本文通过双累积曲线法和弹性系数法两种方法分别进行了南小河沟流域径流的归因分析,得出了一致的结论,即南小河沟流域1958—2017年内径流变化的主要影响因素为人类活动。夏露等[5]使用双累积曲线法研究黄土高原沟壑区砚瓦川流域径流变化驱动力发现,降水对于径流减少的贡献率为-37.9%,水保措施对于径流减少的贡献率为137.9%,水保措施为主要驱动力; 张凯等[23]使用双累积曲线法对汾河上中游研究显示,降水和人类活动对于径流降低的贡献率分别为29%,71%,人类活动为主要影响因素; 杨大文等[24]基于流域水热耦合平衡方程,对黄河流域38个典型流域的径流变化成因分析发现,人类活动为主要驱动力; 党素珍等[25]采用弹性系数法分析了泾河上游1973—2010年水沙变化,发现气候变化对泾河上游流域径流减少的贡献率为36.8%～43.8%,而人类活动的贡献率为56.2%～63.2%。综上所述,表明本文应用双累积曲线法和弹性系数法对于黄土高原典型小流域——南小河沟径流变化的归因分析结论与其他研究人员的已有研究成果一致。这是由于20世纪90年代末,我国开展了大规模的退耕还林(草)工程,植被覆盖率大幅提高、水土保持效果显著; 经济发展迅速,工农业机械化、规模化等产生了大量的需水和耗水,之后人类活动便成为了径流变化的主要影响因素。
相比而言,南小河沟流域地处水土流失最为严重的区域,也是进行系统治理探索最早的流域之一,径流的影响也更为复杂,更有研究价值。根据实际的治理情况和收集到的1954年、1969年、1980年、2000年和2012年5期的土地利用数据(表5)[21]可以发现:南小河沟流域的土地主要分为林地、草地、农地、未利用地和建筑用地这5类。林地的面积除在2000年时出现了减少以外,一直在不断的增长,从治理初期的83.5 hm2到2012年的974.4 hm2,增幅达到1 066.9%; 草地面积则从1 161.1 hm2一直减少到了384.6 hm2,降幅达到201.9%; 农地面积则是从1954—2000年一直在稳定增长,到2000年时,增长了近一倍,但在2012年又回落到了治理初期的水平; 未利用地从610 hm2,下降到2012年的326.1 hm2,减少了46.5%; 建筑用地从2.3 hm2增加到了159.1 hm2,增幅最大,但所占面积最小。南小河沟流域这一系列土地利用过程体现了人类活动在干预水文循环过程中的波动性、生态治理与经济民生发展的相互需要和妥协。结合本研究得出的结果,可以看出,流域变绿会增加耗水,使得径流量显著减少,或是会使得潜在蒸散发增大导致径流的减少; 同时,随着开垦土地、发展经济也会使得径流减少,用水矛盾将进一步显现。
研究结果的相互验证,也表明了两种研究方法在该区域的适用性和可靠性。同时,研究结果显示,双累积曲线法计算得到的气候变化和人类活动对于径流变化贡献率的绝对值与弹性系数法得到结果的绝对值相差较大,这是由于双累积曲线法只是构建了降雨与径流的相关关系,忽略了气候因素中潜在蒸散发对于径流变化的影响,将被忽略的部分归入了人类活动之中,结果显示便偏大,郑培龙等[26]对泾河流域径流归因分析结果显示人类活动对于径流变化占绝对主导地位,而气候变化影响很小,与本文研究结果一致; 而弹性系数法则充分考虑了水热关系及下垫面变化对于径流的作用,分离出了气候条件中降雨和潜在蒸散发以及下垫面变化即人类活动各自对于径流变化的贡献率。这便是上述差异产生的原因,二者的结果都是合理的,但根据计算结果,对于黄土沟壑区小流域径流归因分析的方法使用较之于双累积曲线法,更推荐弹性系数法。
流域中,气候条件和人类活动对于径流变化的作用事实上是复杂且相互交织的,研究发现,双累积曲线法虽然能够分离出气候变化和人类活动对于径流变化的贡献率,但是弹性系数法较之于双累积曲线法的优势在于能够适当描述植被不同生长阶段与水文过程的互馈关系,因此能直接考虑植被生长程度对径流变化的影响。通过基于该类方法的数据分析,可以进一步分离出气候变化导致的下垫面变化(不同植被生长情况)、人类活动导致的下垫面变化(地貌与土地利用动态变化)[27]。因此结果分析也更加全面。但本研究假设流域在研究时段内降雨都转化为蒸发和径流,未考虑土壤含水量的变化,下一步应该结合水文模型模拟流域水文循环过程对径流的归因分析开展深入研究。
