氣候變化和人類活動對東魚河流域徑流影響的探析

張翠榮

(菏澤市東魚河流域工程管理處， 山東 菏澤 274000)

氣候變化和人類活動對東魚河流域徑流影響的探析

張翠榮

(菏澤市東魚河流域工程管理處， 山東 菏澤 274000)

20世紀80年代以來，山東東魚河流域徑流出現(xiàn)顯著減小趨勢，本文運用Mann-Whitney-Pettitt突變點分析法和Mann-Kendall檢驗法對東魚河流域降水量和徑流量序列突變點進行分析，并通過彈性系數(shù)法和水文模擬法對氣候變化和人類活動對東魚河流域徑流的影響過程及結(jié)果進行探討。結(jié)果表明，人類活動是引起東魚河流域徑流量減小的主要原因。

東魚河流域； 徑流； 氣候變化； 人類活動

1 資料和研究方法

1.1 河流基本情況及數(shù)據(jù)選取

東魚河是山東省內(nèi)最大的人工河流，西起菏澤東明縣劉樓村，向東流經(jīng)牡丹區(qū)、曹縣、定陶、成武、單縣等縣市及濟寧市屬金鄉(xiāng)縣，于魚臺縣城東部的西姚入昭陽湖。東魚河全長約172km，流域面積5923km2，河流深2.7～5.0m，河口寬29～240m，比降為0.07‰～0.18‰，東魚河最大流量950～2450m3/s，主要靠降水補給，徑流變差系數(shù)和年徑流量變化較大。流域內(nèi)自然條件較為惡劣，降水少、蒸發(fā)大，水資源短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱，再加上人類開荒、興修水利水電工程等活動的不斷影響，引起流域內(nèi)水資源供需極不平衡，流域內(nèi)氣象條件、下墊面一致性等均遭到一定程度的破壞。

為了保持各個站點資料序列的一致性，選取東魚河流域典型測站1970—1989年和1990—2010年兩個時段的年均降水量與年徑流量相關(guān)資料，對氣候變化和人類活動對東魚河流域徑流的影響進行研究。

1.2 氣候變化和人類活動對徑流影響的估算方法

1.2.1 彈性系數(shù)法

以天然時期流域?qū)崪y徑流量為基準，則徑流量實測值與基準值之差是由氣候變化和人類活動導致的，根據(jù)式(1)可定量求得氣候變化與人類活動對徑流的影響程度。

(1)

式中 ΔRE——徑流量變化量；

RM——徑流量實測值；

RB——徑流量基準值；

RC、RH——氣候變化和人類活動所引起的徑流量變化量，其中RC計算公式為

(2)

式中 ΔP——降水量變化量；

ΔE0——潛在蒸散發(fā)；

1.2.2 水文模擬法

建立東魚河流域水文模型，采用氣候變化和人類活動影響前的實測水文資料進行模型參數(shù)的率定，并用以反映東魚河流域天然產(chǎn)流狀況。模型參數(shù)不變的情況下，逐步將氣候變化和人類活動顯著影響后的氣象要素輸入模型，計算相應時期流域天然徑流量。通過對比實測凈流量和還原的天然徑流量，便可分離出氣候變化和人類活動對流域徑流的影響程度。

水文模擬法對所建立流域水文模型的精確度與適應性有較高要求，可以采用美國農(nóng)業(yè)部研發(fā)的綜合考慮了降水、氣溫、濕度、風速、太陽輻射等氣象因子變動情況的SWAT(soilandwaterassessmenttool)模型進行東魚河流域水文模擬，并定量分析氣候變化和人類活動對東魚河流域徑流的影響。

(3)

(4)

(5)

式中ηH——人類活動對東魚河流域徑流的影響程度；

ηC——氣候變化對東魚河流域徑流的影響程度；

RSWH——消除人類活動影響因素的天然徑流量；

ROWH——人類活動影響下的徑流量實測值。

2 分析與結(jié)果

2.1 徑流量序列突變點分析

2.1.1 Mann-Whitney-Pettitt突變點分析法

Mann-Whitney-Pettitt突變點分析是檢驗時間序列突變點常用的非參數(shù)統(tǒng)計方法，既可分析出突變點最可能出現(xiàn)的位置，又能判斷出突變點的顯著性特征，公式如下：

(6)

其中

式中xi——統(tǒng)計樣本;

t——觀測時間;

n——序列長。

當|Ut,n|取最大值時，t即是可能的突變點，突變點附近顯著性統(tǒng)計量為

(7)

顯著性水平α既定時，如果pt<α，則說明在此顯著性水平該序列突變顯著，為了驗證突變的可靠性，還可以對序列x突變前后的顯著性作t檢驗。

2.1.2 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall檢驗作為常用的時間序列趨勢檢驗方法，主要用于檢驗不遵從分布規(guī)律的非正態(tài)分布序列的趨勢性。設(shè)水文序列為X={x1,x2,…,xn}，則Mann-Kendall檢驗的統(tǒng)計量Z為

(8)

其中

Z>0表示水文序列X呈上升趨勢;Z<0，則表示X呈下降趨勢。在顯著性水平為α時，若|Z|>Z(1-α/2)(Z(1-α/2)為概率大于α/2時的標準正態(tài)分布值)，則說明水文序列X趨勢性顯著，否則說明X序列無顯著的趨勢性。

2.1.3 徑流變化趨勢

東魚河流域降水主要集中在7—8月主汛期，其中7月降水量年內(nèi)最大，約為145mm，主汛期降水量約占年內(nèi)降水量的一半以上。受降水因素影響，徑流主要集中在汛期，主汛期徑流量約占全年徑流的50%。圖1為東魚河流域參政站實測徑流量及降水量與蒸發(fā)量的年內(nèi)分配情況。

圖1 東魚河流域參政站潛在蒸發(fā)量、降水量和徑流量的年內(nèi)分配

采用Mann-Whitney-Pettitt突變點分析法與Mann-Kendall檢驗法對東魚河流域年平均降水量、徑流量及潛在蒸發(fā)量進行趨勢及突變檢驗，結(jié)果見表1。

表1 降水量、徑流量及潛在蒸發(fā)量趨勢檢驗及結(jié)果(顯著性水平α=0.05)

趨勢及突變檢驗結(jié)果顯示，東魚河流域降水量呈緩慢上升趨勢，變化率為0.23mm/a；徑流量下降趨勢顯著，變化率為-1.25mm/a；潛在蒸發(fā)量下降趨勢顯著，變化率為-4.32mm/a。一般情況下，徑流量與年平均降水量正相關(guān)，而與蒸發(fā)量負相關(guān)，而表1趨勢檢驗結(jié)果表明，東魚河流域年平均降水量緩慢上升的情況下蒸發(fā)量顯著減少，按照一般規(guī)律徑流量應該呈增加趨勢，但徑流量實測值反而呈下降趨勢，由此可以推斷，降水量與蒸發(fā)量并不是引起東魚河流域徑流量下降的主要原因。

2.1.4 徑流量序列突變點分析

利用Mann-Whitney-Pettitt突變點分析法確定東魚河流域降水量、徑流量突變點后，采用T檢驗法進行突變點前后序列一致性檢驗。結(jié)果表明，東魚河流域降水量突變發(fā)生在1972年，且pt=0.655；徑流量突變發(fā)生在1984年，且pt=0.001。顯著性水平α=0.05時，T檢驗結(jié)果表明在突變點后徑流量序列顯著下降，這說明東魚河流域徑流量突變并非由降水突變引起的。

根據(jù)Mann-Whitney-Pettitt突變點分析結(jié)果，將1970—1984年設(shè)為天然基準期，1985—2010年設(shè)為人類活動影響期，并將人類活動影響期劃分為1985—1994年、1995—2004年和2005—2010年三個時段。

2.2 氣候變化和人類活動對徑流的影響

采用彈性系數(shù)法和水文模擬法計算氣候變化和人類活動對東魚河流域徑流量的影響，結(jié)果見表2。由計算結(jié)果可知，在1985—2010年整個人類活動影響期間，兩種方法所求得的氣候變化和人類活動對徑流的影響基本一致，彈性系數(shù)法求得氣候變化和人類活動對東魚河流域徑流量的貢獻分別為-11.2%和110.7%，而水文模擬法求得的結(jié)果分別為-8.7%和105.5%，氣候變化對徑流量產(chǎn)生積極影響，而人類活動對徑流量產(chǎn)生負面影響，且人類活動所引起的徑流減少量遠大于氣候變化所引起的徑流增加量。

表2 氣候變化和人類活動對東魚河流域徑流量的影響程度

2.3 人類活動對徑流的影響分析

人類活動對徑流量的不利影響主要表現(xiàn)為城市不透水面積增加、入滲量減少、洪峰流量增大、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量增加、水庫工程等造成徑流量減小，人類活動對東魚河流域徑流量的影響包括以下幾方面。

2.3.1 土地利用情況改變

從東魚河流域土地利用情況看，1985—2005年東魚河流域未開發(fā)荒地面積不斷減少，而耕地、林地、草地面積不斷增加，森林覆蓋面積提高，到2006年，耕地、林地和草地占比分別為60.5%、22.7%和16.5%，灌溉田與壩田面積大大增加，用水量增大，徑流量減少，所以東魚河流域森林覆蓋度提高與耕地面積增加引起該流域徑流量的減小。

2.3.2 工程截流與蒸散發(fā)損失

東魚河流域治理工程國家共投資6632萬元，興建橋、涵、閘、水庫等建筑物108座，水庫庫容約0.163億m3，揚水站55處，裝機容量3675kW。此外，東魚河流域塘壩、提灌站更是不計其數(shù)，因此上游的節(jié)流也是造成東魚河流域徑流量減小的原因。

2.3.3 人工取用水

據(jù)統(tǒng)計，1995年以后東魚河流域用水量顯著上升，東魚河水文站所控制的周圍地區(qū)用水量從1990年的2.13億m3增加到2010年的4.21億m3，增長幅度高達100%，其中，城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活用水占比較大，約占55.33%，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水約占44.21%，這充分表明隨著當?shù)爻擎?zhèn)化進程的加快，城鎮(zhèn)人口數(shù)量增加，從而加大了用水量。

3 結(jié) 論

文章運用彈性系數(shù)法和水文模擬法對氣候變化和人類活動影響東魚河流域徑流量的過程與結(jié)果進行了量化分析，兩種方法的結(jié)果具有一致性：氣候變化引起流域徑流量緩慢增加，人類活動導致徑流量減小，其中人類活動是引起東魚河流域徑流量減小的主要原因，包括土地利用情況的改變、流域水利工程截流與蒸散發(fā)損失、城鎮(zhèn)人口取用水量的增大等方面。

[1] 張偉麗.氣候變化和人類活動對永定河流域徑流的影響[J].人民黃河，2015，37(5)：27-30.

[2] 劉晨，董增川,方慶，等.氣候變化與人類活動對灤河流域徑流變化響應[J].水電能源科學，2013(9)：12-15.

[3] 李剛.淺論菏澤市東魚河水利工程施工中的防滲技術(shù)[J].中國水運，2014(3)：236-238.

Analysis on influence of climate change and human activity on runoff in Dongyu River basin

ZHANG Cuirong

(HezeDongyuheRiverBasinEngineeringManagementOffice,Heze274000,China)

Shandong Dongyu River basin runoff suffers from significant decreasing trend since the 1980s. In the paper, Mann-Whitney-Pettitt mutational site analysis method and Mann-Kendall test method are applied for analyzing precipitation and runoff sequence mutational sites in Dongyu River basin. The influence process and results of climate changes and human activities on runoff of Dongyu River basin are discussed through elastic coefficient method and hydrological simulation method. Results show that human activities are main reasons leading to runoff reduction in Dongyu River basin.

Dongyuhe River Basin; runoff; climate change; human activities

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.07.019

TV211

A

2096-0131(2017)07- 0066- 04