劉引鴿，龍 顏，鄭潤禾，周歡歡，黃 雪，胡浩楠

(寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013)

1 研究背景

水文循環(huán)是地球上重要的物質(zhì)能量循環(huán)，其過程不僅與周圍自然地理環(huán)境相關(guān)，人類施加的外力因素也會使其發(fā)生變化。據(jù)IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)評估報告，地表溫度受氣候變化的影響在19世紀(jì)末至21世紀(jì)初呈上升狀態(tài)，20世紀(jì)50年代后更是加劇升溫[1]。在全球氣候發(fā)生了明顯變化的背景下，各氣候要素也隨之變化。發(fā)生變化的氣候要素與不斷進(jìn)行的人類活動在一定程度上改變了水資源的時空分布格局。因此，探討氣候變化及其水文效應(yīng)成為當(dāng)前的研究熱點之一。有學(xué)者研究了氣候變化背景下冰川的變化[2]、流域氣溫和蒸散的變化[3]以及區(qū)域氣溫小于0℃的首日氣候特征[4]，使用多個水平衡模型研究人為作用和氣候變化對流域水資源可利用性的潛在影響[5]，開發(fā)了新的氣候模式來分析氣候在未來的變化及其與水資源的關(guān)系[6]。20世紀(jì)末，我國逐漸展開相關(guān)水文研究，結(jié)合氣候變化分析水文變化特征[7]，國內(nèi)學(xué)者針對不同地區(qū)區(qū)域徑流量對氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行研究，如渭河[8-10]、黃河[11-13]、淮河[14]、東江[15]等流域，這些研究主要注重單氣候要素對徑流量的影響，而關(guān)于多氣候要素結(jié)合對徑流量影響的研究較少。

研究氣候環(huán)境變化下的水文水資源變化情況有助于制定更加有效的水資源管理策略，科學(xué)規(guī)劃、合理利用水資源[16]。渭河流域是全國最重要的河流流域之一，對氣候變化的響應(yīng)明顯，同時也是重要的水資源供給區(qū)，關(guān)系著流域內(nèi)人民的日常生活和社會活動。鑒于渭河流域的重要地位，一直以來對渭河流域的相關(guān)研究也從未中斷，尤其是氣候變化與水文循環(huán)的關(guān)系一直在研究探索中。本文以渭河上游為研究區(qū)，根據(jù)所選取氣象站點的氣溫、降水量、風(fēng)速、日照時間、蒸發(fā)等數(shù)據(jù)，以及水文站點的徑流數(shù)據(jù)，分析各氣候要素和水文要素的時空變化規(guī)律及其相關(guān)關(guān)系，探討在人類活動程度不同的區(qū)域氣候變化和人類活動對徑流的影響，這些研究對區(qū)域水資源利用以及環(huán)境管理有重要意義。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

位于中國內(nèi)陸的渭河具有重要的地理意義，流域以林家村為上游和中游的分界。近幾十年來氣候變化對流域地表水資源影響極大，同時引起氣候水文事件頻繁發(fā)生[16-18]，對流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了重大影響。

本文選取渭河流域上游時間序列較為完整、分布均勻且比較典型的25個氣象站，整理各站與水文循環(huán)關(guān)系最為密切的氣溫、降水量、風(fēng)速、日照時間和蒸發(fā)等氣候要素1960-2017年的日數(shù)據(jù)，選取位于干流不同河段，自然環(huán)境和人類活動水平均有所差異的林家村、北道、武山以及渭源站4個典型水文站，收集其1960-2010年的徑流數(shù)據(jù)(其中武山、渭源站徑流數(shù)據(jù)到2005年為止)，分析渭河上游近60年氣候變化及徑流量的時空變化特征，以及自然氣候變化和人類活動對水文徑流量的影響程度。渭河上游流域及選取的氣象站和水文站分布情況如圖1所示。

圖1 渭河上游流域及選取的氣象站和水文站分布

2.2 研究方法

采用最小二乘法計算氣候要素及水文要素的趨勢率，分析其時空變化特征，分別用小波和Mann-Kendall檢驗法分析周期及突變特征，通過計算水文要素與氣候要素的相關(guān)系數(shù)分析相關(guān)關(guān)系。利用雙累積曲線法對影響徑流量的自然及人為因素進(jìn)行貢獻(xiàn)率分析。

雙累積曲線法的原理是以降水量和徑流量為變量做雙累積曲線，將曲線斜率發(fā)生明顯變化的年份作為突變年，第1個突變年以前定為基準(zhǔn)期，也認(rèn)為是無人類活動影響的自然狀態(tài)的徑流量變化，再通過累積降水量-徑流量的擬合關(guān)系式估算徑流量，突變后的實際徑流量減去估算徑流量即為徑流量受到人類活動影響的變化量，突變后估算徑流量減去基準(zhǔn)期徑流量即為徑流量受到氣候變化影響的變化量[19-20]。相關(guān)公式如下：

ΔR=Rs-Rb

(1)

(2)

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 氣候要素的時空變化特征

圖2、3分別為渭河上游各氣象要素的年際、季節(jié)變化特征。由圖2可知，除年均氣溫以0.29 ℃/10a的速率上升，其他氣候要素的年際變化都表現(xiàn)為下降，年降水量、風(fēng)速、日照時間、蒸發(fā)趨勢率分別為-14.36 mm/10a、-0.05 (m·s-1)/10a、-19.91 h/10a、-4.64 mm/10a。

圖2 1960-2017年渭河上游各氣象要素年際變化

由圖3可知，全年各季節(jié)均處于升溫趨勢，升溫速率在冬季最大，為0.34 ℃/10a；降水量在春、冬季以0.04、0.73 mm/10a速率增加，夏、秋季以-4.89、-8.65 mm/10a速率減少；全年各季節(jié)風(fēng)速均有所下降，春季達(dá)-0.09 (m·s-1)/10a，其他季節(jié)均在-0.04 (m·s-1)/10a左右；日照時間在春季呈上升趨勢，趨勢率為4.43 h/10a，夏、秋、冬季分別以-8.32、-6.01、-8.97 h/10a的速率下降。春季蒸發(fā)趨勢率為3.91 mm/10a，夏、秋、冬季都均有所減少，減少速率分別為-2.46、-3.94、-2.15 mm/10a。

圖3 1960-2017年渭河上游各氣象要素季節(jié)變化

年代變化上，氣溫呈現(xiàn)20世紀(jì)60至70年代有所降低、80年代后整體顯著升高的特點。降水量在20世紀(jì)60至70年代先減少后上升，80年代后的近40年內(nèi)出現(xiàn)幾次較為明顯的增長，整體波動下降。風(fēng)速、日照時間、蒸發(fā)在20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)后總體均呈現(xiàn)下降、上升、下降的趨勢。

采用ArcGIS插值給出各氣象要素線性趨勢率空間分布，如圖4所示。由圖4可以看出，1960-2017年渭河上游整個區(qū)域年均氣溫均為增加趨勢，但有區(qū)域差異，其中會寧、安定及甘谷、西和一帶增溫速率快，會寧增溫速率最大，為0.48 ℃/10a，華亭增溫速率最小，為0.14 ℃/10a，區(qū)域北部與南部增溫較快。整個區(qū)域降水量則呈減少趨勢，東部地區(qū)降水量減小速率大于西部，岷縣降水量減少速率最大，為-33.6 mm/10a，榆中減少最小，為-3.68 mm/10a。西部的漳縣、岷縣及榆中、安定一帶風(fēng)速呈增大趨勢，榆中的風(fēng)速增大趨勢最大，為0.16(m·s-1)/10a，東部區(qū)域風(fēng)速呈減小趨勢，趨勢率最小值(最大減小速率)出現(xiàn)在張家川，為-0.38 (m·s-1)/10a。除西和、清水的日照時間為上升趨勢外(西和變化趨勢率達(dá)到最大值，為28.2 h/10a)，其他區(qū)域的日照時間均為減少趨勢，六盤山減小速率最大，為-58.7 h/10a。蒸發(fā)量空間變化分布不均，甘谷上升速率最大，為50.85 mm/10a，其余大部分地區(qū)以下降趨勢為主，隆德出現(xiàn)最大的減小趨勢，為-69.53 mm/10a。整體而言，該區(qū)域的西北部降水量、風(fēng)速增大，東部減小，蒸發(fā)量及日照時間為南部增加，北部減少。這種變化與地理環(huán)境、人類活動及氣象要素的相互影響相關(guān)。

圖4 1960-2017年渭河上游25個氣象站點各氣候要素趨勢率空間分布

1960-2017年渭河上游各氣象要素小波變換實部圖如圖5所示。由圖5可以看出，2～6、14～22、25～30 a為渭河上游地區(qū)年平均氣溫的周期，其中第一、第二主周期分別為22、6 a；年降水量的多個周期為2～6、8～12、14～17、18～24 a，其中20 a為主周期；年平均風(fēng)速的變化呈現(xiàn)10～14、16～21、23～30 a周期特征，20 a時間尺度為主周期；年平均日照時間以2～8、10～15、20～30 a為周期，主周期為25 a；年蒸發(fā)量存在5～13、17～24、25～30 a周期特征，主周期為20 a?？傮w上各氣候要素變化主周期均在20～30 a的時間尺度內(nèi)。

圖5 1960-2017年渭河上游各氣象要素小波變換實部圖

氣候要素年季變化的M-K突變檢驗結(jié)果(圖略)表明，渭河上游年平均氣溫的突變年份為1996年，春、夏、秋、冬季分別在2002、2001、1995、1995年突變；年降水量突變點為1970年，季節(jié)突變不明顯；2000年為年平均風(fēng)速突變的時間點，1979、1999、1995年分別為夏、秋、冬季的突變時間點；年平均日照時間突變點為2008年，2002年夏季也發(fā)生了突變；年蒸發(fā)量沒有出現(xiàn)較為明顯的突變，春季突變點為1983年?？傮w上，20世紀(jì)末至21世紀(jì)初是除降水量以外的各氣候要素發(fā)生突變的時間段。

3.2 氣候變化對徑流量的影響

3.2.1 徑流量變化 徑流是水文循環(huán)的主要要素之一，徑流量變化對氣候要素有一定響應(yīng)。圖6為研究期林家村、北道、武山、渭源4個水文站徑流量年際變化和年代際變化趨勢。由圖6可知，渭河上游4個水文站的徑流量均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，林家村、北道、武山、渭源站徑流量變化速率分別為-5.074×108、-2.895×108、-1.201×108、-0.033×108m3/10a。北道和武山站徑流量在1960-2017年內(nèi)的年代變化均表現(xiàn)出20世紀(jì)60至70年代增加、80至90年代顯著減少，21世紀(jì)后有所增加的特點。林家村站徑流量變化與北道、武山站在21世紀(jì)前徑流量變化趨勢相同，21世紀(jì)后林家村仍表現(xiàn)為微弱下降。渭源站在20世紀(jì)60、70、80、90年代及21世紀(jì)后的徑流量變化分別為減少、增加、增加、減少、增加。4個水文站的徑流量由大到小依次為林家村站、北道站、武山站、渭源站，也是由于各站所處不同的河段位置所造成的。

圖6 研究期4個水文站徑流量年際變化和年代際變化趨勢

3.2.2 徑流量與各氣候要素的相關(guān)關(guān)系 通過計算4個站點的徑流與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)，表明均具有一致的相關(guān)性。以林家村水文站為例，其徑流量與各氣候要素的相關(guān)系數(shù)及相關(guān)關(guān)系曲線分別見表1和圖7。由表1可知，對徑流量而言，降水量的影響較為明顯，與其呈顯著正相關(guān)；風(fēng)速與其相關(guān)系數(shù)較低，關(guān)系不明顯；氣溫和蒸發(fā)的影響也較為明顯，與其有較高的相關(guān)系數(shù)，呈顯著負(fù)相關(guān)。與降水量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系的氣候要素為日照時間和蒸發(fā)量，除降水量以外的其他氣候要素均與蒸發(fā)量呈正相關(guān)。各相關(guān)關(guān)系均通過0.05顯著性檢驗。由圖7可知，徑流量隨氣溫、日照時間、蒸發(fā)量的增加以及降水量的減少而減少。

表1 林家村站徑流量與各氣候要素的相關(guān)系數(shù)

根據(jù)徑流量與這些氣象要素的線性關(guān)系可估算出，降水量每增加1 0 mm，徑流量將增加0.61×108m3，氣溫每升高0.1℃，徑流量將減少1.09×108m3，蒸發(fā)量每減少10 mm、日照時間每減少1 h，徑流量分別增加0.53×108、0.03×108m3。

由此可見，徑流量變化受到氣溫、蒸發(fā)量和降水量的影響程度較大，徑流量減少與氣溫和蒸發(fā)量的增加以及降水量的減少有關(guān)。

蒸發(fā)量在時間變化上并沒有隨著氣溫的升高而呈現(xiàn)增加趨勢，而是為減少趨勢，這可能是因為雖然氣溫升高有利于蒸發(fā)量增大，但風(fēng)速、日照時間的減少使蒸發(fā)量減少，綜合作用結(jié)果使渭河上游的蒸發(fā)量為減少趨勢。

3.2.3 自然和人為因素對徑流量的影響 自然地理環(huán)境的變化與近些年來增加的人為因素都在進(jìn)一步干涉水文循環(huán)過程。為了更加了解流域內(nèi)的水資源現(xiàn)狀，對徑流量變化影響因子的定量分析是有必要的。由于各水文站所代表的不同區(qū)域內(nèi)的自然因素即氣候變化以及人為因素即人類活動的水平不同，對徑流量變化的貢獻(xiàn)率也因此產(chǎn)生差異，可利用雙累積曲線法進(jìn)行具體分析，圖8為降水量與各水文站徑流量的雙累積曲線。

圖7 徑流量與各氣候要素相關(guān)關(guān)系曲線

由圖8可知，1970和1993年各站徑流量和降水量的雙累積曲線斜率均發(fā)生了明顯的變化，并且在各分段內(nèi)累積徑流量和累積降水量的線性相關(guān)程度均大于0.99，通過顯著性檢驗，可以確定徑流量的突變點為1970和1993年，第1個突變點之前即1960-1969年為基準(zhǔn)期(即假定為無人類影響時期)，并將基準(zhǔn)期之后的時間段劃分為1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2010年，分析不同研究時間段內(nèi)徑流量受到自然和人為因素影響的程度大小。

圖8 降水量與各水文站徑流量的雙累積曲線

首先估算出林家村、北道、武山、渭源站在基準(zhǔn)期的徑流量分別為31.47×108、17.97×108、7.35×108、0.27×108m3，依據(jù)各站累積降水量和累積徑流量的擬合公式及各站在突變期徑流量的總變化量，估算徑流量發(fā)生突變后的變化總量及氣候變化和人類活動造成的影響量和貢獻(xiàn)率，結(jié)果見表2、3。

表2 不同年代各水文站徑流量總變化量及氣候變化和人類活動的影響量 108 m3

由表3可以看出，由于20世紀(jì)80年代渭河流域雨水較多，降水量對徑流量減少的作用較小，同時區(qū)域徑流量因土地利用結(jié)構(gòu)等受人類活動作用發(fā)生改變而加劇減少，人類活動作用于徑流量的程度較高，達(dá)到77.6%～94.5%。20世紀(jì)90年代，徑流量隨著該時期降水量的減少發(fā)生變化，氣候變化對徑流量減少的貢獻(xiàn)率有所上升，在23.58%～42.53%之間，人類活動貢獻(xiàn)率有所減小。到21世紀(jì)，高速發(fā)展的社會經(jīng)濟(jì)和逐漸頻繁的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增強(qiáng)了人類活動，對徑流量減少的作用更加明顯。在4個水文站中，林家村站和北道站位于渭河干流的下游河段，地勢相對平緩，居民更加密集，人類活動也更加頻繁，導(dǎo)致人類活動對徑流量的影響更加顯著。武山站和渭源站位于干流上游及源頭區(qū)域，周邊地勢較高，人類的活動強(qiáng)度相對低于林家村站和北道站，因此在影響徑流量變化的程度上，人類活動的作用程度較低，氣候變化的作用程度則在各時段均大于林家村站和北道站，氣候變化貢獻(xiàn)率最高超過了40%，說明武山和渭源所處區(qū)域自然氣候影響更加明顯?？傮w上，人類活動的貢獻(xiàn)率在干流區(qū)域的下游達(dá)75%以上，在上游區(qū)域為57%以上，自然氣候?qū)搅髁坑绊懴鄳?yīng)的貢獻(xiàn)率分別為25%及43%以下。在降水量異常減少年代，氣候變化對徑流量的影響增大。

表3 不同年代氣候變化和人類活動對各水文站徑流量變化的貢獻(xiàn)率 %

從自然和人為因素在不同年代的貢獻(xiàn)率水平差異及變化情況可以看出，20世紀(jì)70至80年代，渭河流域降水較多，對徑流量減少的作用也較小，到90年代，渭河流域降水量減少，而蒸發(fā)量增加以及氣溫升高的程度顯著大于其他年代，徑流量受氣候變化的影響程度因此增加。同時，土地、植被等下墊面的狀態(tài)由于人類活動而發(fā)生改變，進(jìn)一步作用于徑流量。對比4個水文站的人類活動和氣候變化對徑流量減少貢獻(xiàn)率的差異可以看出，不同的地理位置造成不同的自然環(huán)境，同時人類的生產(chǎn)、生活活動也會受到自然條件的影響而呈現(xiàn)不同的強(qiáng)度。因此，在不同區(qū)域，徑流量變化受到自然環(huán)境和人類活動的影響程度也出現(xiàn)差異，導(dǎo)致不同的貢獻(xiàn)率。在林家村、北道、武山、渭源4個水文站中，渭源站與另外3站差異較明顯，特別是在20世紀(jì)70至90年代，氣候變化的貢獻(xiàn)率明顯高于其他3站，21世紀(jì)后渭源站徑流量減少的人類活動貢獻(xiàn)率雖然明顯上升，但仍在4站中最低，這與渭源所處渭河源頭的地理位置及其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有關(guān)。

4 結(jié) 論

(1)渭河流域上游年和四季平均氣溫均呈上升趨勢；年降水量和夏、秋季降水量減少，春、冬季上升；風(fēng)速在年和四季變化上均呈下降趨勢；年平均日照時間減少，春季上升，其他季節(jié)減少；蒸發(fā)量在春季上升，其他季節(jié)和年平均蒸發(fā)量減少。各氣候要素均表現(xiàn)出多個周期特征，其中主周期均為20～30 a時間尺度，突變時間則集中在20世紀(jì)末至21世紀(jì)初。氣候要素空間變化區(qū)域有差異。

(2)結(jié)合各站徑流量的變化情況，可以看出在年代變化上，4個水文站整體分別在20世紀(jì)60和70年代均有增加，但總量在減少，隨后80、90年代顯著下降，21世紀(jì)后有所增加，但總量小于60、70年代，近60年內(nèi)徑流量整體減少。各氣候要素與徑流量的相關(guān)關(guān)系中，氣溫、日照時間和蒸發(fā)量與徑流量為負(fù)相關(guān)，降水量與其為正相關(guān)。且降水量每增加10 mm，徑流量將增加0.61×108m3；氣溫每升高0.1 ℃，徑流量將減少1.09×108m3，蒸發(fā)量每減少10 mm、日照時間每減少1 h，徑流量分別增加0.53×108、0.03×108m3。

(3)由于不同年代具有不同的氣候特征和人類活動水平，因此對徑流量的作用水平也不同。氣候變化貢獻(xiàn)率在干流區(qū)域林家村、北道站為5%～25%，在武山和渭源站為11%～43%之間。20世紀(jì)70至80年代渭河上游徑流量減少受自然因素作用較小，90年代后降水量異常減少、氣溫和蒸發(fā)量增加使氣候因素對徑流量變化的作用加劇。21世紀(jì)后，人為作用顯著。自然環(huán)境和人類活動強(qiáng)度的差異會造成不同的貢獻(xiàn)率水平，但徑流量的變化仍以人類活動影響為主，說明減少人類活動對徑流量的影響是水資源管理的重要措施。