径流变化归因分析探讨

径流变化归因分析探讨

贺瑞琼

陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710001

摘要：本研究以位于榆林市横山县的小理河及其流域为主要研究区域，采用流域长序列水文气象和人类活动数据资料，以降雨量和土地利用两个因素对小理河流域内径流量的变化进行归因分析，定量分析气候变化和人类活动对径流量的影响，进一步研究径流量变化及其变化的趋势和原因。

关键词：变化；径流；分析

1气象影响因素

1.1降水量变化

本次研究以小理河流域内的艾好峁站、石窑沟站、高镇站等七个雨量站为研究对象，其中石窑沟站的资料序列不完整，无法使用，故本研究仅利用其余六个雨量站点进行处理，对小理河流域内的降雨量变化进行研究分析。六个雨量站站点均匀分布在小理河流域，所以可以通过算术平均法便能科学准确地将点雨量转化成面雨量，求得小理河流域逐年年降水量，从结果可以明显看出5月至10月降水较多，是小理河流域的雨季；11月至次年4月降水很少，是小理河流域的旱季。而且每年的极大值多出现在7月或者8月；每年的极小值多出现在12月或者次年1月。对小理河流域内的年降雨量和年径流量序列进行变换，将序列进行归一化预处理，得到序列的归一化曲线，归一化应用公式（k-1）/Cv处理。

如图1分析可知，年径流量和降雨量具有一致性，说明降雨量的变化对径流量的变化有着一定的影响，从图中可看出，降雨量和年径流量在20世纪90年代出现了分离的情况，说明在这个时期发生了除降水变化外的其他影响因素；然后在本世纪初两条曲线又有靠拢的走势，说明九十年代发生的影响因素可能受到遏制，或小理河流域的水文循环过程可能适应了该影响因素。

图1降雨与径流的归一化曲线

1.2潜在蒸散发量变化

蒸散发过程是水文循环中的一个重要环节，降雨落到地面，经过一定的物理变化，由液态或者固态转化为水蒸气，经过垂直运动返回大气。陆地上1年的降水量约66%通过蒸散发返回大气，由此可见蒸散发是水文循环中必不可少的组成部分【1】。通过原来的Penman-Monteith公式、空气动力阻力式、表面阻力式，可推导出计算ET0的FAOPenman-Monteith方法：

（1）

由于小理河流域没有国家气象站点布设，选择离流域地理位置最近的横山站作为研究对象的气象资料来源站点。从中国气象数据网上下载“中国地面气候资料月值数据集”，选取横山站1978-2010年月尺度的观测数据。根据横山站的气象观测资料，通过计算得到1978-2010年的的潜在蒸散发数据序列，从结果可知4月至8月潜在蒸散发能力较大；9月至次年3月潜在蒸散发能力较小。而且每年的极大值多出现在5月或者6月；每年的极小值多出现在12月或者次年1月。

对小理河流域内的年降雨量和年径流量序列进行变换，、进行归一化预处理，得到序列的归一化曲线，归一化应用公式（k-1）/Cv处理。

如图2分析可知，流域年径流量和年潜在蒸散发具有一致性。说明年潜在蒸散发变化对径流产生了重要影响，其中九十年代并没有发生明显的分离现象，说明在1.1章节中降雨与径流的归一化分析中，年径流量与降雨量的在九十年代的分离很有可能是由年潜在蒸散发量的变化造成的。

图2潜在蒸散发与径流的归一化曲线

2人类活动—土地利用变化

小理河流域过去植被丰富，到处都是茂密的草原，随着农牧业的发展，原本的平衡被打破，生态遭到破坏，目前以栽培植被为主。小理河流域林业稀少，也主要是以人工植树为主，植被稀少。

本文以中国科学院地理科学与资源研究所资源环境数据中心提供的20世纪80年代末、1995-1996年间和2008-2009年间三期1：10万土地利用数据为基础，得到1986、1995和2008年三个时期的黄土高原250m×250m土地利用数据为研究基础数据，利用ArcGIS9.2相关工作模块，计算得到土地利用的空间变化及相关的属性数据。首先应用ArcGIS的的流域分析模块，对DEM数据和地形图数据进行校准配对，得到研究区域小理河流域的边界，然后对流域内各省的基础数据进行切割、拼接、边界融合等操作，得到三个时期土地利用的数据成果【2】。

为了便于数据处理和分析对比，将土地分类为五种类型：耕地、林地、草地、水库坑塘、农村居民点（建设用地），进一步对小理河流域土地利用的变化进行研究分析。三个时期土地利用类型栅格图见图3、4、5。

图31986年小理河流域土地利用类型栅格图

图41995年小理河流域土地利用类型栅格图

图52008年小理河流域土地利用类型栅格图

利用GIS的空间分析模块计算得到结果如表1所示，对比三个时期土地利用类型变化，2008年小理河流域耕地占流域总面积的55.89%，相比于1986年增加了0.81%；林地占流域总面积的3.48%，相比于1986年增加了1.31%；草地占流域总面积的40.37%，相比于1986年减少了1.88%；水库坑塘和农村占流域总面积比例较小，共占0.26，相比于1986年减少了0.24%。小理河流域土地利用类型中，林地和草地利用变化最大，林地增加，而草地有所减少，这个结果说明小理河流域内水土保持措施成效明显，人类活动对小理河流域内的植被覆盖率的增加有着重要的作用。

表1小理河流域不同土地利用类型变化

对土地利用的动态变化研究，主要是对土地动态变化简历相关模型计算研究【3】。以土地利用类型的变化为主要研究内容，土地利用类型的动态密度，可以定量的描述研究区小理河流域某一种土地利用类型在时间尺度上的变化情况，可以用来描述土地利用变化在不同区域之间的差异性，也可以对土地利用的未来情况进行趋势预测【4】，单一土地利用类型动态度计算公式如下所示：

（2）

根据公式（2）所示，计算得到小理河流域内5种不同土地利用类型的动态密度的结果，从1986年到2008年期间，耕地的动态密度为0.06%，整体变化较小，但1986年流域内耕地的面积为44450hm2，耕地基数面积较大，如果仅仅考虑耕地面积因素，耕地面积处于持续增加的趋势；林地的动态度为2.74%，相对于1986年增加明显；草地的动态度为-0.20%，说明草地面积相对于1986年减少；水库坑塘和农村居民点的实际面积较小，故暂不研究其动态度变化。

3定量分析

降雨—径流双累积曲线，是对降雨—径流关系在不同阶段中分析的一种重要方法，也是判断降雨—径流转折年的方法。如果流域内的下垫面条件维持不变，在外界其它状态一致的情况下，可认为流域内径流量主要受到降雨因素的影响，这种情况下，双累积曲线基本上是一条直线；如果双累积曲线不是一条直线，而是在中间某个位置发生偏折，这说明了在转折处所对应的时间点上下垫面条件有可能改变了，因此，我们可以确定人类活动是影响降雨—径流关系的主要因素，这可为定量评价人类活动的径流影响，进行时段划分，以及为确定基准期的截止年份提供依据【5】。

在分析气象影响因素的过程中，本研究在进行定量计算时，将年降水量和年潜在蒸散发量均列为影响径流变化的主要气象影响因素。为了综合考虑年降水量和年潜在蒸散发量对径流变化的贡献，以及便于双累积曲线的研究分析，引入年净雨量这一变量，其计算公式如下：

（3）

参考童瑞【6】和翟禄新【7】的研究成果，将黄土高原地区的蒸发比例系数k设为0.3。

为了定量区分气象因素与人类活动对年径流深变化的贡献，依据基准期（1978年-1992年）的年净雨量—年径流深双累积曲线，建立年净雨量和年径流深之间的相关关系。

图6小理河流域净雨量—径流深双累积曲线

我们从图6中可以看出，将1978-1992年作为基准期后，1993-1998年和1999-2010年两个时间段的散点分布明显和基准期不同。表2中的线性拟合方程也说明了这一点，1978-1992年和1999-2010年的拟合后的方差分别为0.9260和0.9614，证明这两个基准期和突变后的净雨量和径流深的线性拟合效果显著；在突变分析中发现1993年和1998年是小理河流域径流的突变年份，这两个突变点的时间间隔相距较近，造成1993-1998年的净雨量与径流深没有较好的线性关系，线性拟合的方差只有0.0131，因此在对气候因素和人类活动的改变，分析径流深的影响时发现，1993-1998年时间段处于波动不稳的变化时期，对该时间段进行定量分析的意义不大，定量计算主要以1978-1992和1999-2010两个时间段为对象。

表2年净雨量与年径流深的线性拟合

从表3可以看出，在选取的基准期1978-1992年时段，多年平均径流深为28.32mm，而突变阶段结束后，1999-2010年时段的多年平均径流深为23.94mm，径流深减小了15%。据前文分析，径流深的变化不仅仅有降雨量和蒸发量的影响，还存在人类活动作用的结果。1999-2010年径流深相对于基准期仅减小了4.38mm，但经过计算分析，发现气候变化有8.93mm的贡献，人类活动对径流深变化的贡献为-13.31mm，气候条件的改变，使径流深增大，而人类活动对径流深的影响刚刚好抵消了气候因素对径流深的增加，两者的总贡献使径流深呈减小变化。综合来看，不断增强的水土保持、耕地开垦、植被变化等人类活动对小理河流域的年径流深的变化主要起减少影响，降雨量和蒸散发能力导致净雨量改变，进而对径流深产生变化

表3气候要素和人类活动对径流深变化的贡献

4小结

本文主要以气候变化和人类活动为研究资料，对降雨量和潜在蒸散发量的变化特征进行分析研究，在人类活动方面则做了土地利用类型变化和水利工程设施建设情况的调查化，利用降雨—径流双累积曲线，建立年净雨量和年径流深之间的相关关系，定量评价人类活动对径流的影响。

通过对小理河土地利用类型的分析研究，结果表明，草地和林地在时间的尺度上变化较大，这说明了人类活动如植树造林等活动改变了其结果，而水土保持等措施的实施也对径流量的变化产生了一定的影响。因此，在小理河流域内，人类活动对径流量的变化产生了减少的影响。不断增强的水土保持、耕地开垦、植被变化等人类活动对小理河流域的年径流深的变化主要起减少影响，降雨量和蒸散发能力导致净雨量改变，进而对径流深产生变化。

参考文献：

[1]芮孝芳．水文学原理[M]．北京：中国水利水电出版社，2004：104－130．

[2]李丽娟，杨俊伟，姜德娟，李九一，侯西勇.20世纪90年代无定河流域土地利用的时空变化[J].地理研究，2005，（04）：527-534+656.

[3]王秀兰，包玉海.土地利用动态变化研究方法探讨[J].地理科学进展，1999，（01）：83-89.

[4]李忠锋，王一谋，冯毓荪，王建华，马安青.基于RS与GIS的榆林地区土地利用变化分析[J].水土保持学报，2003，（02）：97-99+140.

[5]王明玉，王百田，赵铭军，任烨，毛泽秦.降水变化和人类活动对纸坊沟小流域年径流的影响[J].水土保持通报，2012，（03）：37-41+67.

[6]童瑞，杨肖丽，任立良，刘懿，马明卫.黄河流域1961—2012年蒸散发时空变化特征及影响因素分析[J].水资源保护，2015，（03）：16-21.

[7]翟禄新，冯起，李艺，邓晓军.基于CRAE模型的西北地区实际蒸散发量计算[J].灌溉排水学报，2010，（05）：33-38.