黃河上游典型河流水熱耦合平衡方程研究

黃河上游典型河流水熱耦合平衡方程研究

越來越激烈的人類活動嚴(yán)重改變了流域的底部，并影響了流域的產(chǎn)配流機制，導(dǎo)致河流等水文因素的變化，從而影響水循環(huán)過程和水量平衡。針對河川徑流變化影響因素的評估方法已有較多研究，如廣泛應(yīng)用的水文模型法、水文統(tǒng)計法等洮河、大夏河作為黃河上游區(qū)重要的一級支流，受氣候變化和人類活動雙重作用，河川徑流發(fā)生顯著的變化研究區(qū)域的概況和數(shù)據(jù)來源大夏河流域概況洮河流域位于甘肅省西部，介于101°36′—104°20′E、34°06′—36°01′N(圖1),發(fā)源于西傾山北麓，由西向東依次經(jīng)過碌曲、卓尼、岷縣，岷縣受阻后北拐穿過九甸峽和海甸峽，經(jīng)東鄉(xiāng)、臨洮等地，在永靖注入黃河。流域總面積24973km大夏河發(fā)源于甘南高原，河源由夏河和咯河(又名：德烏魯河)兩大支流組成(圖1)。大夏河流經(jīng)夏河縣、合作市、臨夏、東鄉(xiāng)縣注入劉家峽水庫，流域面積6808km月徑流、月徑流數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)分析本文選擇洮河流域的紅旗水文站和大夏河流域的折橋水文站(圖1),通過黃河水文年鑒、《黃河泥沙公報》及黃土高原數(shù)據(jù)中心(http:///hyd/inedx.jsp)獲取兩個水文站的月徑流數(shù)據(jù)。通過中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://)下載獲得流域范圍內(nèi)12個氣象站點1961—2017年的基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)，包括最高溫度、最低溫度、平均溫度、日照時數(shù)、平均相對濕度、日降雨量、平均風(fēng)速。采用世界糧農(nóng)組織(FAO)修正的Penman-Monteith公式獲取研究區(qū)的潛在蒸散發(fā)，該方法充分考慮了作物地表特征和空氣動力學(xué)的參數(shù)的變化(1)式中，ET學(xué)習(xí)方法實行endell突變檢驗分析Mann-Kendall(MK)趨勢檢驗和Mann-Kendall突變檢驗分析是水文時間序列常用的方法，能夠很好地反映河川徑流變化發(fā)展規(guī)律，具有精確度高、不受異常值干擾、適用于非正態(tài)分布數(shù)據(jù)的優(yōu)點。計算方法詳見參考文獻徑流變化歸因識別基于Budyko水熱耦合平衡理論量化氣候變異和人類干擾對徑流變化的敏感性和貢獻率，能夠準(zhǔn)確、快速識別引導(dǎo)徑流變化的主導(dǎo)因素，在研究氣候變化和下墊面變化對徑流影響程度分析中廣泛應(yīng)用徑流彈性系數(shù)法基于Budyko水熱耦合平衡方程計算長時間尺度下的實際蒸散發(fā)(2)式中：ET表示流域年實際蒸散發(fā)(在多年尺度上，閉合流域滿足水量平衡關(guān)系，即：R=P-ET(3)式中，R為多年平均徑流深((4)假設(shè)P、ET(5)定義(6)進一步推導(dǎo)，各彈性系數(shù)表達式為(?=ET(7)(8)(9)降雨、潛在蒸散發(fā)、下墊面的徑流彈性系數(shù)由(7)—(9)式求得，彈性系數(shù)的正負(fù)表示徑流與該因子的正負(fù)相關(guān)關(guān)系，彈性系數(shù)的絕對值大小表示該因子對徑流變化的影響程度。徑流時空變化如果徑流發(fā)生顯著性變化，基于突變點，研究時期分為基準(zhǔn)期和若干人類活動期，基準(zhǔn)期和人類活動期的徑流深變化為(10)式中i代表降雨P(guān)、潛在蒸散發(fā)ET通過計算可以分別獲得人類活動期降雨、潛在蒸散發(fā)、下墊面系數(shù)相對基準(zhǔn)期引起的徑流深變化為ΔRη其中η結(jié)果與分析徑流時空分布洮河和大夏河流域的徑流特征如表1所示，結(jié)果表明：洮河流域的多年平均徑流深為177.71mm,是大夏河121.49mm的1.41倍。大夏河年際徑流深極值比為22.66,是洮河的5—6倍，表明大夏河年際徑流深差異明顯，這主要與大夏河南北地域差異性和季風(fēng)性氣候引起的降雨時空分布有關(guān)。采用非參數(shù)MK趨勢檢驗流域徑流深的變化趨勢可知：洮河、大夏河流域的徑流深均呈現(xiàn)減少趨勢，顯著性超過99%。圖2為流域年徑流深的線性擬合，由此可知，洮河、大夏河1961—2017年徑流深減少速率分別為-1.85mm/a、-1.36mm/a。Mann-Kendall突變點檢驗發(fā)現(xiàn)，洮河、大夏河徑流突變分別發(fā)生在1987、1985年，突變之后人類活動期徑流相對變化率超過30%。流域降雨、蒸發(fā)等氣象因素直接影響著河川徑流變化。采用MK趨勢檢驗分析研究區(qū)降雨、潛在蒸散發(fā)變化特征發(fā)現(xiàn)(表1),洮河、大夏河年降雨量無顯著的變化趨勢，年降雨量變化速率分別為-1.08、0.005mm/a(圖3);而洮河和大夏河流域年潛在蒸散發(fā)顯著增長(流量變化的歸因分析蒸散發(fā)、下墊面參數(shù)的彈性系數(shù)分析基于Budyko水熱耦合平衡方程理論計算洮河流域和大夏河流域各時段水文特征以及徑流對降雨量、潛在蒸散發(fā)、下墊面參數(shù)的彈性系數(shù)(表2)。分析發(fā)現(xiàn)：洮河、大夏河流域在人類活動期降雨量、徑流深相對基準(zhǔn)期均減少，年潛在蒸散發(fā)增加，徑流系數(shù)減少，降雨轉(zhuǎn)換為蒸散發(fā)的比例增加?？傮w而言，洮河、大夏河流域徑流變化與圖4反映了洮河、大夏河流域1961—2017年干旱指數(shù)(徑流深變化分析基于Budyko水熱耦合平衡方程理論量化氣候變化和下墊面條件對徑流過程的影響程度(表3)。由表可知，理論計算的徑流深變化(綜上，下墊面條件是引起洮河、大夏河流域徑流減少的主要因素，降雨次之，潛在蒸散發(fā)影響程度最小。流域2000年之后降水頗豐，但徑流深基本保持在150mm左右，可見下墊面狀況的改變對流域的產(chǎn)匯流過程產(chǎn)生了深刻的影響。討論流域特征參數(shù)Budyko方程的唯一參數(shù)氣候變化對流域水文循環(huán)過程的影響采用Budyko水熱耦合平衡方程理論對徑流影響因素的彈性系數(shù)進行分析發(fā)現(xiàn)，氣候因子的彈性系數(shù)絕對值最大，表明氣候變化直接影響著流域水文循環(huán)過程。洮河、大夏河流域人類活動期的徑流較基準(zhǔn)期均呈顯著減少，盡管下墊面的彈性系數(shù)介于1—1.3之間，但下墊面狀況的改變對徑流深變化的貢獻率超過了60%,與已有的研究結(jié)果一致徑流變化規(guī)律本文以黃河上游支流洮河、大夏河流域為研究對象，采用Mann-Kendall趨勢檢驗、突變等方法分析流域1961—2017年徑流序列變化，基于Budyko水熱耦合方程理論量化氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻，主要結(jié)論如下：洮河流域、大夏河流域徑流深均顯著減少，變化速率分別為-1.85mm/a、-1.36mm/a。兩個流域的年降雨量未發(fā)生顯著變化，但年