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丁香五月 基于Budyko假设的渭河径流变化归因识别
- 发布日期：2024-11-05 22:28 点击次数：167
水资源是社会、经济和生态环境可捏续发展的瑕疵基础。河川径流是水资源最瑕疵的存在局势和构成部分之一, 是出产生涯用水的最主要开始[1]。受到现象变化和东说念主类行径的共同影响, 宇宙好多河流的河川径流量发生了权贵变化丁香五月, 严重威迫着区域水资源现象[2-3], 揭示径流变化的主要驱能源是宇宙水资源展望的关节, 亦然看守淡水资源可捏续应用的基础[4-5]。
渭河流域位于黄河中游, 是甘肃和陕西的母亲河, 亦然关中地区工农业汲水用水的主要开始, 是该地区经济社会发展的保险[6]。频年来, 渭河径流量发生了权贵变化, 其变化原因引起了关系不休部门与经营东说念主员的极大暖热[7]。郭爱军等[8]经营发现东说念主类行径对径流变化的影响作用处于主导地位, 现象变化的影响呈不分解的增多趋势。毕彩霞等[9]采汲水量均衡法以渭河流域的华县站为例经营1958—2011年径流减少的影响成分, 成果标明:降雨变化和东说念主类行径的孝顺率分别为49.0%和51.0%。Guo等[10]经营渭河上游径流变化的驱动成分, 成果标明, 东说念主类行径对径流的孝顺占59%—77%。Huang等[11]分析了渭河不同庚代际的径流变化尽头原因, 发现较1960s现象变化在20世纪70年代和90年代占主要成分, 而东说念主类行径在20世纪80年代和2000年之后起主导作用。尽管前东说念主也曾开展了好多对于渭河流域径流变化特征的经营, 并识别其变化的主要驱能源, 但经营成果仍存在较大的互异。
流域蒸闲散在年圭臬上受降水和挥发才气两个成分适度, 基于此表面, Bukyko提议了流域水量与能量(太阳辐照产生的能量)耦合均衡方程的构想, 即Budyko假设[12]。咫尺, 好多经营东说念主员凭证风光和径流尊府在宇宙多个地区考证了Budyko假设的树立[13-15]。经营发现, 影响流域水量均衡的成分除了蒸散和降水外, 还包括以下两类成分的影响:一类是下垫面临流域的影响, 包括泥土属性、地形、植被变化等[14-17]; 另外一类为除蒸散和降水量之外的现象因子, 包括降雨深度、降雨频次等[18]。因此, 频年来好多学者提议了一系列反馈下垫面成分的Budyko教会公式, 如Zhou等[19]和杨大文等[20]分别就下垫面参数进行了推导和考证, 经营标明Budyko解析式方程罢黜能量和水分范围条目。基于Budyko水热耦合均衡表面的水量均衡法对定量区分现象和下垫面变化对流域径流的影响具有宽阔的应用出路[21-22], 国内学者杨大文等[20]和孙福宝等[23]已证据了Budyko水热耦合均衡方程在黄河流域的适用性。
本经营在深化辨析渭河流域径流、降水、挥发变化的基础上, 遴选Budyko水热耦合均衡方程估算流域年径流变化的现象和东说念主类行径的弹性整个, 量化降雨、挥发以及下垫面变化对径流变化的影响, 识别渭河径流暴减的原因, 以期为渭河流域水资源筹画以及流域详细解决提供表面相沿。
1 经营区与数据获取 1.1 经营区约略渭河是黄河水量最多、面积最大的一级支流, 流域面积13.48万km2(103°55′—110°20′E, 33°40′—37°25′N)(图 1)。渭河发祥于甘肃省渭源县鸟鼠山, 由西向东流经甘肃、宁夏、陕西三省, 于陕西省潼关县隔壁汇入黄河。渭河干流全长为818 km, 支流较多; 第一大支流泾河, 河长455.1 km, 流域面积为4.54万km2; 第二支流为北洛河, 河长680 km, 流域面积为2.70万km2。渭河流域多年平均降雨量约为550.8 mm(1958—2015年), 在空间溜达上呈现南多北少, 山区降雨量大于河谷盆地, 且多年平均潜在蒸散量为995.0 mm(1958—2015年)。
1.2 数据开始与处理本文中式渭河流域咸阳、张家山、状头3个水文站点(表 1), 年径流量数据开始于中国水文水资源科学数据分享网和《黄河泥沙公报》等。本文华用了渭河流域22个风光站(图 1), 数据遴选中国风光数据分享网()1958—2015年逐月风光尊府, 包括降水量、平均气温、最高和最低气温、日照时数、平均风速、相对湿度等。本文华取FAO修正的Penman-Monteith公式[24]盘算潜在蒸闲散, 盘算公式如下:
(1)
式中, ET0为潜在蒸散量(mm/d); Δ为饱和水汽压弧线斜率(kPa/℃); Rn为太阳净辐照(MJ m-2 d-1); G为泥土热通量(MJ m-2 d-1); γ为干湿常数(kPa/℃); U2为2 m高处的风(m/s); T为平均气温(℃); es为平均饱和水汽压(kPa), ea为实质水汽压(kPa), (es-ea)为饱和水汽压差(kPa)。凭证月风光尊府盘算得到潜在挥发量, 并统计不同季节和年潜在挥发量。季节的差异遴选风光季节即3—5月为春季, 6—8月为夏令, 9—11月为秋季, 12—次年2月为冬季。
2 要领 2.1 Mann-Kendall趋势老师Mann-Kendall趋势老师法, 在现象和水文序列变化趋势分析中应用平庸, 不错战胜现象及水文时代序列变化趋势的权贵性[25]。
2.2 双蓄积弧线应用径流量与降雨量的双蓄积弧线, 经营直线斜率的变化经由, 直线斜率发生分解偏离的点对应径流量初始发生权贵变化的年份[26]。
2.3 径流变化归因识别基于Budyko水热耦合均衡表面的水量均衡法是区分现象和下垫面变化对径流变化孝顺的灵验要领。该要领与传统的数理统计要领比较, 其物理意念念愈加分解, 所用参数相对易获取, 盘算要领较粗拙, 是经营河川径流变化年序列圭臬上一种灵验且守望的分析要领, 在经营现象和下垫面变化对径流影响进度时被平庸应用[27]。
2.3.1 水量均衡方程流域水量均衡方程为:
(2)
式中, R为径流深(mm); P为降水量(mm); ET为实质蒸散量(mm); ΔS为储水量变化(mm)。
在流域圭臬上, 径流深和降雨量可通过实质不雅测得回, 实质蒸散量可遴选Budyko假设盘算获取。Choudhury[13]和Yang[28]等基于Budyko假设, 推导出流域水热耦合均衡方程, 抒发式如下:
(3)
式中, ET0为年平均潜在蒸散量(mm); ω为下垫面特征参数。
下垫面特征参数(ω)是适度Budyko弧线局势的参数, 其主要反馈下垫面特征对流域水均衡的详细影响[29-30], 在本流域中主要推崇为植被变化对流域蒸闲散的影响。分析万古期水文序列, 储水量的变化(ΔS)一般假设为零值[27], 即在假设储水量不变的情况下, 对多年平均圭臬及年际圭臬的弹性整个进行盘算。聚拢(2)、(3)式, 水量均衡方程不错默示为如下公式:
(4)
式中, 已知R, P和ET0可求算ω值。
2.3.2 明锐性分析由于水量均衡方程(4)式可默示为R=f(P, ET0, ω), 径流对特定落寞变量x的弹性整个可遴选下式默示:
(5)
式中, εxi是径流对特定落寞变量xi的弹性整个(Elasticity coefficent), xi默示P, ET0或ω。假设:
(6)
各变量的弹性整个盘算如下[27]:
勾引av
(7)
(8)
(9)
某个变量弹性整个的偶合默示径流深(R)跟着该变量的增多而增多, 负值则默示径流深(R)跟着该变量的增多而减小, 使用(7)—(9)式分别求得, 不错得回径流对降水的弹性整个(εP)、径流对潜在蒸闲散的弹性整个(εET0)和径流对下垫面的弹性整个(εω)。
2.3.3 下垫面变化对径流变化的孝顺凭证突变点将经营时代差异为不同期段, 时段1的多年平均径流深为R1, 时段2的多年平均径流深为R2, 从时段1到时段2的年径流的变化不错用径流前后两时段的多年平均径流深之差(dR)默示, 即:
(10)
同理, 降水量(dP)、潜在蒸闲散(dET0)和下垫面(dω)的变化默示为:
(11)
(12)
(13)
由一定因子引起的径流变化不错通过因子变化尽头偏导数的乘积来估量。因此, 每个因子对径流变化的孝顺不错使用以下微分方程来盘算:
(14)
式中, dR′为盘算求得的径流深变化。上式可化简为:
(15)
dRP、dRET0和dRω分别是现象变化(P和ET0)和下垫面(ω)的变化引起的径流变化。
将(5)式代入, 可默示为:
(16)
每个成分对径流变化的相对孝顺不错盘算如下:
(17)
式中, xi默示P, ET0或ω, Cxi默示各因子对径流变化的孝顺率(Contribution rate)。
3 成果与分析 3.1 渭河径流、降雨及潜在挥发变化趋势分析表 2为渭河流域咸阳站、张家山站、状头站1958—2015年径流深的统计特征。由表可知, 咸阳站多年平均径流深较张家山和状头站高, 且极值互异权贵, 各站年径流深的极大值均出当今1964年。遴选非参数Mann-Kendall趋势老师对各站径流深进行趋势分析得出:渭河流域各站径流深均呈权贵减少趋势, 且均达到0.01的权贵性水平。图 2为渭河流域各水文站1958—2015年径流深变化。通过线性趋势分析发现, 咸阳站、张家山站、状头站的径流深减少速度分别为:-1.520、-0.501、-0.322 mm/a。
图 3为渭河各流域1958—2015年降雨量和潜在蒸散量的年际变化经由线, 并遴选MK老师分析渭河干流区域、泾河流域、北洛河流域的降雨量和潜在蒸散量1958—2015年变化趋势, 成果标明(表 3):各流域降雨量的老师统计量为负, 但权贵性水平均未达到0.1, 减少趋势不权贵; 潜在挥发的老师统计量呈偶合, 但权贵性水平均未达到0.1, 增多趋势不权贵。
3.2 渭河径流量变化的归因分析 3.2.1 渭河干支流径流量突变特征渭河流域降雨-径流双蓄积弧线如图 4所示。从图中不错发现, 渭河干流降水径流蓄积弧线于1971年以及1993年发生分解偏移, 泾河和北洛河流域分别在1997、1993年发生偏移。降水-径流的双蓄积弧线在发生偏移前的阶段一般视作河川径流量未受东说念主类行径插手或插手较小的时代, 即基准期[31]。因此, 不错战胜渭河干流、泾河和北洛河流域的基准期分别为1958—1970年、1958—1996年和1958—1992年, 图中基准期后的蓄积弧线的斜率发生了一定进度的变调, 弧线斜率变小, 诠释径流相对于降雨有了减少趋势, 并以此将渭河流域径流序列差异为不同阶段, 具体各个站点的差异时段见表 4。
3.2.2 径流对现象要素和下垫面变化的明锐性分析表 4列出了各流域各时段水文现象特征值和径流对潜在蒸闲散、降水以及地表参数的弹性整个。各流域变化期的年平均降水、年均径流深均较基准期减少; 除渭河干流区1971—1992年外, 其余时段各流域年平均潜在蒸散量较基准期增多; 干旱指数(ET0/P)较基准期增大, 径流整个(R/P)较基准期减小。
总体而言, 径流与ET0、ω呈负关系, 但与P呈正关系。3个弹性整个的都备值最大的为P, 中间值为ω, 最小的为ET0。ET0的弹性整个范围为-2.51—-1.51, P为2.51—3.51, ω为-2.83—-1.32。这些范围标明, ET0, P或ω增多1%将导致1.51%—2.51%的着落, 2.51%—3.51%的增多或1.32%—2.83%的径流减少。渭河干流区域的干旱整个均较小, 标明渭河干流现象较北洛河和泾河相对湿润。北洛河流域干旱指数大于2.20, 径流整个较小, 年径流深约32.0 mm, 属温带大陆性季兴隆象, 日照饱和, 且雨量偏少。由表 4知, 弹性整个的都备值在时代上均有增大趋势。
图 5为1958—2015年各流域径流对现象和地表变化的年弹性整个, 其反馈了现象与地表参数对径流影响不同期期的影响。由图可知, 渭河干流和泾河流域εp和εET0的都备值权贵增多(P < 0.01), 北洛河流域的增多趋势不权贵, 这标明渭河干流和泾河流域径流深对现象变化的明锐性较高, 但北洛河流域的明锐性较差。3个流域的εω的都备值均权贵增多(P < 0.01), 这标明径流深对下垫面条目的变化更为明锐。
3.2.3 渭河径流变化的归因识别现象变化(降雨和潜在蒸闲散)和下垫面变化(参数ω)对径流变化的影响进度如表 5所示。由表知, 盘算求得的径流深变化(dR′)与实质径流深的变化(dR)收支很小, 这标明本文在评估关系环境成分对径流变化的孝顺时所用的要领灵验。降水量减少(或增多)和潜在蒸闲散的增多(或减小)以及下垫面特征参数ω值增大对径流的减少有正(负)孝顺。
由表 5看出, 渭河流域在不同期期、不同流域降雨、潜在蒸散量的变化和东说念主类行径对径流变化影响进度不同。东说念主类行径期与基准期比较, 年降水量和径流量均权贵减少, 下垫面参数增多, 除渭河干流1971—1992年均潜在挥发量减少外, 其他流域的年均潜在挥发量东说念主类行径期较基准期均增多; 不同流域的东说念主类行径期下垫面的变化均为径流变化的主导成分; 渭河干流、泾河流域下垫面的变化对径流的影响均大于60%, 即渭河干流和泾河的年径流深对下垫面的变化更为明锐; 泾河、北洛河流域对潜在挥发因子变化的明锐度较高, 潜在蒸散量的变化对径流变化也起到了瑕疵作用。
综上, 下垫面变化是渭河流域径流减少的主要影响成分, 降雨量变化次之, 潜在蒸闲散的影响较小, 下垫面变化对径流量减少的影响进度在渭河干流和泾河较剧烈。
4 征询现象变化与东说念主类行径是影响河川径流量变化的两个最瑕疵的成分。分析渭河流域22个风光站点风光要素, 发现降雨量在1958—2015年本事呈非权贵性减少, 而潜在蒸闲散权贵增多, 这标明流域近60年来呈现暖干化趋势。降雨、潜在挥发变化并不权贵, 二者对渭河径流量的减少的孝顺占比约为18.28%—62.12%, 且在时代和空间上存在权贵互异。
近几十年, 黄土高原经过大限制的水土流失解决, 泥土侵蚀量已权贵裁汰, 大部分河流的径流量和输沙量权贵减少[32]。渭河流域除受水土保捏步调的影响, 地皮应用、水库、工农业汲水等对径流的减少起到很大的作用。表 6为渭河流域水土保捏步调的统计信息[7]。由表可知, 截止2006年, 流域蓄积修建梯田206万hm2, 淤地坝坝控面积1.41万hm2。大限制的水土保捏步调大大变调了地表产汇流特征与旅途。1999年, 国度奉行“退耕还林草”, 渭河流域林草大地积大幅度高潮, 林草地的捏水性能和幽囚量无间高潮, 导致径流量无间减少[33]。此外, 流域内共有水库302座, 总库容达到27.3亿m3, 蓄、引、提工程灵验灌溉面积121万hm2[9]。水利工程诞生和工农业耗水量的无间高潮导致东说念主类行径对渭河径流的影响越来越剧烈, 以致径流量无间减少。坝库工程建成初期, 其蓄水对河川径流的年内分拨影响较大, 可是在多年平均现象下, 导致通盘流域挥发量增多。基于Budyko水热耦合均衡表面的基本假设是流域在某一段时代内储水变化量ΔS为零, 但该盘算要领忽略了流域水利工程尤其是水库和淤地坝对径流的拦蓄。尽管关系经营将东说念主类行径的影响动作一个举座研究[20, 27], 但部分经营标明下垫面参数(ω)的物理意念念和数学抒发尚不准确, 翌日经营仍需剔除坝库工程拦蓄的影响。
5 论断本文中式渭河流域为经营区, 遴选Mann-Kendall老师、双蓄积弧线瓜分析渭河流域1958—2015年的现象、水文要素变化, 应用基于Budyko水热耦合均衡方程量化现象变化和东说念主类行径对径流变化的孝顺, 主要论断如下:
(1) Mann-Kendall趋势老师法对渭河流域咸阳、张家山、状头3个适度水文站的径流和现象尊府趋势分析得出, 径流深呈权贵减少趋势, 减少速度分别为:-1.520、-0.501、-0.322 mm/a。降雨量和潜在蒸散量分别呈减少和眇小增多趋势, 但均不权贵。
(2) 遴选径流—降雨双蓄积弧线识别渭河各流域径流阶段性变化特征:渭河干流区域、泾河流域和北洛河流域径流变化的基准期分别为1958—1970年、1958—1996年和1958—1992年。依据Budyko水热均衡方程盘算径流对各因枪弹性整个, 成果显现径流深对下垫面条目变化更为明锐, 东说念主类行径期渭河干流和泾河流域下垫面条目对径流变化的孝顺率均在60%以上, 北洛河流域在1993—2015年下垫面条目对径流变化的孝顺率为37.88%。总体上丁香五月, 下垫面变化是渭河流域径流暴减的主要成分, 降雨成分次之, 潜在蒸闲散的影响较小。
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