田红纲

(陕西省宝鸡水文水资源勘测中心,陕西 宝鸡 721000)

0 引言

通过研究发现,近70年以来,全球气候发生了巨大变化,水资源匮乏、水环境污染、水生态损害等自然灾害问题日益突出,气候的变化与人类的活动是造成河川径流量变化的两大重要原因[1],而气候变化与人类活动对径流变化之间的相互作用关系也已受到了国内外学者和政府部门的极大重视,是目前世界水文学与水资源研究与分析的热点问题之一。张建云等[1-2]分析结果显示我国主要河川径流量年内分配在空间和时间上呈现出显著的差异性、不均衡性,我国六大流域主要江河实测年径流量的减少趋势十分明显;李斌等[3]分析表明渭河中下游地区的实测年径流量呈下降趋势。

本文以清姜河流域为研究区域,以代表站益门镇水文站为研究分析对象,采用滑动平均、线性回归、丰枯变化、曼-肯德尔(Mann-Kendall)检验、SCRAQ等方法,分析探讨清姜河流域年径流量变化趋势和突变情况,分析气候变化与人类活动因子对年径流量变化的影响程度,这对清姜河流域综合治理与水资源管理有重要意义,为清姜河流域水资源合理的开发利用与经济社会可持续发展提供用水支撑。

1 研究区概况

清姜河集水总面积234.4 km2,河长43.0 km,其发源于秦岭的玉皇山,上游地貌为土石山区,中、下游为山前丘陵和渭河谷地,区域植被良好,水质清澈,自东南流向西北,于陕西省宝鸡市渭滨区石家营村附近汇入渭河。益门镇水文站1955年建站,集水面积219 km2,多年平均年径流量1.26亿 m3,为清姜河流域代表水文站。研究区域水系概况及水文站地理位置见图1。

图1 研究区域水系及水文站点图

2 数据及分析方法

2.1 数据来源

依据清姜河流域的特性,综合分析流域内水文站点分布情况与代表性,径流、降水资料的一致性与可靠性,选取益门镇水文站作为该流域代表站,资料系列长度为1956-2020年共65 a,降水、径流资料数据均来源于《水文年鉴》。

2.2 分析方法

(1)线性回归分析是将自变量与应变量之间的关系建立模型[4],得到线性拟合函数,进而预测其变化趋势。

(2)根据径流距平百分率P可以将年径流量划分为5个等级[5],丰水:P>20%;偏丰:10%

(1)

(3)Mann-Kendall检验[6]是水文气象研究与分析中最基本的突变点检验方法,UF和UB两条统计曲线的交叉点即为突变点。

(4)SCRAQ[7]是根据降水—径流双累积曲线偏移的拐点,确定出径流发生突变的年份,在时间序列上划分为基准期(人类活动较少时期)和人类活动频繁期;通过绘制各阶段年份—累积径流、降水、蒸发等的关系图,确定各阶段径流、降水、蒸发的斜率;计算各阶段径流、降水、蒸发等因子相对于基准期斜率的变化率。

假设累积径流量关系线突变年份前后的斜率分别SRi1和SRi2,累积降水量关系线的斜率分别为SPi1和 SPi2,则降水量对径流量变化的影响率Cpi计算式为[8]:

(2)

在不考虑蒸散发的前提下,依据水量平衡原理,则人类活动对于径流变化影响率CHi为100-CPi。

3 结果与分析

3.1 年径流年际变化分析

通过对益门镇水文站1956-2020年年径流量、5 a滑动平均过程线和线性回归分析表明(图2),最大丰水年径流为1964年的3.27亿 m3,最小枯水年径流量为1995年的0.38亿 m3;1984-2002年径流量整体上呈下降趋势,2003-2011年总体上呈上升趋势;1989-2016年径流量基本处于多年平均径流量水平线以下。从1956-2020年整体系列来看,年径流量波动变化剧烈、年际变化差异性大、减少趋势明显,其减少率为-0.010 9亿 m3/a,年径流量小于多年平均值的年数占比66.7%。

图2 益门镇站年径流量变化趋势

3.2 年径流丰枯变化分析

通过对益门镇水文站年径流丰枯变化趋势分析可知(图3),1956-1970年径流量大部分处于丰水期,极少数年份处于枯水期,丰水期历时较长,一般为3～4 a,其余年份丰水期历时较短,一般为1～2 a;1971-1990年呈波动变化,丰水年与枯水年交替出现;1991-2016年基本处于枯水年,极少数处于丰水年;1991-2002年连续12 a处于枯水期,综合反映了清姜河径流量呈减少趋势。

图3 益门镇站年径流丰枯变化趋势

3.3 年径流量突变分析

通过分析益门镇水文站Mann-Kendall统计量曲线得出以下结论(图4),清姜河年径流量1984-2002年间,径流量呈明显的逐年下降趋势,其中在1993年减少趋势达到了显著性水平0.05的临界线。UF与UB两条统计曲线的交叉点为1971年和1977年,即1971年和1977年为径流的突变拐点。

图4 益门镇水文站年径流量M-K检验统计量曲线

为了进一步确定年径流量的突变年份,计算并绘制益门镇水文站年降水—年径流双累积曲线(图5),依据双累积曲线偏移的拐点,从而确定径流发生突变的年份。分析可知,年径流在1988年和2002年发生了较为明显的偏移,1956-1987年、1988-2002年、2003-2020年各阶段线性回归拟合R2均大于0.99,说明了各阶段拟合相关程度极高,年径流量在1988年和2002年发生突变。

图5 年降水-年径流双累积曲线

3.4 气候变化与人类活动对年径流量影响分析

在不考虑清姜河流域蒸散发的情况下,利用SCRAQ法分析气候变化(年降水量)与人类活动对年径流变化的影响率。根据益门镇水文站年降水—年径流双累积曲线(图5)的偏移拐点年份,将年降水与年径流量在时间序列上划分为1956-1987年、1988-2002年和2003-2020年3个时间段,各阶段年份与累计年径流、年降水线性拟合成果(见图6、图7)。1987年以前人类活动较弱,1987年以后随着经济高质量的飞速发展,水利工程的建设和下垫面条件的改变,对年径流变化影响较大的是人类活动,因此将1956-1987年划分为基准期(人类活动较少时期),1988-2002年和2003-2020年2个阶段划分为人类活动与气候变化共同作用时期。

图6 年份-累积年径流量关系

图7 年份-累积年降水关系

各阶段的累积年径流量、年降水量的斜率见表1,分析可知:与基准期相比,1988-2002年径流减少了47.77%、降水减少了13.17%;2003-2020年径流减少了28.16%、降水减少了3.55%。

表1 各阶段累积年径流量、年降水量变化量

各阶段气候变化与人类活动对年径流量变化的影响率见表2,通过分析表明:1988-2002年降水量对径流变化的影响程度为27.57%,人类活动对径流变化的影响程度为72.43%;2003-2020年降水量对径流变化的影响程度12.60%,人类活动对径流变化的影响程度为87.40%。1988-2002年高温、干旱极端事件频发,降水量显著偏小,气候变化对年径流变化的影响率较大;2003年我国环境保护工作会议的召开,人们意识到环境保护的重要性,注重生态环境的保护和治理,气候变化对年径流变化的影响率呈减少趋势;近20 a以来,随着经济高质量的飞速发展,城镇、工业等用水量的增加,人类活动对径流变化的影响率呈增长趋势。

表2 各阶段气候变化与人类活动对年径流量变化的影响率

与基准期相比,各阶段的年径流量都呈现出不同程度的减少趋势,而人类活动对年径流量变化的影响率占比70%以上且呈明显的增长趋势,由此可见,影响年径流变化的主要因素是人类活动。

4 结语

(1)自1956年以来,清姜河流域年径流量波动变化剧烈、年际变化差异性大、减少趋势明显,减少率为-0.010 9亿 m3/a,其中1984-2002年下降趋势显著,在1991-2002年连续12年间年径流量都处于枯水期。

(2)依据M-K检验、降水-径流双累积曲线,清姜河径流突变年份分别为1971年、1977年、1987年和2002年。

(3)在气候变化与人类活动共同作用的影响下,清姜河流域年径流量的减少趋势十分明显,其中主要因素是人类活动,次要因素是气候变化,人类活动对年径流变化的影响呈显著的增长趋势。