變化與人類活動影響下，流域水循環(huán)過程和水資源時空分布規(guī)律發(fā)生了明顯改變，社會經(jīng)濟用水格局逐步演化，加劇了河流水文特性的復雜性［１］ 。石羊河流域是西北干旱區(qū)重要的內(nèi)流河流域，《石羊河流域重點治理規(guī)劃》的實施，在緩解用水緊張、提高用水保證程度、改善流域生態(tài)環(huán)境方面取得了顯著成效，但受氣候變化和人類活動影響，仍面臨著水資源短缺、河湖生態(tài)功能萎縮、局部地下水位持續(xù)下降等問題。因此，研究變化環(huán)境下石羊河流域徑流演變規(guī)律及其驅動機制，對認識流域水文情勢以及探討流域水資源合理開發(fā)利用等具有重要意義。

目前，徑流演變歸因分析的方法主要有數(shù)理統(tǒng)計法［２］ 、水文模擬法［３］ 和彈性系數(shù)法［４］ 。其中：數(shù)理統(tǒng)計法主要利用回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡等數(shù)學方法或統(tǒng)計模型量化主要驅動因子對徑流變化的貢獻率，該方法計算簡單，要求長序列的水文數(shù)據(jù)；水文模擬法是基于流域水文模型或陸面過程模型定量分析各驅動因子對徑流變化的影響，該方法物理機制強，可在不同土地利用條件、多種氣候情景模式下進行模擬，分析精度較高；彈性系數(shù)法是依據(jù)Ｂｕｄｙｋｏ 假設和彈性系數(shù)概念，計算氣候變化和人類活動作用下徑流的變化量，該方法物理意義明確，參數(shù)易獲取且計算簡單。

近年來，許多學者對石羊河流域徑流變化進行了研究，研究多基于石羊河長期實測徑流資料，對徑流演變特征進行分析。在徑流變化歸因方面，薛東香［５］ 采用改進的雙累積曲線法進行研究，發(fā)現(xiàn)石羊河上游產(chǎn)流區(qū)徑流變化主要受氣候變化影響，中下游徑流變化主要受人類活動影響；賈飛飛等［６］ 采用累積量斜率變化率比較法進行研究，發(fā)現(xiàn)人類活動是黃羊河流域徑流變化的主導因素；陳忠升［７］ 采用基于Ｂｕｄｙｋｏ 假設的彈性系數(shù)法進行研究，發(fā)現(xiàn)石羊河中下游徑流減少的主要因素是人類活動。以往研究多從定性角度評價氣候變化和人類活動對徑流變化的影響，雖然也有一部分從定量角度進行分析，但研究方法主要集中于數(shù)理統(tǒng)計法和彈性系數(shù)法，運用基于物理機理的水文模擬法量化徑流變化貢獻率的研究還較少。因此，本文采用ＳＷＡＴ 模型和基于Ｂｕｄｙｋｏ 假設的彈性系數(shù)法進行徑流變化歸因對比分析，定量辨識氣候變化和人類活動對石羊河流域徑流變化的影響，以期為石羊河流域生態(tài)保護和治理規(guī)劃提供科學依據(jù)。

１ 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)和突變點分析

１．１ 研究區(qū)概況

石羊河流域地處東經(jīng)１０１° ４１′—１０４° １６′、北緯３６°２９′—３９°２７′之間，是甘肅省三大內(nèi)陸河流域之一，流域涉及武威、金昌、張掖和白銀四市的９ 個縣（區(qū)）。流域內(nèi)地勢南高北低，自西南向東北傾斜。石羊河發(fā)源于祁連山東沿線的冷龍嶺大雪山，河長３００ ｋｍ，流域面積４．１６ 萬ｋｍ２，其中產(chǎn)流面積１．１１ 萬ｋｍ２，多年平均徑流量１５．６０ 億ｍ３。石羊河水系由西大河、東大河、西營河、金塔河、雜木河、黃羊河、古浪河與大靖河等８ 條支流和眾多小溝河組成。

１．２ 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)有數(shù)字高程模型（ＤＥＭ）數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)。其中：ＤＥＭ 數(shù)據(jù)為ＳＲＴＭＧＬ１．００３ ３０ ｍ 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，來源于美國地質調(diào)查局（ＵＳＧＳ）；土地利用數(shù)據(jù)為１９８０ 年甘肅省土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，分辨率為１ ｋｍ，來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心；土壤數(shù)據(jù)采用世界土壤數(shù)據(jù)庫（ＨＷＳＤ Ｖ１．１），分辨率為１ ｋｍ，來源于國家冰川凍土沙漠科學數(shù)據(jù)中心；氣象數(shù)據(jù)為研究區(qū)及周邊地區(qū)１１ 個氣象站１９６０—２０１９年逐日降水、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時數(shù)、相對濕度和平均風速等，來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；水文數(shù)據(jù)為蔡旗水文站１９６０—２０１９ 年日徑流數(shù)據(jù)，來源于內(nèi)陸河水文年鑒。水文站與氣象站分布如圖１所示。

１．３ 突變點識別

蔡旗站年徑流量變化過程如圖２ 所示。由圖２ 可知，年徑流量在２００２ 年前后發(fā)生明顯變化，總體呈先減小后增大趨勢，多年平均徑流量為２．７３ 億ｍ３，最大值出現(xiàn)在１９６７ 年，為５．９６ 億ｍ３，最小值出現(xiàn)在２００２ 年，為０．８５ 億ｍ３。由５ ａ 滑動平均曲線可知，蔡旗站徑流量呈減少（１９６４—１９６６ 年）—增加（１９６７—１９７１ 年）—減少（１９７２—２００２ 年）—增加（２００３—２０１９ 年）的變化趨勢。通過時間序列離散度計算，蔡旗站年徑流量的變差系數(shù)ＣＶ值為０．４７，徑流年際間波動較為劇烈。

采用Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 檢驗（Ｍ－Ｋ 檢驗）［８］ 和Ｐｅｔｔｉｔｔ突變檢驗［９］ 結合的方法對徑流序列進行突變性分析，確定突變點。徑流突變檢驗結果如圖３ 所示，蔡旗站Ｍ－ Ｋ 統(tǒng)計量序列曲線交點發(fā)生在１９７２ 年， 另有１９７４—２０１９ 年ＵＦ 曲線超過置信區(qū)間，是可能發(fā)生突變的區(qū)域；經(jīng)過Ｐｅｔｔｉｔｔ 突變點識別，突變點可能發(fā)生的年份為１９７２ 年，統(tǒng)計量為５５８，置信水平ｐ ＝ １．３５６×１０－５＜０．０５，通過了置信水平為０．０５ 的顯著性檢驗。結合圖２ 可知２００２ 年是較明確的突變點，且在Ｍ－Ｋ 檢驗可能發(fā)生突變的區(qū)域，因此可以認為蔡旗站年徑流量的突變點為１９７２ 年和２００２ 年。

２ 徑流變化歸因分析

２．１ ＳＷＡＴ 模型歸因分析

１）ＳＷＡＴ 建模與評價。ＳＷＡＴ 模型是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心（ＵＳＤＡ－ＡＲＳ）開發(fā)的基于長時段、適用于較大流域尺度的分布式水文模型［１０］ ，可以同時考慮地形、土地利用、土壤、氣象等對水文過程的影響，被廣泛應用于流域水文過程模擬以及流域在氣候和土地利用變化下的水文響應等。

基于石羊河流域ＤＥＭ 數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等，通過土壤水文特性軟件、ＳＷＡＴ?Ｗｅａｔｈｅｒ 等構建模型的土地利用、土壤、氣象數(shù)據(jù)庫，劃分子流域和水文響應單元，建立流域ＳＷＡＴ 水文模型，最終將流域劃分為４７ 個子流域和３２７ 個水文響應單元。建模結果如圖４ 所示。

采用ＳＷＡＴ 模型對流域１９６０—１９７２ 年徑流量進行月尺度模擬。設置１９６０ 年為模型預熱期，１９６１—１９６７ 年為率定期，１９６８—１９７２ 年為驗證期。采用ＳＷＡＴ－ＣＵＰ 軟件的ＳＵＦＩ２ 算法對模型進行率定和驗證，通過ｔ－Ｓｔａｔ 和Ｐ－Ｖａｌｕｅ 兩個指標判別參數(shù)的敏感性，敏感參數(shù)及率定結果見表１。徑流主要受河道深層地下水損失率、地下水蒸發(fā)系數(shù)、地下水滯后系數(shù)、降雪氣溫、側向流移動時間、土壤有效含水率等參數(shù)影響。

采用決定系數(shù)（Ｒ２ ） 和Ｎａｓｈ－Ｓｕｔｃｌｉｆｆｅ 效率系數(shù)（ＮＳＥ）對計算結果進行精度分析，綜合評價ＳＷＡＴ 模型的模擬效果，一般認為，當Ｒ２ 與ＮＳＥ 均大于０．５ 時模型模擬結果可接受［１１］ 。由表２ 可知，率定期和驗證期的Ｒ２和ＮＳＥ 均大于０．８，表明ＳＷＡＴ 模型能夠較好地模擬石羊河流域的徑流過程。

率定期和驗證期的月均流量模擬值與實測值對比及其相關關系如圖５ 和圖６ 所示，可以直觀看出ＳＷＡＴ 模型在率定期和驗證期月徑流模擬結果與實測徑流過程吻合較好。

２）貢獻率分析。運用ＳＷＡＴ 模型［１２］ 定量評估氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻率。具體步驟：利用基準期（１９６０—１９７２ 年）的氣象、水文和土地利用等數(shù)據(jù)率定水文模型參數(shù)，將變化期（１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年）的氣象數(shù)據(jù)輸入模型中還原出天然徑流量Ｒｓｉｍ，并計算氣候變化導致的徑流變化量ΔＲＣ 和人類活動導致的徑流變化量ΔＲω，利用突變前后徑流總變化量ΔＲ，分別計算二者的貢獻率ηＣ、ηω。具體計算公式如下：

以徑流量突變前的１９６０—１９７２ 年為基準期，突變后的１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年為變化期。由表４可知，變化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年年均降水量相對基準期分別增加５５．２１、９５．０３ ｍｍ，年均徑流深相對基準期分別減少２３．０５、１８．２７ ｍｍ，年均潛在蒸散發(fā)量相對基準期分別增加９．１７、５５．２２ ｍｍ。變化期的徑流系數(shù)（Ｒ ／ Ｐ）、干旱指數(shù)（ＥＴ０ ／ Ｐ）均小于基準期的，而下墊面參數(shù)絕對值較基準期明顯增大。

根據(jù)式（１２） ～式（１４）計算得到徑流的降水量、潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)彈性系數(shù)，徑流對降水量的彈性系數(shù)為正值，而對潛在蒸散發(fā)量和下墊面參數(shù)的彈性系數(shù)為負值，表示降水量增加將導致徑流量增大，潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)的增大則會導致徑流量減小。變化期相對基準期，各項關于徑流變化彈性系數(shù)絕對值均增大，徑流變化對各因子敏感性：下墊面參數(shù)＞降水量＞潛在蒸散發(fā)量。

由式（１６）計算徑流變化貢獻率，結果見表５。降水量和潛在蒸散發(fā)量對徑流變化的貢獻率之和是氣候變化對徑流變化的貢獻率，人類活動對徑流變化的貢獻率主要由下墊面參數(shù)來反映。降水對徑流變化的貢獻率為正值，潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)的貢獻率為負值。下墊面參數(shù)對徑流影響最大。相對于１９６０—１９７２ 年，１９７３—２０１９ 年人類活動對石羊河流域徑流變化影響大于氣候變化的影響，其中１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年２ 個時期氣候變化對徑流變化的貢獻率分別為３０．８０％、４１．４４％，人類活動對徑流變化的貢獻率分別為－６９．２０％、－５８．５６％。

２．３ ＳＷＡＴ 模型與Ｂｕｄｙｋｏ 假設歸因對比分析

ＳＷＡＴ 模型徑流變化歸因分析結果表明，變化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年氣候變化對徑流變化的貢獻率分別為３２．１８％、４６．０９％，人類活動對徑流變化的貢獻率分別為－６７．８２％、－５３．９１％，而彈性系數(shù)法結果表明，兩個時期氣候變化對徑流變化的貢獻率分別為３０．８０％、４１．４４％，人類活動對徑流變化的貢獻率分別為－６９．２０％、－５８．５６％。對比發(fā)現(xiàn)，兩種方法所得徑流變化歸因分析結果基本一致，相對于１９６０—１９７２年，１９７３—２０１９ 年石羊河流域徑流變化受人類活動的影響大于氣候變化的影響。與彈性系數(shù)法相比，ＳＷＡＴ 模型物理機制強，分析精度更高，能夠對水文變量及其演變規(guī)律進行準確的描述，可進一步采用ＳＷＡＴ 模型對石羊河流域未來徑流進行預測。

３ 結論

１）石羊河流域年徑流量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且在１９７２ 年和２００２ 年發(fā)生突變。

２）ＳＷＡＴ 模型與基于Ｂｕｄｙｋｏ 假設的彈性系數(shù)法徑流變化歸因分析結果基本一致，ＳＷＡＴ 模型分析結果表明，變化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年氣候變化對徑流變化的貢獻率分別為３２．１８％、４６．０９％，人類活動對徑流變化的貢獻率分別為－６７．８２％、－５３．９１％，而彈性系數(shù)法結果表明，兩個時期氣候變化對徑流變化的貢獻率分別為３０．８０％、４１．４４％，人類活動對徑流變化的貢獻率分別為－６９．２０％、－５８．５６％。相對于１９６０—１９７２ 年，１９７３—２０１９ 年石羊河流域徑流變化受人類活動的影響大于氣候變化的影響，人類活動是影響石羊河流域徑流變化的主要因素。

３）人類活動是導致石羊河流域徑流減少的主要原因，科學合理地規(guī)劃、開發(fā)、利用水資源對緩解石羊河流域水資源短缺、改善流域生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

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【責任編輯 張 帥】