1990s以來氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)洪湖流域徑流影響的定量辨識(shí)*

夏智宏，劉 敏，王 苗，王 凱，秦鵬程

(武漢區(qū)域氣候中心，武漢430074)

隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)影響的加劇，水資源短缺和環(huán)境惡化已經(jīng)成為世界性的問題，是當(dāng)前人類面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一［1］.對(duì)洪湖流域而言，近50年來，年平均氣溫呈極顯著的上升趨勢;年降水量呈緩慢增加趨勢，但時(shí)空分布不均;春、夏、冬季和年蒸發(fā)量均呈上升趨勢;極端旱澇事件交替轉(zhuǎn)換周期縮至4年左右［2］.人類活動(dòng)同樣顯著影響著洪湖流域水資源與生態(tài)環(huán)境，1950s中期到1970s末大規(guī)模的水利建設(shè)使流域水系河網(wǎng)發(fā)生重大變化，1980s末圍網(wǎng)養(yǎng)殖致使流域水質(zhì)逐漸惡化，進(jìn)入1990s城鎮(zhèn)化快速發(fā)展使流域不透水層范圍不斷擴(kuò)大.氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響已經(jīng)導(dǎo)致洪湖流域湖泊面積縮小，旱澇頻率明顯升高，枯水期提前，時(shí)間延長，水位波幅增大，水質(zhì)富營養(yǎng)化，進(jìn)而威脅到洪湖流域生態(tài)安全.如1998和2010年的洪澇以及2011年的冬春季連旱，使洪湖流域及其生態(tài)系統(tǒng)遭受極大危害.因此客觀定量地評(píng)價(jià)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)洪湖流域水資源的影響有助于未來水資源的合理開發(fā)和可持續(xù)利用，對(duì)于適應(yīng)氣候變化的對(duì)策研究也具有重要意義.有關(guān)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)洪湖流域影響的研究，大多是從流域水資源、水環(huán)境、河湖環(huán)境演變、土地覆被、氣象災(zāi)害對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)以及生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)等方面著手［3-10］，缺乏氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)洪湖流域水資源影響貢獻(xiàn)率定量分析的研究成果.國內(nèi)外有關(guān)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)流域水資源影響貢獻(xiàn)的區(qū)分量化研究，采取的主要技術(shù)手段有長序列資料對(duì)比分析法、試驗(yàn)對(duì)比分析法及流域水文模擬等［11］.由于水文模擬法具有能彌補(bǔ)缺乏長序列實(shí)測徑流資料和能保證評(píng)價(jià)期與基準(zhǔn)期自然徑流成因一致等特點(diǎn)［12］，因此基于統(tǒng)計(jì)和物理的水文模擬成為目前區(qū)分量化氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)河川徑流影響貢獻(xiàn)的主要方法，并廣泛應(yīng)用于我國的北方地區(qū)，但在長江中下游地區(qū)應(yīng)用較少［13-20］.本文選擇長江中下游具有代表性的洪湖流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用基于SWAT模型的徑流影響分割分析法，定量辨識(shí)1990s洪湖流域城鎮(zhèn)化迅速發(fā)展以來，氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)洪湖流域地表徑流的影響程度，為保護(hù)洪湖流域水資源、促進(jìn)其生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況

洪湖流域位于亞熱帶中緯度邊緣，流域面積11152 km2(圖1)，為典型的北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，光熱充足，雨熱同季，無霜期長，適宜多種農(nóng)作物生長，有“魚米之鄉(xiāng)”的美稱.常年年均氣溫17.0℃，年均降水量1278.3 mm，無霜期250 d以上，夏半年(4-10月)降水量占全年降水總量的77%［21-22］.降水形成的地表徑流與地下水以及長江與漢水帶來的過境客水是洪湖流域水資源的主要構(gòu)成，年均地表徑流量達(dá)到36.40×108m3.

圖1 洪湖流域地理位置Fig.1 Location of Lake Honghu basin

洪湖是洪湖流域最大的淡水湖，也是中國7大淡水湖之一，湖面面積348.2 km2，位于長江中游北岸，長湖、三湖、白鷺湖的下游，通過四湖總干渠承接這3個(gè)湖泊與區(qū)間來水，是長江和漢水支流東荊河之間的洼地壅塞湖，最高水位24.58 ～27.18 m，最低水位22.87 ～23.92 m，多年平均水位24.43 m，年水位變幅為 1 ～4 m［23］.洪湖具有調(diào)蓄、供水、灌溉、濕地生物棲息地、養(yǎng)殖、航運(yùn)和旅游等多種功能，在長江中下游淺水湖泊濕地中具有代表性.

2 資料收集與處理

2.1 地理空間數(shù)據(jù)

2.1.1 地形數(shù)據(jù) 洪湖流域地形數(shù)據(jù)來源于國家測繪與地理信息局1∶5萬基本比例尺地形圖，用于提取水系、匯流區(qū)域、地形特征參數(shù)等信息.

2.1.2 土地利用/覆被數(shù)據(jù) 洪湖流域土地利用/覆被數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院武漢地球物理與測量研究所.包括比例尺為1∶25萬的1980年和2005年土地利用/覆被數(shù)據(jù)、比例尺為1∶5萬的1996年土地利用/覆被數(shù)據(jù).本研究中，分別以1980、1996、2005年的土地利用/覆被數(shù)據(jù)表征1980s、1990s、2000s的土地利用/覆被情況.

2.1.3 土壤數(shù)據(jù) 洪湖流域土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院南京土壤研究所1995年編制的1∶100萬中國土壤數(shù)據(jù)庫.考慮到其土壤物理特性與SWAT模型采用的美制標(biāo)準(zhǔn)的不同(如粒徑等級(jí))，在充分采納前人的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的前提下［24-25］，將土壤屬性轉(zhuǎn)換至美制標(biāo)準(zhǔn).

2.2 氣象數(shù)據(jù)

洪湖流域氣象數(shù)據(jù)來源于湖北省氣象信息保障中心，包括石首、監(jiān)利、洪湖等11個(gè)氣象臺(tái)站1961-2011年逐日平均氣溫、最高/最低氣溫、降水、相對(duì)濕度、風(fēng)速等要素，用于獲取SWAT天氣發(fā)生器并驅(qū)動(dòng)SWAT模型進(jìn)行徑流模擬.

2.3 水文數(shù)據(jù)

水文數(shù)據(jù)來源于湖北省水文局，包括習(xí)家口水文站1964-1974年、2008-2011年逐日流量和福田寺水文站2008-2010年逐日流量(圖1).考慮到長湖對(duì)洪湖流域中下游的調(diào)蓄作用，利用習(xí)家口水文站流量數(shù)據(jù)計(jì)算長湖的調(diào)蓄參數(shù)，以反映人為調(diào)蓄對(duì)洪湖濕地水資源模擬的影響.福田寺水文站流量數(shù)據(jù)則用于率定模型的參數(shù)和評(píng)價(jià)模型在洪湖流域的適用性.

3 研究方法

根據(jù)研究區(qū)域資料情況，本文采用基于SWAT模型的水文模擬分割分析法對(duì)氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)洪湖流域地表徑流影響貢獻(xiàn)率進(jìn)行辨識(shí).

3.1 SWAT模型徑流模擬計(jì)算方法

SWAT模型的產(chǎn)流模擬不同于一般的統(tǒng)計(jì)模型，它包括氣溫控制降水形態(tài)、冰雪融化、蒸散發(fā)、地下徑流補(bǔ)給等物理過程，并最終導(dǎo)致產(chǎn)流量的變化，因此具有很強(qiáng)的物理機(jī)制，適用于模擬不同土地利用及多種土地管理措施對(duì)水文的長期影響，其水文計(jì)算基于如下水量平衡方程:

式中，swt為土壤最終含水量(mm)，sw0為土壤前期含水量(mm)，t為時(shí)間步長(d)，Rday為第 i日降水量(mm)，Qsurf為第i日的地表徑流(mm)，Ea為第i日的蒸發(fā)量(mm)，Wseep為第i日土壤剖面地層的滲透量和側(cè)流量(mm)，Qgw為第 i日的基流量(mm)［26-27］.

SWAT模型適用性評(píng)價(jià)采用Nash模型效率系數(shù)Ens［28］和相關(guān)系數(shù)R2來評(píng)價(jià)［29］:

式中，Ens為 Nash-Sutcliffe 效率系數(shù)，R2為相關(guān)系數(shù)平方，Qobs，i為天然流量，Qsim，i為模擬流量，Qobs為多年平均實(shí)測流量為多年平均模擬流量，n為模擬流量序列長度.

3.2 徑流影響分割分析方法

本文將人類活動(dòng)和氣候變化視為影響該洪湖濕地地表徑流變化的兩個(gè)相互獨(dú)立因子，其中人類活動(dòng)以土地利用/覆被變化表征.選用SWAT模型，應(yīng)用實(shí)測徑流數(shù)據(jù)率定模型參數(shù)，獲取基準(zhǔn)期的模擬徑流深WB.保持基準(zhǔn)期土地利用/覆被類型不變，輸入評(píng)價(jià)期的氣候要素驅(qū)動(dòng)SWAT模型，獲得僅考慮氣候變化影響的評(píng)價(jià)期模擬徑流深WHN;同時(shí)輸入評(píng)價(jià)期氣候要素和土地利用/覆被資料驅(qū)動(dòng)SWAT模型，獲取考慮氣候變化和人類活動(dòng)共同影響的評(píng)價(jià)期模擬徑流深WHR，采用分割分析方法(如公式(4)～(8))分別得到評(píng)價(jià)期氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)洪湖流域徑流影響的貢獻(xiàn)率ηH和ηC.

式中，ΔWT為評(píng)價(jià)期的人類活動(dòng)和氣候變化共同作用對(duì)徑流深的影響量，ΔWH為評(píng)價(jià)期的人類活動(dòng)對(duì)徑流深的影響量，ΔWC為評(píng)價(jià)期的氣候變化對(duì)徑流深的影響量.

4 結(jié)果與分析

4.1 水文模型適用性評(píng)價(jià)

應(yīng)用AVSWAT2005自帶的基于LH-OAT方法的敏感性分析工具［30］，選取27個(gè)模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析試驗(yàn)，設(shè)置參數(shù)值采樣間隔為10，進(jìn)行了280次比較判斷，確定了敏感性等級(jí)最高的5個(gè)參數(shù)，分別為 CN2、SOL_AWC、ESCO、GW_REVAP 和 GW_DELAY.

利用2000s土地利用/覆被資料，選用2008-2009年福田寺水文站徑流實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)“先調(diào)整水量平衡，再調(diào)整過程;先調(diào)整地表徑流，再調(diào)整土壤水、蒸散發(fā)和地下徑流”的原則對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行逐月水量平衡校正，模型率定后的模擬值和實(shí)測值擬合很好(圖2)，率定結(jié)果顯示R2=0.94，Ens=0.86.選用2010年福田寺水文站徑流實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，逐月模擬結(jié)果顯示R2=0.94，Ens=0.88，表明SWAT模型適用于洪湖濕地水資源模擬.參數(shù)率定結(jié)果如表1所示.

圖2 模型率定期與驗(yàn)證期實(shí)測與模擬徑流量對(duì)比Fig.2 Comparing runoff of calibration period with verification period

表1 SWAT模型率定的主要參數(shù)Tab.1 Main calibration parameters in SWAT model

4.2 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響辨識(shí)

考慮到1990s以來洪湖流域城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，人類活動(dòng)以城鎮(zhèn)化帶來的土地覆被類型變化為主要表現(xiàn)形式，因此本文用洪湖流域土地利用/覆被變化表征人類活動(dòng)的影響.以1980s作為基準(zhǔn)期，采用基于SWAT模型的分割分析法分階段辨識(shí)1990-2011年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)洪湖流域徑流深影響的貢獻(xiàn)率.結(jié)果表明，受環(huán)境變化的影響，相對(duì)基準(zhǔn)期而言，1990s徑流深呈增加趨勢，2000s呈減少趨勢，減少量是1990s增加量的1.7倍.不同時(shí)期人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)徑流深影響的貢獻(xiàn)率不同，1990s氣候變化對(duì)徑流深的影響貢獻(xiàn)率高于人類活動(dòng)，受其影響的徑流深增加量占總增加量的52.35%;2000s人類活動(dòng)影響的貢獻(xiàn)率高于氣候變化，受其影響的徑流深減少量占總減少量的55.62%.2000年以后氣候因素和人類活動(dòng)在對(duì)徑流深的絕對(duì)影響量均高于1990s.總體上看，1990-2011年，人類活動(dòng)是地表徑流減少的主要原因，其影響的貢獻(xiàn)率占徑流減少量的63.72%，氣候變化影響的貢獻(xiàn)率占36.28%(表2).

表2 1990s和2000s人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)洪湖流域地表徑流變化的影響*Tab.2 The impact of climate change and human activity on runoff in 1990s and 2000s in Lake Honghu basin

4.3 土地利用/覆蓋變化對(duì)徑流影響分析

圖3 1980s、1990s和2000s洪湖流域土地利用空間分布Fig.3 Spatial distribution of landuse in 1980s，1990s and 2000s in Lake Honghu basin

分別提取洪湖流域1980s、1990s和2000s土地利用/覆被數(shù)據(jù)(圖3)，研究土地利用類型變化與徑流變化的關(guān)系.結(jié)果表明(表3)，1990s相對(duì)1980s，農(nóng)村居民地、林地、水體、城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積分別增長146.53%、16.44%、17.42% 和 6.33%，灘地、沼澤地、耕地、草地分別減少了 25.79%、25.29%、8.86% 和8.15%，徑流量增加了3.86%.分析其原因，一方面是由于降水量的增加，另一方面，由于人口增長加速、經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張式發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，大量耕地和部分林地、草地、水體、沼澤地轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)建設(shè)用地和農(nóng)村居民用地，導(dǎo)致洪湖流域不透水層面積增加，抵消了由林地和水體面積增加引起的徑流減少的幅度.2000s相對(duì)1990s，草地、水體、灘地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地和沼澤地面積分別增加了 40.27%、22.21%、11.06%、7.65%和6.28%，農(nóng)村居民點(diǎn)、林地和耕地面積分別減少了58.25%、13.13%和0.98%，徑流量減少8.92%.分析其原因，一方面是由于降水量減少，另一方面是由于草地、水體、沼澤地覆蓋率的增加使土壤貯水能力增強(qiáng)、攔截作用加大，盡管城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積繼續(xù)擴(kuò)張，但是流域前期的水土保持措施的蓄水功能效益得到發(fā)揮，抵消了城鎮(zhèn)化引起的徑流增加.

總體上看，近20年來洪湖流域水土保持工作得到加強(qiáng)，洪湖流域的水體、草地面積大幅增加，林地的面積得到有效恢復(fù)與保護(hù)，盡管城市建設(shè)用地持續(xù)增加，但徑流量仍然下降了5.41%，可見水土保持措施發(fā)揮了較好的徑流調(diào)節(jié)和保水效益.

表3 洪湖流域不同年代土地利用與徑流變化(%)Tab.3 The rate of runoff and landuse change in different decades in Lake Honghu basin

5 結(jié)論與討論

1)SWAT模型在洪湖流域徑流模擬驗(yàn)證期的效率系數(shù)和相關(guān)系數(shù)平方分別達(dá)到0.88和0.94，表明該模型適用于洪湖流域徑流模擬，可用于辨識(shí)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)洪湖流域徑流的影響.

2)受氣候變化和人類活動(dòng)共同影響，相對(duì)于基準(zhǔn)期，1990-2011年洪湖流域年均地表徑流深減少了11.63 mm.其中1990s徑流深呈增加趨勢;而2000s呈減少趨勢，減少量是1990s增加量的1.7倍.

3)近20年來，人類活動(dòng)是洪湖流域地表徑流減少的主要原因，其影響的貢獻(xiàn)率占徑流減少量的63.72%，氣候變化影響貢獻(xiàn)率占36.28%.但不同階段人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)洪湖流域地表徑流影響的程度不同，1990s氣候變化對(duì)洪湖流域地表徑流影響的貢獻(xiàn)率高于人類活動(dòng)，2000s則相反.

4)相對(duì)于基準(zhǔn)期，近20年來洪湖濕地的水體、草地面積大幅增加，林地的面積得到有效恢復(fù)與保護(hù).盡管城市建設(shè)用地持續(xù)增加，但年均徑流量仍然下降了5.41%，表明水土保持措施發(fā)揮了較好的徑流調(diào)節(jié)和保水效益.

5)廣義的人類活動(dòng)包括人口增長、城市化水平發(fā)展、植被增減變化、硬覆蓋變化、水利設(shè)施對(duì)截留的影響、流域內(nèi)水體小循環(huán)等，本文為研究城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段的人類活動(dòng)對(duì)洪湖流域水資源的影響，以土地覆被類型的變化來表征人類活動(dòng)，在后續(xù)研究中將進(jìn)一步區(qū)分不同人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響.

［1］李子君，李秀彬.近45年來降水變化和人類活動(dòng)對(duì)潮河流域年徑流量的影響.地理科學(xué)，2008，28(6):809-813.

［2］武漢區(qū)域氣候中心.中國氣象局氣候變化專項(xiàng)(CCSF2012-05)“氣候變化對(duì)長江中游典型湖泊濕地的影響”，2012.

［3］蔡述明，王學(xué)雷.江漢平原四湖地區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià).長江流域資源與環(huán)境，1993，2(4):356-364.

［4］李昌峰，張鴻輝.建國以來人類活動(dòng)對(duì)湖北省四湖地區(qū)水環(huán)境的影響研究.國土與自然資源研究，2003，(4):68-70.

［5］李昌峰，高俊峰，張鴻輝.近50年來人類活動(dòng)對(duì)四湖地區(qū)河湖環(huán)境演變的影響.地域研究與開發(fā)，2004，23(5):120-124.

［6］何 浩，劉章勇.自然與人為干擾對(duì)四湖地區(qū)澇漬生態(tài)系統(tǒng)的影響.長江大學(xué)學(xué)報(bào):自科版，2006，3(3):179-182.

［7］桂 峰，于 革，賴格英.洪湖流域自然農(nóng)耕條件下營養(yǎng)鹽沉積輸移演化模擬研究.沉積學(xué)報(bào)，2006，24(3):334-338.

［8］桂 峰，于 革.20世紀(jì)80年代以來洪湖流域營養(yǎng)物質(zhì)輸移模擬研究.長江流域資源與環(huán)境，2007，16(22):179-182.

［9］吳啟俠，朱建強(qiáng)，耿顯波.江漢平原四湖流域降水特征分析.中國農(nóng)業(yè)氣象，2008，29(2):146-150.

［10］金衛(wèi)斌，熊勤學(xué)，薛 蓮.基于MODIS-EVI時(shí)序數(shù)據(jù)的江漢平原四湖地區(qū)土地覆蓋動(dòng)態(tài)分析.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50(11):2220-2224.

［11］張建云，王國慶.氣候變化對(duì)水文水資源影響研究.北京:科學(xué)出版社，2007.

［12］張愛靜，王本德，曹明亮.氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響貢獻(xiàn)的研究概況.東北水利水電，2012，(1):6-9.

［13］劉吉峰，霍世青，李世杰等.SWAT模型在青海湖布哈河流域徑流變化成因分析中的應(yīng)用.河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，35(2):159-163.

［14］胡宏昌，王根緒，李 志等.渭河徑流對(duì)LUCC和氣候波動(dòng)的響應(yīng)研究.人民黃河，2008，30(7):25-26.

［15］王國慶，張建云，劉九夫等.氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)河川徑流影響的定量分析.中國水利，2008，(2):55-58.

［16］黃玉霞，王寶鑒，張 強(qiáng)等.氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)石羊河流域水資影響評(píng)價(jià).高原氣象，2008，27(4):867-872.

［17］葉許春，張 奇，劉 健等.氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖流域徑流變化的影響研究.冰川凍土，2009，31(5):836-842.

［18］江善虎，任立良，雍 斌等.氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)老哈河流域徑流的影響.水資源保護(hù)，2010，26(6):1-4.

［19］朱穎潔，郭純青，黃夏坤.氣候變化和人類活動(dòng)影響下西江梧州降水徑流演變研究.水文，2010，30(3):50-55.

［20］王 俊，陳亞寧，陳忠升.氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)博斯騰湖入湖徑流影響的定量分析.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，49(3):581-587.

［21］項(xiàng)國榮.四湖地區(qū)濕地農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展研究.北京:科學(xué)出版社，1997:271.

［22］王蘇民，竇鴻身.中國湖泊志.北京:科學(xué)出版社，1998:580.

［23］王學(xué)雷，寧龍梅，肖 銳.洪湖濕地恢復(fù)中的生態(tài)水位控制與江湖聯(lián)系研究.濕地科學(xué)，2008，6(2):316-320.

［24］龔子同，張甘霖，陳志誠等.以中國土壤系統(tǒng)分類為基礎(chǔ)的土壤參比.土壤通報(bào)，2002，33(1):1-5.

［25］王慶云，徐能海.湖北省土系概要.武漢:湖北科技出版社，2001.

［26］楊宏偉，許崇育.東江流域典型子流域土地利用/覆被變化對(duì)地表徑流影響.湖泊科學(xué)，2011，23(6):991-996.

［27］孫 瑞，張雪芹.基于SWAT模型的流域徑流模擬研究進(jìn)展.水文，2010，30(3):29-32，47.

［28］Xie XH，Cui YL.Development and test of SWAT for modeling hydrological processes in irrigation districts with paddy rice.Journal of Hydrology，2011，396(1/2):61-71.

［29］夏智宏，周月華，許紅梅.基于SWAT模型的漢江流域水資源對(duì)氣候變化的響應(yīng).長江流域資源與環(huán)境，2010，19(2):158-163.

［30］Mulungu DMM，Munishi SE.River catchment parameterization using SWAT model.Physics and Chemistry of the Earth，2007，32(15/16/17/18):1032-1039.