氣候變化和人類活動對海河流域徑流變化的影響

王 磊

(河北省衡水水文水資源勘測局，河北 衡水 053000)

0 引 言

河流徑流量的變化既受氣候變化的影響，也受人類活動的影響[1]。氣候變化導(dǎo)致溫度上升和降水的空間分布格局的變化，其對區(qū)域徑流量的變化具有重要影響[2]。人類活動如森林砍伐、土地利用變化、灌溉和水庫大壩建設(shè)等也影響著徑流的變化[3-5]。在過去幾十年中，水量和水質(zhì)的惡化已成為流域或區(qū)域范圍內(nèi)水資源管理所面臨的日益嚴(yán)重的問題[6]。

海河流域是一個缺水地區(qū)，其在過去經(jīng)歷過長期干旱。近年來，山區(qū)的徑流急劇減少。大多數(shù)河流的年徑流量都有減少的趨勢，比如灤河、潮白河、漳河。目前，大多數(shù)研究都應(yīng)用水文模型來分析氣候變化和人類活動對徑流變化的影響，如VIC模型和GBHM模型等[7]。雖然這些模型是該方向研究的有力工具，但研究結(jié)果具有許多不確定性，這主要是由模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)校準(zhǔn)和換算比例的缺陷造成的[8]。此外，水文模型需要大量的輸入數(shù)據(jù)[9]。作為替代以上的方法，統(tǒng)計分析已被證明是對徑流響應(yīng)的各種影響因素檢驗的有效選擇[10]。長期記錄的水文數(shù)據(jù)間接展示了其受氣候和土地覆蓋變化造成的影響。從長期水文數(shù)據(jù)中分析這種變化不僅可以了解匯水區(qū)的徑流變化，還可以解讀氣候變化和人類活動對其造成的影響[11]。由于河北省內(nèi)的海河流域人類活動強(qiáng)烈[12]，因此本文的研究目的為:①分析海河流域年徑流及季度徑流的突變及趨勢變化；②分析氣候變化(降水和蒸散發(fā)量)及人類活動(水庫水量調(diào)節(jié)和土地利用變化)對徑流變化影響的貢獻(xiàn)率。

1 研究區(qū)概況

本文以河北省境內(nèi)的海河流域為研究區(qū)，N39°44′-N42°44′，E115°33′-E119°36′。該區(qū)域總面積為44 618 km2，占海河總流域面積的17.06%。地形以低山丘陵地貌為主，高程范圍為28～2 171 m。該地區(qū)屬于半濕潤的大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度為9.5℃。降水量在時間上分布不均勻，6～9月份的降水量占全年的80%以上[13]。年平均降水量為527 mm。從多年月降水量的平均值(圖1)可以看出，7月份的降水量最大，其次為8月份，其降水量分別為166.2和144.6 mm。

圖1 多年平均月降水量

2 數(shù)據(jù)來源

本文采用的年降水量和徑流量數(shù)據(jù)(36個雨量站及8個水文站)來自中國水文年鑒。這些數(shù)據(jù)目前尚未公布，但已打印出來供內(nèi)部使用。12個氣象站數(shù)據(jù)來自國家氣象信息中心氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)( http://data.cma.cn/)，1979、1990、1995和2000年4期土地利用數(shù)據(jù)來自國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http://www.geodata.cn/)。

3 研究方法

3.1 Mann-Kendall趨勢檢驗

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗被廣泛用于檢測氣象要素時間序列的趨勢變化及是否發(fā)生顯著性變化，其計算方法如下[14]：

定義統(tǒng)計量S：

(1)

(2)

趨勢計算公式為：

(3)

(4)

Z值被用于判斷時間序列的變化趨勢，當(dāng)Z大于0時，表明序列具有增加趨勢；當(dāng)Z小于0時，表明序列具有減少趨勢。在顯著性水平α下，當(dāng)|Z|≥Z1-α/2時，表明時間序列存在顯著性變化趨勢。

3.2 Mann-Kendall突變檢測

定義統(tǒng)計量Sk[14]：

(5)

(6)

定義統(tǒng)計量UF[14]：

(7)

(8)

(9)

將數(shù)據(jù)進(jìn)行逆序排列，采用上述公式計算得到UB，當(dāng)UF線與UB線的交點在±Uα之間時，且數(shù)據(jù)存在顯著性變化趨勢時候，說明交點為突變點。Uα為在顯著性水平α下，查正態(tài)分布表獲得的統(tǒng)計量值。

3.3 氣候變化和人類活動對徑流量的影響

氣候變化引起的年平均徑流量的變化為[15-17]：

ΔQclim=βΔP+γΔE0

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：ΔQclim為由氣候變化引起的徑流變化；ΔP為突變點前后降水量變化；ΔE0為突變點前后蒸散發(fā)量變化；β、γ為徑流對降水及潛在蒸散量的敏感系數(shù)；x為干燥指數(shù)；ω為植物水分利用效率。

人類活動對徑流變化的影響為：

Qhum=ΔQ-Qclim

(14)

式中：ΔQ為突變點前后徑流量的變化；Qhum為由人類活動引起的徑流變化。

4 結(jié)果分析

4.1 年徑流的趨勢及突變分析

趨勢分析有助于了解水文和氣候變量的長期變化特點。本文采用M-K法對1956-2000年的年徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。Z統(tǒng)計值為2.96，在0.01顯著性水平下表現(xiàn)為顯著性下降趨勢。圖2給出M-K突變檢驗結(jié)果，曲線的交點出現(xiàn)在1979年，其年徑流量在0.05顯著水平上存在突變。根據(jù)1979年的變化點，徑流量可以分為兩部分，分別為基準(zhǔn)期(1956-1979年)和變化期(1980-2000年)，見圖3。負(fù)的UF值表明年徑流量存在下降趨勢。在基準(zhǔn)時期年平均徑流量為108.35 mm，而變化時期的值僅為51.63 mm，變化時期的徑流量大幅減少了56.72 mm(52.34%)。

圖2 年平均徑流量趨勢及突變點檢測結(jié)果

圖3 1956-2000年年平均徑流量變化

4.2 氣候變化和人類活動對年徑流變化的影響

表1給出基準(zhǔn)期和變化期徑流及氣象因素的變化量。本文利用1960-2000年的氣象數(shù)據(jù)，采用Penman-Monteith模型[18-19]計算12個氣象站的潛在蒸散量。與基準(zhǔn)時期相比，變化期年降水量減少了51.90 mm(8.65%)，而潛在蒸散量變化不大，僅為6.94 mm，僅增加了0.71%。

表1 不同時期年平均徑流量、降水及蒸散發(fā)的變化量

本文土地利用的覆蓋范圍通過海河流域的土地利用圖獲得，根據(jù)1979、1990、1995和2000年的土地利用圖，可獲得不同土地利用覆蓋范圍的比例，見表2。

表2 不同土地利用方式所占的比例

由表2可以看出，不同土地利用方式所占比例的大小分別為：森林>草地>農(nóng)田>荒地>建設(shè)用地>水域，森林所占比例的平均值為41.02%，水域的均值為1.35%。根據(jù)式(10)計算可得，由氣候變化引起的徑流變化Qclim為23.19 mm，占40.89 %。而ΔQ為56.72 mm，因此由人類活動引起的徑流變化Qhum為33.53，占59.12%。

人類活動對河流徑流量的影響主要是由土地利用變化和水庫水量調(diào)節(jié)引起的。通過對比海河流域的基準(zhǔn)流量和調(diào)整流量，可以判斷水庫流量調(diào)節(jié)的效果。調(diào)整后的流量資料從水文局獲得。比較年觀測流量和調(diào)整流量，結(jié)果表明在基準(zhǔn)期(1956-1979年)，水庫對徑流影響較小，水庫流量減少僅為3.31 mm；而變化期影響明顯，減少流量為25.35 mm。因此，在總徑流變化ΔQ中，水庫的影響為22.04 mm，占38.86%。土地利用變化的影響為11.49 mm，占總徑流變化的20.26%。最終計算的氣候變化和人類活動對年徑流的影響見表3?？傮w來看，人類活動的影響大于氣候變化，在人類活動的影響因素中，水庫的影響大于土地利用變化，為其2倍左右。

表3 氣候變化和人類活動對徑流變化的影響

4.3 季節(jié)性徑流量的突變及趨勢變化

為了更好地分析氣候和人類活動對季節(jié)性徑流量變化的影響，根據(jù)其降水特征(圖1)，本文將年徑流量分為旱季(10月份至次年5月份)和雨季(6-9月份)。M-K突變點檢測的結(jié)果見圖4和圖5，在0.05顯著性水平下，季節(jié)性徑流量的突變點也發(fā)生在1979年。因此，季節(jié)性徑流量也可分為兩部分:基準(zhǔn)周期(1956-1979年)和變化周期(1980-2000年)。表4給出兩個時期之間降水和徑流量的變化。由表4可以看出，兩個季節(jié)的徑流量均表現(xiàn)出明顯的減少；雨季減少了56.36%，旱季減少了40.43%。雨季降水量減少了12.19%，而旱季降水量增加了4.84%。

圖4 雨季徑流M-K突變檢驗結(jié)果

圖5 旱季徑流M-K突變檢驗結(jié)果

表4 基準(zhǔn)期和變化期積極性降水量及徑流量的變化

4.4 氣候變化和人類活動對季節(jié)性徑流量的影響

為確定人類活動開始顯著影響徑流的時間，本文分析了1956-2000年的年徑流量和降水的雙累積曲線。雙累積曲線可以用來檢查降雨-徑流關(guān)系是否隨時間一致。曲線的顯著變化可表明降水以外的因素可能會對徑流變化造成影響徑流。在1956-1979年期間，本文的季度徑流量與降水之間呈一條直線變化。從1980年開始，干濕季節(jié)的徑流量均偏離了1980年以前延伸的直線(即延伸或預(yù)測線)，這表明自然產(chǎn)生的徑流比預(yù)測的要少。季節(jié)性累積徑流量與預(yù)測值之間的差異被稱為人類活動干擾引起的季節(jié)性流量偏差。這些徑流偏差是由于人類活動對海河流域季節(jié)性徑流的影響所造成的。計算結(jié)果表明，人類活動引起的徑流變化在雨季為-25.80 mm，在旱季為-11.95 mm。根據(jù)表5可知，徑流在雨季的整體變化為-45.69 mm，旱季為11.03 mm；氣候變化在旱季引起的徑流變化為-19.89 mm，在旱季為0.92 mm。對于人類活動對季節(jié)性流量的影響，水庫流量調(diào)節(jié)的影響也可通過實測流量和調(diào)節(jié)流量的比較來判斷，分析結(jié)果表明，水庫在雨季對徑流變化的影響為-18.04 mm，在旱季的影響為-5.24 mm。其次土地利用變化在雨季的影響為-7.76 mm，在旱季為-6.71 mm。氣候變化和人類活動對海河流域季節(jié)性流量的貢獻(xiàn)率見表5。結(jié)果表明，在雨季，氣候變化的影響占43.53%，人類活動占56.47%。人類活動的貢獻(xiàn)率中水庫調(diào)節(jié)占39.48%，而土地利用變化僅占16.99%。旱季河流流量的變化主要是由人類活動引起的，占92.85%，而氣候變化僅占7.15%。人類活動的貢獻(xiàn)率為92.85%，其中水庫調(diào)節(jié)占40.71%，土地利用變化占52.14%。

表5 在雨季和旱季氣候變化和人類活動對季節(jié)性徑流變化的影響

5 結(jié) 論

海河流域年徑流和季節(jié)性徑流的趨勢及突變分析結(jié)果表明，徑流有顯著的下降趨勢，其突變點出現(xiàn)在1979年；土地利用方式所占比例的大小分別為：森林>草地>農(nóng)田>荒地>建設(shè)用地>水域，森林和水域所占比例的平均值分別為41.02%和1.35%；對于年徑流量的變化，氣候變化的貢獻(xiàn)率為40.89%，人類活動為59.11%，其中水庫調(diào)節(jié)占38.86%，土地利用變化占20.26%，人類活動的影響大于氣候變化，其中水庫的影響大于土地利用變化，為其2倍左右。雨季徑流變化中，氣候變化占43.53%，人類活動占56.47%，其中水庫調(diào)節(jié)占39.48%，土地利用變化占16.99%。旱季徑流變化主要是由人類活動引起的，占92.85%，而氣候變化僅占7.15%；在人類活動的貢獻(xiàn)中，水庫調(diào)節(jié)占40.71%，土地利用變化占52.14%?？傊?，對于海河流域，無論是年徑流還是季節(jié)性徑流，人類活動對徑流變化造成的影響均大于氣候變化。