氣候變化和人類活動對汀江徑流量變化的貢獻

張 杰， 張正棟， 萬露文， 楊傳訓， 葉 晨

(華南師范大學地理科學學院, 廣州 510631)

氣候變化和人類活動對汀江徑流量變化的貢獻

張 杰， 張正棟*， 萬露文， 楊傳訓， 葉 晨

(華南師范大學地理科學學院, 廣州 510631)

基于汀江流域控制站(溪口站)1965—2012年日均徑流量實測數(shù)據(jù)及長汀、上杭、永定氣象站逐日降水量、逐日氣溫資料，采用年段均值比較、5a滑動、趨勢線分析和累積距平等方法，分析流域近50年來的徑流量序列，揭示徑流量變化的趨勢，判別徑流量變化的突變年份，劃分徑流量變化的階段. 并應用改進后的累積量斜率變化率比較法定量估算了近50年來氣候變化和人類活動對汀江徑流量變化的貢獻率. 結(jié)果表明：(1)徑流量總體呈現(xiàn)下降—上升—下降的波動，判別突變年份為1972、2001年，劃分徑流變化階段為1965—1972年(A階段)、1973—2001年(B階段)、2002—2012年(C階段)；(2)與A階段相比，B、C階段氣候變化對徑流量變化的貢獻率分別為65.1%、50.5%，而人類活動對徑流量變化的貢獻率為34.9%、49.5%，可見人類活動對徑流量變化貢獻日趨突出.

徑流量； 氣候變化； 人類活動； 貢獻率； 汀江

氣候變化和人類活動是影響徑流量變化的主要因素. 近幾十年來，隨著全球氣候不斷變化和人類活動加劇，我國一些河流的徑流量明顯減少[1-3]，引起了水資源的嚴重短缺，激化了供需矛盾,而且對周邊及其下游、入?？诋a(chǎn)生一定程度的影響[4-6]. 因此，定量研究氣候變化和人類活動對河流徑流量的影響，查明徑流量的變化特征和變化趨勢，分析其產(chǎn)生的原因，具有重要的實踐意義.

目前氣候變化和人類活動對徑流量影響的定量研究方法主要是水文模型模擬法和數(shù)理統(tǒng)計分析法. 水文模型模擬法主要適用于小流域且具有較好的物理基礎，但參數(shù)的敏感性存在一定的不確定性，如果對模擬的結(jié)果不進行驗證，很有可能導致氣候變化對徑流量的影響偏大[7]. 數(shù)理統(tǒng)計分析法雖然比較簡單，但需要較長的數(shù)據(jù)序列，且對水文氣象觀測資料要求較高，且長時間尺度的數(shù)據(jù)序列中的噪聲會對計算結(jié)果造成干擾. 2012年，王隨繼等[8]提出累積徑流量斜率變化率比較法，以消除噪聲對計算結(jié)果的干擾，定量研究氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻率. 之后國內(nèi)大量學者在該方法的基礎上對長江流域、黃河流域和松花江流域徑流量變化進行研究，發(fā)現(xiàn)這些流域徑流量在氣候變化和人類活動的影響下基本呈現(xiàn)不同程度減小的趨勢[9-12]，并且人類活動逐漸成為徑流量變化最重要的影響因素[13-15].

汀江哺育了閩西地區(qū)約70%(近200余萬)人口，是客家人的母親河，近年來隨著農(nóng)業(yè)、城市化進程的加快和人口的不斷增多，流域內(nèi)人類活動愈發(fā)活躍，使得水循環(huán)的時空分布特征以及生態(tài)水文都發(fā)生較為顯著變化，導致該流域出現(xiàn)水土流失、洪澇災害頻發(fā)、極端降水等一系列的生態(tài)環(huán)境問題. 雖然對于汀江流域的徑流量已開展了一些研究[16-18]，但是很少有涉及氣候變化和人類活動對徑流量變化貢獻的定量估算.

本文基于1965—2012年汀江流域下游控制站(溪口站)實測水文數(shù)據(jù)和流域內(nèi)上中下游3個國家氣象站(長汀站、上杭站和永定站)逐日降水量、逐日氣溫數(shù)據(jù)，采用年段均值比較、5a滑動、趨勢線分析、累積距平和改進后的累積徑流量斜率變化率比較法，對近50年來氣候變化和人類活動對汀江徑流量變化進行定量分析，為汀江流域水資源管理和可持續(xù)利用提供有意義的參考.

1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)選擇的是汀江流域(圖1). 汀江是閩西最大河流，位于東經(jīng)115°59′～117°10′、北緯24°28′～26°02′，位于福建省西部，發(fā)源于武夷山南段東南一側(cè)的寧化縣治平鄉(xiāng)境內(nèi)木馬山北坡，植被覆蓋度比較好，流經(jīng)長汀縣、武平縣、上杭縣和永定縣，在永定縣峰市鎮(zhèn)進入廣東省，至大埔縣三河壩與梅江匯合后稱韓江. 流域面積為9 022 km2,干流長度約285 km;支流眾多，流域面積大于500 km2以上的支流有：濯田河、桃瀾溪、舊縣河、黃潭河、永定河和金豐溪. 汀江地處亞熱帶季風區(qū)，氣候溫和，降水充足，多年平均降水量為1 500～2 000 mm，雨量由北向南遞減，5—7月雨量集中，約占全年總雨量的60%. 汀江水哺育閩西約占70%的近200余萬人口，其下游的韓江水則是沿岸1 717.21余萬粵東百姓的生命之源.

圖1 汀江流域圖

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

水文數(shù)據(jù)收集了汀江流域控制站(溪口站)1965—2012年日徑流量的實測數(shù)據(jù)，溪口站控制的流域面積為8 657 km2，占總流域面積的96%，實測數(shù)據(jù)較為完整，且研究時間序列較長，可以滿足研究的需要.

氣象數(shù)據(jù)選用了汀江流域長汀站、上杭站和永定站等3個國家氣象站(圖1)1965—2012年逐日降水量、逐日氣溫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://data.cma.cn/). 流域的面降水量采用3個站點的算術平均值表示. 雖然汀江流域內(nèi)只有3個國家站數(shù)據(jù)，氣象站點較少，但長汀站位于汀江上游，上杭站位于汀江中游，永定站位于汀江下游支流，站點分布較均勻，具有一定的代表性，所以選取這3個站可以滿足研究的需要，且各氣象站點氣象數(shù)據(jù)無明顯的突變點和隨機變化，數(shù)據(jù)變化較為一致，數(shù)據(jù)可靠，可以代表區(qū)域氣候狀況.

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)理統(tǒng)計分析方法 采用年段均值比較、5a滑動、趨勢線分析和累積距平的方法，分析1953—2012年汀江流域徑流量、降水量、氣溫的變化特征和趨勢. 采用累積距平法不僅可以分析徑流量、降水量、氣溫長時間序列變化特征，而且識別的徑流量、氣溫和降水量長時間序列突變年份清晰，突變前后雙累積量的線性關系擬合性較高，可以避免近年來被廣泛采用的降水量-徑流量雙累積曲線方法在判斷突變年份上存在的缺陷[19].

2.2.2 改進的累積量斜率變化率比較法 本研究改進了累積量斜率變化率比較法[8]，使用改進后的累積量斜率變化率比較法分析氣候變化和人類活動對徑流量變化的影響程度.

參考的累積量斜率變化率比較法過程如下：

假設累積徑流量-年份線性關系式的斜率(km3/a)在拐點前后2個時期分為SRb和SRa，累積降水量-年份線性關系式的斜率(mm/a)在拐點前后2個時期分為SPb和SPa，則累積徑流量-年份線性關系式的斜率變化率RSR(%)為:

RSR=100×(SRa-SRb)/SRb=(SRa/SRb-1)×100，

(1)

累積降水量-年份線性關系式的斜率變化率RSp(%)為:

RSP=100×(SPa-SPb)/SPb=(SPa/SPb-1)×100，

(2)

其中，RSR、RSP為正數(shù)時表示斜率增大，為負數(shù)時表示斜率減小. 降水量變化對徑流量變化的貢獻率CP(%)可以表示為：

CP=100×(RSP/RSR)=100×(SPa/SPb-1)/(SRa/SRb-1).

(3)

氣溫變化導致蒸發(fā)量變化而引起徑流量變化，如果用CET表示流域內(nèi)累積蒸散總量一年之間線性關系的斜率變化率(%)，則人類活動對徑流量變化的貢獻率CH(%)可以表示為:

CH=100-CP-CET.

(4)

徑流量變化是氣候變化和人類活動共同作用的結(jié)果，所以，可將對徑流量的影響只分為氣候變化和人類活動兩大類；而氣候變化對徑流量的影響主要體現(xiàn)為水、熱方面，且長時間序列持續(xù)觀測的蒸散量數(shù)據(jù)較難獲取，因此，可將各類氣候因子變化歸結(jié)為兩大因素：水和熱，體現(xiàn)為降水量和氣溫. 為了滿足氣候?qū)搅髁坑绊懹嬎愕暮侠硇?，體現(xiàn)水熱綜合變化對徑流量變化影響，本文采用累積降水量-累積平均氣溫線性關系式的斜率變化率來代替單因子-年份線性關系式的斜率變化率.

以CC表示氣候變化對徑流量變化的貢獻率(計算方法同式(3))，則改進后人類活動對徑流量變化的貢獻率可表示為:

CH=100-CC.

(5)

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流量分析

由圖2～圖4及表1可知：(1)汀江流域的年徑流量變化波動較大，尤其在1971—1980、2001—2012年：1971—1980年與1965—1970年相比，年代平均徑流量增加1.55 km3，即增加了21.08%；2001—2012年與1991—2000年相比，年代平均徑流量減少1.08 km2，即減少了11.9%. 年徑流量近50 a總體呈現(xiàn)微弱上升趨勢，但在近10 a徑流量明顯減少. (2)近50 a降水量總體呈現(xiàn)微弱上升的趨勢，在1971—1980、2001—2012年波動較大：1971—1980年與1965—1970年相比，年代降水量增加101 mm，即增加了6.55%；2001—2012年與1991—2000年相比，年代降水量減少82 mm，即減少了4.82%. 多年平均氣溫總體呈現(xiàn)上升的趨勢.

圖2 汀江流域徑流量年際變化和總體趨勢(1965—2012年)

Figure 2 Annual variations and general tendency of runoff of the Tingjiang Basin from 1965 to 2012

圖3 汀江流域降水量年際變化和總體趨勢(1965—2012年)

Figure 3 Annual variations and general tendency of precipitation of the Tingjiang Basin from 1965 to 2012

圖4 汀江流域年平均氣溫年際變化和總體趨勢(1965—2012年)

Figure 4 Annual variations and general tendency of air temperature of the Tingjiang Basin from 1965 to 2012

表1 汀江流域徑流量、降水量、平均氣溫年代變化及相對變化率(1965—2012年)Table 1 Decade changes of runoff，precipitation，air temperature and relative variation ratios of the Tingjiang Basin from 1965 to 2012

由此可知，在人類活動影響較小的情況下，徑流量隨著氣候的變化呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，但隨著人類利用和改造自然能力的不斷加強，日趨活躍的人類活動也會對徑流量變化幅度產(chǎn)生影響，所以根據(jù)人類活動的強弱，將徑流量變化的影響因素分為氣候變化作用、氣候變化和人類活動共同作用，接下來根據(jù)不同影響因素劃分不同階段.

3.2 徑流量、降水量及平均氣溫突變分析及階段劃分

由圖5可知，汀江流域徑流量在1972 年前后呈現(xiàn)從減少到增加的趨勢，2001年前后呈現(xiàn)從增加到減少的趨勢，顯然徑流量發(fā)生突變年份為1972、2001年. 汀江流域的年降水量變化大致也呈現(xiàn)減少—增加—減少的趨勢，降水量突變的年份大致也為1972、2001年，年均溫大致呈現(xiàn)減少—增加的趨勢，1972年呈現(xiàn)減少趨勢，2001年呈現(xiàn)上升趨勢，因此可以根據(jù)累積距平值確定汀江流域的突變年份為1972、2001年.

根據(jù)上述突變年份把汀江流域徑流量變化劃分為3個階段：1965—1972年為基準期(A階段)，徑流量主要受到氣候變化的影響；1973—2001年為第2個階段(B階段)，2002—2012為第3個階段(C階段)，B、C階段徑流量主要受到氣候變化和人類活動的雙重影響，氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻率是需要定量分析的問題.

3.3 氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻

利用徑流量的突變年份為分界點，分別對不同時期年份與累積徑流量、降水量與平均氣溫累積變化進行線性回歸分析(圖6、圖7). 兩類關系式的決定系數(shù)R2均大于0.99，表明相關性很強，均達到0.01的顯著水平.

圖5 汀江流域徑流量、降水量、平均氣溫累積距平值(1965— 2012年)

Figure 5 The variations of cumulative anomaly of runoff，precipitation，and air temperature of the Tingjiang Basin from 1965 to 2012

圖6 汀江流域累積徑流量-年份線性關系(1965—2012年)

Figure 6 Linear relationships between year and cumulative runoff on the Tingjiang River Basin from 1965 to 2012

圖7 汀江流域累積降水量-累積平均氣溫線性關系(1965—2012年)

Figure 7 Linear relationships between cumulative air temperature and cumulative precipitation on the Tingjiang River Basin from 1965 to 2012

由表2、表3可知， B階段與A階段相比，累積徑流量-年份線性關系式的斜率變化量為1.836 5 km3/a，增加率為25.8%，累積降水量-累積平均氣溫線性關系式的斜率變化量為9.78 mm/℃ ，增加率為16.8%，由此根據(jù)式(3)、(4)可以得到氣候變化和人類活動對汀江徑流量增加的貢獻率分別為65.1%、34.9%(表4)；C階段與A階段相比，累積徑流量-年份線性關系式的斜率變化量為1.437 2 km3/a，增加率為20.2%，累積降水量-累積平均氣溫線性關系式的斜率變化量為5.97 mm/℃，增加率為10.2%，由式(3)、(5)可以得到氣候變化和人類活動對汀江徑流量增加的貢獻率分別為50.5%、49.5%(表4).

表2汀江流域累積徑流量-年份的線性關系式斜率及其變化率(1965—2012年)

Table 2 The slope of the linear relation ship between cumulative runoff and year and its change rate in Tingjiang Basin from 1965 to 2012

階段累積徑流量-年份線性關系式斜率/(km3·a-1)B、C階段與A階段比較C階段與B階段比較關系式斜率變化量/(km3·a-1)相對變化率/%關系式斜率變化量/(km3·a-1)相對變化率/%A7．1302————B8．96671．836525．8——C8．56741．437220．2-3．99-4．5

表3汀江流域累積降水量-累積平均氣溫的線性關系式斜率及其變化率(1965—2012年)

Table 3 The slope of the linear relationship between cumulative precipitation and accumulated mean temperature and its change rate in Tingjiang Basin from 1965 to 2012

階段累積降水量-累積平均氣溫線性關系式斜率/(mm·℃-1)B、C階段與A階段比較C階段與B階段比較關系式斜率變化量/(mm·℃-1)相對變化率/%關系式斜率變化量/(mm·℃-1)相對變化率/%A58．23————B68．019．7816．8——C64．205．9710．2-3．81-5．6

表4氣候變化和人類活動對汀江流域徑流量變化的貢獻率(1965—2012年)

Table 4 The contribution of precipitation and human activities to runoff change in Tingjiang Basin from 1965 to 2012

階段B、C階段與A階段比較C階段與B階段比較氣候變化CC/%人類活動CH/%氣候變化CC/%人類活動CH/%A————B65．134．9——C50．549．5124-24

究其原因，人類活動的影響增大導致汀江流域徑流量也處于增加的態(tài)勢，主要是由于人類活動使流域內(nèi)植被減少、水土流失、城鎮(zhèn)化等，導致下墊面條件發(fā)生變化，地面不透水面積增加，流域內(nèi)透水性能和滯水性能變差，下滲減少，從而引起流域內(nèi)徑流量的增加[20]：(1)20世紀七八十年代，汀江流域城市化進程加快，經(jīng)濟發(fā)展，人口增加，住宅和糧食問題日益突出，以及缺乏科學的指導，出現(xiàn)不合理的土地利用方式，1980—2010年流域土地利用方式發(fā)生較大變化，建筑用地增加238.03 km2，草地面積減少34.38 km2，林地面積減少34.38 km2，水域面積增多57.25 km2(數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云https://www.gscloud.cn/). 流域內(nèi)植被覆蓋度下降，不透水面積增加，水土流失嚴重，使流域徑流量增加. (2)汀江流域多山地，人們不合理的耕作方式(粗放坡地耕種)加劇了水土流失，導致匯入河流徑流量增多. 如農(nóng)民在25°以上的陡坡開荒，且順坡做成旱田，時種時荒. 雖然近年來，區(qū)域內(nèi)大于25°坡耕地基本退耕還林，但由于整個區(qū)域內(nèi)屬于山多地少、人多地缺矛盾較為突出的地區(qū)，且原有的耕作習慣短時間內(nèi)無法改變，仍存在較多的坡耕地種植旱糧等經(jīng)濟作物[21]. (3)汀江流域有5 個主要縣區(qū)存在不同程度的崩崗侵蝕,共有崩崗2 677個,占福建省崩崗個數(shù)的40%,平均密度達0.297 個/km2,是全省平均值的5.5倍,汀江流域土地面積占福建省土地面積的7%,而崩崗總面積達2 086.86 hm2,占福建省崩崗總面積的79%，其中以長汀、上杭兩縣最為嚴重[22].

C階段與B階段相比，累積徑流量-年份線性關系式的斜率變化量為-0.399 a/km3，減少率為4.5%，累積降水量-累積平均氣溫線性關系式的斜率變化量為-3.81 mm/℃，減少率為5.6%，累積降水量-累積平均氣溫線性關系式的斜率減少率大于累積徑流量-年份線性關系式的斜率減少率，氣候變化和人類活動對于徑流量變化的貢獻率為124%、-24% .

C階段與B階段相比，是假設B階段為基準期，該時段徑流量變化只受到氣候變化的影響， C階段受到氣候變化和人類活動的雙重影響. 通過式(3)、(5)計算可知，氣候變化的貢獻率超過了100%，所以說這個假設是不成立的，累積徑流量-年份線性關系式的斜率變化率下降的幅度小于累積降水量-累積平均氣溫線性關系式的斜率變化率的下降幅度. 究其原因，2002年以后一些大型水利工程的投入使用對徑流起到一定影響[23]. 如2002年永定縣境內(nèi)汀江干流棉花灘峽谷河段中部棉花灘水電站通過檢查驗收投入使用，壩址以上控制流域面積7 907 km2，水庫正常蓄水位173.0 m，死水位146.0 m，調(diào)節(jié)庫容11.22億m3，校核洪水位177.8 m，相應的總庫容20.35億m3[24]. 水利工程的建設對徑流量起到了調(diào)蓄作用，使累積徑流量-年份線性關系式的斜率變化率下降的幅度小于累積降水量-累積平均氣溫線性關系式的斜率變化率的下降幅度.

4 結(jié)論與討論

本文基于汀江流域控制站(溪口站)1965—2012年日均徑流量實測數(shù)據(jù)及長汀、上杭、永定氣象站逐日降水量、逐日氣溫數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計方法和改進后的累積量斜率變化率比較法揭示了汀江流域近半個世紀以來徑流量變化的趨勢及主要影響因素的貢獻率，主要結(jié)論如下：

(1)1965—2012年汀江流域徑流量變化波動較大，呈現(xiàn)下降—上升—下降的趨勢，其中1971—1980年徑流量相對于60年代增加21.8%，2001—2012年徑流量相對于90年代減少了11.9%. 降水量總體呈現(xiàn)微弱上升的趨勢，在1971—1980、2001—2012年波動較大：1971—1980年相對于1965—1970年增加6.55%，2001—2012年相對于1991—2000年減少4.82%. 平均氣溫總體呈現(xiàn)上升的趨勢.

(2)汀江流域突變年份為1972 年和2001年，1965—1972年這個階段看做基準期(A階段)，徑流量主要受到氣候變化的影響. 1973—2001年為第2個階段(B階段)，2002—2012為第3個階段(C階段)，B、C階段徑流量主要受到氣候變化和人類活動的雙重影響. B、C階段相對于A階段徑流量變化率分別為25.8%、20.2%，降水-平均氣溫變化率分別為16.8%、10.2%，氣候變化對徑流量變化的貢獻率分別為65.1%、50.5%，人類活動對徑流量變化的貢獻率分別為34.9%、49.5%,這與林凱榮等[25]采用改進的SCS模型將氣候變化和人類活動對東江流域(濕熱地區(qū))徑流量影響的貢獻進行分解研究得到各子流域中氣候變化和人類活動對徑流影響分量相當?shù)慕Y(jié)論相一致. 研究結(jié)果表明，人類活動對徑流量變化的影響在不斷增強，即將超過氣候變化對徑流量的影響程度，因此需高度重視該流域的水資源利用.

本文對氣候變化和人類活動對徑流量變化的影響主要采用了改進后的累積量斜率變化率比較法，但只進行了局部改進，在研究氣候變化對徑流量變化的貢獻率時，氣候變化主要考慮了降水量和平均氣溫的變化(水熱變化)，并沒有考慮蒸發(fā)對徑流量變化的影響，如何將降水量、平均氣溫、蒸發(fā)量對徑流量影響結(jié)合起來，是今后開展定量研究需要進一步攻克的地方. 目前徑流量變化的定量研究方法主要分為統(tǒng)計分析法和水文模型模擬法，所以在之后的研究中采用水文模型模擬法[26-28]從形成機理上對徑流量變化進行定量研究，對2種方法的研究結(jié)果進行對比是檢驗其合理性的方法之一.

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The Contributions of Climate Change and Human Activities on Runoff of the Tingjiang River

ZHANG Jie， ZHANG Zhengdong*， WAN Luwen， YANG Chuanxun， YE Chen

(School of Geography Science, South China Normal University, Guangzhou 510631, China)

Based on 1965-2012 average daily runoff measured data of control hydrometric station (Xi Kou) in the Tingjiang Basin，and daily precipitation and daily temperature of three meteorological stations in the Tingjiang Basin (Chang Ting, Shang Hang,Yong Ding). Paragraph mean comparison, 5a sliding trend line analysis and cumulative anomaly methods are used to analyze runoff series in recent 50 years. The trend of runoff variation is revealed. The mutation years of runoff variation are identified. The stages of runoff variation are divided. The improved cumulative slope rate comparison method is used to quantitatively analyze the contribution rate of the climate change and human activities to runoff variation of Tingjiang in nearly 50 years. The results show that：(1)The runoff shows a down-up-down fluctuation in general, and the mutation year is 1972 and 2001, the variation stages of runoff are 1965-1972 (stage A),1973-2001 (stage B),2002-2012 (stage C). (2)Comparing with stage A, the contribution rates of climate change to runoff variation in stage B and C are 65.1% and 50.5%, respectively, while the contribution rate of human activities to runoff variation is 34.9% and 49.5%, respectively. This shows that the contribution of human activities to the change of runoff is increasing prominent.

runoff； climate change； human activity； contribution rate； Tingjiang River

2016-05-03 《華南師范大學學報(自然科學版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

國家自然科學基金項目(41471147)

*通訊作者:張正棟，教授，Email:zhangzdedu@163.com.

P333.6

A

1000-5463(2017)06-0084-08

【中文責編：莊曉瓊 英文審校：葉頎】