變化環(huán)境下渭河流域水文干旱演變特征剖析

任立良，沈鴻仁，袁飛，等

摘要：目的：氣候變化和人類活動不僅是影響水文循環(huán)過程、驅(qū)動水資源演變的兩大因素，也是區(qū)域干旱發(fā)生演變的重要驅(qū)動力。環(huán)境變化導致水文過程出現(xiàn)非平穩(wěn)特征，樣本同分布及時間序列平穩(wěn)性的假設不再成立，致使傳統(tǒng)干旱評估方法結果受到質(zhì)疑。本文以渭河流域為研究區(qū)，采用可變下滲容量（variable infiltration capacity，VIC）模型定量估算環(huán)境變化引起的徑流響應，并提出適應于非平穩(wěn)條件下的水文干旱評估方法，據(jù)此剖析渭河流域水文干旱時空演變特性，評價環(huán)境變化對干旱發(fā)生演變的影響作用。方法：應用多種變異檢測方法，綜合分析渭河流域水文氣象要素變異性，揭示非平穩(wěn)水文過程事實。依據(jù)徑流變異診斷結果，將研究期劃分為受人類活動干擾較弱的基準期和人類活動影響較強的變化期，采用VIC模型重建變化期天然徑流序列，并對渭河流域徑流衰減進行歸因分析。針對非平穩(wěn)水文干旱評估，提出基于標準化徑流指數(shù)（standardized precipitation index，SPI）的多種參數(shù)化方案，包括（1）傳統(tǒng)的時不變參數(shù)方案，計算 SRIi序列；（2）時變參數(shù)方案，計算基準期SRIb和變化期SRIh（合并得到SRIv）序列；（3）移植參數(shù)方案，計算變化期SRIt序列；（4）基于VIC重建徑流計算變化期SRIr序列。通過多種參數(shù)化方案結果對比評定 SRIv對非平穩(wěn)干旱評估的適應性，驗證變化期徑流序列非平穩(wěn)事實，并基于實測降水系列計算標準化降水指數(shù)SPI，輔助驗證SRI合理性。SRIh為實際旱澇序列，刻畫了氣候變化和人類活動對旱澇的共同影響作用，SRIr表征單一氣候因素對旱澇的影響。假定氣候變化和人類活動對干旱的影響是獨立的，采用SRIh與SRIr之差值（SRIh－r）表征人類活動對干旱的影響。結果：（1）渭河流域年降水量、咸陽及華縣站年徑流量均呈總體下降趨勢，氣候傾向率分別為－14.0 mm/10 a、－7.80億m3/10 a和－10.20億 m3/10 a；年最高、平均、最低氣溫和潛在蒸散發(fā)量均呈上升趨勢，氣候傾向率分別為0.32℃/10 a、0.29℃/10 a、0.32℃/10 a和11.9 mm/10 a。MK檢驗、Pettitt突變點檢測及降水與徑流雙累積曲線均一致表明：咸陽和華縣水文站年徑流量均呈顯著減小趨勢且在 1990年出現(xiàn)突變。因此，選取 1961—1990年為基準期，1991—2013年為變化期。（2）應用VIC模型對渭河流域徑流衰減進行歸因分析，發(fā)現(xiàn)人類活動是引起 1991年以來渭河流域徑流量衰減的主要因素，咸陽和華縣站由人類活動引起的徑流變化量分別為－16.1億 m3和－23.1億 m3，對總徑流下降的貢獻率分別為－66.7%和－71.0%。社會發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水需求增長是引起徑流下降的主要原因。（3）對比評定SRI多參數(shù)化方案結果表征非平穩(wěn)水文干旱的合理性，發(fā)現(xiàn)基于時變參數(shù)方案計算的SRIv能合理重建歷史水文干旱序列，準確識別1962年、1969年、1971—1972年、1982年、1986年、1994—1995年、1997年、1999年、2002年和 2011年等歷史干旱記錄年份，并具備穩(wěn)健的標準化干旱指數(shù)統(tǒng)計特性。對比分析SPI與SRIv，顯示氣象干旱傳播至水文干旱存在滯后、衰減的特點。（4）基于SRIv評估渭河流域水文干旱時空演變特性，發(fā)現(xiàn)渭河流域存在年代際尺度的旱澇交替現(xiàn)象，其中，20世紀70、90年代呈現(xiàn)全流域干旱頻發(fā)的特征。分析氣候變化和人類活動對干旱的影響作用，發(fā)現(xiàn)二者均是影響變化期旱澇演化的重要因素，其中人類活動是短歷時水文干旱發(fā)生的主導因素，氣候變化主要影響長歷時旱澇的演變趨勢。結論：渭河流域1961—2013年徑流量總體呈顯著減小的趨勢，且在 1990年發(fā)生顯著性突變?；赩IC模型的徑流衰減歸因分析進一步表明：人類活動是導致渭河流域徑流量衰減的主要原因，其貢獻率為－66.7%～－71.0%。多種SRI參數(shù)化方案 對比評定結果表明：SRIv能夠較準確識別歷史干旱過程，并且具有更穩(wěn)健的統(tǒng)計特性，更適應于非平穩(wěn)條件下的干旱評估。渭河流域存在年代際尺度旱澇交替的演變特征，對于短歷時干旱過程，人類活動是主導因素，而氣候變化主要影響長歷時旱澇演變趨勢。

來源出版物：水科學進展, 2016, 27(4): 492-500

入選年份：2016