察汗淖尔流域径流演变及影响因素分析.pdf

生物多样性与自然保护HUANJINGYUFAZHAN察汗淖尔流域径流演变及影响因素分析于兆茜1，邢世禄1，尹秀翠2，闫鹏3（1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010000；2.内蒙古筹信环保科技有限公司，内蒙古锡林郭勒盟 026000；3.锡林郭勒盟生态环境局镶黄旗分局，内蒙古锡林郭勒盟 026000）摘要：采用趋势分析方法、累积距平曲线法和Mann-Kendall突变检验法分析了察汗淖尔流域径流演变规律和降水、气温和蒸发量等气候因素的年际变化特征和突变年份，利用像元二分法获取 1990-2020年的植被覆盖度(FVC)，揭示其演变规律和突变性，通过累积量斜率变化比较法得到气候因素和植被覆盖度(FVC)对径流演变的贡献率。结果：（1）1990-2020年察汗淖尔流域流域年径流量呈显著减少趋势，突变发生于2004年；（2）察汗淖尔流域自1990年后呈现降水量下降，气温上升，蒸发量下降，植被覆盖度(FVC)增长的趋势，且降水、气温、蒸发量和植被覆盖度(FVC)的突变年份为分别为2017年、1993年、2006年和2013年；（3）降水、蒸发和植被覆盖度(FVC)对径流演变的贡献率分别为为2.48%、-0.29%和97.81%。因此，人为因素植被覆盖度的退化是造成流域径流消失的主要原因。关键词：径流演变；气候因素；植被覆盖度；趋势分析；累积量斜率变化比较法中图分类号：X143文献标识码：A文章编号：2095-672X(2023)03-0029-09DOI.10.16647/15-1369/X.2023.03.006Analysis of runoff evolution and its influence in Chahannur WatershedAnalysis of runoff evolution and its influence in Chahannur WatershedYu Zhaoqian1,Xing Shilu1,Yin Xiucui2,Yan Peng3(1.School of Energy and Power Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot InnerMongolia 010000,China;2.Inner Mongolia Chouxin Environmental Technology Co.,LTD.,XilinGol League Inner Mongolia 026000,China;3.Xilin Gol League Bureau of Ecological Environment Xianghuang Banner Branch,Xilin Gol League Inner Mongolia 026000,China)Abstract:Trend analysis method,cumulative anomaly curve method and Mann-Kendall mutation test methodwere used to analyze the runoff evolution rule and the interannual variation characteristics and mutation years of climate factors such as precipitation,temperature and evaporation in Chahanoer watershed.The pixel dichotomous method was used to obtain the vegetation coverage(FVC)from 1990 to 2020 to reveal its evolution rule and mutation.The29SHENGWUDUOYANGXINGUZIRANBAOHU环境与发展HUANJINGYUFAZHAN湿地在保护物种多样性、调节径流、改善水质、调节小气候等维持区域生态平衡方面具有不可替代的作用1，具有多种生态功能和社会经济价值2。特别对于干旱半干旱地区，湿地是江河湖区重要的水源涵养地，在生态保护上具有重要的保护意义。察汗淖尔湿地流域位于河北省和内蒙古自治区的交界处，是京津冀生态安全屏障的重要组成部分3，其地形相对平坦，四周低山区海拔相对较高，形成封闭汇水流域，发育大青河、不冻河、五台河等6条主要水系，自周边向流域中心汇集。径流是流域水循环的重要环节，径流量的变化会影响水文系统的演化和水资源的开发利用4。我国北方地区近年来很多河流径流总体上呈现逐年减少趋势，周围及下游的生态环境因此受到了一定程度的影响。察汗淖尔湿地的植被种类特征明显，季节变化显著，体现了坝上高原湿地植被的特征，在北方地区具有很强的典型性和代表性5。因此分析径流演变趋势，探讨其影响因素，有重要的现实意义。当代国内外学者对径流演变的影响因素已做了大量研究。S.A.Spencer6研究了加拿大落基山脉东坡流域的长期和短期降水-径流关系和量化的地下储存，认为事件尺度的降雨-径流响应受融雪和土壤及蓄水能力的控制。Gong Luyan7基于非参数Mann-Kendall检验法分析了老哈河全流域及3 个子流域19642015年降水量、潜在蒸散量(PET)和径流量的时间变化趋势。徐俏8则基于Mann-Kendall(M-K)检验法、小波分析及R/S分析法分析了白洋淀19862015 年间上游径流演变趋势及对降雨、气温等气候因素的响应关系，结果显示气温会影响径流量的大小，而径流对降雨的响应更加显著。随着社会发展及人类需求的增加，人类活动已经成为影响径流的主要因素。李锋9、马亚丽10和方建梅11等人分别在研究流域径流量变化时发现流域内径流量与气候呈现出明显阶段性的变化特征，而人类活动则是造成流域径流减少的主要因素。对于影响流域径流的因素，目前主要从两个方面入手，一是气候要素12，二是人为要素，其中气候要素包括降水、气温和蒸发量，人为要素主要为流域内人类活动、土地利用13,14和植被覆盖度变化15。降水量的变化能够直接改变流域的径流量，而气温的波动则会引起蒸发量发生变化从而间接影响流域的径流量。人类活动和改变土地利用类型会导致植被覆盖度的变化，因此本文将影响径流量变化的气候因素简化为降水量和蒸发量，人为要素概化为植被变化，故此，本文的人为要素主要是分析植被覆盖度(FVC)在径流量变化中的贡献率。将察汗淖尔流域作为研究对象，以1990contribution rates of climate factors and vegetation coverage(FVC)to runoff evolution were obtained by the cumulative slope change comparison method.Results:1)From 1990 to 2020,the annual runoff of the Cahannur Basin showeda significant decreasing trend,and the abrupt change occurred in 2004;2)Since 1990,there was a trend of decreasingprecipitation,increasing temperature,decreasing evaporation and increasing vegetation coverage(FVC).The abruptchanges of precipitation,temperature,evaporation and vegetation coverage(FVC)were 2017,1993,2006 and 2013,respectively.3)The contribution rates of precipitation,evaporation and vegetation coverage to runoff evolution were2.48%,-0.29%and 97.81%,respectively.Key words：Runoff evolution;Climatic factors;Vegetation coverage;Trend analysis;Comparative method forslope change of cumulants30生物多样性与自然保护HUANJINGYUFAZHAN2020年不冻河水文站径流数据为基础，对流域径流量进行演变趋势分析，结合流域内商都、化德和尚义三个气象站点的气象数据，分析察汗淖尔流域气候变化特征及其对流域径流变化的影响，并基于Landsat卫星遥感影像，对31年的植被覆盖度(FVC)进行遥感提取，分析31年来察汗淖尔流域植被覆盖度的变化趋势。通过累积量斜率变化比较法分析找出径流演变与气候因子和人为因素的关系，而人为因素包括的人类活动和土地利用的改变会直接影响植被变化，故本文分析人为因素主要是植被覆盖度(FVC)的变化，以期为察汗淖尔流域径流恢复和生态环境保护奠定理论基础。1数据与方法1.1研究区概况坐落于坝上高原的察汗淖尔是华北地区现存最大的季节性内陆咸水湖，也是我国华北地区阻挡风沙向南侵的重要生态屏障16，它呈东北西南向斜长形分布，其中湖体跨越内蒙古自治区和河北省，其中约1/3位于河北省张家口市尚义县，2/3位于内蒙古自治区乌兰察布市商都县。察汗淖尔流域位于414210N，1131011430 E，属于由内蒙古高原向冀北山地过渡区。研究区域位于北方中温带干旱、半干旱气候区，多年平均降水约355mm，年均气温约为4，多年年均蒸发量约1647 mm，流域总面积约6869 km，海拔在12701828 m之间，地势四周高中间低，切割较强烈，沟谷发育；中部为商都盆地，地面较平坦，向东南部微倾斜，海拔约1274 m，盆地北、南、西南侧较高，海拔 1380 m左右，冲沟较为发育。流域内北部、东北部为平缓状的低山丘陵地区，海拔相对较高；中部为山前岗阜状坡地与波状高原地区，最低海拔约为1270m。流域内自然地理结构单一、抗干扰能力差、生态环境脆弱，农业主要以灌溉为主使得该流域地下水资源不断减少、湖泊大量萎缩甚至干涸，土地盐碱化现象严重。图1 察汗淖尔流域区位概况图1.2数据来源及处理径流数据来源于不冻河水文站监测数据。气象数据来源于化德、商都和尚义气象站19902020年31年连续气象资料。遥感影像数据来自地理空间数据云以及美国地质调查局19902020年丰水期Landsat系列遥感影像，利用 ENVI 5.3软件对影像进行辐射定标、大气校正、拼接裁剪等预处理得到。高程数据取自地理空间数据云 ASTER GDEM 30 m 分辨率数字高程数据。1.3研究方法利用趋势分析17、累积距平法18和Mann-Kendall19突变检验法通过 Origin 2022 以及SPSS 27 软件分析 19902020 年察汗淖尔流域径流、降水、气温、蒸发和植被覆盖度(FVC)的年际变化趋势和突变性。其中植被覆盖度(FVC)是在ENVI 5.3中基于像元二分法20,21提取的，并于ArcGIS中通过斜率趋势分析法22得31SHENGWUDUOYANGXINGUZIRANBAOHU环境与发展HUANJINGYUFAZHAN到流域内31年植被覆盖度(FVC)的变化趋势。采用累积量斜率变化比较法23分析气候因素和植被覆盖度(FVC)对流域径流演变的影响。2结果与分析2.1径流演变分析通过对察汗淖尔流域内不冻河水文站 19902020年径流数据进行分析，流域内径流呈显著下降趋势，累积距平曲线法的径流演变倾斜率为-18.04万m3/a，如图2，径流演变在 2004年发生突变(图3)，分为两个阶段：第一阶段19902004年，径流变化呈波动式下降，19901991年年径流骤减，19912004年径流变化呈现部位的波动，年径流量最高为1745万m3/a，最低为77万m3/a；第二阶段20052020年，径流呈缓慢下降趋势，此阶段年径流最大 209万m3/a，为且因为人类活动的影响，不冻河水库对径流进行截留，导致20112017年和 20192020年期间径流基本消失，2018年短暂恢复。(a)年径流量(b)累积距平径流量图2 19902020年察汗淖尔流域年径流量和累积距平径流量图3 19902020年察汗淖尔流域径流M-K突变检2.2气候分析2.2.1降水量趋势分析19902020 年期间，察汗淖尔流域年均降水逐年变化趋势如图4a，整体呈现波动式下降趋势，变化率为-0.14mm/a。据Mann-Kendall突变检验法(图4b)，UF始终在零值以下且多年均在显著水平0.05临界线内，表明流域内降水下降趋势不显著，由UF和UB曲线的交点揭示流域内降水突变发生于2017年。(a)年降水量(b)降水量M-K突变检验图4 19902020年降水量和降水量M-K突变检验2.2.2气温趋势分析察汗淖尔流域在19902020年气温变化32生物多样性与自然保护HUANJINGYUFAZHAN趋势如图5 a，整体呈现上升趋势，年均气温在36 之间，增长率为 0.006/a，经 Mann-Kendall 检验(图5b)，由 UF 曲线可见，1990 年以来，流域内年平均气温有明显的上升趋势且一直在显著性水平0.05临界线内，表明流域内的升温趋势不显著，根据 UF 和 UB 曲线交点的位置确定流域内增温现象具体的突变年份是从1993年开始。表明在全球气温变暖趋势下流域内气温也呈现弱上升趋势24。(a)年平均气温(b)气温M-K突变检验图5 19902020年平均气温变化和气温M-K突变检验2.2.3蒸发量趋势分析(a)年蒸发量(b)蒸发量M-K突变检验图6 1990-2020年蒸发量变化和蒸发量M-K突变察汗淖尔流域19902020年蒸发量整体呈显著下降趋势，波动较大，蒸发区间在1013-2035mm，年蒸发量斜率为-22.67mm/a(图6a)，流域内年蒸发量的突变年份由Mann-Kendall突变检验法可知为2006年，如图 6b。2.3植被覆盖度(FVC)分析(a)植被覆盖度(FVC)(b)植被覆盖度(FVC)M-K突变检验图7 19902020年植被覆盖度(FVC)变化和M-K突通过像元二分法，得到察汗淖尔流域 19902020 年植被覆盖度(FVC)的整体情况如图7a。从FVC时间变化趋势上可以看出，察汗淖33SHENGWUDUOYANGXINGUZIRANBAOHU环境与发展HUANJINGYUFAZHAN尔流域19902020年植被整体呈波动增长趋势，增长速率为 2.1%/10 a，其中2016年FVC值最大，1992年FVC值最小，年均覆盖度在 5%17%，FVC的突变年份为2013年(图7b)。通过 ArcGIS 空间分析栅格计算器对19902020 年间每10年FVC进行处理，对每个像元值进行回归分析，计算每个像元值在19902020年每 10 年时间序列内的趋势斜率Xslop，分析19902020 年察汗淖尔流域植被空间动态变化。根据趋势斜率的变化范围与研究区的实际情况，将 FVC 的变化趋势分为3个等级，如图8。图8 19902020FVC趋势变化空间分布图2.4径流演变影响分析2.4.1气候和植被覆盖度(FVC)贡献率分析基于Mann-Kendall 突变检验法分析 19902020 年察汗淖尔流域径流量演变规律，得到流域内径流的发生突变年份为 2004 年，以此时间点为界将径流演变时期划分为两个阶段：基准期(19902004 年)，变化期(20052020年)。利用累积量斜率变化比较法，分别建立基准期（19902004年）和变化期(20052020年)中累积径流量、累积降水量和累积蒸发量与年份的线性方程，并得到相对应的回归曲线(图9)，径流基准期和变化期斜率变化为SRb和SRa，则累积径流量斜率变化率(%)为：()()1/100baRbRRSRSSSR-=累积降水量在基准期和变化期两个时期的斜率分别为SPb和SPa，累积降水量斜率变化率(%)为：()()2/100bbaPPRSPSSSR-=RSR、RSP大于0时，表示斜率增大，RSR、RSP小于0时，表示斜率减小。降水量对径流量演变的贡献率(%)为：()()3/100bbaPPRPSSSC-=用CET表示流域内累积蒸发量的斜率变化率(单位：%)，则植被覆盖度(FVC)对径流量演变的贡献率(%)可以表示为：()4100ETPHCCC-=(a)累积径流量(b)累积降水量34生物多样性与自然保护HUANJINGYUFAZHAN（c）累积蒸发量图9 年累积量与年份的关系曲线：(a)径流量；(b)降水量；(c)蒸散发由累积径流量图 9a 知，径流在变化期(20052020 年)与年份的拟合程度较低，R2为0.84，原因是 2011-2017 年和 20192020 年人类活动造成的不冻河水库截留，导致径流趋于消失。气候因子与年份拟合后R2均超过 0.99，因此各因子与年份之间的相关性较高。通过提取各影响因素数据，定量分析降水量、蒸发量以及植被覆盖度(FVC)对径流演变的影响，分别提取各因素斜率数值，结果如表 1 所示。与基准期相比，变化期累积径流量斜率减少了185.61万m3，斜率变化率为-81.82%。累积降水量斜率减少了7.63 mm，变化率为-2.10%；变化期累积蒸散量斜率减少455.33 mm，变化率为-24.31%。综合径流演变的各因素分析，气候要素的贡献率 2.19%，其中降水对径流的贡献率为 2.48%，蒸发量的贡献率为-0.29%；植被盖度(FVC)对径流的贡献率为 97.81。2.4.2讨论目前国内外研究者在分析全球及区域等不同尺度的径流演变和影响因素时，所采用的分析方法均是建立在气候要素和人为要素相对独立的假设上的，在定量分析气候变化与人类活动对径流演变影响时，多因素影响机理及相互作用问题仍模糊，无法单独阐述气候要素或人为要素的影响，如气候变化对径流演变产生影响的过程中有多少是由人类活动引起的，人类活动又如何影响气候变化，影响的程度是多少25。由于人类活动的不确定性对方法的影响以及水文数据的限制，在以后研究中，需要综合考虑各方面的影响因素，以便准确把握气候变化和人类活动影响下水资源演变规律，保障水资源安全并实现合理调控。本文采用累积量斜率变化比较法分析气候要素和植被覆盖度(FVC)对察汗淖尔流域径流演变的影响，结果表明引起径流变化的主要因素是人为因素。此外由于对人类活动造成的影响无法进行定量分析，只能定性地用植被覆盖度涵盖人为因素对径流演变的影响，另涉及到降水、气温和蒸发量作为气候要素，通过相关径流量与气候因素的相关性研究发现，与径流显著相关的其他气候要素尚未考虑。在表1 19902020年气候和植被覆盖度(FVC)贡献率分析结果基准期A验证期B贡献率/%径流斜率218.8433.23变化量-185.61变化率/%-84.82降水斜率362.80355.172.48变化量-7.63变化率/%-2.10蒸发斜率1873.121417.79-0.29变化量-455.33变化率/%-24.31FVC97.8135SHENGWUDUOYANGXINGUZIRANBAOHU环境与发展HUANJINGYUFAZHAN变化环境下，需要综合考虑有关的水文气象要素如积雪深度、日照时间、风速、平均水汽压、相对湿度和土壤湿度等变化，确定各个因子的贡献率大小及各影响因素的作用，以便提出适合察汗淖尔流域水资源可持续发展的对策和措施。3结论3.1径流演变19902020年察汗淖尔流域的径流演变规律是整体呈显著减少趋势，自1990年后逐年减少，至2011年不冻河水库截留，径流趋于消失，2018年由于降水量增加等原因，径流短暂恢复后再次消失，整体呈波动式下降趋势。3.2气候和植被覆盖度变化察汗淖尔流域内近31年气候的整体变化趋势是降水量减少、在全球气候变暖的背景下的气温弱上升以及蒸发量减少但仍大于降水的暖干化趋势。察汗淖尔流域植被覆盖度(FVC)呈不显著增长趋势。3.3径流演变影响因素分析经累积量斜率变化比较法分析气候因素和植被覆盖度(FVC)对径流演变的影响可以得出，气候要素对径流演变的贡献率为2.19%，其中降水的贡献率为2.48%，蒸发量的贡献率为-0.29%；人为因素即植被覆盖度(FVC)的贡献率为97.81%。因此，人为因素是导致察汗淖尔流域径流趋于消失的主要原因。参考文献1缑倩倩,屈建军,王国华,等.中国干旱半干旱地区湿地研究进展 J.干旱区研究,2015,32(2):213-220.2汤蕾,赵冰梅,许东,等.国外湿地研究进展 J.安徽农业科学,2008,(1):299-301.3赵丹,石建省,聂洪峰,等.察汗淖尔：典型萎缩湖泊的生态困境及保护修复J.地球,2021,(1):52-57.4石智宇,赵清,王雅婷,等.沂河流域植被覆盖时空演变及其与径流的关系研究J.水土保持研究:2023,30(1):1-8.5高楠楠.河北察汗淖尔湿地植物资源研究J.现代农村科技,2021,(7):105.6S.A.Spencer and U.Silins and 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