人為活動(dòng)和氣候變化對(duì)安陽(yáng)河流域年徑流量的影響研究

崔花瑞，郭春梅，曹瑞仙，王 偉，張延平

（1.河南省安陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局，455000，安陽(yáng)；2.河南省開封市城區(qū)水利局，475000，開封；3.河南省安陽(yáng)市水利局，455000，安陽(yáng)）

一、流域概況

安陽(yáng)河（洹河）位于河南省安陽(yáng)市境內(nèi)，是衛(wèi)河的一大支流，河流全長(zhǎng)162km2，流域面積為 1920km2，平原面積所占比例為35%，山區(qū)面積為47%。

安陽(yáng)河上游比降大，進(jìn)入平原后由于過渡帶短，河道比降明顯變緩。河道的行洪能力上游大下游小，市區(qū)以上河道流速為 4 000～2 400 m3/s，到入衛(wèi)口處流速約為600～300 m3/s。在洪水期間，由于衛(wèi)河水位高，下游洪水因受衛(wèi)河洪水影響，導(dǎo)致不能夠及時(shí)排出，在市區(qū)以下5km處左岸崔家橋一帶形成了自然滯洪區(qū)。

二、研究方法

1.天然水文序列劃分方法

流域的徑流量變化主要受兩個(gè)因素的影響：一為降水強(qiáng)度與其空間分布，二為流域內(nèi)區(qū)域的人為活動(dòng)強(qiáng)度。由于人為活動(dòng)對(duì)流域徑流的影響具有顯著的時(shí)空差異，因此流域水文過程具有趨勢(shì)性、階段性的特點(diǎn)。將本研究的研究對(duì)象設(shè)定為年徑流系數(shù)序列，是為了減少由降水強(qiáng)度差異引起的流域徑流變化，分析人為活動(dòng)引起的流域年徑流變化的階段性。本研究采用的分析方法為：有序聚類法、序列滑動(dòng)平均法等。

由于人為活動(dòng)影響的水文序列與天然序列存在差異，因此可將兩者作為兩類水文序列。本研究基于流域水文模型，采用有序聚類分析方法，判定人為活動(dòng)影響的水文序列與天然序列之間的突變點(diǎn)。運(yùn)用有序聚類分析方法判定水文序列的顯著突變點(diǎn)，其實(shí)質(zhì)就是判定最優(yōu)分割點(diǎn)。最優(yōu)點(diǎn)分割的方法為：

總離差平方和為：

最優(yōu)分割使 Sn?（r）=min[Sn（r）]，滿足該條件的r為最優(yōu)分割點(diǎn)。

一般來說，如果水文序列出現(xiàn)了兩個(gè)顯著的階段性過程，Sn（r）的時(shí)序變化出現(xiàn)單谷底；如果出現(xiàn)兩個(gè)或以上的顯著階段性過程，則Sn（r）的時(shí)序變化出現(xiàn)兩個(gè)或以上谷底，因此根據(jù)谷底發(fā)生的時(shí)間來劃分水文序列變化的階段是合理可信的。

綜合考慮尺度、水文、氣候、區(qū)位和下墊面等因素，采用有序聚類分析方法，計(jì)算流域的年徑流系數(shù)與變化過程。安陽(yáng)河流域的計(jì)算結(jié)果表明，因?yàn)槟陱搅飨禂?shù)與變化過程出現(xiàn)單谷底變化，所以把1981年作為安陽(yáng)河流域天然時(shí)期與非天然時(shí)期的分界點(diǎn)，見圖1。從20世紀(jì)80年代以來，流域內(nèi)降水量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；而在80年代以后流域內(nèi)的人為活動(dòng)強(qiáng)度增加。鑒于此，把1981年作為流域天然時(shí)期與非天然時(shí)期的分界點(diǎn)是合理的。

2.人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)徑流影響的分離方法

安陽(yáng)河流域上游山區(qū)段界線分明，產(chǎn)匯流過程簡(jiǎn)單，人為活動(dòng)強(qiáng)度小，因此把1981年前后安陽(yáng)河水文站的實(shí)測(cè)徑流深的差值作為氣候變化對(duì)流域徑流量的影響量。基于此，本研究采用了董雯提出的人為活動(dòng)和氣候變化對(duì)流域年徑流量影響的分離方法。背景值為流域天然時(shí)期的實(shí)測(cè)徑流深，則1981年后實(shí)測(cè)徑流深與背景值之間的差值作為人為活動(dòng)和氣候變化對(duì)流域年徑流量的影響量。氣候變化與人為活動(dòng)對(duì)流域年徑流量影響的分割方法為：

圖1 安陽(yáng)河流域年徑流系數(shù)的離差平方和變化過程

圖2 1990—1994年NAM模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

式中，WT為流域中下游年徑流變化的總量；WH為人為活動(dòng)對(duì)流域中下游年徑流變化的影響量；WC為氣候變化對(duì)流域上游年徑流變化的影響量；WN為背景值，W入河為流域入河徑流量；W山口為流域水文站的實(shí)測(cè)年徑流深；WHN為流域水文站的模擬值或預(yù)測(cè)值；ηH為人為活動(dòng)對(duì)流域中下游徑流變化影響的百分比；ηC為氣候變化對(duì)流域中下游徑流變化影響的百分比。

三、研究結(jié)果

根據(jù)此前校準(zhǔn)好的NAM模型參數(shù)，以及1981年以后的氣象數(shù)據(jù)（實(shí)測(cè)與校核），考慮了安陽(yáng)河流域的地形、土壤、植被等影響因素，運(yùn)用NAM模型模擬了強(qiáng)人為干擾時(shí)期安陽(yáng)河流域的徑流量，探討了人為活動(dòng)和氣候變化對(duì)安陽(yáng)河流域徑流變化的影響。

1.人類活動(dòng)影響時(shí)期流域徑流量的模擬

根據(jù)NAM模型的模擬結(jié)果，運(yùn)用1990—1994年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)NAM模型，圖2給出了安陽(yáng)河水文站1990—1994年日徑流深的實(shí)測(cè)值和模擬值?；诖耍\(yùn)用NAM模型來模擬強(qiáng)人為干擾時(shí)期的流域徑流量是合理可信的。

NAM模型模擬的安陽(yáng)站日徑流過程的精度比較結(jié)果詳見表1。NAM模型模擬的日徑流過程，在率定期內(nèi)，確定性系數(shù)大于0.9，等級(jí)屬于甲等的有2年;確定性系數(shù)大于等于0.7小于等于0.9，等級(jí)屬于乙等的有5年。在驗(yàn)證期內(nèi)，確定性系數(shù)都在大于等于0.7小于等于0.9的范圍內(nèi)，等級(jí)都屬于乙等。徑流深相對(duì)誤差，在率定期內(nèi)，5年都合格，合格率為100%；驗(yàn)證期內(nèi)，3年都合格，合格率為100%。

基于校準(zhǔn)的模型參數(shù)以及流域強(qiáng)人為干擾時(shí)期的氣象資料，運(yùn)用NAM模型模擬了1981—2008年的流域徑流深，模擬值見表2。

2.人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)流域年徑流量的影響

根據(jù)安陽(yáng)河流域年徑流的背景值、模擬值和實(shí)測(cè)值，采用分離法計(jì)算了人為活動(dòng)和氣候變化對(duì)安陽(yáng)河流域中下游年徑流量變化的影響（表1）。安陽(yáng)河流域年徑流變化主要受人為活動(dòng)和氣候變化兩方面影響。在安陽(yáng)河流域上游主要為山區(qū)，除水庫(kù)外基本沒有人為活動(dòng)影響。因此把1981年前后安陽(yáng)河水文站的實(shí)測(cè)徑流深的差值作為氣候變化對(duì)流域上游徑流量的影響量。

分析結(jié)果表明：①?gòu)?0世紀(jì)80年代以來，流域的降水量減少，六七十年代多年平均年降水量為574 mm，而80年代以后的多年平均年降水量約551 mm，年均降水量減少4%；②受流域環(huán)境變化影響，流域中下游徑流量逐漸減少，尤其是在80年代和近10年流域徑流量的顯著減少，這主要是由于人為活動(dòng)的強(qiáng)度增大；③氣候變化和人為活動(dòng)對(duì)安陽(yáng)河流域中下游年徑流量的影響存在時(shí)間差異。在80年代和2000年以后，人為活動(dòng)對(duì)安陽(yáng)河流域中下游徑流的影響占徑流減少總量的85%以上；在90年代，氣候變化對(duì)安陽(yáng)河流域中下游徑流量的影響占徑流減少總量的10%；④氣候變化和人為活動(dòng)對(duì)安陽(yáng)河流域中下游年徑流量的影響存在空間差異。在安陽(yáng)河流域上游即山區(qū)，氣候變化是導(dǎo)致徑流量減少的主因，而在流域中下游區(qū)，人為活動(dòng)是影響流域徑流量減少的主因。此外，由于流域氣溫上升，導(dǎo)致蒸發(fā)量增加，使得流域平均年徑流量減少。

表1 NAM模型模擬的安陽(yáng)站日徑流過程的精度比較

表2 安陽(yáng)河安陽(yáng)站天然徑流量

表3 人為活動(dòng)和氣候變化對(duì)流域年徑流量的影響預(yù)測(cè)

3.人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)流域年徑流量的影響預(yù)測(cè)

基于上述研究結(jié)果，利用校準(zhǔn)的模型參數(shù)，結(jié)合區(qū)域氣象預(yù)報(bào)，預(yù)測(cè)了未來10年強(qiáng)人為干擾條件下流域徑流量的變化趨勢(shì)。根據(jù)流域徑流量的背景值和預(yù)測(cè)值，分別分析并預(yù)測(cè)了氣候變化和人為活動(dòng)對(duì)安陽(yáng)河流域中下游徑流量變化的影響（表3）。

分析結(jié)果表明：①在2009—2018年期間，流域平均降水量減少8%。②2014—2018年間流域中下游人為活動(dòng)的影響程度比2009—2013年間增強(qiáng)，說明人為活動(dòng)對(duì)安陽(yáng)河流域中下游年徑流量的影響增大。③從2000年以來，氣候變化對(duì)安陽(yáng)河流域中下游年徑流量的影響逐漸上升，這主要與全球氣候變暖有關(guān)。④從安陽(yáng)河流域徑流量變化的空間分布來看，上游山區(qū)氣候變化是主因，中下游平原區(qū)人為活動(dòng)是主因。預(yù)測(cè)結(jié)果表明：安陽(yáng)河流域在2009—2018年間平均年徑流量已低于1.5億m3。據(jù)專家考證，如果要維持安陽(yáng)河的生態(tài)功能，必須保證年徑流量不低于2億m3，因此安陽(yáng)河地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的水資源短缺，僅依靠流域內(nèi)節(jié)約用水、調(diào)整工農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和技術(shù)改造等措施已經(jīng)不能扭轉(zhuǎn)這種局面，所以對(duì)流域?qū)嵤┛缌饔蛏鷳B(tài)調(diào)水十分必要。

[1]黃錫荃.水文學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1993.

[2]丁晶.隨機(jī)水文學(xué)[M].成都：成都科技大學(xué)出版社，1988.