氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)閩江流域徑流變化的影響

郭曉英,陳興偉,2,3,陳瑩,2,3?,王躍峰

(1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,350007,福州;2.濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基地,350007,福州; 3.福建省陸地災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估工程技術(shù)研究中心,350007,福州;4.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,210093,南京)

氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)閩江流域徑流變化的影響

郭曉英1,陳興偉1,2,3,陳瑩1,2,3?,王躍峰4

(1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,350007,福州;2.濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基地,350007,福州; 3.福建省陸地災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估工程技術(shù)研究中心,350007,福州;4.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,210093,南京)

定量分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響是探究徑流演變機(jī)制及水土流失防控的關(guān)鍵之一。采用Trend free prewhitening MK檢驗(yàn)法分析閩江干流及3大子流域1960—2010年徑流和氣象要素的變化特征,并將經(jīng)驗(yàn)判別法和氣候彈性系數(shù)法相結(jié)合,分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)閩江流域徑流變化的影響。結(jié)果表明:閩江流域的年徑流、降雨量總體呈上升趨勢(shì),潛在蒸發(fā)量則為下降趨勢(shì),且在20世紀(jì)70年代初發(fā)生突變;閩江干流和3大子流域的氣候變化導(dǎo)致徑流增加,其中降雨量的增加和潛在蒸發(fā)量的減少是主要原因,而人類活動(dòng)主要起減流的作用;干流和3大子流域氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率高于人類活動(dòng),僅21世紀(jì)初建溪流域和沙溪流域除外。可見,氣候變化是閩江流域徑流增加的主要原因,但人類活動(dòng)的影響不容忽視。

氣候變化;人類活動(dòng);徑流;TFPW-MK檢驗(yàn);經(jīng)驗(yàn)判別;氣候彈性系數(shù);閩江流域

受全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響,全球范圍內(nèi)的水循環(huán)和水資源都發(fā)生著深刻的改變[1],研究氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水文過程的影響已經(jīng)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn);然而,在流域尺度上,氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水文水資源的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程,如何定量評(píng)價(jià)二者對(duì)徑流的影響,是目前研究的難點(diǎn)。從已有研究[2-10]可以看出,氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的相對(duì)影響因地、因時(shí)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件差異表現(xiàn)出不同的貢獻(xiàn)率。目前,定量評(píng)估氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的研究仍然相對(duì)匱乏,多采用水文模型方法和統(tǒng)計(jì)分析方法。其中,水文模型雖然具有較好的物理基礎(chǔ),但對(duì)數(shù)據(jù)要求比較高,且模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)等存在不確定性,可能導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果較大偏差[11];相對(duì)而言,數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的計(jì)算過程較為簡(jiǎn)單,且對(duì)數(shù)據(jù)需求不高。

閩江是福建省最大的河流,流域面積占福建省陸地面積的62.5%,其水資源的變化對(duì)于福建省的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境都具有重要影響。目前對(duì)閩江的研究[12-15]主要集中在徑流、降水和氣溫等要素方面;但對(duì)于蒸散發(fā)的研究較少,且相關(guān)研究多為定性或半定量分析,缺乏定量評(píng)價(jià)。本研究以閩江流域?yàn)檠芯繀^(qū),定量分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響,探究徑流演變機(jī)制,從而為流域水土資源管理及水土流失防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

閩江流域位于我國東南沿海福建省境內(nèi)(E116°23＇～119°35＇,N25°23＇～28°16＇),主要有建溪、富屯溪、沙溪3大支流。閩江河長(zhǎng)577 km,流域面積6萬92 km2。地勢(shì)上西北向東南傾斜,地形以中山、低山和丘陵為主。氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年平均氣溫17～19℃,年平均相對(duì)溫度76%～85%。年平均降雨量1 710mm,植被類型以常綠闊葉林、針闊混交林為主,主要土壤類型是紅壤、黃壤和水稻土。

2 材料與方法

2.1數(shù)據(jù)采集

選取干流竹岐水文站及3大支流上的洋口、七里街和沙縣水文站的1960—2010年月徑流序列,4個(gè)站點(diǎn)的控制面積分別占流域總面積的89.6%、22.51%、26.88%和19.33%;選取流域23個(gè)氣象站1960—2010年逐月氣溫、降雨量、日照、風(fēng)速、濕度等數(shù)據(jù),所有數(shù)據(jù)均通過95%的置信度均一性檢驗(yàn)。潛在蒸發(fā)量根據(jù)彭曼公式計(jì)算,各站氣象數(shù)據(jù)采用流域內(nèi)各氣象站的平均值;流域1985年和2010年土地利用數(shù)據(jù)源于TM遙感影像;福建省9個(gè)設(shè)區(qū)市的用水量數(shù)據(jù)源于福建省1997—2010年水資源公報(bào);水電站相關(guān)數(shù)據(jù)源于福建省水利廳的統(tǒng)計(jì)資料[16]。

2.2TFPW-MK檢驗(yàn)

Mann-Kendall(MK)檢驗(yàn)法,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于檢驗(yàn)徑流、降水、溫度等水文氣象資料的趨勢(shì)成分[17],但水文、氣象時(shí)間序列的自相關(guān)會(huì)影響MK方法的檢測(cè)能力[18-19]。王躍峰等[13]認(rèn)為Trend Free Prewhitening MK(TFPW-MK)比較適合閩江流域徑流趨勢(shì)的檢測(cè)。因此,本文采用TFPW-MK法檢測(cè)閩江流域徑流及氣候要素的趨勢(shì)特征。

2.3經(jīng)驗(yàn)判別法

根據(jù)流域水量平衡和能量收支情況,流域系統(tǒng)未利用完的水量和能量可以用剩余水量Pex和剩余能量E來表示[20-21]。通過剩余水量-剩余能量的ex關(guān)系圖[21-22],可以解釋氣候變化和人類活動(dòng)的相對(duì)作用。氣候變化會(huì)影響降雨和蒸發(fā)能力,導(dǎo)致Pex增加、Eex減少,或者Pex減少、Eex增加;但在短時(shí)間尺度上,人類活動(dòng)會(huì)直接或間接引起實(shí)際蒸發(fā)量的變化,導(dǎo)致Pex和Eex的變化呈同向增加或減少的趨勢(shì)[20]。

2.4氣候彈性系數(shù)法

氣候彈性系數(shù)為某一氣象要素變化時(shí)徑流量變化的百分率。Fu Guobin等[23]研究表明非參數(shù)公式同時(shí)適用于分析徑流對(duì)其他氣候要素的彈性分析,公式為

式中:ε為彈性系數(shù);Xi為逐年/月的氣溫或降水標(biāo)準(zhǔn)化值;Qi為徑流量標(biāo)準(zhǔn)化值;X、Q分別為其相對(duì)應(yīng)的平均值。采用式(1)計(jì)算徑流對(duì)降雨量和潛在蒸發(fā)量的氣候彈性系數(shù),并分別計(jì)算氣候變化和人類活動(dòng)引起的徑流變化量:

式中:ΔQo為實(shí)測(cè)徑流變化量,mm;ΔQc為氣候變化引起的變化量,mm;ΔQh為人類活動(dòng)引起的變化量, mm;ΔP為降雨變化量,mm;ΔE0為潛在蒸發(fā)變化量,mm;α、β分別為徑流對(duì)降雨和潛在蒸散發(fā)的彈性系數(shù)。

式中:ηc為氣候變化的貢獻(xiàn)率,%;ηh為人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率,%。

3 結(jié)果與分析

3.1近51 a閩江流域徑流的變化特征

1960—2010年閩江流域4個(gè)水文站的年徑流深度均表現(xiàn)出微弱的上升趨勢(shì),且階段性演變較為相似,在20世紀(jì)60年代徑流變化趨勢(shì)為先升后降,下降趨勢(shì)至20世紀(jì)70年代初,70年代中期徑流開始上升,一直持續(xù)到21世紀(jì),上升和下降都沒有達(dá)到0.05的顯著性水平。該結(jié)果與陳瑩等[12]基于1960—2006年徑流序列分析得到的閩江流域徑流趨勢(shì)特征基本一致。

3.2近51年閩江流域氣象要素的變化特征

徑流變化最直接的影響因素是降雨量和潛在蒸發(fā)量。圖1(a)中,除建溪和富屯溪流域在20世紀(jì)80年代末至20世紀(jì)90年代中期,以及21世紀(jì)末均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)以外,閩江干流和3大子流域近51年來降雨量和徑流量的階段性演變具有較好的一致性,在20世紀(jì)70年代左右開始至21世紀(jì)初主要呈上升趨勢(shì),其中在20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初期降雨量上升趨勢(shì)最顯著,但均未達(dá)到5%的顯著性水平。

圖1　1960—2010年閩江流域降雨量和潛在蒸發(fā)量的TFPW-MK檢驗(yàn)趨勢(shì)曲線Fig.1 TFPW-MK testof precipitation and potential evaporation of Minjiang River Basin from 1960 to 2010

圖1(b)中,閩江干流潛在蒸發(fā)量在20世紀(jì)60年代初呈波動(dòng)變化,70年代初開始下降并至21世紀(jì)初,其中20世紀(jì)80年代初下降趨勢(shì)明顯,達(dá)到5%的顯著性水平。3大子流域的潛在蒸發(fā)量變化與干流的情況一致,僅沙溪流域在20世紀(jì)60年代中期表現(xiàn)為上升趨勢(shì),富屯溪流域和建溪流域在20世紀(jì)60年代末就開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。此外,閩江干流及3大子流域的潛在蒸發(fā)量均在20世紀(jì)70年代初期發(fā)生了突變。

3.3氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響

3.3.1氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響 從圖2中可以看出,相對(duì)于20世紀(jì)60年代基準(zhǔn)期,閩江干流Pex增加、Eex減少,表明徑流量的變化主要是由氣候變化引起,人類活動(dòng)相對(duì)較弱;3大子流域自20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)90年代Pex和Eex的變化情況與干流一致,僅在21世紀(jì)初期建溪和沙溪的Pex、Eex同向增加,說明該時(shí)段人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響較大。

3.3.2氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的定量分析 從氣候彈性系數(shù)法計(jì)算結(jié)果來看,閩江干流1960—2010年徑流對(duì)降雨量的變化較潛在蒸發(fā)量的變化敏感;3大子流域中,沙溪流域徑流對(duì)降雨量的敏感性最大,富屯溪流域?qū)撛谡舭l(fā)量的敏感性最大。以20世紀(jì)60年代為基準(zhǔn)期,計(jì)算各年代氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率ηc和ηh(表1)。

表1中:干流20世紀(jì)90年代氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響最顯著,其中氣候變化增加徑流184.98mm,人類活動(dòng)減小徑流68.02mm;氣候變化對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率大于人類活動(dòng),且在21世紀(jì)初達(dá)到最大(86%)。

與干流相類似,3大子流域氣候變化引起徑流的增量均在20世紀(jì)90年代達(dá)到最大,其中富屯溪流域最大,建溪流域最小;人類活動(dòng)則主要起減流的作用,富屯溪、建溪和沙溪流域的人類活動(dòng)影響分量分別于20世紀(jì)90年代、20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初達(dá)到最顯著;除21世紀(jì)初建溪和沙溪流域人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率分別為60%和52%大于氣候變化外,其余各年代3大子流域氣候變化的貢獻(xiàn)率均大于人類活動(dòng),其中富屯溪流域氣候變化的貢獻(xiàn)率于21世紀(jì)初達(dá)最大為89%,建溪和沙溪流域均在20世紀(jì)90年代達(dá)最大,分別達(dá)87%和75%?？傮w而言,氣候變化對(duì)徑流的影響始終起著增大徑流的作用,人類活動(dòng)主要起著減少徑流的作用,且徑流變化主要受氣候變化的影響。

圖2　閩江流域Pex和Eex相對(duì)于20世紀(jì)60年代的變化Fig.2 Variation of excesswater(Pex)and excess evaporative demand(Eex)relative to1960s ofMinjiang River Basin

3.4討論

閩江流域徑流變化主要受氣候變化的影響,氣候變化主要導(dǎo)致徑流增加,而人類活動(dòng)反之,這與葉許春等[21-22]在鄱陽湖和贛江流域、袁宇志等[7]在珠江流溪河流域等濕潤地區(qū)的研究結(jié)果基本相似。閩江流域降雨量總體呈上升趨勢(shì),潛在蒸散發(fā)呈長(zhǎng)期下降趨勢(shì),進(jìn)而產(chǎn)生增流作用;20世紀(jì)90年代流域降雨量和蒸散發(fā)的變化幅度相對(duì)較大,造成干流和3大子流域氣候變化影響的分量在90年代達(dá)到最大。

表1　閩江流域不同年代氣候和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響Tab.1 Contribution of climate variability and human activities to runoff variation of Minjiang River Basin in different periods

影響流域徑流變化的人類活動(dòng)主要有土地利用變化、水利工程建設(shè)以及水資源的開發(fā)利用等[22]。20世紀(jì)80年代以來流域土地利用變化較大(表2),閩江干流和上游3大子流域均表現(xiàn)為林地增加,耕地和草地減少。多數(shù)研究表明森林增加導(dǎo)致潛在蒸散發(fā)增加及徑流量減少[24],林炳清[25]在與閩江流域地理特征相似的晉江流域研究表明林地減少會(huì)導(dǎo)致年徑流增加。同時(shí),隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,流域用水量逐漸增加,也導(dǎo)致年徑流減少。通過1997—2010年福建省9個(gè)設(shè)區(qū)市用水?dāng)?shù)據(jù)的分析,閩江流域各地區(qū)用水量普遍增加,其中變化比較顯著的南平和三明,21世紀(jì)初的年平均用水量相比于90年代末分別上漲了7.13%和3.55%。此外,流域水利工程眾多,水電站共計(jì)515個(gè),其中富屯溪流域82個(gè),建溪流域119個(gè),沙溪流域85個(gè),可能導(dǎo)致蒸發(fā)量增加[26],徑流量減少。

表2　閩江流域1985—2010年土地利用變化Tab.2 Variation of land use of the Minjiang River Basin from 1985 to 2010 km2

氣候變化和人類活動(dòng)的差異導(dǎo)致各子流域內(nèi)部對(duì)徑流的影響存在差異。建溪流域和沙溪流域在21世紀(jì)初人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響超過氣候變化,究其原因,與干流和富屯溪流域相比較,建溪和沙溪流域21世紀(jì)初的降雨增量較其他年代增加最少,且該時(shí)期建溪和沙溪流域土地利用變化強(qiáng)度更為劇烈[27],可能造成徑流的減流作用更為顯著。本文采用經(jīng)驗(yàn)判別和氣候彈性系數(shù)法2種方法進(jìn)行比較和驗(yàn)證,2種方法的結(jié)果具有較好的一致性,然而,均具有不確定性。經(jīng)驗(yàn)判別方法的精度依賴于降雨量、潛在蒸發(fā)量和實(shí)際蒸發(fā)量的準(zhǔn)確性,本研究中實(shí)際蒸發(fā)量源于水量平衡法,未考慮流域儲(chǔ)水量的變量;該方法是M.D.Tomer等[20]基于對(duì)美國4個(gè)流域土地利用變化的長(zhǎng)期觀察而獲得,應(yīng)在國內(nèi)選擇不同特征的其他流域進(jìn)行檢驗(yàn)。而氣候彈性系數(shù)方法依賴于潛在蒸發(fā)量的計(jì)算,受徑流和氣象數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響;因此,閩江流域氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響還需要進(jìn)一步結(jié)合水文模型法,進(jìn)行綜合分析。

4 結(jié)論

1)1960—2010年閩江流域年徑流呈微弱上升趨勢(shì);除建溪流域外,干流和3大子流域的降雨量總體呈上升趨勢(shì),且階段性演變與徑流較為相似;潛在蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì)。

2)基于經(jīng)驗(yàn)判別和氣候彈性系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果基本一致,閩江流域氣候變化始終起著增大徑流的作用,而人類活動(dòng)主要起到減流的作用。干流和3大子流域氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率高于人類活動(dòng),僅21世紀(jì)初建溪流域和沙溪流域除外。

3)干流和3大子流域氣候變化對(duì)徑流的影響量于20世紀(jì)90年代達(dá)到最顯著;干流和富屯溪流域人類活動(dòng)的影響量在20世紀(jì)90年代最大,建溪流域和沙溪流域分別于20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初達(dá)到最顯著。

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Im pacts of climate variability and human activities on runoff of M injiang River Basin

Guo Xiaoying1,Chen Xingwei1,2,3,Chen Ying1,2,3,Wang Yuefeng4

(1.College of Geographical Science,Fujian Normal University,350007,Fuzhou,China; 2.Cultivation Base of State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology,350007,Fuzhou,China; 3.Fujian Provincial Engineering Research Center for Monitoring and Assessing Terrestrial Disasters,350007,Fuzhou,China; 4.Geographic and Oceanographic Science Department,Nanjing University,210093,Nanjing,China)

[Background]Quantitative analysis on the effects of climate variability and human activities on runoff is one of the keys to inquiring about runoff change mechanism and control of soil erosion. Minjiang River is the largest river in Fujian Province,and the change of water resources has important influence on social economy and ecological environment.In recent years,many researches focused on the change characteristics of runoff,precipitation and temperature in Minjiang River Basin.However,little studies have reported on the change characteristics of potential evaporation,and the relative effects of climate variability and human activities on runoff.[M ethods]The observed monthly river discharge of4 hydrological stations and monthlymeteorological data(precipitation,temperature,wind,sunshine hours, and relative humidity)of 23 meteorological stations for the period 1960-2010 were collected. Characteristics of the variation of hydro-climatic changes over the last51 yearswere analyzed based on the TFPW-MK,and the relative effects of climate variability and human activities on runoffwere investigatedbased on an empirical discriminantmethod and climate elasticity method.[Results]Firstly,runoff and precipitation of the Minjiang River were on the rise in general while potential evaporation was declining and had a sudden change in the early 1970s.Secondly,relative effect of climate variability was greater than thatof human activities in Minjiang River Basin and three sub-basins under different decades relative to 1960s,except in the beginning of21st century in Jianxi River sub-basin and ShaxiRiver sub-basin,in which the contributions of human activities accounted for 60%and 52%of the changes in streamflow, respectively.Additionally,the contribution of the climate variability on the runoff in Minjiang River Basin and Futunxi River sub-basin was the largest in the 21st Century,accounting for 86%and 89%of runoff changes respectively,and the contribution of the climate variability in Jianxi River sub-basin and Shaxi River sub-basin was the largest in 1990s,accounting for 86%and 89%,respectively.[Conclusions] In general,the results from the empirical discriminant method and climate elasticity method were the same on the whole,climate variability leaded to an increased streamflow while human activities always resulted in a decrease of stream flow.The increase of precipitation and decrease of potential evaporation were themajor reasons for the increase of runoff.Moreover,the relative effects of climate variability and human activities varied among sub-basins,and the differences in the internal climate and human activities were themain reasons.The impactof climate variability on runoffwas themost significant in the Minjiang main stream and three sub-basins in 1990s;the impact of human activities on runoff was the most significant in the Minjiang main stream and Futunxi River sub-basin in 1990s and in Jianxi River subbasin and Shaxi River sub-basin in 1980s and the beginning of the 21st century,respectively.

climate variability;human activities;runoff;TFPW-MK test;empirical discriminant method;coefficient of climatic elasticity;Minjiang River Basin

P343.1

A

1672-3007(2016)02-0088-07

10.16843/j.sswc.2016.02.012

2015-08-26

2016-03-03

項(xiàng)目名稱:國家自然科學(xué)基金“土地利用變化對(duì)流域洪水風(fēng)險(xiǎn)的影響及其不確定性分析”(41301031);福建省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目“農(nóng)業(yè)面源對(duì)水庫型飲用水源地氮素污染負(fù)荷的影響與調(diào)控技術(shù)”(2013N0013)

郭曉英(1989—),女,碩士研究生。主要研究方向:水文水資源。E-mail:fsdgxy@163.com

簡(jiǎn)介:陳瑩(1982—),女,副教授。主要研究方向:水資源與水環(huán)境。E-mail:chenying_nju@163.com