田慶斌 王海彬 劉家宏 嚴(yán)建功

摘 要：以青海湖盆地沙柳河流域?yàn)檠芯繉ο?，利用Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔ?公式探究流域潛在蒸散發(fā)量ＥＴ０ 時(shí)空變化特征，運(yùn)用Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 及Ｐｅｔｔｉｔｔ 檢驗(yàn)法檢驗(yàn)沙柳河流域１９６９—２０２０ 年徑流變化趨勢及突變特征，基于水熱耦合平衡理論分析量化各因素對徑流變化的貢獻(xiàn)。１９６９—２０２０ 年沙柳河流域潛在蒸散發(fā)量呈下降趨勢，平均下降速率為４．８ ｍｍ／１０ ａ。突變檢驗(yàn)識別徑流在２００４ 年存在突變點(diǎn)（２００４ 年之前徑流減少，之后顯著增加）?；诹饔蛩疅狁詈掀胶夥匠痰膹搅髯兓瘡椥苑治霰砻?，研究期內(nèi)年降水量、潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)分別增大１０％時(shí)，年徑流量增加１４．４％、減少４．４％、減少８．８％。徑流變化歸因分析結(jié)果顯示，氣候變化和人類活動(dòng)對沙柳河流域徑流量減少的貢獻(xiàn)率分別為７０．４％和２９．６％，氣候變化是導(dǎo)致沙柳河流域徑流量增加的主要原因，且降水是影響徑流量變化的主要因素。

關(guān)鍵詞：水熱耦合平衡理論；歸因分析；沙柳河流域；青海湖盆地

中圖分類號：ＴＶ１２２文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．００５

引用格式：田慶斌，王海彬，劉家宏，等．沙柳河流域１９６９—２０２０ 年徑流變化及歸因分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：２２－２７，６９．

０ 引言

河川徑流是陸地水循環(huán)中至關(guān)重要的組成部分，也是地球關(guān)鍵帶重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容［１］ 。自２０ 世紀(jì)以來，在全球氣候日趨變暖和人類活動(dòng)加劇的大背景下，流域水文循環(huán)過程發(fā)生顯著性改變，尤其是敏感地區(qū)及生態(tài)脆弱地帶，氣候變化極易引起地表徑流劇烈波動(dòng)，使流域水安全及生態(tài)問題日益嚴(yán)峻。對歷史徑流過程進(jìn)行充分的量化和評估，明確氣候變化及人類活動(dòng)對徑流變化的影響程度，可有效揭示氣象、氣候和土地利用因素對徑流的影響方式，以應(yīng)對未來水資源供應(yīng)不確定性，為流域水資源規(guī)劃與管理提供理論支持［２］ 。

根據(jù)對河川徑流水文過程描述的詳細(xì)程度，常用的研究方法有統(tǒng)計(jì)分析法、機(jī)器學(xué)習(xí)法、水文模型法、彈性系數(shù)法等［３］ 。方健梅等［４］ 運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)合線性回歸的方法，比較和量化了多時(shí)間尺度下青海湖流域降水和氣溫對徑流變化的影響。黃曉榮等［５］運(yùn)用雙累積曲線法分離人類活動(dòng)與氣候變化對水文過程的影響，研究滎經(jīng)河流域徑流變化過程及影響因素。統(tǒng)計(jì)分析方法計(jì)算簡單，但是使用條件較為苛刻，必須滿足徑流和影響因子具有較高的相關(guān)性，并且物理意義缺失。水文模型法及機(jī)器學(xué)習(xí)法也是較為常用的徑流歸因分析方法。胡春宏等［３］ 選取多個(gè)代表性水文模型對黃河流域徑流和泥沙變化進(jìn)行歸因分析，并預(yù)測未來變化趨勢。鮑振鑫等［６］ 運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)法結(jié)合ＶＩＣ 水文模型定量識別黃土高原窟野河流域徑流和泥沙演變特征與變異成因，為徑流歸因分析提供新的思路。機(jī)器學(xué)習(xí)法和水文模型法基于實(shí)際物理水文過程，可以詳細(xì)刻畫研究區(qū)水文過程，但是模型參數(shù)難以獲取，操作過程復(fù)雜。相比而言，以水熱耦合平衡方程為核心的彈性系數(shù)法，可以對各類異質(zhì)參數(shù)進(jìn)行定量分析，能較好地反映基本的產(chǎn)流機(jī)理，為揭示氣候變化和人類活動(dòng)如何共同影響徑流提供了較好的解決方案，被廣泛應(yīng)用于各大流域［７］ 。楊大文等［８］ 基于流域水熱耦合平衡模型對黃河流域典型子流域進(jìn)行徑流變化及其主控因素分析，揭示了影響黃河天然徑流量的主導(dǎo)因素。黃霄翔等［９］ 以布哈河流域?yàn)檠芯繉ο?，基于水熱耦合平衡理論對徑流變化進(jìn)行歸因分析，發(fā)現(xiàn)氣候變化對徑流變化的影響占主導(dǎo)地位。

筆者針對沙柳河流域，采用Ｐｅｎｍａｎ?Ｍｏｎｔｅｉｔｈ 公式計(jì)算潛在蒸散發(fā)量ＥＴ０，結(jié)合降水及徑流數(shù)據(jù)，采用Ｍａｎｎ?Ｋｅｎｄａｌｌ 及Ｐｅｔｔｉｔｔ 非參數(shù)檢驗(yàn)分析各水文要素的年際趨勢及突變特征，最后基于流域水熱耦合平衡，定量計(jì)算氣候變化和人類活動(dòng)對徑流變化的貢獻(xiàn)率。

１ 研究區(qū)概況

沙柳河流域（東經(jīng)９９°３７′—１００°１７′，北緯３７°１０′—３７°５１′）是青海湖流域重要的自然單元。其位于青藏高原東北部，青海湖流域北岸。地形整體為西北高、東南低，起伏強(qiáng)烈，海拔在３ １００～４ ７００ ｍ［１０－１２］ 。沙柳河起源于大通山克克塞尼哈，全長１０５．８ ｋｍ，徑流以降水補(bǔ)給為主，是青海湖流域第二大河流，年均入湖徑流量約２．８３ 億ｍ３，占總?cè)牒搅髁康模保常罚ィ昶骄鶑搅魃顬椋保梗叮?ｍｍ。流域面積１ ５３６ ｋｍ２，屬典型的高原大陸性氣候區(qū)，夏秋季節(jié)溫涼短暫，春冬季節(jié)寒冷漫長［１３］ 。

流域多年平均降水量為４０９．４ ｍｍ，降水主要集中在每年５—９ 月（占全年降水量的９０％左右）。年平均氣溫為－３．１ ℃，其地區(qū)分布為東南高、西北低，湖盆地區(qū)高、山丘地區(qū)低，氣溫年際變化較?。郏保矗保担?。沙柳河流域內(nèi)的剛察水文氣象站位于沙柳河下游剛察縣，設(shè)立于１９５８ 年４ 月，測驗(yàn)斷面以上集水面積１ ４４２ ｋｍ２，距離河口２１ ｋｍ。

２ 研究方法與數(shù)據(jù)來源

２．１ Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ 公式

Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ（Ｐ－Ｍ）公式是由英國Ｈ．Ｌ．彭曼提出的計(jì)算潛在蒸散發(fā)量ＥＴ０ 的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織（ＦＡＯ）推薦為計(jì)算ＥＴ０的唯一標(biāo)準(zhǔn)方法。為了簡化公式，ＦＡＯ 于１９９８ 年提出了一個(gè)簡化公式［１６］ ，具體形式為

２．４ 數(shù)據(jù)來源

本研究選取沙柳河流域剛察站（北緯１００°１３′，東經(jīng)３７°３２′）的基礎(chǔ)氣象水文數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)為１９６９—２０２０ 年長序列平均氣壓、平均相對濕度、日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、平均風(fēng)速等，該數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心；水文數(shù)據(jù)為１９６９—２０２０ 年長序列降水量、徑流量、蒸發(fā)量等，該數(shù)據(jù)來源于青海省水文水資源測報(bào)中心。

３ 研究結(jié)果

３．１ 潛在蒸散發(fā)量變化特征

利用Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ 公式計(jì)算剛察站月平均潛在蒸散發(fā)量ＥＴ０，結(jié)果見圖１。由圖１ 可以看出，沙柳河流域潛在蒸散發(fā)量年內(nèi)分配呈明顯單峰狀，１２ 月潛在蒸散發(fā)量最小，為４．９ ｍｍ；７ 月潛在蒸散發(fā)量最大，為９６．９ ｍｍ。從冬季到夏季，潛在蒸散發(fā)量逐漸增大，夏季達(dá)到最大值；７ 月之后潛在蒸散發(fā)量逐漸回落，至冬季達(dá)到最小。逐年潛在蒸散發(fā)量如圖２ 所示，１９６９—２０２０ 年剛察站年平均潛在蒸散發(fā)量為６０３．４ ｍｍ，最大值為６４６．３ ｍｍ（１９６９ 年），最小值為５５１．２ ｍｍ（２０１２ 年），年平均潛在蒸散發(fā)量整體呈波動(dòng)式下降趨勢，下降速率約４．８ ｍｍ／１０ ａ。

對比沙柳河流域剛察站實(shí)際觀測的蒸發(fā)皿蒸散發(fā)量可以看出，蒸發(fā)皿蒸散發(fā)量最大值為１ ０１１．９ ｍｍ（２００２ 年），最小值為６６５．２ ｍｍ（２０１１ 年），年平均蒸發(fā)量為８９１．０ ｍｍ，約為潛在蒸散發(fā)量的１．４ 倍，二者的相關(guān)系數(shù)為０．４，通過了０．０１ 置信水平檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)較小，主要原因是Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ 公式中氣溫因素對潛在蒸散發(fā)量影響較大，而蒸發(fā)皿更側(cè)重日照百分率。

進(jìn)一步通過Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 檢驗(yàn)分析（見表１）可以看出，年蒸發(fā)量均呈減小趨勢，潛在蒸散發(fā)統(tǒng)計(jì)量Ｚ 值為－２．４，通過了０．０５ 置信水平檢驗(yàn)，線性傾向率為－０．６；蒸發(fā)皿蒸散發(fā)統(tǒng)計(jì)量Ｚ 值為－１．８，僅通過了０．１置信水平檢驗(yàn)，低于潛在蒸散發(fā)顯著水平，線性傾向率為－３．３，下降趨勢更加顯著?？梢钥闯?，進(jìn)行徑流變化歸因分析時(shí)，若將蒸發(fā)皿蒸散發(fā)量視為潛在蒸散發(fā)量，將高估蒸發(fā)對徑流變化的貢獻(xiàn)率。

３．２ 水文要素變化特征

對剛察站逐年降水量和徑流深進(jìn)行變化及趨勢分析，結(jié)果見圖３ 和圖４，降水及徑流年際豐、平、枯水年交替輪換，呈現(xiàn)波動(dòng)式上升特征。其中：年平均降水量為４０９．４ ｍｍ，上升速率約２９．５ ｍｍ／１０ ａ；年平均徑流深為１９６．２ ｍｍ，上升速率約２２．４ ｍｍ／１０ ａ；降水量及徑流深的極大值分別出現(xiàn)在２０１７ 年和２０１８ 年，徑流具有明顯滯后性，與實(shí)際水文過程相符。通過Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 檢驗(yàn)分析（見表２）可以看出，降水量和徑流深統(tǒng)計(jì)量Ｚ 值均大于２．５８，通過了０．０１ 置信水平檢驗(yàn)，且線性傾向率均為正值，呈顯著上升趨勢。

３．３ 水文突變特征分析

利用Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 趨勢檢驗(yàn)及Ｐｅｔｔｉｔｔ 突變檢驗(yàn)對沙柳河流域１９６９—２０２０ 潛在蒸散發(fā)量、蒸發(fā)皿蒸散發(fā)量、降水量及徑流深進(jìn)行突變檢驗(yàn)。由Ｍａｎｎ －Ｋｅｎｄａｌｌ 檢驗(yàn)初步判斷，沙柳河流域潛在蒸散發(fā)量及蒸發(fā)皿蒸散發(fā)量均存在多個(gè)突變年份（見圖５ 和圖６）；進(jìn)一步通過Ｐｅｔｔｉｔｔ 檢驗(yàn)進(jìn)行識別，可以看出二者在置信水平為０．０５ 時(shí)無突變年份（見圖７ 和圖８）。因此，綜合分析認(rèn)為在研究時(shí)期內(nèi)，潛在蒸散發(fā)量與蒸發(fā)皿蒸散發(fā)量無突變，且整體呈下降趨勢。

由Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 檢驗(yàn)初步判斷，降水量突變的時(shí)間為２００２—２００４ 年，徑流深突變的時(shí)間為２００４ 年（見圖９ 和圖１０）；進(jìn)一步通過Ｐｅｔｔｉｔｔ 檢驗(yàn)進(jìn)行識別，可以看出在置信水平為０．０５ 時(shí)，降水量及徑流深突變年均為２００４ 年（見圖１１ 和圖１２）。通過青海湖實(shí)際水位及入湖徑流量進(jìn)行驗(yàn)證，確定沙柳河徑流深突變年份為２００４ 年。因此，以２００４ 年為界，把１９６９—２００３ 年劃分為基準(zhǔn)期，把２００４—２０２０ 年劃分為變化期。通過兩個(gè)時(shí)期各氣象因子對比分析，年均潛在蒸散發(fā)量由６０６．８１ ｍｍ 減小至５９７．０８ ｍｍ，減小幅度為１．６％；年均降水量由３７９．２０ ｍｍ 增加至４４５．６２ ｍｍ，增長幅度為１７．５％；年均徑流深由１７３．９９ ｍｍ 增長至２４４．１０ ｍｍ，增長幅度最大，為４０．３％。

３．４ 沙柳河徑流變化歸因分析

根據(jù)沙柳河徑流變化各因素在基準(zhǔn)期和變化期的實(shí)測資料，結(jié)合上述水熱耦合平衡方程可以推求出各個(gè)時(shí)期下墊面參數(shù)ｎ、干旱度指數(shù)（Ｅ０ ／ Ｐ）以及各影響因子的彈性系數(shù)（見表３）。人類活動(dòng)引起的下墊面參數(shù)從基準(zhǔn)期到變化期呈下降趨勢，由基準(zhǔn)期的０．８３ 減小至變化期的０．７４，減小幅度為１０．８％，主要原因是沙柳河流域城鎮(zhèn)化水平逐步提高，一方面改變了下墊面和天然水文循環(huán)規(guī)律，使水源涵養(yǎng)能力降低，入湖徑流量和補(bǔ)給量發(fā)生變化；另一方面，人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水量增加使入湖水量減少［２０］ 。氣候變化引起的干旱度指數(shù)，同樣呈下降趨勢，由基準(zhǔn)期的１．６０ 減小至變化期的１．３４，主要原因是亞洲季風(fēng)、西風(fēng)環(huán)流和青藏高原季風(fēng)共同作用，沙柳河流域氣候逐漸由暖干化向暖濕化發(fā)展，降水量呈增多趨勢，干旱狀況逐年改善。由各因素的彈性系數(shù)可以看出，徑流變化與潛在蒸散發(fā)量及下墊面參數(shù)負(fù)相關(guān)，與降水量正相關(guān)，說明當(dāng)潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)減小時(shí)，徑流量呈增大趨勢，降水量的減小會(huì)造成徑流量的降低，這與實(shí)際水文過程相符。研究期內(nèi)的εＥ０、εｎ 、εＰ 值分別為－０．４４、－０．８８、１．４４，說明基準(zhǔn)期潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)、降水量減?。保埃r(shí)，年徑流量分別增加４．４％、增加８．８％、減少１４．４％；基準(zhǔn)期的εＥ０、εｎ 、εＰ 值分別為－０．４７、－０．９４、１．４７，說明基準(zhǔn)期潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)、降水量減?。保埃r(shí)，年徑流量分別增加４．７％、增加９．４％、減少１４．７％；變化期的εＥ０、εｎ 、εＰ 值分別為－０．３６、－０．７６、１．３６，說明變化期潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)、降水量減小１０％時(shí)，年徑流量分別增加３．６％、增加７．６％、減少１３．６％。與基準(zhǔn)期相比，變化期潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)、降水量變化１０％時(shí)，徑流量的變化幅度減小。

對氣候（Ｐ 和Ｅ０）變化和下墊面參數(shù)（ｎ）變化對徑流的貢獻(xiàn)率進(jìn)行量化分析（見表４），可以看出歸因計(jì)算徑流深差值（ｄＲ′）為６７．８９ ｍｍ，而實(shí)際徑流深差值（ｄＲ）為７０．１１ ｍｍ，二者之間差值較小，說明此方法可以較好地適用于沙柳河流域徑流變化貢獻(xiàn)率分析。通過各因素貢獻(xiàn)率可以看出，氣候變化對徑流變化的影響大于人類活動(dòng)的，氣候變化中降水因素對徑流變化貢獻(xiàn)率大于潛在蒸散發(fā)的；降水量增大對徑流量增大的貢獻(xiàn)率為６８．４％，是引起沙柳河徑流變化的主要原因；潛在蒸散發(fā)的減小對徑流量增大的貢獻(xiàn)率為２．０％，蒸散發(fā)量減小使耗散水汽減少，增大徑流深；下墊面參數(shù)的減小對徑流量增大的貢獻(xiàn)率為２９．６％，下墊面參數(shù)與覆被、地形和土壤等因素密切相關(guān)，流域植被覆蓋度降低使得流域徑流量增大，符合基本水文過程。

綜上所述，氣候要素中降水變化是沙柳河流域徑流變化的主要原因，人類活動(dòng)影響次之，潛在蒸散發(fā)對徑流的影響最小。主要原因是沙柳河流域地處青藏高原東北部，受多種季風(fēng)影響，對氣候變化敏感，伴隨著氣候變暖，該地區(qū)水循環(huán)過程整體增強(qiáng)，降水作為沙柳河補(bǔ)給的重要來源，對徑流變化起主導(dǎo)作用。相對而言，沙柳河流域人類活動(dòng)水平較低，且無大型水利樞紐等設(shè)施，人類活動(dòng)對流域徑流的干擾較弱。

４ 結(jié)論

基于沙柳河流域剛察水文氣象站１９６９—２０２０ 年逐日氣象數(shù)據(jù)，采用Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ 公式計(jì)算潛在蒸散發(fā)量，運(yùn)用Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 及Ｐｅｔｔｉｔｔ 非參數(shù)檢驗(yàn)對流域降水、徑流、潛在蒸散發(fā)進(jìn)行趨勢及突變分析，最后基于流域水分和能量平衡原理與彈性系數(shù)法，定量分析氣候變化和人類活動(dòng)對徑流變化的影響及貢獻(xiàn)率，具體結(jié)論如下。

１）沙柳河流域１９６９—２０２０ 年潛在蒸散發(fā)量呈下降趨勢，下降速率為４．８ ｍｍ／１０ ａ；降水量及徑流深呈上升趨勢，上升速率分別為２９．５ ｍｍ／１０ ａ 和２２．４ ｍｍ／１０ ａ。通過對比潛在蒸散發(fā)與蒸發(fā)皿蒸散發(fā)可以發(fā)現(xiàn)，二者相關(guān)程度較低，且蒸發(fā)皿蒸散發(fā)量約為潛在蒸散發(fā)量的１．４ 倍。

２）沙柳河流域徑流深在２００４ 年發(fā)生突變，通過兩個(gè)時(shí)期各氣象因子對比分析，徑流深增長幅度約４０．３％，主要由降水量增多、潛在蒸散發(fā)量減少、下墊面參數(shù)減小導(dǎo)致，其中降水量增長幅度為１７．５％、潛在蒸發(fā)量減小幅度為１．６％、下墊面參數(shù)減小幅度為１０．８％。干旱度指數(shù)由基準(zhǔn)期的１．６０ 減小至變化期的１．３４，說明沙柳河流域干旱狀況逐年改善，并且氣候由暖干化向暖濕化發(fā)展。

３）沙柳河流域氣候變化對徑流變化的貢獻(xiàn)率為７０．４％，主要原因是沙柳河流域地處青藏高原東北部季風(fēng)交匯地帶，對氣候變化較為敏感。同時(shí)在所有氣候要素中，降水對徑流變化的貢獻(xiàn)率為６８．４％，成正相關(guān)；潛在蒸散發(fā)貢獻(xiàn)率為２．０％，成負(fù)相關(guān)；人類活動(dòng)主要通過影響下墊面參數(shù)來影響徑流，人類活動(dòng)對徑流變化的貢獻(xiàn)率為２９．６％，成負(fù)相關(guān)。

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【責(zé)任編輯 張 帥】