黄锋华，陈思淳

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510635；3.广东省流域水环境治理与水生态修复重点实验室，广东 广州 510635)

1 概述

气候变化和人类活动对径流的影响是水科学研究中的热点问题之一[1-4]。气候变化背景下人类活动所引发的各种水问题中，如何定量估算和分解两者的影响是目前水文水资源研究领域的热点与难点，备受广大水文学者关注。赵益平[5]等采用累积量斜率变化分析法定量分离出气候变化和人类活动对釜溪河流域径流量变化的贡献。刘剑宇[6]等基于Budyko假设的水热耦合平衡方程，进一步分析气象因子对径流变化的弹性系数，定量分析气候变化和人类活动对中国径流变化的影响。累积量斜率变化分析法，该方法原理简单，能客观地定量分解气候变化和人类活动对径流量变化的贡献，得到了广泛应用[7-10]。本文拟通过近60 a榕江流域年径流、降水、气温资料，采用累积距平法、Mann-Kendall方法分析东桥园站年径流变化趋势及突变性检验，识别年径流量变化的突变年份。采用累积量斜率变化分析法定量分析气候变化和人类活动对年径流量变化贡献率，揭示榕江流域径流变化的成因，为榕江流域水资源合理开发利用提供参考。

2 研究区域概况

榕江发源于广东省汕尾市凤凰山，流域面积为4 408 km2，流域内已建水库236宗，总库容为6.02亿m3。东桥园站建于1951年4月，是榕江干流控制站和国家级重要站，控制面积为2 016 km2，占全流域的45.7%。东桥园站以上区间主要有龙颈(下)水库、龙颈(上)水库、大北山水库、河輋水库等4座水库，总库容为3.3亿m3，控制面积为522 km2。东桥园站控制流域范围内多年平均降水量为2 154 mm，实测多年平均径流量为27.79亿m3，多年平均天然径流量为30.86亿m3。榕江流域水系、观测站点分布见图1所示。

图1 榕江流域水系、观测站点分布示意

3 研究方法与数据来源

3.1 研究方法

3.1.1累积距平法

累积距平法[12]是一种由曲线直观判断变化趋势的常用方法。对于序列Xt(t=1，2，…，n)，其某一时刻t的累积距平表示为：

(1)

3.1.2Mann-Kendall方法

Mann-Kendall方法(M-K法)是进行时间序列突变检验的常用方法之一[11-14]。该方法能明确水文气象时间序列的演变趋势是否存在突变现象以及突变开始的时间。

对于具有n个样本量的时间序列X，构造一秩序列:

(2)

其中：

(3)

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：

(4)

式中UF1=0，E(sk)、Var(sk) 分累计数sk的和方差，在x1，x2，…，xn相对独立，有相同连续分布时，可由下式算出：

(5)

UFk为标准正态分布，是时间序列X的统计量序列。给定显著性水平α，|UFk|>Ua时,明序列存在显著的变化趋势；按时间序列X的逆序再重复上述过程，同时使UBk=-UFk，UB1=0。将UBk、UFk和临界值±Ua绘图。若UFk/UBk的值大于0，表明序列为上升趋势，相反则为下降趋势；若UFk和UBk曲线出现交点且交点位于临界线之间(α=0.05， 临为±1.96)，则交点对应的时刻为变异开始的时间。

3.1.3累积量斜率变化分析法

2）进料装置：进料装置保证物料均匀地输送到皮带机。进料装置开始装载物料时，尾部放置到地面上，行走时通过支撑系统抬起。

累积量斜率变化分析法的原理在相关文献[15]中已进行了详细的说明，在此不再赘述。设拐点前后两个时期的年份与累积径流量斜率分别为SRa和SRb，同理两个时期的累积降水量斜率分别为SPa和SPb，累积气温斜率分别为STa和STb。

通常，降水与径流呈现正相关，气温与径流呈现负相关，因此降水对径流变化的贡献率Cp(%)可表示为：

CP=[(SPb-SPa)/SPa]/[(SRb-SRa)/SRa]×100%

(6)

气温对径流变化的贡献率CT(%)可表示为：

CT=-[(STb-STa)/STa]/[(SRb-SRa)/SRa]×100%

(7)

综合考虑水、热要素，气候变化对径流量变化的贡献率CC为：

CC=CP+CT

(8)

CH=100-CC

(9)

3.2 数据来源

本文采用数据来自榕江流域及其周边地区1956—2016年径流量、降水量和气温数据，涉及1个水文站、20个雨量站、1个气象站(见图1)。径流量数据来自东桥园水文站实测数据，面降水量采用泰森多边形法计算获得。流域内无气温监测数据，本文采用中国气象数据网(http://data.cma.cn)的五华站年平均气温数据。

4 结果与分析

4.1 年径流突变识别

采用累积距平法和M-K法识别榕江流域东桥园站年径流突变年份，图2给出了东桥园站年径流量累积距平过程。由图2可知，多年来东桥园站年径流量呈现明显的阶段变化特征，年径流量累积距平值分别在1961年、1976年、1986年和2008年达到峰值，其中1961年为最大值；年径流量累积距平值在1996年达到最小值。1996年后累积曲线呈现曲折上升趋势，年均径流量增加。1961年和1996年可能存在年径流量突变年份。

图2 东桥园站年径流距平过程示意

图3给出了东桥园站年径流量M-K法检验曲线。由图3可知，东桥园站年径流量除了1961年外，其余年份均没有突破0.05显著性水平，变化趋势不显著。径流量UF和UB曲线在置信度线之间相交于2004年，即年径流量有可能在2004年发生突变。

图3 东桥园站年径流M-K法检验曲线示意

虽然两种识别方法结果并不完全一致，通过对比突变年份前后均值和变异系数Cv值(见表1)，1961年和2004年为序列的突变年份，可将东桥园站的年径流变化情况划分为3个时期。

表1 东桥园站年径流量可能突变年份分析

4.2 年径流突变成因估算

根据上述年径流量突变年份识别分析，结合流域内水利工程建设时间情况，划分3个时期，其中1956—1961年为序列的基准期，1962—2003年为序列第1个影响期，2004—2016年为序列第2个影响期。

图4～6分别给出了年径流、年降水、年均气温的累积曲线，并分别计算各累积序列各影响期的斜率变化率(见表2)。

图4 东桥园站累积径流与年份关系曲线示意

图5 东桥园站累积降水与年份关系曲线示意

图6 东桥园站累积气温与年份关系曲线示意

由表2可知，1962—2003年与1956—1961年相比，累积径流斜率减少了406.7 mm/a，降幅为23.1%；累积降水斜率减少了346.2 mm/a，降幅为13.9%；累积气温斜率增加1.2 ℃/a，增幅为5.9%。利用公式(6)～(9)，计算可得降水变化对径流变化的贡献率为60.1%，气温变化对径流变化的贡献率为25.4%，由此可知1962—2003年气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率分别为85.5%和14.5%。同理可得2004—2016年气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率分别为100%和0%。仅考虑降水变化影响，1962—2003年气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率分别为60.1%和39.9%，2004—2016年气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率分别为76.2%和23.8%。由表3可知，气候变化是榕江流域径流变化的主导因素，其中降水变化对径流影响的贡献最大。

表2 东桥园站累积径流、累积降水、累积气温斜率及其变化率

表3 气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率 %

5 结语

本文采用累积距平法、M-K法分析东桥园站1956—2016年年径流变化趋势以及识别年径流量变化的突变年份，应用累积量斜率变化分析法定量分析不同时期气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。主要结论如下：

1) 通过两种识别方法并结合突变点前后均值和Cv值，东桥园站的年径流量变化存在两个突变年份，分别为1961年和2004年，由此径流变化可划分为3个时期。

2) 以1956—1961年为年径流变化的基准期，定量估算了气候变化和人类活动对径流量变化的影响程度。1962—2003年气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率分别为85.5%和14.5%，2004—2016年气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率分别为100%和0%。仅考虑降水影响，两个时期气候变化对径流变化影响的贡献率分别为60.1%和76.2%，人类活动对径流变化影响的贡献率分别为39.9%和23.8%。表明榕江流域年径流变化受气候变化影响为主并呈现影响加强态势，其中降水变化对径流影响的贡献最大。

3) 本研究揭示了榕江流域近60 a年径流量的变化及其成因，对于该流域未来水资源的开发利用具有重要意义。对于气候变化因素，本文仅考虑了降水和气温，实际上影响径流变化的气候因素较多，其他气候影响因素有待进一步研究。