人類活動和氣候變化對白龍江徑流的影響研究

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(1.甘肅省水文水資源局, 甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省隴南水文水資源勘測局，甘肅 隴南 742500)

近年來，在全球氣候變化的背景下，與河流密切相關(guān)的降水等因素進一步發(fā)生變化，從而引起不同河流徑流的變化，并且隨著地方經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，水利工程、水土保持措施建設(shè)大力推進，人類活動不斷加劇。水文科學(xué)宏觀研究將徑流發(fā)生變化歸因于氣候變化和人類活動兩個方面。氣候變化主要包括降水、氣溫、蒸發(fā)、日照、輻射等氣候要素的客觀變化，人類活動則包括水土保持、雨水集蓄、土地利用等改變了流域下墊面、使產(chǎn)流機制發(fā)生變化的人類主觀活動。從水文學(xué)角度，對于正常的水文年份，如果不受外界的影響，每年的降水量雖然有豐枯變化，徑流量會有所波動，但不會出現(xiàn)系統(tǒng)偏離。然而如果受到外界人類活動如水保措施實施、水電開發(fā)等影響，徑流量就會發(fā)生明顯的系統(tǒng)偏離，由此來判斷其是否受人類活動影響。鑒于白龍江徑流量持續(xù)減少的態(tài)勢，開展對白龍江流域內(nèi)氣候變化、人類活動影響對徑流影響研究具有重要的現(xiàn)實意義。本文通過加法模型和乘法模型，定量分析了氣候變化和人類活動對白龍江徑流的影響及貢獻大小，其結(jié)論可為白龍江引水工程實施、河流健康修復(fù)、流域水土流失治理等提供一定科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

白龍江為嘉陵江一級支流，地處甘肅省東南部，位于東經(jīng)102°30′～105°40′，北緯32°20′～34°10′之間，由西北至東南呈狹長梭形，干流全長576 km，流域面積32 850 km2，跨甘肅省迭部、舟曲、武都、文縣和四川省九寨溝、青川、昭化等縣，省內(nèi)長475 km，流域面積27 391 km2。區(qū)內(nèi)地勢西高東低，山高谷深，峰銳坡陡，落差2 783 m，水力蘊量豐富，已建水電站204座，總裝機容量1 105萬 kw。氣候從上游到下游跨高寒陰濕、溫帶半濕潤和亞熱帶濕潤3個氣候區(qū)，且呈明顯垂直變化趨勢，高山寒冷多雨，河谷溫暖少雨，冷暖空氣交換劇烈[1]。根據(jù)甘肅省第一水利普查成果，白龍江支流眾多，一級支流40條、二級支流49條、三級支流15條，其中自上而下流域面積在200 km2以上的支流有：白水江、岷河、拱壩河、多兒溝、讓水河、臘子溝、達(dá)拉溝、大團魚河、洋湯河、五庫河、北峪河、角弓溝、安子溝等[2]。白龍江徑流基本靠降水補給，多年平均流量389 m3/s，年徑流量122.68億 m3，水量豐沛，徑流年際變化穩(wěn)定。沿江兩岸滑坡、泥石流、等地質(zhì)災(zāi)害十分發(fā)育，在中游舟曲至臨江段長約150 km的沿江兩岸密布上千條泥石流溝道，大小溝道無不暴發(fā)泥石流，規(guī)模之大，暴發(fā)次數(shù)之多[3]，危害程度之嚴(yán)重，在我國均屬罕見，2010年舟曲特大山洪泥石流震驚中外[4]。

2 研究資料和方法

2.1 研究資料

受水土保持、雨水集蓄、土地利用等資料收集的限制，本文研究資料主要采用白龍江干流白云、舟曲、武都、碧口水文站及其支流拱壩河黃鹿壩水文站、岷河宕昌水文站、白水江文縣水文站的實測降水、徑流整編資料。數(shù)據(jù)均由地方氣象、水文部門提供，并簽訂保密協(xié)議。

2.2 研究方法

流域降水是地表產(chǎn)流的動力條件，其時間、強度、歷時等時空分布對流域產(chǎn)流有直接影響。以降水為主要因子的氣候變化和人類活動是導(dǎo)致流域水量變化的根本和直接原因。為了消除氣候變化即降水的影響，令

E=R/P

式中：E稱為徑流系數(shù)(或產(chǎn)水系數(shù))，m3/mm；R為徑流量，m3；P為降水量，mm。徑流系數(shù)表明降水中有多少變成了徑流，它反映的主要是流域內(nèi)下墊面因素對降水-徑流關(guān)系的影響。

徑流深可以用徑流系數(shù)和降水量的乘積表示，即

R=E×P

為了量化氣候變化和人類活動對徑流的影響，分別從兩種角度出發(fā)，進行推導(dǎo)、演算。

1)加法模型[5]。定義基準(zhǔn)期為徑流未經(jīng)人類活動影響的時段，變化期為基準(zhǔn)期以后的時段，即徑流受人類活動影響的時段。基準(zhǔn)期可根據(jù)突變分析確定。令基準(zhǔn)期平均徑流深為R1、降水量P1、徑流系數(shù)E1，變化期平均徑流深為R2、降水量P2及徑流系數(shù)E2。對徑流深R=E×P取全微分，并以差分形式表示為：

2)乘法模型[6]。已知徑流系數(shù)和降水量的乘積表示徑流深，同理可用徑流系數(shù)和降水量的乘積的變量表示徑流深的變化，即

3 應(yīng)用實例

3.1 單站分析

取白云水文站徑流、降水資料根據(jù)模型分別進行演算(見表1、表2)。

表1 白云水文站氣候變化和人類活動對 徑流影響分析加法模型計算成果表

從表1中可知，除2000年以來氣候變化對徑流影響較為顯著外，自20世紀(jì)60年代以來的各年代均表現(xiàn)為人類活動對徑流影響持續(xù)增長，說明白云水文站以上流域徑流變化主要受人類活動影響。

表2 白云水文站氣候變化和人類活動對 徑流影響分析乘法模型計算成果表

從表2中可知，除20世紀(jì)70年代氣候變化對徑流影響較為顯著外，其余各年代徑流顯著表現(xiàn)為受人類活動影響，且自20世紀(jì)80年代以來人類活動影響逐漸減小，趨于穩(wěn)定，但持續(xù)保持在60%以上，說明近40年來，人類活動影響對白云水文站以上流域徑流持續(xù)顯著影響。

綜上所述，除21世紀(jì)初兩個模型計算結(jié)果不一致外，其余各年代結(jié)論一致，即白云水文站以上流域自20世紀(jì)80年代以前徑流顯著受氣候變化影響，之后徑流顯著受人類活動影響，20世紀(jì)70年代氣候變化對徑流影響乘法模型較加法模型更為顯著。

3.2 全流域分析

取白龍江干流舟曲、武都、碧口水文站及其支流拱壩河黃鹿壩水文站、岷河宕昌水文站、白水江文縣水文站徑流、降水資料分別計算白云～舟曲段、岷江小流域、拱壩河小流域、舟曲～武都段、白水江小流域、武都～碧口段徑流受人類活動和氣候變化的影響大小(見表3、表4)。

從表3中可知，白云～舟曲段徑流變化自20世紀(jì)70年代開始就受人類活動顯著影響，90年代以來則表現(xiàn)為氣候變化影響，2010年以來又表現(xiàn)為人類活動影響；岷河小流域徑流變化則表現(xiàn)為20世紀(jì)90年代以來受人類活動顯著影響；拱壩河小流域徑流變化自20世紀(jì)70年代開始就受人類活動顯著影響，2010年以來則表現(xiàn)為氣候變化影響；舟曲～武都段徑流變化則表現(xiàn)為20世紀(jì)80年代以前氣候變化影響顯著，之后受人類活動顯著影響；白水江小流域徑流變化表現(xiàn)為21世紀(jì)初十年間受人類活動顯著影響，其余年代表現(xiàn)為氣候變化影響顯著；武都～碧口段徑流變化除20世紀(jì)70年代和2010年以來受氣候變影響顯著外，其余時段人類活動影響顯著。

從表4中可知，白云～舟曲段徑流變化除2010年以來受人類活動顯著影響外，其余年代受氣候變化顯著；岷河小流域徑流變化則表現(xiàn)為20世紀(jì)70年代以來受人類活動顯著影響；拱壩河小流域徑流變化自20世紀(jì)80年代開始就受人類活動顯著影響，90年代氣候變化影響，2000年以來則表現(xiàn)為人類活動影響；舟曲～武都段徑流變化除20世紀(jì)80年代和2010年以來受氣候變影響顯著外，其余時段人類活動影響顯著；白水江小流域徑流變化表現(xiàn)為20世紀(jì)90年代以前氣候變化影響顯著，之后受人類活動顯著影響；武都～碧口段徑流變化除20世紀(jì)60年代和90年代受氣候變影響顯著外，其余時段人類活動影響顯著。

3.3 綜合分析

白龍江白云水文站以上區(qū)間、白云～舟曲段、岷江小流域的徑流自20世紀(jì)80年代以來主要受人類活動影響，也可以看出20世紀(jì)70年代以前人類對這一區(qū)域開發(fā)利用程度不高，徑流產(chǎn)生主要以降水等氣候因子為主。

拱壩河小流域的徑流理論上應(yīng)該與前述三個地區(qū)一致，主要以人類活動影響為主，但20世紀(jì)90年代資料系列發(fā)生突變，徑流以氣候變化為主，說明這段時間發(fā)生了極端氣候事件，從而導(dǎo)致徑流結(jié)果的變化。

舟曲～武都段的徑流變化說明早在20世紀(jì)60年代人類活動就深刻的影響著這個區(qū)域，80年代資料系列發(fā)生突變，說明這段時間極有可能發(fā)生了極端氣候事件，2010年舟曲特大泥石流災(zāi)害的發(fā)生導(dǎo)致徑流結(jié)果發(fā)生了相應(yīng)的變化。

白水江小流域的徑流變化說明該流域生態(tài)保護較好，較少的受到人類活動影響，2000年以來受水電開發(fā)等水利工程影響徑流發(fā)生了變化，但長期以來的良好生態(tài)環(huán)境尚未對徑流產(chǎn)生深刻影響。

表3 白龍江流域氣候變化和人類活動對徑流影響分析加法模型計算成果表

表4 白龍江流域氣候變化和人類活動對徑流影響分析乘法模型計算成果表

武都～碧口段的徑流變化說明人類活動就深刻的影響著以碧口為中心的區(qū)域，同時該區(qū)域徑流變化受白水江小流域和舟曲—武都段影響較為顯著，有同步變化趨勢。

進一步分析白龍江流域徑流受人類活動和氣候變化的綜合影響大小(見表5)。從表5可知，白龍江流域在20世紀(jì)70年代以前受人類活動影響較小。從80年代開始人類活動加劇，對徑流產(chǎn)生深刻影響。自2010年以來，徑流變化開始受氣候變化影響，但目前尚未有足夠證據(jù)說明2010年以來徑流的變化主要是由于氣候變化影響導(dǎo)致的，有待系列資料進一步積累、分析?？傮w上來說，20世紀(jì)80年代以來，氣候變化和人類活動對徑流影響程度相當(dāng)，這一結(jié)論比張曉曉等的研究結(jié)論基本一致[7-8]。

表5 白龍江流域氣候變化和人類活動 對徑流綜合影響分析成果表

4 結(jié)語

(1)本文以降水量作為氣候變化的主要因素、水電開發(fā)作為人類活動的主要因素，量化氣候變化和人類活動對白龍江徑流的影響及貢獻大小，其結(jié)論可為白龍江引水工程實施、河流健康修復(fù)、流域水土流失治理等提供一定的科學(xué)參考。

(2)白龍江全流域氣候變化和人類活動對徑流綜合影響表現(xiàn)為1960-1970年代以氣候變化影響為主導(dǎo)因素，比重占70%；1980-2000年代以人類活動影響為主導(dǎo)因素，比重占約55%；2010年以來氣候變化和人類活動對徑流影響程度相當(dāng)，以氣候變化影響為主導(dǎo)因素，比重占51%。

(3)兩個模型的計算方法結(jié)果出現(xiàn)趨勢變化不一致的情況，可進一步收集流域水利工程、水土保持等建設(shè)情況和極端氣候事件，分析流域突變情形，計算徑流受人類活動和氣候變化的影響程度，從而確定影響因素。