 Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2013, 2, 420-423 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2013.26060 Published Online December 2013 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) Study on Impacts of Climate Changes on Bahe River Runoff* Xian Jia, Bing Shen State Key Lab Cultivation Base of Northwest Arid Ecology and Hydraulic Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an Email: jiaxian727@163.com Received: Sep. 30th, 2013; revised: Nov. 20th, 2013; accepted: Nov. 26th, 2013 Abstract: Based on hydrological data for Bahe River from time series of 1961 to 2010, the trend of hydro- logical and meteorological elements was analyzed by using the Mann-Kendall method. The runoff response to climate change is researched with Double mass curves and multiple regression models. The results showed that: the runoff significantly reduced while the annual mean temperature and annual precipitation have no significant trends, with only slightly elevated temperature and precipitation decreasing slightly; by the regres- sion analysis, runoff reduction is mainly due to rising temperatures and reduced precipitation. Keywords: Mann-Kendall; Double Mass Curves; Regression Analysis; Climate Change 灞河流域气候变化及其对径流的影响研究* 贾 宪，沈 冰 西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，西安 Email: jiaxian727@163.com 收稿日期：2013 年9月30 日；修回日期：2013 年11 月20 日；录用日期：2013年11 月26 日 摘 要：根据 1961~2010 年的灞河流域内的逐月水文气象数据，采用 Mann-Kendall 法对水文气象要素 进行变化趋势分析，采用双累积曲线和复回归模型进行径流量的气候变化响应研究。结果表明：流域 内年径流量显著减少，年平均气温和年降水量均无显著的变化趋势，仅仅表现为气温略升高、降水稍 减少；气温变化和降水变化对径流量的影响各自存在三个突变点，突变点前后径流量增加或减少的变 化明显，由回归分析可知，气温升高、降水减少是径流量减少的主要原因。 关键词：Mann-Kendall；双累积曲线；回归分析；气候变化 1. 引言 全球气候变化已经是不必争议的科学事实。据全 球范围的观测表明，近 100年(1 906~2005)全球平均地 表温度上升了 0.74℃(0.56 ~0.92℃)[1]。由于气候变化 的影响，水资源的年际变化很大，旱涝频繁发生，水 资源供需矛盾突出，给国民经济的可持续性发展设置 了巨大的障碍。因此，认清气候变化的趋势及其对水 资源的影响对于合理开发利用水资源具有重要的意 义。 在这种大环境下，我国西北地区的气候变化得到 了学者的关注[2]，对于灞河流域水文气象研究也已取 得了一定的成果[3-5]，但是都存在着雨量站数量少、代 表性低，水文气象资料序列较短等问题，因此对于灞 河流域气候变化及其对水资源的影响还需进一步研 *基金项目：陕西高校省级重点实验室科研项目(12JS067)。 作者简介：贾宪(1987-)，男，黑龙江七台河人，在读硕士生，研究 方向：干旱水文与雨洪侵蚀。 Open Access 420  贾宪，沈冰：灞河流域气候变化及其对径流的影响研究 第2卷 · 第6期 究。 灞河隶属于黄河流域，渭河水系，是渭河右岸一 级支流，位于陕西省西安市东南部，东经 109˚00'~ 109˚47'、北纬 33˚50'~3 4˚27'之间，南起秦岭，北至渭 河，流域全长104.1 km，总流域面积 2581.0 km2。灞 河是一条典型的不对称水系，左岸支流少而长，主要 有清河、辋川河和浐河；右岸支流多而短小。 2. 数据和研究方法 本文气温资料采用蓝田气象站 1961~2010 年逐月 平均气温，径流资料采用马渡王水文站 1959~2010 年 逐月径流量资料，降水量资料是对灞河流域内 12 个 雨量站根据泰森多边形[6,7](图1)求得的面平均降量， 其中各个雨量站的权重及控制面积见表 1。 2.1. Mann-Kendall法 1) 趋势分析方法 Mann-Kendall 法是一种非参数统计检验方法。非 参数检验方法也称之为无分布检验，其优点是不需要 样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更 适用于类型变量和顺序变量，计算也比较简便。对于 具有 n个样本的时间序列x，构造变量 S： 1 11 sgn nn ij iji Sx x j (1) 其中 n为序列长度，i，i x 和 j x 分别为第 i年和第 j年的数值，sgn 为表征函数： 1 0 sgn0 0 1 0 ij ij ij xx xx xx (2) 由下式计算统计检验值 c Z ： 1, 0 var 0, 0 1, 0 var c SS S Z SS S S (3) 当12c ZZ 时，接受原假设，表示无变化趋势， 当12c ZZ 时，拒绝原假设，表示序列有显著变化 趋势， 为检验的显著水平。而且为了检验序列的趋 Figure1. Thiessen polygon in the Bahe River basin area 图1. 灞河流域面积的泰森多边形示意图 Table 1. The weight and controlled basin area of rain station in Bahe River basin 表1. 灞河流域雨量站的权重和控制面积 坐标 站名 东经 北纬 权重 控制面积 (km2) 灞源 109˚42' 34˚09' 0.12 195.59 穆家堰 109˚32' 34˚11' 0.13 201.31 罗李村 109˚22' 34˚09' 0.08 131.47 龙王庙 109˚20' 33˚54' 0.06 97.42 葛牌镇 109˚30' 33˚55' 0.11 176.45 马渡王 109˚09' 34˚14' 0.02 38.77 牧户关 109˚30' 34˚03' 0.1 153.84 蓝桥 109˚27' 34˚06' 0.1 162.78 玉川 109˚23' 33˚58' 0.07 112.83 辋川 109˚22' 34˚05' 0.06 90.21 蓝田 109˚19' 34˚09' 0.04 69.34 蟠桃湾 109˚14' 34˚13' 0.11 170.99 势，还需要计算单调趋势的量级 Kendall倾斜度，即 单位时间内的变化量，计算公式为： Media ,1 ij xx ji jin ij (4) 当 值为正表示上升趋势，即变量随时间的增加 而增大，当 值为负表示下降趋势，即变量随时间的 增加而下降。 2) 显著性检验 本文采用的检验方法是 检验，构造检验总计均 t Open Access 421  贾宪，沈冰：灞河流域气候变化及其对径流的影响研究 第2卷 · 第6期 值的 t统计量公式为： 1 X tSn (5) 其中 X 和 分别代表样本均值和标准差，S 为总体均 值，n为样本量。在确定显著性 水平后，根据自由 度1n 查 分布，若ttt ，则拒绝原假设。在结 果分析的 M-K 统计表中，significance 下的各个符合 的意义表示为：“＋”为通过 90％的置信度检验；“＊” 为通过 95%的置信度检验；“＊＊”为通过 99%的置 信度检验；“＊＊＊”为通过99.9%的置信度检验。 2.2. 双累积曲线法[8] 双累积曲线是检验两个参数间关系一致性及其 变化的常用方法。 建立双累积曲线的基本方法为：设有一个参考变 量或基准变量 X 和被检验变量Y，n年的观测期间得 到相应的观测值 i X 和，其中 。然后对 i Y1, 2,,in 变量 X 和Y按时间顺序进行累积计算，得到新的累积 值序列 i X i1, 2,,in i 和Y，其中 ，即： 11 ; nn iii ii X XY Y (6) 然后，在直角坐标系中绘制两个变量所对应点累 积值的关系曲线，通常以被检验的变量为纵坐标，参 考变量或基准变量为横坐标。 2.3. 复回归模型法 通过建立水文系统与气候变量之间的数学模型 近似的模拟二者之间的复杂关系是合理可行的。本文 将实测径流量作为因变量，将流域内的气温和降水作 为自变量，建立它们之间的复回归方程来探究灞河流 域气候变化对径流的影响。该模型的数学表达式为： QabTcP (7) 其中：为径流量， T为平均气温， 为平均降水，Q P ,,abc为系数。 3. 结果分析 3.1. 水文气象要素趋势分析 根据 1961~2010 年灞河流域内的年平均气温、年 降水量和年径流量资料，采用 Mann-Kendall 法对灞河 流域水文气象要素进行趋势分析，结果见表 2，可以 看到，虽然流域内的气温和降水在 1961~2010 年的时 间里的 MK值没有通过90％的置信度检验，表明趋势 变化不明显，但结合图 2和图3可以发现气温有升高 的趋势，降水有减少的趋势；流域内径流减少的趋势 很显著，已通过99％的置信度检验。 3.2. 气候变化对径流的影响 由于水源地气候、下垫面条件及人为因素的影 响，改变了径流产生模式、水文事件发生的时间、频 率和流量，气温和降水的微小变化能够引起径流的显 著变化[9]。灞河流域内的气温–径流双累积曲线见图 4， 气温变化对年径流量的影响存在三个突变点，分别是 1980、1986 和2002 年，其中 1980 年前后斜率增大， 表明年径流量增多； 1986 年后斜率减小，表明年径流 量减少； 2002 年后斜率增大，表明年径流量又有增多。 同样采用双累积曲线观察降水与径流的关系，灞 河流域内的降水–径流双累积曲线见图 5，可以看到 降水变化对年径流量的影响存在三个突变点，分别是 1976、1986 和2008 年，1976 和1986 年两次的突变 都是斜率变小，表明两次变化均是径流量减少，2008 年后斜率增大，表明径流量增多。 将流域内年径流量作为因变量，将流域内的年平 均气温和年降水量作为自变量，作复回归分析，结果 见表 3，其中由 F分布表可知， 。 0.01 5.087F Table 2. Mann-Kendall test for hydrological and meteorological elements in Bahe River basin 表2. 灞河流域水文气象要素 Mann-Kendall 趋势检验 Time series First yearLast year n c Z Significance 气温 1961 2010 50 1.62 降水 1961 2010 50 −1.17 径流 1961 2010 50 −2.59 ＊＊ y = 0.0092x - 5.2068 R 2 = 0.074 12.00 12.50 13.00 13.50 14.00 14.50 19611966197119761981 1986 19911996200120062011 年份 气温 Figure 2. The annual average temperature trends of Bahe River basin 图2. 灞河流域年平均气温趋势图 Open Access 422  贾宪，沈冰：灞河流域气候变化及其对径流的影响研究 Open Access 第2卷 · 第6期 423 y = -1.7665x + 4307.2 R 2 = 0.0323 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006 2011 降水 年份 4. 结论 1) 在1961~2010 年的期间，灞河流域的年径流量 显著减少，年平均气温和年降水量均无显著的变化趋 势，仅仅表现为气温略升高、降水稍减少的变化。 2) 气温变化和降水变化对径流量的影响各自存 在三个突变点，突变点前后径流量增加或减少的变化 明显，根据回归分析可知，气温升高、降水减少是径 流量减少的主要原因。 Figure 3. The annual precipitation trends of Bahe River basin 图3. 灞河流域年降水量趋势图 0 50 100 150 200 250 0100 200 300400 500 600 700 累积气温/℃ 累积径流量/10 8 m 3 5. 致谢 感谢陕西高校省级重点实验室科研项目(12JS067 ) 对本文的支持；感谢第十一届中国水论坛推荐。 参考文献 (References) [1] IPCC. Climate Change 2007: The physical science basis. Summary for policymakers. Cambridge: Cambridge University Press, 2007. Figure 4. Accumulation curves of the mass temperature and mass runoff in Bahe River basin [2] 施雅风, 沈永平, 胡汝骥. 西北气候由暖干向暖湿转型的信 号、影响和前景初步探讨[J]. 冰川冻土, 2002, 24(3): 219-226. SHI Yafeng, SHEN Yongping and HU Ruji. Preliminary study on signal, impact and foreground of climatic shift from warm- dry to warm-humid in Northwest China. Journal of Glaciology and Geocryology, 2002, 24(30): 219-226. (in Chinese) 图4. 灞河流域气温–径流双累积曲线图 0 50 100 150 200 250 0500010000 1500020000 2500030000 3500040000 45000 累积年降水量/mm 累积径流量/10 8 m 3 [3] 马新萍, 白红英, 侯钦磊等. 1959年至 2010 年秦岭灞河流域 径流量变化及其影响因素分析[J]. 资源科学, 2012, 34(7): 1298- 1305. Ma Xinping, Bai Hongying, Hou Qinlei, et al. Runoff change of Bahe River basin in Qinling Mountains and its influencing fac- tors. Resources Science, 2012, 34(7): 1298-1305. (in Chinese) [4] 王战平, 沈冰, 吕继强. 气候变化及人类活动对灞河源流区 径流的影响[J]. 水资源与水工程学报, 2012, 23(6): 97-99. Wang Zhanping, Shen Bing and Lv Jiqiang. Impact of climate variation and human activities on runoff in the source area of Bahe River basin. Journal of Water Resources & Water Engi- neering, 2012, 23(6): 97-99. (in Chinese) Figure5. Accumulation curves of the mass precipitation and mass runoff in Bahe River basin 图5. 灞河流域降水–径流累积曲线 [5] 王战平. 灞河流域水文特性分析[J]. 水资源与水工程学报, 2009, 20(5): 176-179. Wang Zhanping. Hydrologic Characteristics analysis in Bahe River basin. Journal of Water Resources & Water Engineering, 2009, 20(5): 176-179. (in Chinese) Table 3. Regressive model of annual mean runoff with annual precipitation andannual mean temperature in Bahe River basin 表3. 灞河流域径流量与气温、降水的回归模型 [6] THIESSEN, A.H. Precipitation averages for large areas. Monthly Weather Review, 1911, 39(7): 1082-1084. (in Chinese) 回归方程 复相关 系数 R 径流量与降水 量Pearson 相 关系数 径流量与气 温Pearson 相 关系数 统计量 F Q = −4.475−0.106T + 0.013P 0.888 0.89 −0.47 87.98 [7] 龙胤慧, 廖梓龙. 基于泰森多边 形的庆阳市面雨量计算[J]. 河北工程大学学报(自然科学版), 2012, 29(3): 64-67. Long Yinhui, Liao Zilong. Surface precipitation calculation of Qingyang area based on Thiessen polygons method. Journal of Hebei University of Engineering (Natural Science Edition), 2012, 29(3): 64-67. 可见，径流量和气温、降水的复相关性很好，复 相关系数为 88.8%，且 F达到了 99%信度(87.98 > 5.087)。对于流域内的年径流量而言，当气温不变时， 降水每增加 1mm，径流量增加 0.013 亿m3，当降水不 变时，气温每增加 1℃，径流量减少 0.106 亿m3。所 以气温升高和降水减少是灞河流域内径流减少的主 原因。 [8] 穆兴民, 张秀勤, 高鹏等. 双累积曲线方法理论及在水文气 象领域应用中应注意的问题[J]. 水文, 2010, 30(4): 47-51. Mu Xingmin, Zhang Xiuqin, Gao Peng, et al. Theory of double mass curves and its application in hydrology and meteorology. Journal of China Hydrology, 2010, 30(4): 47-51. (in Chinese) [9] 林启才, 李怀恩. 气候变化及宝鸡峡引水对渭河径流量的影 响分析[J]. 水力发电学报, 2013, 32(3): 71-74. Lin Qicai, Li Huaien. Analysis on impacts of climate changes and Baojixia water diversion on Wei river runoff. Journal of Hydroelectric Engineering, 2013, 32(3): 71-74. (in Chinese) 要 |