基于Budyko-Kaya框架的无定河流域径流泥沙变化归因分析

《Ecological Indicators》：Attribution of runoff and sediment changes in the Wuding River Basin based on the Budyko-Kaya framework

本研究针对气候变化和人类活动共同驱动下径流泥沙演变归因分析这一水文研究关键挑战，以无定河流域为研究对象，创新性地整合Budyko弹性系数法和Kaya恒等式，量化了气候因子和下垫面条件对径流泥沙变化的贡献率，揭示了其空间敏感性及归因差异。研究发现径流和泥沙均呈显著下降趋势，且分别在1996年和2002年发生突变；径流变化主要受下垫面参数m（贡献率65%）主导，而泥沙变化则主要由含沙量C（45.9%）和下垫面参数m（32.8%）驱动。研究进一步构建了P-E0-m与径流泥沙的三变量Copula模型，揭示了突变后各因子增加对径流泥沙同步性演变的显著影响。该研究为深入理解流域水文过程及有效流域管理提供了重要的理论依据和方法参考。

　　

在全球变暖成为气候变化主旋律的背景下，区域水循环过程受到显著影响，导致流域径流和泥沙动态发生深刻变化。特别是在黄河这样的重要流域，近几十年来水文情势剧变，年均径流从568×10⁸ m³减少到453×10⁸ m³，年输沙量从历史最高的16×10⁸ t锐减至2-3×10⁸ t。这些变化强烈受到下垫面条件的调控，并在气候变化和人类活动的共同影响下呈现出复杂的演变规律。然而，定量评估并厘清气候变化和人类活动对径流泥沙变化的贡献，仍然是流域水文研究面临的关键科学挑战。以往研究往往将整个流域视为均质单元，忽视了气候变化和下垫面条件的空间异质性，导致对径流泥沙敏感性和归因分析的区域分异性考虑不足。

为此，发表在《Ecological Indicators》上的这项研究，选取无定河流域这一典型区域，通过整合Budyko弹性系数法和Kaya恒等式，构建了一个新颖的分析框架，旨在揭示中游典型支流径流泥沙对气候变化和人类活动的响应机制。研究系统分析了径流泥沙的时空演变规律及其驱动因子，并采用高斯Copula和t-Copula函数量化了突变前后驱动因子对径流泥沙的影响，为识别径流泥沙变异的主导因子提供了新视角。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几类关键技术方法：首先，采用创新趋势分析（ITA）和Mann-Kendall（M-K）趋势检验分析径流泥沙序列的长期变化趋势；其次，运用滑动t检验、有序聚类法和Pettitt检验识别径流泥沙序列的突变点；第三，基于Morlet小波分析揭示径流泥沙及海洋因子（如AO、NAO、PDO、Ni?o 3.4、DMI）的周期性特征；第四，核心方法是结合Budyko假设理论和Kaya恒等式，构建径流和泥沙变化的归因分析模型，定量分解降水（P）、潜在蒸散发（E₀）、下垫面参数（m）及含沙量（C）等因素的贡献率；最后，引入三变量Copula（高斯Copula和t-Copula）函数，构建P/E₀/m与径流-泥沙的联合分布模型，分析各影响因子对径流泥沙丰枯遭遇概率的响应规律。研究所用数据包括1961-2021年的年径流泥沙数据、21个国家级气象站的点尺度气象数据（采用Penman-Monteith法计算E₀，并采用泰森多边形法进行空间插值获得流域面平均值）、流域梯田和淤地坝建设的历史记录以及多期土地利用数据。

4.1. 径流和泥沙的演变规律

趋势分析结果表明，年径流和年输沙量均呈现极显著下降趋势。径流的ITA统计量为-0.306，M-K检验值为-16.72，平均每年下降0.127×10⁸ m³；泥沙的ITA统计量为-0.619，M-K检验值为-15.54，平均每年下降0.029×10⁸ t。径流的减少更为明显。突变点分析确定径流的突变发生在1996年，而泥沙的突变发生在2002年。径流突变主要受气候变化（流域经历干旱期，降水显著减少）和人类活动（改革开放后社会经济快速发展，工农业用水需求增加）共同驱动；泥沙突变则主要归因于1999年开始实施的退耕还林（草）工程带来的生态效益，但其效果存在时间滞后性。周期性分析显示，径流存在41、24、12和5年的主周期，泥沙存在47、21和5年的主周期。长周期主要受东亚季风、太平洋年代际振荡等大尺度气候变率驱动；中周期受ENSO和人类活动共同影响；短周期则与年际降水波动、极端天气事件及下垫面条件动态变化密切相关。

4.2. Budyko方程中变量的趋势

对Budyko模型中变量参数的统计分析显示，整个流域平均径流深从基准期（1961-1995）的40.79 mm减少到变化期（1996-2021）的27.83 mm，减少了31.8%。上游、中游、下游均呈减少趋势，以上游减少幅度最大（48.4%）。潜在蒸散发（E₀）整体呈上升趋势，全流域从907.01 mm增至941.48 mm。降水（P）整体呈增加趋势，全流域从387.33 mm增至423.85 mm。下垫面参数（m）整体呈增加趋势，全流域从2.58增至3.04，中游地区增幅最大（32.6%）。这些变化与气候变化、植被恢复、水土保持措施和城市化进程密切相关。

4.3. 径流和泥沙归因分析结果

基于Budyko框架和Kaya分解的归因分析表明，在径流突变期，上游和中游地区径流变化主要受m主导，P次之，E₀影响最小；下游地区则P成为主导因子，m次之。对整个流域而言，在1996-2021年期间，m、P、E₀对径流变化的贡献率分别为65%、27.9%和7.1%。在泥沙突变期，各子流域泥沙变化均主要受C主导，m次之，P和E₀影响相对较小。对整个流域而言，在2002-2021年期间，C、m、P、E₀对泥沙变化的贡献率分别为45.9%、32.8%、18.2%和3.1%。

4.4. 影响因子与径流泥沙动态响应模型的构建

通过构建P/E₀/m与径流-泥沙的三变量Copula联合分布模型，分析了突变前后影响因子对径流泥沙丰枯遭遇概率的响应。结果表明，在径流和泥沙突变后，P、E₀和m均呈增加趋势，并显著影响了流域径流泥沙同步性的演变。降水增加通过改变降雨强度、历时和侵蚀力，加剧了径流泥沙过程的异步性。下垫面因子通过调节产流和侵蚀过程影响耦合关系，其增加也倾向于导致径流泥沙异步性增强。潜在蒸散发的影响则表现出阶段性差异：在径流突变期加剧了径流泥沙过程的异步性，而在泥沙突变期则表现出一定的调节作用，促进了径流泥沙的同步性。

研究结论与讨论部分强调，本研究定量揭示了无定河流域径流和泥沙变化的驱动机制。人类活动（通过下垫面参数m体现）是径流减少的主导因素，而泥沙减少则主要受人类活动（通过含沙量C和下垫面参数m体现）的控制，尽管降水是主要气候驱动因子，但其贡献相对次要。这凸显了在无定河流域，人类活动（如水土保持措施、植被恢复）对水文和泥沙过程的改造作用已经超过了气候变化的影响。研究还指出，海洋因子通过改变大气环流型式，间接影响了流域的水分循环和土壤侵蚀过程，导致了径流泥沙的周期性波动。此外，土地利用格局的演变（草地面积增加，耕地和未利用地面积减少）进一步增强了流域对径流泥沙过程的调控能力。

该研究的重要意义在于，通过融合Budyko框架和Kaya恒等式，提供了一个强大的分析工具，能够更精细地量化多因子对流域水文和泥沙过程的复合影响。所构建的Copula模型为理解复杂环境下径流泥沙的协同演变规律提供了新方法。研究成果不仅深化了对无定河流域水沙变化机理的认识，也为黄土高原乃至类似地区的水土资源管理、生态修复措施的优化提供了科学依据，对应对气候变化和人类活动双重压力下的流域可持续发展具有重要的实践价值。