近60年來遼河流域徑流量變化及其主控因素分析

田 蕾, 王隨繼

(1.中國科學院 地理科學與資源研究所 中國科學院 陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室,北京 100101; 2.中國科學院大學 資源與環(huán)境學院, 北京 100049)

伴隨著人類起源遷移以及文化的發(fā)展，河流對于人類歷史的文明發(fā)展有著深遠的影響。隨著近代工業(yè)進程的邁進，河流不單單是自然流域，與生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展緊密聯(lián)系，流域所代表的區(qū)域逐漸成為一個結合自然、社會和經(jīng)濟的復合生態(tài)系統(tǒng)[1]。建國以來隨著人類活動的加劇以及氣候變化，一些河流流域的徑流和泥沙過程發(fā)生了顯著改變、水土流失加重、生態(tài)失衡、洪澇災害頻發(fā)[2]。

近50 a中國年降水量變化趨勢不顯著，但年代際波動較大，中國東北南部等地區(qū)年降水量出現(xiàn)減少趨勢，干旱趨重，中緯度大陸內(nèi)部特別是中國東北地區(qū)是氣候變化的敏感地區(qū)之一[3]。自然因素是天然狀況下流域徑流量的主要影響因素，隨著人類改造自然的強度增加以及時間的持續(xù)，人類活動對流域水文的影響顯著，破壞了水文序列的一致性[4]。河流徑流來源于降水，有蒸發(fā)等自然因素和人類活動造成的人為因素，河流徑流量在自然和人為因素的共同影響下變化，變化特征趨向復雜[5]。一個地區(qū)的持續(xù)發(fā)展水資源至關重要，掌握河川徑流的變化特征、趨勢以及影響因素，可以為科學合理構建可持續(xù)的開發(fā)、治理戰(zhàn)略和決策提供理論依據(jù)[6]。本文擬根據(jù)實測水文數(shù)據(jù)對遼河流域的徑流量變化特征進行分析，進而求得氣候和人類活動等影響因素對徑流量變化的相對貢獻率，從而揭示該流域徑流變化對于氣候和人類活動的響應特征，為流域的科學治理及水資源的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼河是我國的七大江河之一，被譽為遼寧人民的母親河，位于我國東北地區(qū)的西南部，涵蓋遼河、渾太河兩大水系，流域面積21.9萬km2[7]。七老圖山脈光頭山是遼河的發(fā)源地，沿老哈河向東北流，在西拉木倫河匯入后轉(zhuǎn)為向東流，在木倫河匯入后向東南流，在福德店匯入東遼河，向南流納入左側支流柴河、泛河、招蘇臺河、清河和右側支流養(yǎng)息牧河、秀水河、柳河等，在六間房分為兩股河流：西南行，盤山納繞陽河后入渤海，稱雙臺子河；南行，在三岔河和渾河、太子河匯合，在營口入渤海，后稱大遼河又稱外遼河[8]。

遼河流域?qū)贉貛Ъ撅L氣候區(qū)，氣溫一月最低而七月最高，四季溫差明顯[9]。降水云系主要來自南方的海洋，其次是鄂霍茨克海，降水隨著遠離海洋而逐次減少。流域內(nèi)多年平均降水量，西遼河流域為300～350 mm，東遼河為800～950 mm[10]。降水易以暴雨形式出現(xiàn)，汛期5—10月徑流量占全年80%以上，其中7月，8兩個月占年徑流量的50%。冬季受大陸冷氣團控制，降水較少，年際變化大。最大年降水量是最小年降水量的2.8倍以上，常見連續(xù)多年多雨或少雨現(xiàn)象，流域徑流量和降水量變化一致，只有受水庫阻攔、引水調(diào)水人為因素活動的影響才會出現(xiàn)不一致的變化。流域內(nèi)多年平均蒸發(fā)量自東向西逐漸增大。水沙特征在該流域不同區(qū)段差別明顯(表1)。

遼河流域遼寧省境內(nèi)是經(jīng)濟較為發(fā)達的工業(yè)集聚區(qū)和都市密集區(qū)，建立了以石化、冶金、裝備制造業(yè)為核心的產(chǎn)業(yè)集群，工業(yè)種類齊全，是我國重要的原材料工業(yè)和裝備制造業(yè)基地，建有北方最大的石油工業(yè)基地，國家級精化工和催化劑生產(chǎn)基地[11]。

表1 遼河流域不同區(qū)段徑流特征

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究涉及遼河興隆坡、鐵嶺和六間房/朱家房等水文站，水文數(shù)據(jù)來自遼河流域水文資料、吉林統(tǒng)計年鑒、遼寧水利年鑒、內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒(中華人民共和國水利部水文局)。其中興隆坡、鐵嶺水文站自建站以來的觀測數(shù)據(jù)完整，六間房水文站在從1969年7月到1986年6月停測，該時期的徑流量數(shù)據(jù)本文以朱家房水文站相應年份的觀測數(shù)據(jù)來替代，因為朱家房水文站位于六間房水文站上游20 km處，其間流域面積相差僅145 km2，且無較大支流入?yún)R，故其徑流數(shù)據(jù)可互為代替。

涉及流域內(nèi)外38個氣象站點的數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)。其中蒸發(fā)數(shù)據(jù)自2002以來觀測儀器與之前的不同，故該年以后的實測數(shù)據(jù)均經(jīng)過矯正。利用ArcGIS 10.3克里格(Kriging)插值方法對流域內(nèi)興隆坡以上、興隆坡至鐵嶺、鐵嶺以上、六間房以上四個不同區(qū)域的年均降水量和年均蒸發(fā)量進行計算求取。本文用到的其他數(shù)據(jù)來自《吉林統(tǒng)計年鑒》、《遼寧水利年鑒》、《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒》和中華人民共和國國家統(tǒng)計局(http:∥www.stats.gov.cn/tjsj/)。

1.3 研究方法

由于2002年起，蒸發(fā)量測量器皿由20 cm直徑變?yōu)?0 cm的，其觀測值出現(xiàn)明顯下降，使得蒸發(fā)數(shù)據(jù)難以對比。為了消除不可對比性，利用新民、黑山、錦州、鞍山和沈陽五個氣象站在測量器皿變更前后各五年的蒸發(fā)數(shù)據(jù)計算其各自的年均蒸發(fā)值，進而得到前五年與后五年上述各站年平均蒸發(fā)量的比值為1.533，故此認為由于測量儀器變化而引起的數(shù)據(jù)變化比為1.533，將上述38個氣象站在2002年及其以后年份的實測蒸發(fā)量乘以該比值則可得到矯正蒸發(fā)量，可視為消除了由于觀測儀器變化帶來的影響，使得前后數(shù)據(jù)具有觀測標準的一致性從而可以進行對比，為計算各影響因素對遼河徑流量變化的影響提供了可能。

應用累積距平法分析不同區(qū)段徑流量的變化趨勢，識別徑流量時間序列的突變點[12]，這是劃分流域內(nèi)不同區(qū)間徑流量變化階段性的主要依據(jù)。

采用累積量斜率變化率分析方法[12-14]，可以定量分析流域及其不同區(qū)段徑流量變化過程中氣候變化和人類活動的影響程度，計算各影響因素對徑流量變化的相對貢獻率。

累積量斜率變化率分析方法的原理有關文獻已有說明[12-15]。其核心是將變量所有的影響因素的總和大小定義為1，根據(jù)各影響因素隨時間累積的斜率變化率占同期徑流累積斜率變化率的比值，來推算對變量的相對影響程度。

假定在累積徑流量變化的某個拐點年份前后給定時期內(nèi)，年份與累積徑流量之間線性擬合方程的斜率分別是SR2和SR1(單位是108m3/a)、年份與累積降水量之間線性擬合方程的斜率分別是SP2和SP1(單位是mm/a)、年份與累積蒸發(fā)量之間線性擬合方程的斜率分別為SE2和SE1(單位為mm/a)，則降水量和蒸發(fā)量對徑流量變化的貢獻率(%)分別可表示為(1) 和(2) 式：

CP=100×((SPa-SPb)/|SPb|)/((SRa-SRb)/|SRb|)

(1)

CE=-100×((SEa-SEb)/|SEb|)/((SRa-SRb)/|SRb|)

(2)

基于水量平衡原理且不計地下水的影響，人類活動對徑流量變化的貢獻率(單位%)為：

CH=100-CP-CE-CG

(3)

2 結果與分析

2.1 區(qū)段徑流量年際變化特征

根據(jù)遼河多年觀測水文站的區(qū)域分布，將該流域分為興隆坡以上、興隆坡—鐵嶺、鐵嶺以上和六間房以上幾個區(qū)域來分析不同區(qū)間徑流量或者區(qū)間凈產(chǎn)流變化特征。由圖1可見，興隆坡以上流域的凈產(chǎn)流較少，年產(chǎn)流在大多數(shù)年份小于10億m3，自1990年代中期以來呈現(xiàn)明顯減小趨勢。在興隆坡—鐵嶺區(qū)間的凈產(chǎn)流呈現(xiàn)階段性大幅波動現(xiàn)象，自1960年代至1980年代初呈現(xiàn)減小趨勢，此后3 a內(nèi)劇增至年際最大值，自1986—2001年則呈現(xiàn)波動性減小趨勢，然后又呈現(xiàn)波動性增大趨勢。鐵嶺以上及六間房以上兩個區(qū)間由于匯水面積差值不大，故其區(qū)間總產(chǎn)流量比較接近，其年際變化趨勢彼此相似，也與興隆坡—鐵嶺區(qū)間的變化趨勢基本一致。

圖1 遼河流域區(qū)間產(chǎn)流量年際變化特征

2.2 各區(qū)間徑流量突變分析及階段劃分

為了揭示各區(qū)間凈產(chǎn)徑流量的階段性變化特征，對各區(qū)間凈產(chǎn)徑流量進行距平分析，并繪制累積距平見圖2。4個區(qū)間凈產(chǎn)徑流量累積距平的變化過程各有不同，但都出現(xiàn)2～3個不同的突變點，這些突變點就是各個區(qū)間凈產(chǎn)徑流量的階段性變化的突變年份，而以突變年份為界則會得出各區(qū)間凈產(chǎn)徑流量的同類型(增加或者減小)變化時期。遼河流域興隆坡以上的突變年份為1979年、1989年和1998年；興隆坡—鐵嶺的突變年份是1984年和1995年；鐵嶺以上區(qū)間的突變年份為1964年、1984年和1995年；六間房以上區(qū)間的突變年份是1984年、1998年和2009年(圖2)。根據(jù)這些突變年份，可以將上述不同區(qū)間年凈產(chǎn)流同趨勢變化時段可分別劃分為2～4段，具體時段見表2。

2.3 降水量及蒸發(fā)量計算

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)及周邊38個氣象站在1955—2015年的年降水量數(shù)據(jù)進行空間差值分析，可以得到上述各區(qū)間內(nèi)的年均降水量。根據(jù)遼河流域內(nèi)及周邊38個氣象站在1955—2001年的蒸發(fā)量實測值及2002—2015年實測并經(jīng)過矯正的蒸發(fā)量數(shù)值進行空間差值分析，可以得到上述四個不同區(qū)間的年均蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。不同區(qū)間內(nèi)這些年均降水量數(shù)據(jù)及年均蒸發(fā)量數(shù)據(jù)是后文根據(jù)累積量斜率變化率方法計算各相關影響因素對徑流量變化貢獻率的基礎數(shù)據(jù)。

圖2 遼河流域不同區(qū)段標準化年徑流序列累積距平曲線

時期興隆坡以上興隆坡—鐵嶺鐵嶺以上六間房上T11965—19791966—19841954—19641965—1984T21980—19891985—19951965—19841985—1998T31990—19981996—20151985—19951999—2009T41999—20151996—20152010—2015

2.4 主控因素影響程度計算

為了定量區(qū)分降水量和人類活動對徑流量變化的影響程度，將第一個時期(T1)遼河流域徑流量作為受控于氣候因素的階段，此后為受氣候和人類活動共同影響的階段。因為自20世紀50年代開始，遼河流域的人口不斷增加，各類不同的水土保持活動大幅度開展起來。利用徑流量的突變年份為界，分別對各區(qū)間年份與累積徑流量、年份與累積降水量，以及年份與累積蒸散量在四個(三個)不同時期進行擬合分析。年份與累積降水量變化特征及在不同時段的擬合關系見圖3，所有擬合公式的決定系數(shù)都在0.99以上(圖3)，表明二者之間具有非常好的線性相關性。年份與累積蒸發(fā)量變化特征及在不同時段的擬合關系見圖4，所有擬合公式的決定系數(shù)都在0.999以上(圖4)，表明二者之間具有極好的線性相關性。

遼河流域上述四個區(qū)間年份與累積徑流量關系見圖5，所有擬合公式的決定系數(shù)都在0.92以上(圖5)，表明二者之間具有很好的線性相關性。從上述各個區(qū)間各時段內(nèi)年份與累積量的擬合式中提取其擬合直線的斜率，由此可以求得同一時段中累積降水量、累積蒸發(fā)量和累積徑流量的變化量和變化率(表3)。

2.5 徑流量變化中影響因素貢獻率

興隆坡以上區(qū)間 該區(qū)間的基準期為1965—1979年。與基準期相比，1980—1989年徑流量增大，降水量、蒸發(fā)量和人類活動對該期徑流量變化的貢獻率分別為0.6%，-4.6%和104%。1990—1998年，該區(qū)間徑流量與基準期相比顯著減小，上述三類影響因素對徑流量變化的貢獻率分別為-19.2%，1.5%和117.7%；1999—2015年，該區(qū)間徑流量與基準期相比進一步減小，上述三類影響因素對徑流量變化的貢獻率分別為6.3%，-7.4%和101.1%(表3)。

興隆坡—鐵嶺區(qū)間 該區(qū)間的基準期為1965—1984年。與基準期相比，1985—1995年徑流量顯著增大，降水量、蒸發(fā)量和人類活動對該期徑流量變化的貢獻率分別為4.9%，-5.9%和101%。1996—2015年，該區(qū)間徑流量與基準期相比略有增加(僅為1.5億m3)，上述三類影響因素對徑流量變化的貢獻率分別為-59.7%，81.9%和77.8%(表3)。

鐵嶺以上區(qū)間 該區(qū)間的基準期為1955—1965年。與基準期相比，1965—1984年，1985—1994年，1995—2015年該區(qū)間年徑流量分別減小57.2%，26.4%和61.9%，降水量對徑流量變化的貢獻率為20.3%，14.2%和27.4%，蒸發(fā)量的貢獻率分別為-0.4%，18.8%和-14.0%，而人類活動的貢獻率為80.1%，67.1%和86.6%(表3)。

六間房以上區(qū)間 該區(qū)間的基準期為1965—1984年。與基準期相比，1985—1998年，該區(qū)間徑流量增大47.8%，降水量、蒸發(fā)量和人類活動對該期徑流量變化的貢獻率分別為7.4%，-11.4%和104%。1999—2009年，該區(qū)間年徑流量減小52%，上述三類影響因素對徑流量變化的貢獻率分別為20.9%，-22%和101.1%。2010—2015年，該區(qū)間年徑流量增大27.7%，上述三類影響因素對徑流量變化的貢獻率分別為84%，-0.83%和16.83%(表3)。

圖3 遼河流域不同區(qū)間年份與累積降水量關系

圖4 遼河流域不同區(qū)間年份與累積蒸發(fā)量關系

3 討 論

3.1 氣候變化對徑流量變化的影響

降水量及蒸發(fā)量變化是氣候變化的結果，也是流域內(nèi)徑流量變化的直接影響因素。中國東北及內(nèi)蒙古東部地區(qū)是我國氣候變化最敏感的地區(qū)之一[16]，氣候變化總體上呈暖干化取向，西遼河、科爾沁沙地及其周邊地區(qū)更為明顯[17]。遼河流域興隆坡以上以及興隆坡—鐵嶺區(qū)段位于東北平原內(nèi)蒙古高原過渡地帶，在氣候變化方面具有明顯過渡性[18]。受此影響，流域內(nèi)部降水量在周期變化中有減少的趨勢，尤其是20世紀80年代的多年平均降水量僅為50年代后期的81%，減少了78.94 mm[19]，這是遼河流域徑流量總體上減小的影響因素之一。但是，遼河流域的降水量在1980年代末至1990年代顯著增加，這也是同時期遼河流域不同區(qū)間徑流量增大的直接原因。氣溫的變化直接影響到蒸發(fā)量的大小，通過對遼河流域內(nèi)各氣象站資料分析，1951—1999年，平均氣溫以每0.34℃/10 a的速度升高，特別是80年代以來，升溫速度加快，1981—1999年，平均氣溫以每0.78℃/10 a的速度升高，這就會導致蒸發(fā)量的相對升高，從而會引發(fā)流域徑流量的減小。如果僅考慮氣候變化對流域徑流量變化的影響，則流域徑流量的增大必然是降水量增加和蒸發(fā)量的減小的綜合結果，或者與徑流量增加量大于蒸發(fā)量減小量相一致，反之亦然。從研究結果看見，遼河流域降水量變化與蒸發(fā)量變化有時呈現(xiàn)一致增減、有時呈現(xiàn)相反變化，而其對徑流量變化的影響則呈現(xiàn)出多樣組合關系。總體上，遼河流域降水量和蒸發(fā)量對該流域不同區(qū)間徑流量變化的綜合影響程度小于20%。

表3 不同區(qū)間累積徑流量、累積降水量、累積蒸發(fā)量斜率及其變化量

注：其中ΔR，ΔP，ΔET為各時期與基準期徑流、降水、參考作物蒸散的年平均值之差；S為坡度，Δ為變化量。

圖5 遼河流域不同區(qū)間年份與累積徑流量關系

3.2 人類活動對徑流量變化的影響

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的蓄水引水和城鄉(xiāng)居民生活用水和工業(yè)用水等，使得干旱半干旱區(qū)河流徑流量的變化在近幾十年來顯著受到人類活動的影響。遼河流域作為我國東北的主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)之一，水庫塘壩蓄水和農(nóng)業(yè)灌溉用水等是流域內(nèi)不同區(qū)間年徑流量減小的主要影響因素，尤其是在降水量相對減小或者蒸發(fā)量相對增大的干旱年份中更為明顯。在遼河流域中上游部分人類活動的影響較之其他地區(qū)較大[20]，這是因為遼河上游的徑流量總值較小，其變化量也較小，但是這些小量的變化量如果受到人類活動的干預則人類活動的影響程度則很大，如本文的計算結果表明，興隆坡以上區(qū)間人類活動對徑流量變化的相對貢獻率達101%～108%，顯然是其徑流量變化的主要影響因素，這里人類活動的主要影響方式是農(nóng)業(yè)灌溉[21]。遼河流域集中分布著一些工業(yè)發(fā)達、人口密集的大、中城市，人口密集水資源需求量大，引起徑流量減少，加重遼河流域水資源的承載力[22]。西遼河平原是國家和內(nèi)蒙古自治區(qū)的重要商品糧基地，2000年農(nóng)業(yè)用水占國民經(jīng)濟各行業(yè)用水量的80%[23]。西遼河流域取用水量不斷增強，導致流域徑流量日益減少，河段斷流的現(xiàn)象頻繁發(fā)生，林木變矮，草場退化嚴重，許多濕生植物被耐寒植物代替等環(huán)境問題。使之全流域出現(xiàn)徑流量變化和人類活動貢獻率正相關關系[24]。顯然，人類活動是遼河流域徑流量變化的重要影響因素，本文的計算結果表明，其對遼河流域各區(qū)間徑流量變化的相對影響超過了80%。為了改善遼河流域生態(tài)環(huán)境和達到可持續(xù)發(fā)展的目的，需要制定有效措施來制約人類對地表水資源的掠奪性利用。

4 結 論

(1) 自20世紀50年代以來，遼河流域徑流量呈現(xiàn)明顯的階段性變化特征，每個區(qū)間可劃分為3～4個不同的變化時段，相對于第一個基準時期，徑流量總體上以減小為主，但在1990年代徑流量則顯著增加。

(2) 對于遼河流域不同區(qū)段，除了個別時段外，其徑流量的變化主要受到人類活動的影響，而人類活動對徑流量變化的貢獻率總體上超過了80%，降水量和蒸發(fā)量這兩個氣候因子的綜合貢獻率基本小于20%。

(3) 我國北方干旱半干旱地區(qū)其他河流的徑流量變化受到人類活動的影響在近年來有減小趨勢，但是遼河流域徑流量變化受到人類活動的影響并未明顯減小。因此，需要制定相關措施以減小人類活動對遼河流域徑流量變化的干預。

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