氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)海河山區(qū)流域徑流的影響

王賀年，張曼胤?，崔麗娟，余新曉

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，100091，北京；2.濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100091，北京；3.北京林業(yè)大學(xué)，100083，北京)

海河流域人口眾多，大中城市密集，人水矛盾十分突出，地區(qū)水資源缺乏十分嚴(yán)重。其山區(qū)部分是整個(gè)流域的主要集水區(qū)域，對(duì)海河流域山區(qū)水文過程變化的分析對(duì)流域水資源規(guī)劃與管理具有重要的意義。

近些年來，各國(guó)學(xué)者在河川徑流歸因分析和氣候變化影響評(píng)價(jià)等方面開始了大量研究[1-3]。水文模型是流域水文過程分析中應(yīng)用最為廣泛的方法，主要有分布式水文模型與集總式水文模型2類。分布式水文模型是流域水文過程研究中應(yīng)用最為廣泛的研究方法[4-6]，但由于參數(shù)眾多，在參數(shù)率定等方面需要耗費(fèi)大量精力[7]。集總式概念模型主要利用一些相關(guān)的理論定律和理論假設(shè)來分析流域水文過程機(jī)理，相比分布式水文模型更為簡(jiǎn)便易行。以Budyko假設(shè)為基礎(chǔ)的流域水熱耦合平衡模型是集總式概念模型的典型代表，也是研究氣候變化對(duì)流域水文過程影響應(yīng)用最為廣泛的理論模型之一[8-9]。

本研究以海河流域山區(qū)為研究區(qū)域，分別應(yīng)用基于Budyko假設(shè)的概念模型和雙累積曲線法分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)研究區(qū)徑流變化的影響，明確各自的影響量和貢獻(xiàn)率，旨在為海河流域水資源管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

基于海河流域水資源三級(jí)分區(qū)以及流域數(shù)字高程(DEM)概況，本研究劃分出海河山區(qū)的主要范圍(圖1)，能夠覆蓋流域范圍內(nèi)的所有山區(qū)部分。研究區(qū)域處于E 111°57′～119°35′和N 35°3′～42°43′之間，海拔0～3 000 m，總面積約為18.64萬km2。海河流域山區(qū)大陸性季風(fēng)氣候明顯，年降水約500 mm左右，冬季寒冷少雪，春季風(fēng)大干燥，夏季濕潤(rùn)多雨，秋季干爽雨少。研究區(qū)主要土地利用類型為林地與草地，森林類型主要為針闊混交林與落葉闊葉林，主要的土壤類型為褐土和棕壤，土層一般較薄，深度多不足1 m。

圖1 海河流域山區(qū)位置及概況Fig.1 The location of Haihe mountainous area

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所需流域水文過程數(shù)據(jù)主要來源于中國(guó)水文年鑒海河流域卷，各水文站位置如圖1所示，數(shù)據(jù)時(shí)間序列為1957—2000年。氣象相關(guān)數(shù)據(jù)均來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/)，各氣象站位置如圖1所示，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括降水量、蒸發(fā)量、相對(duì)濕度、氣溫、氣壓、日照時(shí)間、地面輻射、風(fēng)向風(fēng)速等。DEM數(shù)據(jù)主要提取于中國(guó)90 m分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)集。

2.2 計(jì)算模型

Budyko(1974)[10]對(duì)流域尺度上的水熱耦合關(guān)系提出一個(gè)假設(shè)理論，認(rèn)為流域多年平均蒸散發(fā)受降水和潛在蒸散發(fā)影響，可簡(jiǎn)單地表達(dá)為

(1)

式中：ET為流域?qū)嶋H蒸散發(fā)量，mm；P為降水量，mm；EP為流域潛在蒸散發(fā)量；φ為干燥度指數(shù)，φ=EP/P。

Milly等[11]基于Budyko假設(shè)理論，提出氣候變化導(dǎo)致的徑流變化量

ΔQclimate=βΔP+γΔEP；

(2)

β=1-f(φ)+φf′(φ)；

(3)

γ=-f′(φ)。

(4)

式中：ΔP和ΔEP分別為降水和潛在蒸散發(fā)的變化量；β和γ為2個(gè)量綱為1的常數(shù)，分別表示單位降水和潛在蒸散發(fā)的變化量所引起的流域徑流變化量。

在f(φ)的各種表達(dá)式中，Zhang等[12]以全球250個(gè)流域?yàn)闃颖窘M進(jìn)行模擬，對(duì)公式(3)中的函數(shù)f進(jìn)行具體化，提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的雙參數(shù)模型：

(5)

式中ω為一量綱為1的參數(shù)，Zhang等[12]在文章中提出ω的建議值，即林地為2.0，草地與耕地為0.5。

應(yīng)用該模型，則β和γ(公式(3)和(4))的計(jì)算公式為

(6)

(7)

筆者采用雙累積曲線的方法來計(jì)算人類活動(dòng)對(duì)流域徑流的影響。其基本的步驟為：對(duì)基準(zhǔn)期逐年累積降水量∑P和逐年累積徑流量∑Q2列數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，擬合兩者之間的關(guān)系方程

∑Q=a∑P+b。

(8)

將變化期的∑P代入公式中求得變化期的累積徑流深模擬值∑Q′，基于模擬值∑Q′反推得到逐年的徑流深模擬值Q′，則變化期徑流量的實(shí)測(cè)值與模擬值的平均值的差即為人類活動(dòng)對(duì)流域徑流的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域水文過程及氣候年際變化特征

研究區(qū)1957—2000年逐年降水、徑流、氣溫及潛在蒸散發(fā)量變化(圖2)顯示，海河流域山區(qū)降水(P)、徑流(Q)和潛在蒸散發(fā)量(EP)均呈下降趨勢(shì)，而氣溫(T)為上升的趨勢(shì)。應(yīng)用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)分析方法，對(duì)上述水文氣象因子進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，P、Q、T、EP的統(tǒng)計(jì)量Z值分別為-1.47、-2.73、3.99、-2.38，結(jié)果表明：除降水外，各因子的統(tǒng)計(jì)量Z值的絕對(duì)值|Z|均>1.96，這說明研究區(qū)氣候變化達(dá)到顯著水平。

圖2 海河流域山區(qū)水文及氣候演變規(guī)律Fig.2 The evolution of hydrology and climate in Haihe mountainous area

研究區(qū)逐年徑流量Mann-Kendall突變檢驗(yàn)分析結(jié)果如圖3所示，結(jié)果表明，統(tǒng)計(jì)值UF和UB2條曲線在1980年出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且位于臨界線(0.05顯著水平的置信區(qū)間Y=±1.96)內(nèi)，表明研究區(qū)徑流數(shù)據(jù)序列在1980年發(fā)生突變。

圖3 海河流域山區(qū)年徑流量Mann-Kendall突變檢驗(yàn)Fig.3 Mann-Kendall mutation test of annual streamflow in Haihe mountainous area

3.2 氣候變化對(duì)區(qū)域徑流的影響

基于對(duì)徑流的Mann-kendall突變分析，將突變前后2段研究時(shí)段劃分為基準(zhǔn)期(1957—1979)和變化期(1980—2000)。圖4表明了不同時(shí)期的徑流量對(duì)比，研究區(qū)基準(zhǔn)期的多年平均徑流量為115.12 mm，變化期的多年平均徑流量為69.94 mm，徑流總變化量ΔQ為減少了45.18 mm；基準(zhǔn)期年平均降水量為518.88 mm，變化期年平均降水量為477.68 mm，降水量的變化量ΔP為41.20 mm；基準(zhǔn)期年平均潛在蒸散發(fā)量為962.84 mm，變化期年平均潛在蒸散發(fā)量為930.47 mm，ΔEP為32.37 mm。

圖4 海河流域山區(qū)不同時(shí)期多年平均徑流量對(duì)比Fig.4 Comparison of streamflow in different periods in Haihe mountainous area

基于研究區(qū)多年平均降水量與潛在蒸散發(fā)量，計(jì)算可得研究區(qū)干燥度指數(shù)值φ，依據(jù)ω值的參考值，代入公式(6)與公式(7)中，通過計(jì)算，得到研究區(qū)β值約為0.338 3，γ值約為-0.094 4。

對(duì)研究區(qū)2個(gè)研究時(shí)段水文要素對(duì)比結(jié)果表明，變化期(1980—2000年)的降水量變化量ΔP為41.20 mm，而潛在蒸散發(fā)量ΔEP為32.37 mm；因此，經(jīng)計(jì)算可得，ΔQP為減少13.94 mm，ΔQEp為增加3.05 mm，即氣候變化導(dǎo)致的徑流變化量ΔQclimate為10.89 mm，其中降水的貢獻(xiàn)率為82.05%，潛在蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)率為17.95%。

3.3 人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域徑流的影響

基于海河上游山區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列的逐年降水及徑流數(shù)據(jù)，對(duì)降水和徑流2個(gè)序列變量進(jìn)行雙累積曲線分析，結(jié)果如圖5所示。

圖中表明，研究區(qū)累積降水量與累積徑流量之間的相關(guān)關(guān)系在1979年發(fā)生明顯的變化，表明在1979年后人類活動(dòng)開始對(duì)流域徑流有明顯的影響，而依據(jù)雙累積曲線分析方法，1979年后的累積降水量與累積徑流量的擬合直線與1957—1979年的擬合直線間的變化反映了人類活動(dòng)的影響量。結(jié)果表明，1980—2000實(shí)測(cè)年平均徑流量Q為65.55 mm，而反推結(jié)果表明，無人類活動(dòng)影響下的模擬逐年徑流量Q′為99.42 mm，由此可知，人類活動(dòng)導(dǎo)致的徑流變化量ΔQhuman為33.87 mm。

圖5 海河山區(qū)降水量與徑流量雙累計(jì)曲線圖Fig.5 Cumulative curves of precipitation and streamflow in Haihe mountainous area

3.4 貢獻(xiàn)率分析

在上述研究中，ΔQhuman為33.87 mm，ΔQclimate為10.89 mm，因此ΔQclimate+ΔQhuman為44.76 mm，而實(shí)際ΔQ為45.18 mm，2個(gè)值之間的差為模擬的誤差值0.42 mm，誤差率僅為0.92%，結(jié)果表明本研究的計(jì)算結(jié)果誤差較小。對(duì)研究區(qū)氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)流域徑流的的影響量及貢獻(xiàn)率的結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明，流域徑流變化過程中，人類活動(dòng)影響的貢獻(xiàn)率為74.97%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣候變化的影響24.11%，這說明，海河上游山區(qū)徑流減少的主要因素是人類活動(dòng)的影響。

表1 海河山區(qū)氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)流域徑流影響的貢獻(xiàn)率

注：ΔQ為流域徑流總變化量，mm；ΔQclimate為氣候變化影響量，mm；ΔQhuman為人類活動(dòng)影響量，mm。Notes: ΔQis the total change value of streamflow；ΔQclimateis the effect value of climate change； ΔQhumanis the effect value of human activities.

4 結(jié)論與討論

本研究以海河流域山區(qū)部分為研究區(qū)域，分別對(duì)研究區(qū)徑流年際變化過程中氣候變化和人類活動(dòng)的影響進(jìn)行分析，研究結(jié)論如下。

1)研究區(qū)降水、徑流及潛在蒸散發(fā)均存在明顯的下降趨勢(shì)，氣溫存在明顯的上升趨勢(shì)，區(qū)域水文過程及氣候變化明顯。流域徑流突變分析結(jié)果表明，其在1980年發(fā)生突變。

2)研究區(qū)變化期(1980—2000)流域徑流相比基準(zhǔn)期(1957—1979)減少45.18 mm，其中氣候變化的影響量為10.89 mm，其貢獻(xiàn)率為24.11%。

3)人類活動(dòng)是影響海河山區(qū)流域徑流變化的主要因素，其對(duì)研究區(qū)徑流變化的影響量為33.87 mm，貢獻(xiàn)率為74.97%。

眾多研究均表明，影響流域徑流的因素可以籠統(tǒng)的概況為氣候變化與人類活動(dòng)2方面[13-15]。氣候變化通過氣溫、輻射、風(fēng)速等的變化改變了水資源的循環(huán)及其分布，同時(shí)對(duì)干旱洪澇極端水文事件產(chǎn)生直接影響[16]，對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[17]?；贐udyko假設(shè)的流域水熱耦合平衡模型是水熱平衡的典型代表，也是研究氣候變化對(duì)流域水文過程影響應(yīng)用最為廣泛的理論基礎(chǔ)之一[8-9]。由Budyko假設(shè)理論可知，氣候變化對(duì)流域徑流的影響主要是由于降水和潛在蒸散發(fā)的變化引起的[11]；因此，本研究基于降水與潛在蒸散發(fā)的分析來反映氣候變化對(duì)流域徑流的影響。

人類活動(dòng)通過改變下墊面類型從而影響區(qū)域水循環(huán)過程，其對(duì)流域徑流的影響有眾多因素，如土地利用變化、水利工程、水資源開發(fā)等等均有明顯的影響，海河流域是受人類活動(dòng)影響最為嚴(yán)重的區(qū)域之一。而大多數(shù)研究均表明，人類活動(dòng)對(duì)流域徑流的影響要遠(yuǎn)大于氣候變化的影響[18]，筆者的結(jié)果也表明，海河山區(qū)流域徑流變化過程中，氣候變化的貢獻(xiàn)率僅為24.11%，而人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率則達(dá)74.97%。這主要與研究區(qū)水利設(shè)施興建有關(guān)，海河流域山區(qū)現(xiàn)已修大型水庫(kù)33座，總庫(kù)容249億m3，控制山區(qū)面積的85%，眾多水庫(kù)等水利設(shè)施的建設(shè)對(duì)流域徑流產(chǎn)生明顯的影響。