刘壮添，陈睿智，王 未

(珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510611)

近年来，全球前200条河流中约1/3的径流量发生了显著变化[1]。其中，气候变化和土地利用变化是径流变化的主要驱动因素[2-6]。国内外学者目前广泛采用Budyko框架研究径流变化归因[3,6-9]，如Liang等[3]基于Budyko框架评估了气候变化和水土保持对黄土高原14个主要流域径流变化的贡献；龙达等[9]利用Budyko框架分析了气候变化和人类活动对六冲河流域的影响。然而，当前的Budyko框架假定气候和其他影响因素在某一时间点发生突变，往往仅评估两段时期的平均径流变化，因此难以反映气候变化和土地利用变化的累积影响[10]。

黄河源区位于典型的干旱半干旱区，也是中国西北地区的主要水源地[11]。然而大量研究表明，自20世纪90年代以来，黄河源区水资源形势严峻，如径流显著减少[12]、区域冻土[13-14]和草地退化[15]等。这些问题严重危及流域生态系统的稳定，制约了黄河源区的高质量发展。因此，精确刻画气候变化和土地利用变化的累积影响，对黄河源区水问题的成因剖析、水资源优化调度等具有重要的意义。

本文将采用基于时变参数的Budyko框架，细致刻画过去50多年气候变化和土地利用变化对黄河源区径流变化的累积影响，以期揭示研究区径流演变的内在机制。研究将进一步丰富和发展已有流域径流变化归因成果，为流域径流演变内在机制分析提供参考借鉴。

1 方法与数据

1.1 研究区介绍

黄河源区(32°20′～36°10′N,95°53′～103°30′E) 是黄河的发源地，位于青藏高原东北部，流域面积12.2万km2(图1)。源区海拔从2 700 m 到6 183 m 不等，自西向东递减。干流发源于青藏高原巴颜喀拉山脉，流经青海、四川、甘肃三省，止于唐乃亥水文站，全长1 553 km。该流域属于高原山地气候，年平均气温约-4～4℃，由西向东逐渐升高。多年平均降雨量510 mm，汛期(7—10月)降雨占全年的60%左右，时空分布不均。流域的景观类型多样，主要包括雪山、冰川、高原、山间盆地、山谷和湖泊等。其主要的土地利用类型为草地，约占区域总面积的80%以上[15]。

图1 黄河源区水文站、气象站与水系

1.2 数据来源

选取了吉迈、玛曲和唐乃亥共3个水文站(图1)，收集了1960—2016年共计57 a的月径流数据，数据来源于黄河水利委员会水文局。此外，也收集了同一时间段流域内15个国家气象站的日降雨、日最小和日最大气温观测数据，数据来源于中国气象数据网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)。采用距离倒数插值法对日降雨、日最小和日最大气温数据进行插值处理[16]。3个水文站控制流域的基本特征见表1。

表1 水文站控制流域基本特征

1.3 研究方法

1.3.1水文要素变化分析

采用了降水P和潜在蒸散发E0来表征气候变化。并且，采用Hargreaves方法[17]来计算潜在蒸散发E0，因为仅需要日最小和最大气温，公式如下：

(1)

式中Ra——地外辐射；λ——Tmean的汽化潜热。

Mann-Kendall趋势检验方法[9,18]已广泛应用于趋势分析，此次采用其分析3个水文站控制流域1960—2016年平均径流、年平均降水和年平均潜在蒸散发的变化趋势。对于时间序列X(t)(t=1,2,…,n)，其趋势估计量β为：

(2)

1.3.2基于时变参数的Budyko框架

Budyko框架清晰揭示了年径流与其影响因素(降水、潜在蒸散发和流域特征)间的非线性关系，已广泛应用于径流变化归因[5-8]。其中，Choudhury-Yang方程可估计实际蒸散发E，并已广泛应用于黄河流域[3,18-20]。方程如下：

(3)

式中n反映下垫面特征，如土壤特性、坡度、土地利用和植被覆盖等。

流域水量平衡方程为：

Q=P-E-ΔS

(4)

式中ΔS为流域蓄水量的变化，在多年的尺度，流域多年蓄水量变化可忽略不计。采用10年均值对年径流、年降水和年潜在蒸散发进行处理，使ΔS为0。年径流、年降水、年潜在蒸散发和年实际蒸散发从第t-9年至第t年的均值分别记为Qt、Pt、E0,t和Et，则式(4)可变为：

(5)

式(5)中的参数n在大部分研究中通常取某个常数值，不能反映下垫面的时变影响。Zhang等[10]提出依赖时间变化的时变参数nt，从而更好地刻画气候变化和土地利用的影响，见下式：

(6)

nt=α+β1t+β2t2

(7)

其中α是常数，β1和β2是回归系数。由每年的年径流Qt、年降雨Pt、年蒸散发E0,t可计算得到每年的时间参数nt来进行拟合。

(8)

(9)

所以，可得到从第t0年到第t年气候变化 (Ac,t) 和土地利用变化 (Al,t) 的累积影响为：

(10)

2 结果

2.1 水文气象系列的年际变化

图3显示了3个站点控制流域年径流、年降雨和年潜在蒸散发从1960—2016年的年际变化。吉迈站、玛曲站和唐乃亥站多年平均径流分别为85.25、162.25、164.60 mm，多年平均降水分别为452.70、540.26、525.85 mm，多年平均潜在蒸散发分别为708.85、744.69、755.64 mm。

图2 从第t-1年至第t年气候变化和土地利用影响分解示意

a)吉迈站

b)玛曲站

c)唐乃亥站

3个站点的年潜在蒸散发都显著增加，但年径流和年降雨的变化呈现出区域差异(表2)。吉迈站年径流无显著变化，但年降雨和年潜在蒸散发显著增加，增加率分别为1.07、2.28 mm/a；玛曲站年径流显著减少，减少率为-0.66 mm/a，年降水无显著变化，年潜在蒸散发增加率为1.60 mm/a；唐乃亥站和玛曲站相似，年径流显著减少，减少率为-0.59 mm/a，年潜在蒸散发显著增加。

表2 黄河源区水文站年径流、年降雨和年潜在蒸散发的MK检验结果

2.2 Budyko框架

时变参数n随时间的变化见图4。吉迈站时变参数n从1969—2000年左右逐渐增加，之后有所减少。玛曲和唐乃亥站时变参数n总体呈增加趋势。3个站点控制流域nt平均值分别为1.79、1.39和1.29，更大的n值意味着在相同的气候状态下，实际蒸散发更大，产流减少，区域干旱化。3个站点的回归相关系数分别为0.71、0.92和0.85，均大于0.70，故回归模型能较好地拟合时变参数n的变化。

a)吉迈站

b)玛曲站

c)唐乃亥站

图5显示了3个站点控制流域从1969—2016年的时变Budyko曲线。从图中可以看出，3个站点的气候存在较大波动，其干旱指数(E0/P)多年均值分别为1.56、1.38和1.44。吉迈站的水文气象点对变化较为复杂，其干旱指数和时变参数均存在非线性变化，而玛曲站和唐乃亥站点对变化较为相似。

a)吉迈站

b)玛曲站

c)唐乃亥站

2.3 累积影响评估结果

3个站点气候变化的累积影响曲线较相似(图6a)。气候变化从1973—1990年增加了径流，其累积影响值在1983—1990年较大，达到了10 mm以上。从1991—2003年气候变化减少了径流，在2003年，3个站点的累积影响值分别为-10.85、-20.91、-21.66 mm。2004年以后，整体上气候变化增加了径流，最终对径流变化的累积影响值都是正值。

3个站点土地利用变化的累积影响曲线存在区域差异(图6b)。吉迈站土地利用变化从1969—1996年持续减少径流，1997年后效应减弱。玛曲和唐乃亥站土地利用变化都持续减少径流。3个站点最终土地利用变化的累积影响分别为-9.17、-32.09、-31.65 mm。

a)气候变化的累积影响/mm

b)土地利用变化的累积影响/mm

综合来看，吉迈站年径流无显著变化趋势，这是因为气候变化对径流有所增加，土地利用对径流的减少相对其他2个站点较少，气候变化对其径流变化起了重要作用。而玛曲和唐乃亥站年径流显著减少，土地利用变化对径流的持续减少是重要的影响因素。

已有的研究[7]发现黄河源区径流变化存在2个突变时间点(1989、2003年)，这和本文研究结果相一致。吉迈站控制流域年降水显著增加，其余区域降水变化不明显(表2)，其土地利用变化也更为复杂，黄河源区约63%的冻土位于吉迈[7]，因此吉迈站的影响因素和趋势变化与其他2个站不同。对于气候变化，虽然源区潜在蒸散发一直显著增加，但年降水变化方向并不单一(表2)；对于土地利用，其变化因素较为复杂，包括草地退化和冻土退化[7,13-15],作用机制多元，所以不同时期土地利用和气候变化对径流的影响存在异质性。

3 结论

基于时变参数的Budyko框架系统评估了1960—2016年气候变化和土地利用变化对黄河源区径流变化的累积影响，结论如下：①源区3个站点年潜在蒸散发都显著增加，其中玛曲和唐乃亥年径流显著减少，但吉迈站年径流无显著变化；②回归模型能较好地模拟时变参数n的变化，相关系数在0.7以上；③气候变化对3个站点控制流域径流的影响存在时间波动，气候变化在1973—1990、2004年之后增加了径流，而1991—2003年减少了径流；除吉迈站部分时段外土地利用变化均减少了径流。气候变化对吉迈站径流变化起了重要作用，而土地利用变化对玛曲和唐乃亥站累积影响更大。

总的来说，基于时变参数的Budyko框架简单但可靠，所需数据较少，能精确刻画气候变化和土地利用变化对径流变化的累积影响，但对于时变参数的模拟仍缺乏充分的物理机制，今后仍需加强研究。