降水和下墊面對(duì)流域徑流量影響的定量研究

王少麗， 臧 敏， 王亞娟， 王材源， 管孝艷

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水利研究所， 北京 100048； 2.北京市水文總站， 北京 100089)

1 研究背景

氣候變化和人類活動(dòng)是影響流域水文循環(huán)過(guò)程和水資源演變規(guī)律的驅(qū)動(dòng)因素，其帶來(lái)的水文效應(yīng)受到各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]。氣候變化導(dǎo)致降水、氣溫等氣象因子發(fā)生變化，統(tǒng)計(jì)分析表明，1965-2014年華東地區(qū)降水明顯增多，西南、華北地區(qū)降水減少[5]。同時(shí)，人類活動(dòng)影響的加劇，使流域下墊面條件發(fā)生明顯變化，土地利用方式的變化，改變了流域下滲、蒸散發(fā)、徑流等水文過(guò)程的特征[6-8]。流域地表徑流是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)和水均衡的基本要素，是人類可利用水資源的重要組成部分，研究表明地表徑流是氣候條件與人類活動(dòng)綜合作用的產(chǎn)物[9-10]。在氣候較為干燥的地區(qū)，徑流對(duì)氣候和下墊面變化均較為敏感，在氣候較為濕潤(rùn)的地區(qū)，徑流對(duì)氣候和下墊面變化均不敏感[11], 量化氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率對(duì)水資源管理具有重大意義[12]。

近年來(lái)，圍繞地表徑流演變特征及驅(qū)動(dòng)因素、氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)地表徑流的影響開(kāi)展了較多的工作，莫崇勛等[13]根據(jù)永定河流域1957-2010年降水徑流資料，基于彈性系數(shù)法分析得出該流域降水量和徑流量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，氣候變化和人類活動(dòng)引起的徑流量變化率分別為28%和72%。夏偉等[14]以灃河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用累積量斜率變化率比較法分析表明，以1965-1987年為基準(zhǔn)期，1988-1996和1997-2016年兩個(gè)時(shí)期降水量和人類活動(dòng)對(duì)徑流量減小的相對(duì)貢獻(xiàn)率為37.69%和62.31%及-11.92%和111.92%。Ashofteh等[15]采用IHACRES模型模擬氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)伊朗Aidoghmoush流域徑流的影響表明，氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)該流域徑流量減少的貢獻(xiàn)率分別為79%和21%。李彤等[16]采用雙累積曲線法對(duì)資水流域降水量及人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響分析表明，人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率大幅增加并逐步成為徑流量變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。

基于1956-2000年系列北京市開(kāi)展了第二次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)[17]，之后的十幾年間北京市的水資源狀況較之前發(fā)生了很大的變化，如連年干旱、人口快速增長(zhǎng)、城市規(guī)模擴(kuò)大、極端天氣等，均在很大程度上影響了北京市水資源的時(shí)空分布格局。北京市山區(qū)面積大，占全市國(guó)土面積的62%[18]，近年來(lái)山區(qū)集水區(qū)來(lái)水量的急劇減少，造成下游水資源日趨緊張，本文以北京市漫水河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于1956-2016降水徑流長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)，定量分析降水量和下墊面對(duì)徑流量的影響，可為北京地區(qū)的水資源可持續(xù)利用和管理提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)漫水河流域面積653 km2，主河道長(zhǎng)77 km，縱坡1.4‰，流域自西向東傾斜成樹葉狀，為封閉小流域，控制站為漫水河水文站,始建于1951年，位于北京市房山區(qū)河北鎮(zhèn)磁家務(wù)村[19]，東經(jīng)115°59′，北緯39°48′，漫水河水文站控制流域圖見(jiàn)圖1。漫水河水文站是大石河上游控制站，大石河是海河流域大清河水系北支的一條支流，發(fā)源于北京市房山區(qū)境內(nèi)，東部和北部與永定河相鄰，西部和南部與拒馬河相鄰，屬拒馬河支流。漫水河站以上流域全部為山區(qū)，上游森林密布，水土保持較好，中下游植被較差，個(gè)別地區(qū)水土流失嚴(yán)重。流域上游雖然建成幾座小型水庫(kù)和攔河壩，但尚無(wú)控制性水利工程。

圖1 漫水河水文站控制流域圖(單位：cm)

該流域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，季節(jié)性差別較大，冬夏兩季氣溫變化大，冷暖氣團(tuán)交匯頻繁，夏季時(shí)有暴雨發(fā)生，是北京市暴雨頻發(fā)地之一。1956-2016年年平均降水量為590.8 mm，降水量年內(nèi)變化極不均勻，全年80%以上降水量集中在6-9月份。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

漫水河流域1956-2016年年降水量、實(shí)測(cè)徑流量、天然徑流量系列來(lái)源于全國(guó)第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果。天然徑流是降水和下墊面條件(人類活動(dòng)間接影響)共同作用的產(chǎn)物，人類活動(dòng)間接影響主要表現(xiàn)為水土保持工程、城市化、道路硬化、森林砍伐、土地墾殖等改變流域產(chǎn)匯流條件的下墊面變化；而實(shí)測(cè)徑流還受人類活動(dòng)的直接影響，主要表現(xiàn)為人為從河道內(nèi)取水或引水到河道外減少下游斷面的徑流量，或跨流域調(diào)水增加下斷面徑流量，利用水利工程調(diào)蓄改變下斷面徑流過(guò)程。因此，將人類活動(dòng)中的耗水量進(jìn)行還原，即由實(shí)測(cè)徑流量加上耗水量，還原后的徑流量認(rèn)為是天然徑流量。徑流還原量考慮了漫水河站上游農(nóng)業(yè)灌溉用水量和工業(yè)及生活用水量、鴿子臺(tái)水庫(kù)蓄水變量、萬(wàn)佛堂泉水量。農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)、生活用水量來(lái)源于統(tǒng)計(jì)月報(bào)，2001年以后無(wú)泉水量，計(jì)算不再還原。

采用Mann-Kendall(MK)方法對(duì)降水量、天然徑流進(jìn)行趨勢(shì)變化和突變性檢驗(yàn)分析，識(shí)別降水和徑流量時(shí)間序列的突變點(diǎn)，以徑流量變異點(diǎn)前作為受人類活動(dòng)影響較小的基礎(chǔ)期，采用雙累積曲線建立徑流量變異前累積天然徑流深與累積降水量關(guān)系式，并用人類活動(dòng)影響顯著時(shí)期(變異期)累積降水量計(jì)算得到變異期的模擬累積天然徑流深，認(rèn)為模擬徑流深與基準(zhǔn)期下墊面條件近似相同，對(duì)比人類活動(dòng)影響顯著時(shí)期與基礎(chǔ)期的實(shí)測(cè)徑流量、天然徑流量、模擬計(jì)算徑流量等變化，分析不同時(shí)期降水量和下墊面對(duì)徑流量影響的貢獻(xiàn)率。

4 年降水量和天然徑流量變化特征

漫水河流域1956-2016年降水量、天然徑流深年際變化趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可以看出，降水量和徑流深隨時(shí)間變化均呈遞減趨勢(shì)，且徑流深的減小趨勢(shì)更為顯著，特別是2000年以來(lái)徑流深減小明顯。流域降水量年際間變化大，存在豐水年與枯水年交替現(xiàn)象，M-K統(tǒng)計(jì)量Z為-1.81，其絕對(duì)值小于顯著水平0.05的正態(tài)分布臨界值1.96，說(shuō)明降水量序列呈下降趨勢(shì)但不顯著。隨降水量的年際波動(dòng)，徑流量也呈現(xiàn)波動(dòng)變化，M-K統(tǒng)計(jì)量Z為-3.94，其絕對(duì)值大于顯著水平0.01的正態(tài)分布臨界值2.32，表明徑流量在過(guò)去的1956-2016年間呈極顯著下降趨勢(shì)。

受氣候變化和人類活動(dòng)顯著影響后，水文序列的天然平穩(wěn)性會(huì)受到干擾或破壞，某種程度上水文序列不同于天然序列而呈現(xiàn)出階段性或趨勢(shì)性變化，據(jù)此估計(jì)水文序列的顯著轉(zhuǎn)折點(diǎn)。采用M-K方法對(duì)年降水量和徑流量的突變檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。圖3表明，從1956年至今，降水量UF統(tǒng)計(jì)量均小于0，表明降水量總體呈下降趨勢(shì)，UF曲線在20世紀(jì)70年代中后期到80年代末、2000年左右至今有兩個(gè)急劇的下降趨勢(shì)，表明在這兩個(gè)時(shí)期內(nèi)降水量處于由多到少的變化趨勢(shì)。20世紀(jì)90年代UF曲線有較明顯的上升趨勢(shì)，表明該期間降水量處于由少到多的變化趨勢(shì)，并且近10年UF統(tǒng)計(jì)量接近0.05顯著水平下限，說(shuō)明近期降水量下降趨勢(shì)顯著。降水量的兩條時(shí)間序列線在20世紀(jì)60年代存在一個(gè)突變點(diǎn)、70年代存在5個(gè)突變點(diǎn)，分別是1965、1970、1971、1972、1974和1976年，20世紀(jì)70年代降水情況處于波動(dòng)頻繁狀態(tài)。

圖2 1956-2016年漫水河流域年降水深和天然徑流深年際變化

圖3 1956-2016年漫水河流域年降水量和徑流量M-K突變檢驗(yàn)

徑流量M-K檢驗(yàn)中的UF曲線走勢(shì)表明，與降水量一樣，從1956年至今UF統(tǒng)計(jì)量均小于0，表明徑流量總體呈下降趨勢(shì)，從1956年到20世紀(jì)70年代初期，徑流量下降趨勢(shì)明顯。20世紀(jì)70年代UF曲線有較明顯的上升趨勢(shì)，這期間也是降水波動(dòng)頻繁時(shí)期，1979年開(kāi)始UF曲線急劇下降，這期間也是降水量減小時(shí)期，之后變化較為平穩(wěn)，但UF統(tǒng)計(jì)量均超出0.05顯著水平下限，2000年以后UF曲線下降趨勢(shì)顯著，UF統(tǒng)計(jì)量遠(yuǎn)超出0.05顯著水平下限，表明徑流量下降趨勢(shì)顯著。徑流量的兩條時(shí)間序列線，在信度線范圍內(nèi)的1980年有一個(gè)突變點(diǎn)。

5 降水量和下墊面對(duì)徑流量影響的定量表征

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，人類活動(dòng)導(dǎo)致下墊面的變化一般發(fā)生在20世紀(jì)80年代以后，根據(jù)突變檢驗(yàn)分析也可看到，漫水河流域徑流量在1980年有1個(gè)突變點(diǎn)，因此，近似假定1956-1979年間為受人類活動(dòng)影響相對(duì)較小的基準(zhǔn)期，建立這一時(shí)期的降水量-天然徑流量雙累積曲線關(guān)系，定量分析降水量和下墊面條件變化對(duì)徑流量的影響。圖4(a)為漫水河流域1956-1979年降水量和天然徑流深雙累積曲線關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98，相關(guān)程度較高。將1980-2016年累積降水量數(shù)據(jù)代入雙累積曲線關(guān)系式，計(jì)算該時(shí)段在假設(shè)下墊面條件與1956-1979相近條件下的累積徑流深，記為R擬合，R擬合與R天然徑流深對(duì)比如圖4(b)所示。

人類活動(dòng)對(duì)地表徑流的影響可劃分為水資源開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)的直接影響和下墊面漸變累積的間接影響。以1956-1979年為基礎(chǔ)期，對(duì)比1980-1989、1990-1999、2000-2009、2010-2016年不同時(shí)期模擬徑流深與1956-1979年天然徑流深、不同時(shí)期模擬徑流深與同期天然徑流深的變化，統(tǒng)計(jì)降水和下墊面條件變化對(duì)天然徑流深的影響，結(jié)果如表1所示。人類活動(dòng)對(duì)流域徑流量的直接影響可表示為1979年后實(shí)測(cè)徑流量R實(shí)測(cè)與天然徑流量R天然的差值，即對(duì)應(yīng)表1中的耗水量一列；人類活動(dòng)對(duì)流域徑流量的間接影響可表示為1979年后天然徑流量R天然與R擬合差值，即下墊面的影響，對(duì)應(yīng)表1中的下墊面影響一列；人類活動(dòng)對(duì)流域徑流量的綜合影響為1979年后實(shí)測(cè)徑流量R實(shí)測(cè)與R擬合的差值，即表1中耗水量與下墊面影響量之和。

圖4 1956-2016年不同時(shí)期降水量和天然徑流深雙累積曲線

表1 與1956-1979年相比不同時(shí)期降水量和下墊面對(duì)天然徑流深的影響

由表1可以看出，2000年以前流域耗水量為14.0～20.6 mm，2000年以后流域耗水量降到2.5～3.2 mm。與1956-1979年相比，除1990-1999外，其他時(shí)期下墊面對(duì)徑流減少的影響程度均大于降水量，并且降水量和下墊面對(duì)徑流深減少的影響程度相近，分別為44.9%、55.1%，47.9%、52.1%和44.5%、55.5%，而1990-1999年降水影響程度大于其他時(shí)期，為63.9%。

人類活動(dòng)直接影響和間接影響都促使徑流量減小，人類活動(dòng)的直接影響在20世紀(jì)90年代有所增加，2000-2016年趨于減?。蝗祟惢顒?dòng)的間接影響在1980-2016年期間呈現(xiàn)增大-減小-增大-穩(wěn)定趨勢(shì)；人類活動(dòng)的綜合影響在1990-1999年最小，2000年以后略有增加。

6 結(jié) 論

采用M-K方法對(duì)北京市漫水河流域降水量、天然徑流量進(jìn)行趨勢(shì)變化和突變性檢驗(yàn)分析，采用雙累積曲線分析降水量和徑流深關(guān)系，識(shí)別降水和下墊面對(duì)流域徑流的影響程度，主要結(jié)論如下:

(1)漫水河流域1956-2016年降水量和徑流量隨時(shí)間變化均呈遞減趨勢(shì)，且徑流量的下降趨勢(shì)更為顯著，特別是2000年以來(lái)徑流量減小明顯，徑流量在1980年有1個(gè)突變點(diǎn)。

(2)以1956-1979年為基準(zhǔn)期，劃分1980-1989、1990-1999、2000-2009、2010-2016年4個(gè)時(shí)期，與1956-1979年相比，除1990-1999年外，其他時(shí)期下墊面對(duì)徑流量減少的影響程度均大于降水量，分別為44.9%和55.1%、47.9%和52.1%、44.5%和55.5%，而1990-1999年降水量影響程度最大，為63.9%。1980-2016年降水量和下墊面對(duì)徑流影響的平均貢獻(xiàn)率為49.3%和50.7%。

(3)人類活動(dòng)的直接影響和間接影響都促使徑流量減小，流域內(nèi)耗水、水利工程調(diào)蓄水等人類活動(dòng)的直接影響在2000年以后趨于減小，人類活動(dòng)的間接影響即下墊面變化在1980-2016年期間呈現(xiàn)增大-減小-增大-穩(wěn)定趨勢(shì)。