我国主要河川径流演变规律与归因及其区域特征

徐宗学,班春广,张 瑞

(1.北京师范大学水科学研究院,北京 100875; 2.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室,北京 100875;3.中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司,北京 100120;4.华北科技学院应急技术与管理学院,河北 廊坊 065201)

气候变化和人类活动是变化环境的两个重要方面,也是导致水文循环变化的根本原因,二者共同作用改变了江河湖泊的水量、水质以及其他水循环要素的状态。气候变化改变了全球水文循环现状,引起地球上太阳辐射分布状况发生变化,影响天然蒸发、水汽输送和降水时空分布,对水文循环产生直接影响[1-2]。人类活动主要通过3种方式对水循环要素产生影响[3]：①通过改变土地利用和河道整治等影响流域产汇流条件;②通过跨流域调水和地下水开采等工程措施直接改变流域水量;③通过建设水库等蓄水工程影响河道汇流过程。研究气候变化和人类活动对河川径流的影响,对于水资源开发利用、优化配置和生态保护等具有十分重要的现实意义。

在变化环境下,我国河川径流演变规律发生了显著变化,河川的径流量和径流季节分配发生了明显改变。许多学者针对我国长江、黄河、珠江、海河、淮河、辽河、松花江、雅鲁藏布江等大江大河河川径流演变规律和径流归因分析等开展了广泛且深入的研究,并取得了一些卓有成效的成果。本文系统梳理了近年来我国主要河川径流演变规律,总结了河川径流演变的主要归因方法,并以雅鲁藏布江流域径流演变规律与归因分析为案例开展研究,最后,总结得到变化环境下我国主要河川径流演变规律与径流归因区域分布特征,以期为我国水资源综合利用和优化配置提供科技支撑。

1 变化环境下径流演变规律

1.1 径流演变规律主要分析方法

目前,径流演变规律的主要分析方法有：①径流趋势分析方法,包括Mann-Kendall非参数趋势检验法[4-5](以下简称“M-K法”)、Spearman秩次相关检验法[6]、累积距平法[6]、线性回归法[6]、滑动平均法[6];②径流突变分析方法,包括M-K法、滑动t检验、Pettitt法;③径流年内变化规律分析方法,包括径流集中度和径流集中期[7];④径流周期性研究方法：集合经验模态分解法[8]、功率谱分析法[6]、小波分析法[6]。表1为各种分析方法的优点。

表1 径流演变规律主要分析方法的优点

1.2 我国主要河川径流演变规律

在气候变化和人类活动影响下,我国主要河川径流演变规律发生了显著变化,许多学者针对该变化开展了大量研究,如表2所示。王雁等[11]利用1951—2008年长江和黄河流域径流资料研究了径流演变规律,发现长江流域上游径流减少趋势显著,中游和下游径流呈微弱减少趋势,黄河干流径流量呈显著递减趋势;鲍振鑫等[12]分析了1956—2016年黄河流域年、月径流演变规律,结果表明除源头区年径流变化不显著外,黄河流域径流呈显著减少趋势,从上游到下游径流减少幅度不断增加,趋势显著性增加;潘扎荣等[13]基于淮河干流1956—2008年资料研究了径流演变规律,发现淮河干流年径流量总体呈递减趋势,中游递减趋势较上游明显;张利茹等[14]采用M-K法及线性回归方法研究了海河流域各典型区域年径流量变化趋势,结果表明海河流域年径流量呈显著减少趋势;牟夏等[15]利用M-K法、有序聚类法、Yamamoto法研究无定河流域径流量水文变异得到,1970—2007年无定河流域径流量呈显著减少趋势;杨柳[16]基于石羊河流域1959—2019年径流数据研究了径流演变规律并发现,该流域径流总体呈减少趋势,减少速率为0.037亿m3/a;胡兴林[17]研究黑河流域径流演变规律,发现径流年际变化较小,径流年内分布主要受季风气候影响,1950—2000年径流呈波动缓慢增加趋势,2000—2010年径流仍可能缓慢增加;蔡宜晴等[8]基于三江源区内4个水文站1956—2012年实测月径流数据,研究得到三江源区直门达、吉迈和香达站年径流量呈增加趋势,唐乃亥站年径流量呈减少趋势;张永勇等[18]基于1958—2005年三江源3个水文站径流数据,研究得出唐乃亥站年径流和非汛期径流过程呈显著减少趋势,直门达和昌都站径流过程变化趋势并不显著;刘静等[19]基于1956—2016年径流实测数据探讨了塔里木河流域三源流径流演变规律,结果表明阿克苏河和叶尔羌河径流量呈显著增加趋势,和田河径流量呈轻微增长趋势。刘鑫[20]分析了大凌河1961—2010年径流年际变化,发现大凌河径流整体呈减少-显著减少-增加-显著减少的趋势;唐蕴等[21]基于嫩江流域1956—2000年的年径流量数据得到,嫩江流域径流水文周期是32a,径流整体不存在明显的趋势性;王玉新[22]基于1956—2004年嫩江干流水文站径流数据,发现年径流整体呈减少趋势,径流突变点为20世纪60年代初、80年代中和90年代末;徐宗学等[23]研究西南河流源区径流变化规律发现三江源地区径流在1956—2012年整体呈增加趋势,除尼洋河外,雅鲁藏布江流域的其他区域年径流量整体呈不显著减少趋势。

表2 20世纪50年代以来我国主要河川径流演变规律

2 变化环境下径流归因

2.1 径流归因主要分析方法

在研究国内外主要流域径流演变规律的基础上,许多学者基于水文模型法、统计分析方法和Budyko假设的流域水热耦合平衡方法进一步开展了变化环境下径流归因分析研究,表3为径流归因主要分析方法。

表3 径流归因主要分析方法

水文模型主要包括概念性集总式水文模型、半分布式水文模型和基于物理机制的分布式水文模型,其优势在于物理机制明确、能够反映径流变化过程,以及能应用于多个时间尺度,不足之处在于对数据精度和数据质量要求较高、计算较为复杂且不确定性较大。常用的水文模型主要包括VIC[24]、HBV[25]、SIMHYD[26]、XAJ[27]和SWAT模型[28]等。

统计分析方法的优势在于输入数据较少、计算过程相对简单,不足之处在于缺少物理机制、无法反映径流过程、仅能开展年尺度径流变化研究。统计分析方法包括双质量曲线法[29](double mass curve method)、累积量斜率变化率分析法[29](slope change ratio of cumulative quantity method)、双累积曲线法[30]等。

Budyko假设的流域水热耦合平衡方法的优势在于具有一定的物理机制、计算过程简单、参数容易计算,不足之处在于仅能应用于连续年和年尺度计算、无法反映径流变化过程[29]。Choudhury[31]和Yang等[32]基于Budyko假设推导出流域水热耦合平衡方程,即Choudhury-Yang方程,其表达式为

(1)

式中：E为年实际蒸散发量,mm;P为年降水量,mm;E0为年潜在蒸散发量,mm;n为反映流域下垫面特征的参数。

基于流域水量平衡方程和Choudhury-Yang方程,计算得到：

(2)

式中：R为径流深,mm;εP、εE0和εn分别为径流的降水(mm)、潜在蒸散发(mm)、下垫面弹性系数。

根据突变点检测结果将研究时段划分为两个子时段,两个子时段径流深变化记为ΔR,根据流域降水、潜在蒸散发和下垫面弹性系数,估算出降水量变化(ΔP)、潜在蒸散发量变化(ΔE0)和下垫面变化(Δn)引起的径流变化分别为

ΔRP=εP(R/P)ΔP

(3)

ΔRE0=εE0(R/E0)ΔE0

(4)

ΔRn=εn(R/n)Δn

(5)

2.2 我国主要河川径流归因

河川径流的归因问题是水文科学领域研究的热点和难点问题之一,科学揭示径流变化的主要驱动机制,建立径流变化和各驱动机制之间的联系成为现代水文学研究的重点。表4为我国主要河川径流变化的归因分析结果。王雁等[11]采用1951—2008年长江和黄河流域径流资料分析了径流减少原因,结果表明,相较于1951—1969年,1970—2008年长江流域和黄河流域人类活动是引起径流量减少的主要因素,降水是引起径流量减少的次要因素。Luan等[29]采用包括统计方法、敏感系数方法、水文模型法在内的8种方法研究了黄河流域20个主要子流域气候变化和人类活动对径流变化的贡献,结果表明人类活动在径流变化中起主导作用。王国庆等[33]基于SIMHYD概念性降水径流模型研究得到1970—1999年气候因素和人类活动分别占汾河流域年径流减少量的35.9%和64.1%,人类活动是汾河流域径流减少的主要因素。张丽梅等[34]基于Budyko假设的流域水热耦合平衡方法定量评价了渭河流域气候变化和人类活动对径流变化的贡献率,结果表明剧烈的人类活动引起的下垫面变化是径流量减少的主要因素。刘酌希等[35]基于SWAT模型研究了洮河流域1955—2015年径流减少原因,结果表明气候变化和人类活动对径流变化的贡献分别为58.9%和41.1%,气候变化是径流减少的主要原因。牟夏等[15]研究得到无定河流域1970—2007年径流呈减少趋势,基于Budyko假设的流域水热耦合平衡方法量化出气候变化和人类活动对径流量减少的贡献分别为36.57%和63.43%。Wu等[36]研究了黄土高原17个流域1961—2013年径流变化及归因,结果表明15个流域呈减少趋势,在汛期人类活动占径流减少的贡献为73%,在枯水期气候变化对径流减少的影响大于人类活动。李天生等[37]基于Budyko理论分析了珠江中上游流域气候和植被变化对径流的影响,结果表明1981—2013年降水量减少是径流量减少的主导因素,归一化植被指数(NDVI)对径流减少贡献影响并不显著。Bao等[38]利用VIC模型研究得到人类活动是引起海河流域径流减少的主要因素。Xu等[39]基于Budyko假设的流域水热耦合平衡方法研究了海河流域内33个山区子流域1956—2005年径流变化,发现气候变化和植被覆盖变化对径流减少的平均贡献分别为26.9%和73.1%。Wang等[40]基于Budyko假设的流域水热耦合平衡方法研究了白洋淀流域径流变化得出,气候变化和下垫面变化对径流减少的贡献分别为7.55%和89.95%。莫崇勋等[41]基于弹性系数法定量分析了永定河流域1957—2010年的径流呈减少趋势的原因,结果表明永定河流域由气候变化引起的径流变化率为28%,人类活动引起的径流变化率为72%。Ma等[42]基于分布式水文模型GBHM和气候弹性系数模型开展了潮白河流域1956—2005年径流减少归因分析,发现气候变化和人类活动对径流减少的贡献分别为55%和18%。彭涛等[43]基于Budyko假设的流域水热耦合平衡方法研究汉江流域1964—2015年径流变化归因分析,结果表明下垫面变化是汉江流域径流量减少的主要因素。徐宗学等[23]研究西南河流源区径流驱动机制得出,气候变化是导致三江源、雅鲁藏布江和怒江流域径流变化的主要原因,降水是径流变化最关键的影响因子。张树磊等[44]采用基于Budyko假设的流域水热耦合平衡方法,研究了中国1960—2010年以来径流量显著减少的主要流域,结果表明降水减少和下垫面变化是径流减少的主导因素。

表4 我国主要河川径流归因分析结果

3 案例分析

以雅鲁藏布江流域为例进行径流演变规律与径流归因分析。雅鲁藏布江位于青藏高原东南部,发源于杰玛央宗冰川,于巴昔卡流出国境,是我国重要的国际性河流。干流全长2057km,流域面积约24万km2,雅鲁藏布江水量丰富,蕴含丰富的淡水资源,在西藏地区和下游国家社会经济发展中发挥着十分重要的作用[45]。因此,本文选取雅鲁藏布江流域为应用案例,研究其径流演变规律与径流归因。

3.1 雅鲁藏布江流域径流演变规律

黄俊雄等[46]分析了雅鲁藏布江流域1956—2000年年径流演变规律,结果表明流域径流总体呈减少趋势,演变过程中表现出明显的阶段性和突变性。洛珠尼玛等[47]利用雅鲁藏布江上中下游控制站1960—2009年年平均流量数据研究流域径流演变规律,发现流域径流20世纪60年代最丰,80年代最枯,年平均流量总体上略有减少趋势,但不显著。张建云等[48]采用1956—2018年雅鲁藏布江奴下水文站实测数据分析了流域径流演变特征,发现河川径流呈增加趋势,年径流呈先增加后减少、再增加又减少的阶段性特征。李浩等[49]利用雅鲁藏布江奴下水文站1961—2015年逐月流量数据分析了径流演变规律,发现年径流量呈先减少后增加的变化趋势,转折点为1992年,径流年内分配规律呈“坦化现象”。以上研究表明,采用不同时段和类型的径流数据以及不同的分析方法,研究得到的雅鲁藏布江径流演变规律存在差异,表明径流数据和分析方法对径流演变规律影响较大。此外,研究的时段不同,所得结果也会有差别。

3.2 雅鲁藏布江流域径流归因

采用Pettitt检验、滑动t检验和M-K法检验年径流量突变点,同时采用Budyko假设的流域水热耦合平衡方法对雅鲁藏布江流域径流变化进行归因分析[45,50]。考虑到冰川在流域内占有不可忽略的比例,因此冰川径流变化在径流归因分析中应重点考虑。

基于雅鲁藏布江干流上3座水文站(奴各沙、羊村和奴下)的位置信息划分出4个子流域：奴各沙以上流域、奴各沙至羊村段流域、羊村至奴下段流域和奴下站以下流域。由于奴下站以下流域缺少相应的水文资料,无法进行径流归因分析,因此选取其他3个子流域进行径流归因分析,并定义奴各沙以上流域为上游、奴各沙至羊村段流域为中游、羊村至奴下段流域为下游。上中下游径流量分别为奴各沙站实测径流量、羊村站和奴各沙站径流量的差值、奴下站与羊村站径流量的差值。

经过3种统计方法检测,得出各子流域的突变点位于1997年左右,因此选取1997年作为各子流域的突变点,以此划分径流变化的基准期(1966—1997年)和变化期(1998—2015年)。基于Budyko框架进行雅鲁藏布江流域径流变化归因分析可知,在上游降水量变化、潜在蒸散量变化、下垫面变化、冰川径流变化引起径流量增加的贡献分别为-0.81、-1.54、14.34、14.30mm,与其对应的贡献率分别为-2.78%、-5.30%、59.61%、49.18%,对中游径流量增加的相应贡献分别为33.77、-1.16、31.24、22.34mm,对应的贡献率分别为39.36%、-1.36%、36.4%、26.04%,对下游径流量增加的贡献分别为26.71、-0.04、-12.14、6.16mm,对应的贡献率分别为129.21%、-0.17%、-55.74%、29.8%。

上述结果表明,下垫面变化和冰川径流变化对上游径流增加的贡献占主导地位,降水量的变化对中下游径流的增加影响最大,冰川径流对上中下游的贡献率均超过26%。通过对全流域径流量归因分析得出,径流各影响因素对径流增加的贡献率分别为39.62%、-2.74%、32.32%、30.94%,表明除了降水因素,下垫面变化和冰川径流变化对径流变化具有重要作用。

4 我国主要河川径流演变规律与径流归因区域分布特征

由于地形地貌、地理位置、流域面积、水文气象、土壤植被等方面存在较大差异,加之受到人类活动的影响程度不同,全国范围内主要河川径流呈现不同的演变特征,同时径流归因方面也呈现出明显的变化特征。因此,总结归纳我国主要河川径流演变规律与径流归因区域分布特征具有重要意义。

4.1 我国主要河川径流演变特征区域性规律

自20世纪50年代以来我国河川径流在变化环境下出现显著性或非显著性变化,呈现区域性演变特征。长江流域上游径流减少趋势显著,中下游径流减少趋势较为微弱;黄河流域干流径流量呈显著减少趋势[11];海河流域各典型区域年径流量呈显著减少趋势[14];淮河流域干流年径流量呈递减趋势,中游递减趋势较上游显著[13];在华北地区,永定河流域和潮白河流域径流均呈减少趋势[41-42];嫩江流域径流呈减少趋势,突变点位于20世纪60年代初、80年代中和90年代末[51];珠江流域径流以-2.69mm/a的速率减少[52];西北诸河流域,黑河流域径流在1950—2000年呈波动缓慢增加趋势,2000—2010年仍可能缓慢增加[17],阿克苏河和叶尔羌河流域径流量增加明显,和田河流域径流量呈轻微增加趋势;西南河流源区、三江源区径流表现出增加趋势,除尼洋河外雅鲁藏布江流域年径流量呈不显著减少趋势。

整体而言,长江流域、黄河流域、海河流域、华北地区、淮河流域、嫩江流域、珠江流域径流均呈减少趋势,西北诸河和西南河流源区部分河流呈缓慢增加趋势。因此,过去几十年以来我国主要河川径流量除西北诸河和西南河流源区部分河流呈增加趋势外,其他区域的河川径流大多呈减少趋势。

4.2 我国主要河川径流归因区域分布特征

人类活动是造成长江流域和黄河流域径流减少的主要因素[11],也是引起海河流域径流变化的主要原因。在珠江中上游流域,有研究表明以降水量减少为标志的气候变化是导致径流量减少的主要原因[37]。在华北地区,人类活动是造成永定河流域径流减少的主要原因,气候变化是引起潮白河流域径流减少的主要原因。在西南河流源区,气候变化是引起三江源、雅鲁藏布江和怒江流域径流变化的主要原因[23]。

综上所述,长江流域、黄河流域、海河流域、华北地区部分河川径流减少均为人类活动引起,珠江中上游流域、华北地区部分河流、西南河流源区径流减少多为气候变化引起。因此,我国主要河川径流变化的主要原因是由人类活动引起的,这一研究结论与张树磊等[44]研究得到的人类活动导致的下垫面变化对径流减少影响较为显著的结论一致。

5 结 论

a.M-K非参数趋势检验方法是较为常用的径流演变规律分析方法。水文模型法、统计分析方法和Budyko假设的流域水热耦合平衡方法是进行径流变化归因分析的常用方法,其中Budyko假设的流域水热耦合平衡方法应用较为广泛。

b.我国主要河川径流量除西北诸河和西南河流源区部分河流呈增加趋势外,其他区域河川径流大多呈减少趋势。

c.人类活动是引起我国主要河川径流变化的主要原因。