人類活動對晉江流域徑流演變影響的分析與定量評估

吳杰峰　陳興偉　高路　陳瑩　劉梅冰

摘要：為了進一步探討人類活動對流域徑流演變特征的影響，以東南沿海晉江流域為例，基于1960年-2010年逐月徑流、降水?dāng)?shù)據(jù)，應(yīng)用Manrr Kendall趨勢分析法、差積曲線-秩檢驗法和小波分析等方法，分析了徑流的變化趨勢、突變和周期；利用SCRCQ方法定量估算了氣候變化和人類活動對石礱水文站年徑流及年內(nèi)分配特征變化的貢獻率。結(jié)果表明：在跨流域調(diào)水和山美水庫調(diào)蓄等人類活動影響下，石礱水文站年徑流上升趨勢較不受水庫影響的安溪水文站明顯，年內(nèi)徑流變化幅度更趨于平穩(wěn)。徑流序列主要存在6-7 a、11-12 a和20-21 a左右三個時間尺度的周期變化，與流域年降水周期變化基本保持一致，但20世紀(jì)80年代后石礱站周期變化與流域降水周期變化出現(xiàn)微弱差別。石礱站年徑流序列在1982年發(fā)生變異，而安溪站年徑流序列未發(fā)現(xiàn)明顯變異；變異期內(nèi)，以山美水庫為主的人類活動對石礱站年徑流、年內(nèi)不均勻系數(shù)和集中度變化的貢獻率分別為67.17%、84.76%和71.16%。

關(guān)鍵詞：徑流變化；人類活動；SCRCQ法；大型水庫；晉江流域

中圖分類號：P333 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0065-08

河川徑流變化均不同程度地受氣候變化和人類活動雙重因素共同的影響。幾十年來，城市化、土地利用變化及水庫、大壩的修建，不斷改變著降水的地表再分配過程和流域徑流過程，對土壤侵蝕、旱澇災(zāi)害及水資源安全與管理等產(chǎn)生了重要影響，相關(guān)研究也產(chǎn)生了大量成果。學(xué)者對氣候變化和人類活動在長江流域、黃河流域、松花江流域、珠江流域等流域及其支流引起的徑流變化進行了深入的分析，研究表明，人類活動對年徑流變化的貢獻率介于30%～90%。目前，定量評估氣候變化和人類活動對流域水文過程影響的研究方法，主要包括水文模型模擬法和數(shù)理統(tǒng)計分析法。水文模型模擬法具有較好的物理機制，對分析自然條件下流域徑流過程具有不可替代功能，如氣候變化、土地利用/土地覆被變化等，然而水庫、灌溉等人為因素考慮不足，若對模型模擬結(jié)果不進行合理驗證，評估結(jié)果可能產(chǎn)生較大偏差。而大型水利工程作為主要的人類活動，在滿足人類相關(guān)需求的同時，也改變了流域水文過程，導(dǎo)致水文序列顯著變異及年內(nèi)分配結(jié)構(gòu)變化。通常采用數(shù)理統(tǒng)計分析法，如氣候-水文過程特征參數(shù)法（回歸模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等），通過建立氣候參數(shù)與地表水文參數(shù)關(guān)系模型，量化人類活動對水文過程的影響。

晉江流域位于中國著名僑鄉(xiāng)東南沿海泉州市，也是福建省經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一，但地表水資源較缺乏。以2012年為例，泉州市GDP總量占全省總量的1/4，而地表水資源擁有量僅為全省的8 0%，與經(jīng)濟社會發(fā)展的需求嚴(yán)重不符。以大型山美水庫和龍門灘引水工程為主的水利工程建設(shè)，有力支撐了區(qū)域用水需求，也顯著改變了地表水文過程。已有研究初步揭示了該流域徑流的年際變化及年內(nèi)分配結(jié)構(gòu)特征，但對變化的影響因素分析不夠，更未進行定量化評價。本文擬利用流域內(nèi)受到大型水庫影響的石礱水文站和未受影響的安溪水文站的1960年-2010年逐月徑流數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)三個氣象站的降水?dāng)?shù)據(jù)，通過比較分析，探討在大型水利工程等人類活動影響下，該流域徑流序列年際、年內(nèi)的演變特征，并利用累積量斜率變化率比較方法（Slop Changing Ratio 0f Cumulative Quantity，SCRCQ）定量估算以山美水庫為主的人類活動對流域徑流變化的貢獻率。

1研究區(qū)概況

晉江流域位于東南沿海經(jīng)濟快速增長的福建省泉州市（圖1），流域面積5 629 km²，有東溪、西溪兩大支流，其中西溪流域面積為3 101 km²。兩溪匯流于下游石礱水文站，本文以石礱水文站以上流域為研究區(qū)，控制流域面積5 042 km²。氣候?qū)儆谀蟻啛釒駶櫄夂?，年平均氣?0℃～21℃，季風(fēng)氣候顯著，降水豐沛，但時空分布不均，降水變率大。流域內(nèi)主要土壤類型有紅壤、磚紅壤性紅壤、水稻土和黃壤。土地利用類型以林地、園地和耕地為主，占89.82%。地貌類型以中山、低山丘陵為主，地勢險峻，河流深切，山地開發(fā)強度大。特殊的地形、地貌和氣候條件，流域內(nèi)水土流失、旱澇災(zāi)害及地質(zhì)災(zāi)害問題嚴(yán)重。

山美水庫位于東溪中游，1972年建成投入運營，1979年-1982年進行保壩擴蓄工程，防洪庫容由1.31億m³增至2.6億m³。水庫集水面積1 023km²，總庫容6.55億m³，其中調(diào)節(jié)庫容4.53億m³，具有多年調(diào)節(jié)功能，是晉江流域目前唯一的一座集灌溉、發(fā)電、供水等多功能于一體的大型水庫。在汛期，山美水庫起到防洪調(diào)度、保護下游200多萬人口生命財產(chǎn)安全的作用；在枯水期，通過合理調(diào)度向下游輸水，保障下游400多萬人口的生產(chǎn)生活用水需求，被譽為泉州市人民的“生命庫”和“泉州的生態(tài)調(diào)節(jié)器”。此外，位于東溪上游的龍門灘引水工程于1989年建成，壩址以上集水面積360 km2，年引水量4 06億m³，該工程跨越閩江和晉江兩大水系，將閩江上游大樟溪干流水引入東溪支流上游的湖洋溪，并流入山美水庫，是一項跨流域調(diào)水、梯級發(fā)電及供水的綜合性水利工程。

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

水文數(shù)據(jù)主要為石礱、安溪水文站1960年-2010年逐月徑流數(shù)據(jù)，其中安溪水文站位于晉江流域主要支流之一的西溪；石礱水文站位于兩大支流匯流的干流，其徑流過程受到位于另一主要支流東溪龍門灘引水工程與山美水庫的影響。氣象數(shù)據(jù)為南安、安溪、永春三個氣象站1960年-2010年逐月降水?dāng)?shù)據(jù)。此外，還有1990年-2010年龍門灘月均引水量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)完整性好，無缺測數(shù)據(jù)，分別來源于福建省水資源勘測局和福建省氣象局。其中面狀降水?dāng)?shù)據(jù)采取算術(shù)平均求得。根據(jù)氣象學(xué)中常用的四季分類方法，視3月-5月為春季、6月-8月為夏季、9月-11月為秋季、12月一次年2月為冬季。

2.2研究方法

為了分析流域徑流演變特征與定量評估人類活動影響，采用站點對比分析法，并應(yīng)用Mann-Ken-dall趨勢分析法、差積曲線-秩檢驗法和小波分析法等，分析徑流的變化趨勢、突變和周期；利用SCRCQ法估算人類活動對徑流變化的貢獻率。

2.2.1MaHlTKendall（M-K）

Mann-Kendall（M-K）非參數(shù)檢驗法是目前常用的檢驗變量演變趨勢的方法，對于水文、氣象要素等非正態(tài)分布的變量趨勢檢驗簡便有效，且受變量異常值干擾較少，但對臨界值之外的變異狀況的檢驗不敏感，本文采用該方法分析流域降水、徑流的演變趨勢。假設(shè)有一時間序列變量α₁，α₂，…，α_n，n為變量序列長度，M-K定義檢驗統(tǒng)計量S如下：

（1）

（2）

（3）

（4）式中：Z為一個正態(tài)分布統(tǒng)計量；var（S）為S的方差。在給定置信水平δ上，如果|Z|≥Z_1-δ/2則拒絕原假設(shè)，即在δ置信水平上，變量在時間序列中處于上升或下降趨勢。通常|Z|≥1.65、1.96、2.38時，表示分別通過了置信度0.1、0.05、0.01的顯著水平檢驗。

此外，本文采用差積曲線秩檢驗聯(lián)合識別法初步識別變量在時間序列中可能的變異點，再根據(jù)秩檢驗法對每個可能變異點進行精確檢驗。為了結(jié)果便于呈現(xiàn)，采用z-score方法對差積曲線序列進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化后的差積曲線序列值φ。

2.2.2SCRCO

SCRCQ分析法的原理是如果徑流量變化只受降水量因素的影響，則降水量和徑流量隨年份的累積曲線斜率應(yīng)該是同倍比變化的。將變量所有影響因素的總和定義為1，根據(jù)各影響因素隨時間累積的斜率變化率占變量累積斜率變化率的比值來推求其對變量的影響程度。假設(shè)長時間徑流序列存在突變點，變異點前為氣候變化和人類活動影響較小時期，變異點后為氣候變化和人類活動影響較大時期，通過變異點前后時期的變量累積量與年份關(guān)系的斜率變化率，推求氣候變化和人類活動對徑流序列的貢獻。基準(zhǔn)期和變異期的降水量為P，累積降水量與年份線性方程的斜率分別為K_pa、K_pb（mm/a），斜率變化率為S_p=（K_pb-K_pa）/K_pa；蒸散發(fā)為E，變異點前后的累積蒸散發(fā)與年份線性方程的斜率分別為K_Ea、K_Eb（mm/a），斜率變化率為S_E=（K_Eb-K_Ea）/K_Ea；徑流量為R，變異點前后的累積徑流量與年份線性方程的斜率分別為K_Ra、K_Rb，斜率變化率為S_R=（K_Rb-K_Ra）/K_Ra。則基于基準(zhǔn)期，變異期內(nèi)降水對徑流量變化的貢獻率（C_p，單位為%）為：C_p=100×S_P/S_R，同樣蒸散發(fā)對徑流量的貢獻率（C_E，單位為%）為：C_E=100×S_E/S_R，相應(yīng)的人類活動對徑流量變化的貢獻率（C_H，單位為%）為：C_H=100-C_P-C_E。

由于長時間的蒸散發(fā)資料難以獲取，且相關(guān)研究表明，在氣候因子中，降水量是影響徑流量的最主要因子，而蒸散發(fā)影響較小，因此本文暫不對蒸散發(fā)進行分析。通過評估人類活動因子對徑流變化的貢獻率，旨在為流域的水資源合理管理和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

2.2.3小波分析法

小波分析能夠在時域和頻域上揭示變量在時間序列中信號的細微變化，對反映水文、氣象要素多時間尺度特征提供了一種較好的分析工具。本文采用Morlet連續(xù)復(fù)小波變換來反映變量時間序列的震蕩周期，為消除序列兩端產(chǎn)生的“邊界效應(yīng)”，對序列兩端進行了延伸處理。通過Matlab7.0小波分析工具分別提取變量的小波系數(shù)值及主周期小波系數(shù)值，分析變量的多時間尺度變化特征。

3結(jié)果分析

3.1徑流序列年際演變特征

圖2給出了近51a來晉江下游石礱站年徑流總量及降雨量的過程線。可以看出，流域徑流總量與降水量峰值基本一一對應(yīng)，二者具有較好的一致性，表明整體上晉江流域的徑流量大小與降雨量多少具有密切的關(guān)系。

由公式（1）至式（4）得到1960年-2010年間年徑流M-K趨勢檢驗結(jié)果（圖3（a））?？芍a站和安溪站年徑流呈下降-上升-下降-上升-下降階段性變化特征，整體呈微弱上升趨勢，M-K趨勢檢驗值分別為1.53和0.05，石礱站上升趨勢較安溪站明顯，但均未通過顯著水平檢驗。圖3（a）也可以看出，20世紀(jì)80年代前兩個水文站的徑流序列呈同步變化趨勢，20世紀(jì)80年代后非同步性明顯。年份

石礱、安溪站年徑流的變化表現(xiàn)為不同時間尺度的震蕩周期。圖4（a）、圖4（c）顯示了石礱、安溪站年徑流序列在不同時間尺度下隨時間偏濕偏枯交替變化的特征，兩個水文站主周期變化基本保持一致，主要存在6～7 a、11～12 a和20～21 a三個主要震蕩周期，其中20～21a左右的震蕩周期最強，是石礱、安溪站的第一主周期，其次是11～12 a和6～7 a。而20世紀(jì)80年代后兩個站點震蕩周期出現(xiàn)微弱差別，尤其是20～21a左右的震蕩周期。從主周期小波系數(shù)變化過程來看，20～21a左右的震蕩周期在整個時間序列中正在逐漸減弱，小波系數(shù)值處于高峰階段，表明在20～21 a左右時間尺度上，將進入偏枯時期；11～12 a左右的震蕩周期正在逐漸加強，小波系數(shù)值處于低谷階段，表明在11～12 a時間尺度上，將進入偏濕期；而6～7 a左右的震蕩周期在時間序列中變化不明顯，小波系數(shù)值處于上升期，表明現(xiàn)階段正處于濕潤期。該結(jié)論與陳瑩等利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法（EMD）在與晉江流域相似地理特征的閩江流域研究結(jié)論較一致。

3.2徑流序列年內(nèi)演變特征

表2為利用公式（1）至式（4）對石礱、安溪站年內(nèi)徑流變化趨勢檢驗結(jié)果?？芍瑑蓚€站點徑流減少的月份集中在5月-7月份；徑流增加的月份集中在9月-次年4月份，其中石礱站增加趨勢顯著，除10月份外，均通過0.05顯著水平檢驗，11月-次年2月份通過0.01顯著水平檢驗，而安溪站均未通過顯著水平檢驗。就季節(jié)而言，夏季呈減少趨勢，其它季節(jié)呈上升趨勢。年內(nèi)徑流不均勻系數(shù)（C_v）和集中度（RCD）可以用來反映河川徑流的年內(nèi)分配狀況C_v值和RCD值越大，表明年內(nèi)豐枯變化越劇烈。流域徑流和降水的年內(nèi)C_v、RCD變化趨勢線表明（圖5（a）（b）），1960年-2010年間兩個站點年內(nèi)C_v值、RCD值均呈下降趨勢，年內(nèi)變化幅度趨于平坦，其中石礱站下降速度較安溪站明顯。

兩個站點年內(nèi)徑流震蕩周期與年徑流震蕩周期同樣表現(xiàn)出6～7 a、11～12 a和20～21 a左右三個時間尺度的震蕩周期。限于篇幅，只例舉了石礱和安溪站夏季和冬季小波變換系數(shù)的時頻分布（圖6）。可以看出，20世紀(jì)80年代后，兩個站點在20～21 a左右時間尺度的震蕩周期表現(xiàn)出微弱差異，冬季較夏季明顯。

3.3徑流序列突變檢驗

上述結(jié)果表明，石礱和安溪站年際、年內(nèi)徑流演變特征有所不同。進一步采用差積曲線一秩檢驗法，對石礱和安溪站近51 a的長時間徑流序列進行變異檢驗，結(jié)果見圖7（a）。

圖7（a1石礱、安溪站標(biāo)準(zhǔn)化差積曲線序列分別于1971年、1976年、1982年和2001年出現(xiàn)拐點。根據(jù)差積曲線原理，初定1971年、1976年、1982年和2001年是變異點，然后通過秩檢驗法進行精確檢驗。表2的秩檢驗結(jié)果表明，石礱站僅有1982年秩統(tǒng)計量UI大于1.96，檢驗結(jié)果為顯著，確定1982年為該序列的變異點，而其它年份均不顯著，安溪站也都未通過檢驗。因此，可將1982年作為石礱站徑流序列的變異點。

3.4徑流演變歸因分析

3.4.1定性討論

徑流變化的影響因素主要分為氣候變化和人類活動兩方面。降水作為氣候變化下的敏感性因子是影響徑流變化的最直接因素。晉江流域三個主要氣象站（南安站、安溪站和永春站）的降水總體上有上升，其中安溪、永春氣象站通過0.05顯著水平檢驗。從圖3（b）看出，三個氣象站年平降水與年徑流M-K曲線變化十分相似，階段性演變特征較接近，即石礱、安溪站年徑流的演變整體受降水變化影響明顯。晉江流域的人類活動主要包括土地利用變化和水利工程建設(shè)。Lin等通過流域1985年和2006年兩期土地利用數(shù)據(jù)，應(yīng)用SWAT模型模擬分析土地利用變化的洪枯徑流響應(yīng)。結(jié)果表明，由于林地的減少、建設(shè)用地的增加，在相同的降水條件下，年徑流略有增加，增幅為2.3%～3.3%。表明土地利用對徑流系列的影響與徑流系列的變化趨勢是相符合的。

但兩個水文站的徑流變化與流域降水變化也存在一定的差異。圖4（e）顯示了流域降水量主周期變化（20～21 a）與安溪站基本同步，20世紀(jì)80年代后與石礱站非同步明顯。3.2節(jié)內(nèi)容結(jié)果表明，安溪站年內(nèi)徑流變化與流域降水的年內(nèi)變化基本一致，石礱站不一致明顯。在相同的氣候背景和相似的土地利用變化條件下，石礱站年際、年內(nèi)徑流演變與流域降水演變的差異幅度較安溪站大，可初步推測石礱站的徑流受人類活動的其他干擾較大所致，即與大型水利工程的建設(shè)有關(guān)。多年調(diào)節(jié)的山美水庫的建成，包括1979年-1982年保壩擴蓄工程的竣工，對石礱站徑流的年際尤其是年內(nèi)的變化，產(chǎn)生比較大的影響。而1989年建成的龍門灘引水工程，將閩江水系大漳溪干流的徑流，跨流域引入晉江水系東溪上游的湖洋溪，進入山美水庫統(tǒng)一調(diào)蓄，對于石礱站徑流年際和年內(nèi)的平穩(wěn)變化影響顯著。圖8可以看出，龍門灘工程月均引水量增加明顯（圖8（a）），且安溪站年徑流占石礱站年徑流的百分比下降趨勢顯著（圖8（b））?？梢姡a站徑流序列的變化與以山美水庫為主的人類活動密切相關(guān)。

綜上，晉江流域石礱站和安溪站的徑流演變受降水和人類活動的綜合影響，其中安溪站主要與降水和土地利用變化有關(guān)，而石礱站是降水、土地利用變化、龍門灘引水工程及山美水庫調(diào)蓄作用的綜合結(jié)果。

3.4.2石礱水文站的定量分析

為進一步分解氣候變化和以山美水庫為主的人類活動對石礱站徑流的影響，采用SCRCQ方法進行定量估算。將1982年作為石礱站徑流序列有無水庫影響的分界點，其中1960年-1982年為無水庫影響期，1983年-2010年為水庫影響期，對兩個時期的年份累積變量（徑流、降水、C_v和RCD）進行線性回歸分析，表3中的擬合方程中x為時間序列變量“年份”，y為相應(yīng)于x的累積變量值。表3看出，各累積變量與年份的擬合方程相關(guān)系數(shù)較高，均大于0.99，F(xiàn)統(tǒng)計量均通過顯著性檢驗表明可以用于定量評估人類活動對石礱站年際及年內(nèi)徑流分配特征變化的貢獻率大小。

根據(jù)表3中年累積降水、累積降水C_v和累積降水RCD及其分別與年份擬合方程的相關(guān)系數(shù)，結(jié)合2.2.2節(jié)中的SCRCQ計算步驟得到，以山美水庫為主的人類活動對年徑流、年內(nèi)徑流C_v及RCD變化的貢獻分別為67.17%、84.76%和71.16%，遠較氣候變化為大。需要指出的是，分解出的人類活動不僅包含了水利工程的調(diào)水、蓄水的貢獻，也包含了土地利用/土地覆被變化及其它人類活動的貢獻等。由于各因素間相互作用十分復(fù)雜，目前無可靠方法對其逐一分解。但總體上看，人類活動中的龍門灘引水工程和山美水庫調(diào)蓄影響（統(tǒng)稱為山美水庫）顯然較土地利用的影響為大。

4結(jié)論

（1）晉江流域兩個水文站年徑流整體呈微弱上升趨勢，其中石礱水文站上升趨勢較安溪水文站明顯，且在1982年發(fā)生變異，而安溪水文站年徑流序列未發(fā)生變異；年內(nèi)徑流趨于平坦，徑流減少的月份集中在5月-7月份，增加的月份為8月-次年4月份，其中石礱水文站年內(nèi)演變趨勢較安溪水文站顯著。

（2）小波分析表明，石礱和安溪水文站年徑流的序列存在6～7 a、11～12 a和20-21 a三個明顯的震蕩周期，其中20-21 a的周期性最強；小波變換系數(shù)的時頻分布在20世紀(jì)80年代前與流域降水序列的時頻分布基本保持一致，但20世紀(jì)80年代后，石礱水文站表現(xiàn)出微弱差別。

（3）石礱水文站和安溪水文站的徑流演變受降水和人類活動的綜合影響，其中安溪水文站主要與降水和土地利用變化有關(guān)，而石礱水文站是降水、土地利用變化、龍門灘跨流域引水工程及山美水庫調(diào)蓄作用的綜合結(jié)果，以山美水庫為主的人類活動，對石礱水文站年徑流、年內(nèi)徑流C_v和RCD變化的貢獻率分別為67.17%、84.76%和71.16%。