氣候變化和人類活動對漢江上游徑流變化影響的定量研究

夏軍+馬協(xié)一+鄒磊+王詠鈴+景朝霞

摘要：以漢江上游為例，基于彈性系數(shù)法和水文模擬法定量估算氣候變化和人類活動對流域徑流的影響，探討了變化環(huán)境下流域徑流對氣候變化和人類活動的響應(yīng)特征。研究結(jié)果表明：1961年-2013年漢江上游流域徑流呈明顯下降趨勢，并在1985年前后發(fā)生了突變；降水及潛在蒸散發(fā)在同時期內(nèi)也逐漸降低，但變化趨勢不顯著。氣候變化對徑流變化的貢獻(xiàn)率為42.8%～43.5%，人類活動對徑流變化的貢獻(xiàn)率為56.5%～57.2%，相比人類活動對漢江上游徑流的影響稍大，且其對徑流變化的影響呈現(xiàn)增長的趨勢。

關(guān)鍵詞：氣候變化；人類活動；定量研究；水文模型；彈性系數(shù)；漢江上游流域

中圖分類號：P339文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-1683（2017）01-0001-06

Abstract：With the purpose of exploring the features of hydrological responses to climate change and human activities，a quantitative assessment of the relative contributions from climate variability and human activities to runoff changes in the Upper Hanjiang River basin was conducted using two methods，namely the elasticity method and the hydrological modeling method.The results showed that annual runoff underwent a significant decreasing trend over the period of 1961-2013，and a breaking point was detected in 1985.Precipitation and potential evapotranspiration both decreased gradually over the same period，but the trends were not significant.Climate variability accounted for 42.8%～43.5% of the decrease in runoff，and the impact of human activities accounted for 56.5%～57.2%，showing a more important influence on runoff changes.Moreover，the latter′s influence was in an increasing trend.

Key words：climate change；human activities；quantitative assessment；hydrological modeling；climate elasticity；Upper Hanjiang River basin

變化環(huán)境下的流域水文循環(huán)是一個復(fù)雜的過程，其受多種因素制約，其中氣候變化和人類活動是兩個重要的驅(qū)動和組成部分[1]。降水作為徑流形成與轉(zhuǎn)化的必要條件，以及人類活動對下墊面的影響都會導(dǎo)致流域天然水循環(huán)過程發(fā)生變化，改變流域原始的降雨徑流關(guān)系。因此，氣候變化和人類活動對流域水文過程的影響逐漸成為水科學(xué)研究中的熱點問題之一[2]。而氣候變化和人類活動產(chǎn)生的影響往往是綜合的，如何對這種綜合影響進(jìn)行科學(xué)的分解是研究中的一個核心問題。目前，在定量區(qū)分氣候變化和人類活動的水文響應(yīng)研究中，廣泛采用的方法主要有基于Budyko理論[3]的彈性系數(shù)法以及基于物理過程的水文模擬法。彈性系數(shù)法對歷史數(shù)據(jù)的要求較低，但往往只能提供氣候變化和人類活動影響在年尺度上的區(qū)分量化[4]。如Xu等[5]采用基于Budyko理論的彈性系數(shù)法對海河流域徑流減少的主要原因進(jìn)行了歸因分析，結(jié)果表明人類活動是造成徑流減少的主要原因（貢獻(xiàn)率73.1%），且人類活動的影響主要來源于植被增加；Xia等[6]對永定河流域的研究結(jié)果顯示，人類活動對流域徑流減少的貢獻(xiàn)率為87.4%～89.5%。水文模擬法具有良好的物理基礎(chǔ)，并且能夠應(yīng)用于月或日等高分辨率的時間尺度上，但水文模型的參數(shù)及結(jié)構(gòu)存在一定的不確定性[7]，選取合適的水文模型非常關(guān)鍵。如Zhang等[8]采用AWBM模型對鄱陽湖流域的研究表明，氣候變化和人類活動對于鄱陽湖徑流減少的貢獻(xiàn)率分別為26.8%和73.2%；Zeng等[9]采用SIMHYD模型對漳河流域的研究結(jié)果顯示氣候變化的影響要大于人類活動對年徑流變化的影響。由此可以看出兩種方法各有優(yōu)勢，且都有其不足之處，為了準(zhǔn)確評估流域氣候變化和人類活動對徑流的影響，保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時采用兩種方法進(jìn)行交叉驗證是十分必要的。

丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程的水源地，有“亞洲天池”之美譽，是漢江的天然水位調(diào)節(jié)器。自20世紀(jì)90年代以來，漢江上游頻繁遭遇干旱，河川徑流量明顯減少。基于此，針對漢江上游丹江口水庫入庫徑流變化的研究顯得尤為重要，能夠為合理分配漢江上游水資源以及南水北調(diào)中線工程的運行提供更為科學(xué)的指導(dǎo)。本文以漢江上游丹江口以上流域為研究區(qū)，首先對流域降雨、蒸散發(fā)以及徑流等水文要素的變化規(guī)律進(jìn)行識別，然后采用基于Budyko理論的彈性系數(shù)法和基于分布式時變增益水文模型（DTVGM）的水文模擬法定量估算氣候變化和人類活動對漢江上游徑流變化的影響貢獻(xiàn)率。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

漢江上游流域（圖1）位于東經(jīng)106.0°-112.0°，北緯31.4°-34.3°，全長956 km，流域面積為95 200 km2，約占漢江全流域的60%。該流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，半濕潤氣候，四季分明。本文研究期間（1961年-2013年）的多年平均氣溫為14 ℃，多年平均降水量為849.5 mm，40%～60%的降水集中在7月-9月。丹江口水庫的年平均入庫流量約為1 152 m3/s。

1.2 數(shù)據(jù)資料

研究選取漢江上游13個氣象站1961年-2013年的逐日氣象要素資料，站點分布均勻，能大致反映流域水文氣象的空間變化，數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。流域的面平均雨量通過泰森多邊形法進(jìn)行估算。徑流數(shù)據(jù)為丹江口水庫同時期的入庫月徑流數(shù)據(jù)，由丹江口水利樞紐管理局提供。由于缺乏長序列的蒸散發(fā)實際觀測資料，各氣象站點的潛在蒸散發(fā)由FAO推薦的Penman-Monteith公式[10]計算得到，然后通過反距離加權(quán)插值法（IDW）得到流域形心處的參考蒸散發(fā)，并以此求出流域面平均潛在蒸散發(fā)。分布式時變增益水文模型采用的土地利用和土壤類型數(shù)據(jù)來自中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。所有站點的分布情況見圖1。

2 研究方法

2.1 水文要素趨勢分析及突變檢驗方法

本文采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[11-12]來分析年降雨、年徑流及年潛在蒸散發(fā)序列的變化趨勢和突變情況。研究者通常認(rèn)為水文序列在受到氣候變化或人類活動的顯著影響后，其分布序列的平穩(wěn)性會遭到干擾或破壞，呈現(xiàn)出一定程度的階段性或趨勢性變化[13]。因此，根據(jù)檢測出的徑流突變點可將研究期劃分為基準(zhǔn)期和突變期，其中基準(zhǔn)期流域處于天然狀態(tài)，徑流演變僅受氣候變化的影響，而突變期人類活動對流域產(chǎn)生顯著影響，徑流變化受到氣候變化和人類活動的共同作用。

2.2 氣候變化和人類活動對徑流影響的定量區(qū)分方法

對于一個確定的流域，徑流的變化受到氣候變化和人類活動的共同影響，即

2.2.1 彈性系數(shù)法

根據(jù)徑流對降水及潛在蒸散發(fā)的敏感性系數(shù)，氣候變化引起的徑流量變化可表示為

2.2.2 水文模擬法

水文模擬法利用基準(zhǔn)期的天然實測資料率定水文模型，然后保持參數(shù)不變，對突變期的徑流進(jìn)行模擬，則突變期的模擬徑流可視為是不受人類活動影響的天然徑流。因此人類活動對徑流的影響可以表示為

本文采用分布式時變增益模型（DTVGM）進(jìn)行徑流模擬。DTVGM是將夏軍等[20]提出的集總式TVGM水文非線性系統(tǒng)模擬通過DEM/GIS平臺，推廣到流域水文時空變化模擬的分布式水文模型[21]。該模型能夠建立土地利用/覆被變化與水文系統(tǒng)產(chǎn)流之間的影響關(guān)系，既有分布式水文概念性模擬的特征，又具有水文系統(tǒng)分析適應(yīng)能力強的優(yōu)點，在很多流域得到了應(yīng)用和驗證[22-24]。模型評價統(tǒng)計指標(biāo)采用Nash效率系數(shù)（NSE）及水量平衡誤差（WBE）兩個指標(biāo)進(jìn)行衡量，各指標(biāo)計算公式如下：

3 結(jié)果與討論

3.1 水文序列趨勢分析及突變檢驗

采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法對漢江上游丹江口流域面平均年降水、年潛在蒸散發(fā)及年徑流序列進(jìn)行趨勢分析和突變檢驗。結(jié)果如表2所示，年降水及年潛在蒸散發(fā)序列均呈現(xiàn)一定的下降趨勢但并不顯著，而年徑流序列呈顯著下降趨勢（α=0.1）。突變檢驗結(jié)果表明，年徑流在1985年前后發(fā)生了突變（圖2）。與突變前時期相比，突變后時期的流域年徑流和年降水分別減少了21.5%、7.3%，年潛在蒸散發(fā)的變化非常微小，可忽略不計（表2）。由以上分析可以推測，徑流的顯著變化不僅僅是由氣候變化引起的，人類活動可能也起到了重要的作用。

3.2 氣候變化和人類活動對徑流影響的定量區(qū)分

3.2.1 水文模擬法定量區(qū)分徑流變化影響因子

依據(jù)3.1中的徑流突變檢驗結(jié)果，將研究期劃分為兩個時期：1961年-1985年為基準(zhǔn)期，1986年-2013年為突變期。在基準(zhǔn)期數(shù)據(jù)中，采用1961年-1975年數(shù)據(jù)率定模型參數(shù)，1976年-1985年數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，以評價模型在研究區(qū)的適應(yīng)性。圖3展示了模型率定期及驗證期的月徑流過程。率定期和驗證期的Nash效率系數(shù)分別為0.85和0.88，水量平衡誤差分別為-0.02和0.04，表明DTVGM模型的模擬效果較好，適用于漢江上游流域徑流模擬?；诼识ê玫哪Ｐ蛯ν蛔兤冢?986年-2013年）的徑流進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示Nash效率系數(shù)僅為0.66，水量平衡誤差為29%，說明突變期因受到非氣象因子的影響，降雨徑流關(guān)系已發(fā)生了變化（表3）。

根據(jù)實測徑流量資料以及DTVGM模型對基準(zhǔn)期和突變期徑流的模擬結(jié)果，采用水文模擬法定量區(qū)分各因素對突變期徑流變化影響的分析結(jié)果見表4。就1986年-2013年的平均狀況而言，研究區(qū)年平均徑流量由1961年-1985年間的428.4 mm下降到1986年-2013年間的336.2 mm，減少了92.2 mm，采用水文模型還原突變期的年平均徑流量為388.9 mm，因此，根據(jù)式（1）、式（2）、式（5），計算可得由人類活動引起的徑流減少量為52.7 mm，其貢獻(xiàn)率為57.2%，氣候變化引起了39.5 mm的減少量，貢獻(xiàn)率為42.8%。而當(dāng)把突變期進(jìn)一步劃分為1986年-2000年及2000年-2013年兩個階段，由水文模擬法量化不同時期各因素對徑流減少的貢獻(xiàn)率時，可以發(fā)現(xiàn)人類活動的貢獻(xiàn)率由44.7%增加到了77.8%，說明人類活動不僅是漢江上游徑流減少的主要原因，并且其對徑流變化的影響呈現(xiàn)顯著的增長趨勢。

3.2.2 彈性系數(shù)法定量區(qū)分徑流變化影響因子

采用彈性系數(shù)法定量區(qū)分各因子對徑流變化的影響是在年尺度上進(jìn)行的。干燥指數(shù)是基于Budyko假設(shè)的彈性系數(shù)法分離徑流變化影響因子的一個關(guān)鍵輸入變量，可根據(jù)公式=E0/P確定流域的干燥指數(shù)，其中，E0為流域多年平均潛在蒸散發(fā)，P為流域多年平均降水量。然后根據(jù)公式（3）、（4），采用6種基于Budyko假設(shè)的函數(shù)形式計算徑流對降水的彈性系數(shù)及各因子對徑流變化的影響結(jié)果見表5。

計算結(jié)果顯示，采用6種基于Budyko假設(shè)的函數(shù)形式估算徑流對降水的敏感性系數(shù)在1.31～1.55之間，彈性系數(shù)大小十分接近，均值為1.45。氣候變化對徑流變化的貢獻(xiàn)率在39.9%～46.3%之間，人類活動對徑流變化的貢獻(xiàn)率在53.7%～60.1%之間，其平均值分別為43.5%和56.5%，表明人類活動對流域徑流減少的影響要高于氣候變化產(chǎn)生的影響，與水文模擬法的計算結(jié)果較為一致。

3.3 討論

本文采用水文模擬法和彈性系數(shù)法相互交叉驗證的方式對漢江上游徑流變化的影響因素進(jìn)行定量區(qū)分。這兩種方法不論在原理上還是計算尺度上都具有很大的差異性：（1）在原理上，水文模擬法基于水文模型還原突變期的天然徑流量，能夠保證還原的突變期天然流量與基準(zhǔn)期實測徑流量在成因上具有一致性，而彈性系數(shù)法在水量平衡方程和Budyko水熱平衡耦合理論的基礎(chǔ)上計算徑流對降水及蒸發(fā)的敏感性；（2）在時間尺度上，水文模擬法基于月尺度計算，可以更充分地利用觀測數(shù)據(jù)，得到更加精確的徑流變化過程。而彈性系數(shù)法基于年尺度，時間尺度較為粗糙，但對數(shù)據(jù)的要求較低。兩種方法雖然基于不同的原理和計算尺度但卻得到了較為一致的結(jié)果，即人類活動對漢江上游徑流減少的影響率為56.5%～57.2%，氣候變化的影響率為42.8%～43.5%，人類活動是導(dǎo)致漢江上游徑流減少的較為主要的原因。

采用水文模擬法對突變期（1986年-2000年、2001年-2013年）的模擬結(jié)果顯示，人類活動對徑流減少的貢獻(xiàn)率與氣候變化相比呈顯出了明顯的增長趨勢。這與李凌程等[25]采用彈性系數(shù)法、降水-徑流雙累積曲線法及累積量斜率變化率比較法對漢江上游氣候變化和人類活動對流域徑流變化影響的分析結(jié)果是一致的，但其采用的方法均屬于統(tǒng)計方法范疇，缺乏一定的物理機制。Sun等[26]采用1970年-2000年的數(shù)據(jù)對漢江上游徑流減少的影響因素進(jìn)行探究，結(jié)果顯示氣候變化對1990年-2000年漢江上游徑流減少的貢獻(xiàn)率為65%，與本文對1986年-2000年的貢獻(xiàn)率分離結(jié)果一致，但本文的研究結(jié)果進(jìn)一步表明了2001年-2013年人類活動對漢江上游徑流變化的影響率呈現(xiàn)顯著增加。

4 結(jié)論

（1）漢江上游1961年-2013年年降水及年潛在蒸散發(fā)均無顯著下降趨勢，而年徑流呈顯著下降趨勢，且在1985年左右發(fā)生突變，突變點前后年徑流量減少了21.5%。

（2）基于水文模擬法和彈性系數(shù)法定量區(qū)分漢江上游氣候變化和人類活動對流域徑流變化的影響，結(jié)果顯示氣候變化對徑流變化的貢獻(xiàn)率為42.8%～43.5%，人類活動對徑流變化的影響率為56.5%～57.2%，人類活動是導(dǎo)致漢江上游徑流減少較為主要的原因，且人類活動對徑流變化的影響率在近期呈現(xiàn)顯著增強的趨勢。

定量評估氣候變化和人類活動對水文過程的影響，能夠為合理開發(fā)利用漢江水資源提供有價值的參考，但人類活動對徑流的影響既包括直接取用水產(chǎn)生的直接影響，也包括改變流域下墊面等活動產(chǎn)生的間接影響，本文將各類人類活動的作用視為了一個整體，如何進(jìn)一步細(xì)化徑流變化對不同人類活動的響應(yīng)還需要更加深入地探討。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 宋曉猛，張建云，占車生，等.氣候變化和人類活動對水文循環(huán)影響研究進(jìn)展[J].水利學(xué)報，2013，44（7）：779-790.（SONG Xiao-meng，ZHANG Jian-yun，ZHAN Che-sheng，et al.Review for impacts of climate change and human activities on water cycle[J].Journal of Hydraulic Engineering，2013，44（7）：779-790.（in Chinese））DOI：10.13243/j.cnki.slxb.2013.07001

[2] 董磊華，熊立華，于坤霞，等.氣候變化與人類活動對水文影響的研究進(jìn)展[J].水科學(xué)進(jìn)展，2012，23（2）：278-285.（DONG Lei-hua，XIONG Li-hua，YU Kun-xia，et al.Research advances in effects of climate change and human activities on hydrology[J].Advances in Water Science，2012，23（2）：278-285.（in Chinese））DOI：10.14042/j.cnki.32.1309.2012.02.022

[3] Budyko M I.Climate and life[M].San Diego，CA.：Academic，1974.

[4] 胡珊珊，鄭紅星，劉昌明，等.氣候變化和人類活動對白洋淀上游水源區(qū)徑流的影響[J].地理學(xué)報，2012，67（1）：62-70.（HU Shan-shan，ZHENG Hong-xing，LIU Chang-ming，et al.Assessing the impacts of climate variability and human activities on streamflow in the water source area of Baiyangdian Lake[J].Acta Geographica Sinica，2012，67（1）：62-70.（in Chinese）） DOI：10.11821/xb201201007

[5] Xu X Y，Yang D W，Yang H B，et al.Attribution analysis based on the Budyko hypothesis for detecting the dominant cause of runoff decline in Haihe basin[J].Journal of Hydrology，2014，510：530-540.DOI：10.1016/j.jhydrol.2013.12.052

[6] Xia J，Zeng S D，Du H，et al.Quantifying the effects of climate change and human activities on runoff in the water source area of Beijing，China[J].Hydrological Sciences Journal，2014，59（10）：1794-1807.DOI：10.1080/02626667.2014.952237

[7] 王國慶，張建云，賀瑞敏.環(huán)境變化對黃河中游汾河徑流情勢的影響研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，2006，17（6）：853-858.（WANG Guo-qing，ZHANG Jian-yun，HE Rui-min.Impacts of environmental change on runoff in Fenhe river basin of the middle Yellow River[J].Advances in Water Science，2006，17（6）：853-858.（in Chinese））

[8] Zhang Q，Liu J Y，Singh V P，et al.Evaluation of impacts of climate change and human activities on streamflow in the Poyang Lake basin，China[J].Hydrological Processes，2016，30：2562-2576.DOI：10.1002/hyp.10814

[9] Zeng S D，Xia J，Du H.Separating the effects of climate change and human activities on runoff over different time scales in the Zhang River basin[J].Stochastic Environmental Research and Risk Assessment，2014，28：401-413.DOI：10.1007/s00477-013-0760-8

[10] Allen R G，Pereira L S，Raes D et al.Crop evapotranspiration：Guidelines for computing crop water requirements.FAO Irrigation and Drainage Paper 56.FAO，Rome，1998：300.

[11] Mann H B.Nonparametric tests against trend[J].Econometrica，1945，13（3）：245-259.

[12] Kendall M G.Rank correlation measures[M].London：Charles Griffin，1975.

[13] 張愛靜.東北地區(qū)流域徑流對氣候變化與人類活動的響應(yīng)特征研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.（ZHANG Ai-jing.Research on the streamflow responses to climate variability and human activities in northeast China[D].Dalian：Dalian University of Technology，2013.（in Chinese））

[14] Schireiber P.ber die Beziehungen zwischen dem Niederschlag und der Wasserführung der Flüsse in Mitteleuropa[J].Zeitachrift fur Meteorologie，1904，21（10）：441-452.

[15] Ol′dekop E M.On evaporation from the surface of river basins[J].Transactions on meteorological observations，University of Tartu，1911，4，200.

[16] Budyko M I.Evaporation under natural conditions[M].Leningrad：Gidrometeorizdat，1948.

[17] Pike J G.The estimation of annual runoff from meteorological data in tropical climate[J].Journal of Hydrology，1964，2：116-123.

[18] 傅抱璞.論路面蒸發(fā)的計算[J].大氣科學(xué)，1981，5（1）：23-31.（FU Bao-pu.On the calculation of the evaporation from land surface[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences，1981，5（1）：23-31.（in Chinese））

[19] Zhang L，Hickel K，Dawes W，et al.Response of mean annual evapotranspiration to vegetation change at catchment scale[J].Water Resources Research，2001，37：701-708.

[20] Xia J.A system approach to real-time hydrologic forecast in watersheds[J].Water International，2002，27（1）：87-97.

[21] 夏軍，王綱勝 談戈，等.水文非線性系統(tǒng)與分布式時變增益模型[J].中國科學(xué)D輯：地球科學(xué)，2004，34（11）：1062-1071.（XIA Jun，WANG Gang-sheng，TAN Ge，et al.Non-linear system approach and distributed time variant gain models[J].Science in China Series D：Earth Sciences，2004，34（11）：1061-1071.（in Chinese））

[22] 夏軍，葉愛中，喬云峰，等.黃河無定河流域分布式時變增益水文模型的應(yīng)用研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2007，15（4）：457-465.（XIA Jun，YE Ai-zhong，QIAO Yun-feng，et al.An applied research on distributed time-variant gain hydrological model in Wuding River of Yellow River[J].Journal of Basic Science and Engineering，2007，15（4）：457-465.（in Chinese））

[23] 王綱勝，夏軍，談戈，等.潮河流域時變增益分布式水循環(huán)模型研究[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2002，21（6）：573-582.（WANG Gang-sheng，XIA Jun，TAN Ge，et al.A research on distributed time variant gain model：a case study on Chaobai River basin[J].Progress in Geography，2002，21（6）：573-582.（in Chinese））

[24] 夏軍，王綱勝，呂愛鋒，等.分布式時變增益流域水循環(huán)模擬[J].地理學(xué)報，2003，58（5）：789-796.（XIA Jun，WANG Gang-sheng，LV Ai-feng，et al.A research on distributed time variant gain modeling[J].Acta Geographica Sinica，2003，58（5）：789-796.（in Chinese））

[25] 李凌程，張利平，夏軍，等.氣候波動和人類活動對南水北調(diào)中線工程典型流域徑流影響的定量評估[J].氣候變化研究進(jìn)展，2014，10（2）：118-126.（LI Ling-cheng，ZHANG Li-ping，XIA Jun，et al.Quantitative assessment of impacts of climate variability and human activities on runoff change in the typical basin of the middle route of the South-to-North Water Transfer Project[J].Advances in Climate Change Research，2014，10（2）：118-126.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.1673-1719.2014.02.006

[26] Sun Y，Tian F Q，Yang L，et al.Exploring the spatial variability of contributions from climate variation and change in catchment properties to streamflow decrease in a mesoscale basin by three different methods[J].Journal of Hydrology，2014，508：170-180.DOI：10.1016/j.jhydrol.2013.11.004