彈性系數(shù)法在定量分析氣候變化與人類活動對徑流影響中的應(yīng)用

李 爽

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

近年來，對水文過程受人類活動和氣候變化影響的定量分析已成為目前水文研究領(lǐng)域的主要方向和熱點問題。水資源受氣候變化的影響如氣溫的升高所表現(xiàn)出的特征主要有加速地表水入滲和土壤水分的蒸發(fā)、加快融雪速度及增大風(fēng)暴潮風(fēng)險。調(diào)節(jié)徑流的人類活動如水土保持工程措施可在一定程度上增大徑流下滲量、減少洪峰流量并延長匯流時間，最終使得流量過程曲線趨于平緩和穩(wěn)定，由此表明人類活動和氣候環(huán)境的改變是決定徑流發(fā)生變化的關(guān)鍵性因素，尤其是在河川徑流過程中其作用更加顯著。Christensen等[1]基于氣候模式數(shù)據(jù)對Colorado流域在不同時期的氣候變化狀況利用VIC大尺度流域水文模型開展了研究；ThanapaKpawin等[2]以泰國MaeCheam流域為例對林地變耕地和退耕還林兩種方案的人類活動利用CHSVM法進(jìn)行水循環(huán)影響研究；Guimberteau等[3]以亞馬孫河流域為例對氣候變化和森林砍伐引起的水文影響利用多種模型分析；李志等[4]以黑河流域為例利用雙累積曲線和Mann-Kendall法對人類活動和氣候變化引起的徑流影響研究，研究認(rèn)為引起徑流減少的決定性因素為人類活動；張連鵬[5]結(jié)合TOPMODLE模型并利用BUDYKO假設(shè)對人類活動和氣候變化引起的徑流改變開展研究；莫淑紅等[6]基于流域徑流突變和序列變化趨勢探討了徑流形式與人類活動和氣候變化之間的作用關(guān)系。

本文結(jié)合我國北方半干旱區(qū)域徑流變化影響因素相關(guān)研究成果，并以大凌河為研究對象[7]，利用1986—2015年該流域水文氣象數(shù)據(jù)資料分別從徑流、降雨和蒸發(fā)能力三要素進(jìn)行趨勢預(yù)測分析，將研究期間按照徑流序列突變點劃分徑流影響期和基準(zhǔn)期，對大凌河流域徑流受氣候變化和人類活動的作用影響利用彈性系數(shù)法進(jìn)行定量的分析和預(yù)測，以期為該流域水資源的科學(xué)管理和開發(fā)利用提供一定的決策依據(jù)和依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

大凌河流域1986—2015年的蒸散發(fā)能力、徑流和降雨數(shù)據(jù)為本文相關(guān)分析的數(shù)據(jù)來源，然后在對各原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行自相關(guān)檢驗并將無關(guān)數(shù)據(jù)剔除[8]。大凌河流域位于遼寧省西部，流域大小支干交錯，全長398km，所占面積約為2.35萬km2，是遼寧省重要的生活用水及工農(nóng)業(yè)用水的主要來源之一。資料顯示9—10月為該流域降雨旺季，約占全年降雨量的62.7%，年降水量為450—600mm，徑流量約為16.67億m3，屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均溫度為8.5～12.7℃。本文以朝陽水文監(jiān)測站為流域出口，該水文監(jiān)測站多年平均水流徑流深度為538.6mm。

科學(xué)合理的水文參數(shù)的選定是決定預(yù)測結(jié)果精確性與可靠性的主要因素[9]，據(jù)此本文結(jié)合大凌河相關(guān)水文資料，并考慮朝陽水文站的地形地貌特征，選擇具有代表性的降雨量P、蒸散發(fā)E0以及徑流量Q為水文循環(huán)參數(shù)，對引起該流域徑流演化發(fā)生改變的關(guān)鍵性因素進(jìn)行分析。根據(jù)遼寧省氣象監(jiān)測站現(xiàn)有的降雨和蒸散發(fā)數(shù)據(jù)利用Mann-Kendall法對研究區(qū)域內(nèi)各點的降雨和潛在蒸散發(fā)進(jìn)行計算，并取計算結(jié)果的平均值；采用朝陽水文站的河流監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究區(qū)域的徑流數(shù)據(jù)來源，并以1986—2015年期間為研究的年數(shù)據(jù)序列。

1.2 理論方法

假定pi為xi，xj(j>i)中序列xi

(1)

對流域徑流序列突變點利用Mann-Kendall突變檢驗法進(jìn)行初步檢驗并對突變程度的強(qiáng)弱利用Hurst系數(shù)法進(jìn)行分析。據(jù)此對突變檢驗的過程和基本理論本文僅作簡要的概述和分析，而突變程度的分析方法和過程參考相關(guān)文獻(xiàn)的介紹。

引入mi為樣本yj小于yi的累積數(shù)量，因此對于原始時間序列x1,x2,,xn統(tǒng)計量如下：

(2)

原始序列在互相獨立的條件下，dk方差和均值計算公式分別如下：

(3)

將上述公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，如下：

(4)

利用UFk計算結(jié)果可形成一條UF，對該曲線的變化趨勢可利用檢驗新都進(jìn)行確定。利用上述過程和計算方法可再獲取UB曲線，因此在置信區(qū)間內(nèi)兩條曲線可形成相交點該點即為突變點。本研究顯著性檢驗給定值a為0.05，UB和UF統(tǒng)計量的臨界值為正負(fù)1.98。

利用人類活動H和氣候變量C的函數(shù)關(guān)系可表示流域徑流量Q，表達(dá)式如下：

Q=f(C,H)

(5)

式中，C—氣候變量；H—人類活動如土地利用、土壤和地形等綜合作用結(jié)果。

因此，流域徑流變化和總徑流變化可分別采用下述公式進(jìn)行確定：

ΔQ=ΔQc+ΔQH

(6)

ΔQ=ΔQobs,1-ΔQobs,2

(7)

式中，ΔQ—在研究期間內(nèi)流域徑流的總變化；ΔQH、ΔQC—分別為人類活動和氣候變化引起的徑流改變；ΔQobs,1、ΔQobs,2—分別為基準(zhǔn)期和影響期徑流量平均值。

采用下述公式代表流域徑流受氣候變化的作用影響：

(8)

式中，dp、dEo—分別為降水和潛在蒸散發(fā)的變化；εp、εEo—分別為降雨和蒸散發(fā)在徑流條件下的彈性系數(shù)。

εp=1+θF′(θ)/(1-F(θ))

(9)

采用Burc-Pike公式代表上述公式中F(θ)的具體函數(shù)形式，如下：

f(x)=(1+x-2)-0.5

(10)

2 結(jié)果與分析

2.1 趨勢檢驗結(jié)果

降雨、蒸散發(fā)能力以及徑流距平序列計算如圖1所示，由圖1可以看出大凌河流域蒸發(fā)能力距平序列整體以5.56mm/10a的速率上升，其中正平距主要發(fā)生在2000年左右，由此表明蒸散發(fā)量隨著近期全球氣候變暖而逐漸增大。蒸散發(fā)序列利用Mann-Kendall趨勢檢驗結(jié)果顯示U值為2.18，由此進(jìn)一步說明該序列整體表現(xiàn)出顯著的上升趨勢。

圖1 大凌河流域1986—2015年蒸散發(fā)能力距平序列

降雨量距平序列檢驗結(jié)果如圖2所示，圖2表明降雨量距平整體以14.1mm/10a的速率下降并且下降幅度和趨勢較為顯著，下降趨勢較為顯著；降雨量在1990年后出現(xiàn)負(fù)距平，由此進(jìn)一步表明降雨量在近年來逐漸低于降雨量序列平均值，降雨在1990年以后逐漸表現(xiàn)出下降趨勢，趨勢檢驗結(jié)果顯示U值為-1.62并表明降雨序列的降低趨勢并不十分顯著。

圖2 大凌河流域在1986—2015年的降雨距平序列

徑流距平序列檢驗結(jié)果如圖3所示，徑流距平整體以7.6mm/10a的速率下降，在研究期間呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢；徑流距平序列的突變點與降雨量距平保持良好的一致性，趨勢在1990年后呈現(xiàn)出負(fù)距平。由此表明，在1990年以后徑流量序列平均值基本高于各年際徑流；趨勢檢驗結(jié)果為-2.66表明徑流序列具有顯著的減少趨勢。

圖3 大凌河流域在1986—2015年的降雨距平序列

2.2 突變檢驗結(jié)果

利用突變檢驗法對大凌河流域徑流序列進(jìn)行檢驗，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知UB和UF曲線的相交點為1994年，由此說明1994年為該流域徑流序列突變的發(fā)生節(jié)點，徑流序列一致性在突變后發(fā)生嚴(yán)重的破壞。并且，對徑流序列突變程度的強(qiáng)弱利用Hurst系數(shù)法進(jìn)行分析其系數(shù)為0.71，結(jié)合大凌河流域在近年來的徑流實際情況和相關(guān)文獻(xiàn)建立變異程度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

圖4 徑流突變檢驗結(jié)果

相關(guān)函數(shù)C/tHurst系數(shù)/h變異程度[0,γα)[0.5,hα)無[γα,γβ)[hα,hβ)弱[γα,0.6)[hβ,0.84)中度[0.6,0.8)[0.84,0.92)強(qiáng)[0.8,1.0)[0.92,1.0]巨

然后按照此標(biāo)準(zhǔn)將Hurst系數(shù)進(jìn)行等級劃分，結(jié)果表明該流域徑流序列突變處于中度偏弱變異程度。因此，可將研究期間1986—2015年以1994年為基準(zhǔn)點劃分為1986—1993年的基準(zhǔn)期和1994—2015年的變化期，然后對不同期間大凌河流域人類活動和氣候變化對徑流的作用進(jìn)行定量的分析。大凌河徑流特征參數(shù)在突變前后的變化狀況見表2。

表2 大凌河徑流特征參數(shù)突變前后對比表

2.3 彈性系數(shù)法定量分析結(jié)果

以1994年為突變年分界點可將1986—2015年劃分為1986—1993年的基準(zhǔn)期和1994—2015年的變化期。大凌河流域基準(zhǔn)期和變化期的平均降雨量計算結(jié)果分別為612.2mm和560.5mm，降雨量平均值減少約51.7mm；蒸散發(fā)平均值計算結(jié)果分別為842.6mm和876.2mm，整體增大了約33.6mm；徑流量平均值分別為7.86mm和2.41mm，具有較為明顯的降低趨勢，平均值減少約為5.45mm。

然后結(jié)合干燥指數(shù)具體內(nèi)涵和計算方法求得大凌河流域干燥指數(shù)為1.72，因此采用文中所述相關(guān)公式可求得實際蒸發(fā)量為0.88。最終可求得徑流對降雨、蒸發(fā)的彈性系數(shù)分別為2.61和-1.58，其具體含義為每減少一個單位的降雨量或增大一個單位的蒸發(fā)量將到導(dǎo)致2.61個單位徑流量的減少和1.58個單位徑流量的增加。最后利用公式(8)得到氣候變化和人類活動引起的徑流減少量分別為1.886mm和4.10mm。綜上所述，大凌河流域氣候變化和人類活動引起的徑流變化率分別為32%和68%。

綜上所述，可從以下幾個方面對分析氣候變化和人類活動對大凌河流域的徑流影響：

(1)溫度的變化可對降水和水汽動力造成影響，且在通常情況下氣溫和蒸散發(fā)為正相關(guān)性；大凌河流域為我國氣溫變化敏感區(qū)域，氣溫的升高可促進(jìn)蒸散發(fā)量并降低河道徑流[10]。

(2)降水是影響河道徑流的關(guān)鍵因素，大凌河徑流補(bǔ)給主要是來源于降雨；通常條件下降雨與徑流變化為正相關(guān)性，文中結(jié)論為每降低一個單位的降雨量可減少2.61個單位徑流量；大凌河流域在近年來降雨量為下降趨勢，由此表明雨量的減少也是引起徑流降低的主要因素。

(3)徑流受人類活動的影響主要體現(xiàn)在流域下墊面的改變引起徑流變化和水資源的開發(fā)利用造成徑流減少兩個方面。大凌河流域人類活動影響主要可表現(xiàn)為地下水的開采利用、人口數(shù)量的增大以及農(nóng)牧業(yè)發(fā)展所需用水量的增大。

3 結(jié)語

(1)大凌河流域蒸發(fā)量在研究期間以5.56mm/10a的速率上升；降雨量整體以14.1mm/10a的速率下降并且下降幅度和趨勢較為顯著；徑流以7.6mm/10a的速率下降且在研究期間呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。

(2)1994年為該流域徑流序列突變的發(fā)生節(jié)點，徑流序列一致性在突變后發(fā)生嚴(yán)重的破壞，Hurst系數(shù)為0.71屬于中度偏弱變異程度；以1994年為突變年分界點可將1986—2015年劃分為1986—1993年的基準(zhǔn)期和1994—2015年的變化期。

(3)徑流對降雨、蒸發(fā)的彈性系數(shù)分別為2.61和-1.58，即每減少一個單位的降雨量或增大一個單位的蒸發(fā)量將到導(dǎo)致2.61個單位徑流量的減少和1.58個單位徑流量的增加，人類活動是影響徑流變化的主導(dǎo)因素。

(4)考慮到人類對氣候系統(tǒng)認(rèn)識的局限性，對流域水文循環(huán)于氣候變化之間的相互作用關(guān)系為一個相對困難和復(fù)雜的過程，因此在預(yù)測分析過程中仍存在一定的人為主觀判斷和不確定性、隨機(jī)性，在未來對氣候環(huán)境的影響作用仍有待深入的分析和探討。