降雨與人類活動對阿蓬江徑流變化的影響

彭暢　平妍容　吳亞玲

摘 要：本文采用MK法對阿蓬江1961-2016年徑流序列進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)阿蓬江徑流呈減小趨勢;通過采用累積距平過程和滑動t檢驗(yàn)的方法分析濯河壩站降水徑流可能發(fā)生的突變點(diǎn)年份，并基于累積量斜率變化率比較方法，分析計算了徑流變化分別受降雨和人類活動影響的貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明，與1961—1984年基準(zhǔn)期相比，1984-2000年降水量和人類活動貢獻(xiàn)率分別為60.69%和39.31%，2000-2016年降水量和人類活動貢獻(xiàn)率為61.25%和38.75%。

關(guān)鍵詞：徑流變化;阿蓬江;降水;人類活動;貢獻(xiàn)率

中圖法分類號：P333? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2019.0411

隨著全球氣候變化和逐漸增強(qiáng)的人類活動影響，一些河流的徑流量發(fā)生了明顯減小的趨勢。張利茹等[1]認(rèn)為黃河、海河、遼河等北方河流的實(shí)測徑流量減小較為明顯;張建云等[2]研究表明，近50年來珠江、長江有不同程度的小幅下降;劉波等[3]研究表明受氣候變化和人類活動的雙重影響，長江上游重慶段的年徑流量持續(xù)減少。

河流徑流量與生態(tài)需水量息息相關(guān)，徑流量的減小會引起未來生態(tài)環(huán)境供水不足、生態(tài)修復(fù)不理想等許多嚴(yán)峻問題。阿蓬江是烏江重要一級支流，具有豐富的生態(tài)濕地和風(fēng)景旅游資源[4]。加強(qiáng)對阿蓬江生態(tài)濕地保護(hù)，充分發(fā)揮河流生態(tài)功能是阿蓬江流域非常重要的舉措。因此，通過查明阿蓬江徑流量的變化情況，并系統(tǒng)的分析引起徑流變化的原因和水資源演變規(guī)律的影響因素，為滿足阿蓬江水資源管理、健全生態(tài)環(huán)境保障體系、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)提供可靠實(shí)踐基礎(chǔ)。

隨著城市化進(jìn)程加快，流域徑流變化已不是以往隨氣候變化表現(xiàn)出有規(guī)律的時間變化特征，而是在一定程度上疊加了人類活動的影響。學(xué)者們在定性分析氣候變化與人類活動對徑流量變化的影響上做了很多研究，但在定量分析氣候與人類活動對徑流量變化的貢獻(xiàn)率方面，目前研究還不多。本文采用MK法分析阿蓬江降水徑流變化規(guī)律，通過累積距平過程和滑動t檢驗(yàn)法分析可能發(fā)生的突變點(diǎn)年份，并采用累積量斜率變化率比較法定量分析研究人類活動和氣候變化對徑流影響的貢獻(xiàn)率，揭示徑流變化的可能原因，為阿蓬江流域水資源和水生態(tài)管理提供一定的參考。

1? ?區(qū)域概況及研究方法

阿蓬江發(fā)源于湖北省利川市，為烏江下游右岸一級支流，全長249 km，全流域面積5 585 km2，平均比降1.89%，河口多年平均流量151m3/s。阿蓬江流域多年平均降水量為197.5mm，總量29.79億m3，屬次多雨區(qū)。降水量的季節(jié)分布，40%集中在夏季，冬季僅占5%左右，春季、秋季分別占29%和26%。

1.1? ?數(shù)據(jù)收集

研究選取阿蓬江濯河壩水文站為分析代表站，本次從重慶市水文監(jiān)測總站收集1961—2016年長系列水文徑流數(shù)據(jù)，部分年份缺測資料采用降雨徑流相關(guān)關(guān)系查補(bǔ)，徑流數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。降雨序列數(shù)據(jù)由阿蓬江及其鄰近流域的濯河壩、朝陽寺、黔江、小村、忠塘5個雨量站1961—2016年實(shí)測降雨資料按算術(shù)平均法計算得到。

1.2? ?研究方法

（1）Mann-Kendall法

MK統(tǒng)計檢驗(yàn)方法[5-6]是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗(yàn)方法，由于最初由Mann和Kendall提出原理，用于檢測序列變化趨勢。其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，適用于類型變量和順序變量。

當(dāng)給定顯著水平A后，可在正態(tài)分布表中查得臨界值，當(dāng)時，拒絕假設(shè)，即序列的趨勢性顯著。

（2）累積距平法

累積距平法[7]是一種較常用的判斷變化趨勢的方法，同時通過對累積距平曲線的觀察，也可以劃分變化的階段性。對于時間序列X，其某一時刻的累積距平表示為：

（3）滑動t檢驗(yàn)法

滑動t檢驗(yàn)[8]是通過考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗(yàn)突變。對于樣本量為n的時間序列x，人為設(shè)置某一時刻為基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)前后兩子序列x1和x2的樣本，量分別為n1和n1，兩段子序列平均值分別為 和 ，方差分別為s12和s22。定義統(tǒng)計量：

給定顯著性水平α，查分布表得到臨界值tα，若|ti|>tα，則認(rèn)為在基準(zhǔn)點(diǎn)時刻出現(xiàn)了突變，否則認(rèn)為基本點(diǎn)前后的兩段子序列均值無顯著差異。

（4）累積量斜率變化率比較法

累積量斜率變化率比較法[9]是假設(shè)累積徑流量—年份線性關(guān)系式的斜率在拐點(diǎn)前后兩個時期分別為SRb和SRa （單位都為：億 m3）;累積降水量—年份線性關(guān)系式的斜率在拐點(diǎn)前后兩個時期分別為 SPb和 SPa （單位都為：mm），則累積徑流量斜率變化率 （RSR：單位為%） 為：

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?徑流降水變化特征

本文采用MK法對濯河壩站作趨勢分析，序列結(jié)果如表1。給定顯著水平α=0.05，Uα/2=1.96則，結(jié)果表明，阿蓬江濯河壩站年徑流呈顯著減少趨勢，年降水量也顯著減少。

點(diǎn)繪濯河壩站1961—2016年徑流量、降雨量年際變化以及5點(diǎn)滑動平均值變化特征如圖1、圖2也可以看出，多年來徑流量、降水量呈逐漸偏小狀態(tài)，20世紀(jì)80年代中期以前，徑流量整體較均值偏大，20世紀(jì)80年代中期至20世紀(jì)90年代中期在均值附近浮動，20世紀(jì)90年代中期以后徑流較均值偏小明顯。降雨過程與徑流過程基本一致。結(jié)果與趨勢分析結(jié)果一致。

2.2? ?徑流量與降水量突變分析

本文主要采用累積距平過程對降水量、徑流量進(jìn)行突變年份分析，并選用滑動t檢驗(yàn)（5點(diǎn)滑動）方法對其進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)降雨、徑流累積距平過程分析表明（圖3），1984年和2000年徑流發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)折，為徑流突變年份。利用滑動t檢驗(yàn)（圖4）方法進(jìn)行驗(yàn)證表明，濯河壩站年徑流量、降水量2000年、1984年統(tǒng)計值超過顯著性水平，說明2000年、1984前后年徑流量、降水量變化發(fā)生較大改變，2000年較1984年突變更加明顯?；瑒觮檢驗(yàn)檢測結(jié)果與累積距平分析結(jié)果一致，阿蓬江流域濯河壩站徑流降水發(fā)生突變的可能年份認(rèn)為是1984年、2000年（見圖5）。

2.3? ?突變年份分割時期的徑流量、降水量與年份之間的關(guān)系

根據(jù)可能發(fā)生突變年份將徑流量、降水量變化劃分為3個時段，時段1：1961—1984、時段2：1984-2000、時段3：2000-2016。阿蓬江流域在20世紀(jì)80年代以前，人類活動相對輕微，突變點(diǎn)1984反映了之前徑流量變化主要受到降水量變化的影響，可以將1961—1984年看作基準(zhǔn)時期。通過劃分的時段建立不同時段累積徑流量、累積降水量與年份之間的關(guān)系，分別擬合出線性關(guān)系式。見表2和圖6a、圖6b。

上述各關(guān)系式的擬合程度都非常高，相關(guān)系數(shù)R都在0.997以上。

2.4? ?降水量和人類活動對徑流量減小的貢獻(xiàn)率分析

從表3看出，時段2與時段1相比，累積徑流量斜率減少4.812億m3，減小率為13.99%。同時期累積降水量斜率減少119.0mm，減小率為8.49%，根據(jù)公式 （6）、（7）計算結(jié)果可知（見表4），與基準(zhǔn)期相比，1984-2000年降水量對徑流量貢獻(xiàn)率為60.69%，而人類活動對徑流量貢獻(xiàn)率為39.31%。

時段3與時段1相比，累積徑流量斜率減少8.239億m3，減少率為23.95%，同時期相比，累積降水量斜率減少205.5mm，減少率為14.67%，根據(jù)公式 （6）、（7）計算結(jié)果表明（見表4），與基準(zhǔn)期相比，2000-2016年降水量對徑流量貢獻(xiàn)率為61.25%，而人類活動對徑流量減小的貢獻(xiàn)率為38.75%。

綜合以上分析結(jié)果表明，1984—2000年、2000—2016年降水量貢獻(xiàn)率分別為60.69%、61.25%，人類活動貢獻(xiàn)率分別為39.31%、38.75%。兩個時期徑流變化受氣候和人類活動共同作用影響，但均受氣候變化影響占主導(dǎo)地位。

20世紀(jì)80—90年代，人類活動漸強(qiáng)，亂砍亂伐引起下墊面變化導(dǎo)致水土流失[10]，阿蓬江流域此時正處于水電開發(fā)的初期，陸續(xù)建成并投入運(yùn)行了大河口、朝陽寺等多座不完全年調(diào)節(jié)水庫，人類活動的加劇和下墊面條件改變對徑流變化有著一定影響。鄔玉琴[11] 對烏江流域降雨特征分析時表明烏江流域1956—2014年中有3個顯著少雨期，即1957—1962，1984—1990和2008—2014年，顯著少雨期給徑流減小帶來了較大影響。邵駿[12]等通過對烏江流域徑流變化趨勢及成因分析發(fā)現(xiàn)，氣候變化對烏江流域年徑流量影響占主導(dǎo)地位，其次是下墊面及人類活動影響，其中降水和下墊面、人類活動變化導(dǎo)致徑流深減少貢獻(xiàn)率分別為62.2%和37.8%。這些都表明雖人類活動對徑流有一定影響，但降水變化對徑流的影響更為敏感，直接改變著徑流量，與本次分析結(jié)果無背離。

2000—2016年降水量貢獻(xiàn)率由60.69%增加至61.25%，人類活動貢獻(xiàn)率由39.31%減少至38.75%。1999年國家開始實(shí)施退耕還林還草，加大水土保持力度，2000年后受此影響，人類活動引起徑流減少的情況有所改善。同時，鄔玉琴[11]等表明3個顯著少雨期中2009、2011和2013年降雨量偏少較多在340mm以上，表明2000年以后降水偏小非常明顯，降水減小對徑流減小的影響程度更加顯著。

3? ?主要結(jié)論與討論

（1）采用MK法對阿蓬江濯河壩站進(jìn)行趨勢分析，認(rèn)為阿蓬江流域年徑流、年降水均呈顯著減少趨勢。

（2）本研究結(jié)果揭示了阿蓬江1961年以來徑流量的變化趨勢及其主要影響因素的貢獻(xiàn)率，對于阿蓬江新時期水資源管理、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供可靠實(shí)踐基礎(chǔ)。但氣候變化及人類活動對河川徑流影響機(jī)制十分復(fù)雜，定量分析有一定不確定性。本文在研究時將氣候因素簡化為降水量，未考慮蒸散發(fā)對徑流的影響;將引水、水庫、水土保持措施等各人類活動概為綜合人類活動影響。在以后研究中，還需要通過建立水文模型等方式，從物理成因機(jī)理上深入分析阿蓬江產(chǎn)匯流機(jī)制，并分析研究徑流變化規(guī)律及原因，并進(jìn)一步驗(yàn)證計算結(jié)果的合理性。

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