人類活動影響的遼寧省大凌河流域水文干旱演變特征

蘇志誠 ，馬苗苗 ，邢子康，呂 娟 ，張學君 ，余鐘波，衣 鵬

（1.中國水利水電科學研究院 防洪抗旱減災研究所 北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災工程技術(shù)研究中心，北京 100038；3.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098；4.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098）

1 研究背景

水文干旱指河川徑流或地下含水層水位低于正常值的情況，是氣象干旱發(fā)展到一定程度后的結(jié)果［1-2］。由于居民生活、工農(nóng)業(yè)發(fā)展及水力發(fā)電等對地表水資源的依賴程度高，所以水文干旱的破壞性較氣象干旱更加直接［3-4］。影響區(qū)域水文干旱的原因較為復雜，一般認為人類活動和氣候變化是驅(qū)動區(qū)域水文干旱的兩大因素［5-6］。

過去幾十年，隨著人口的增加和工、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，人類對水資源的需求迅速增加，大量的水利工程建設(shè)（如水庫、抽水井、取水工程等）導致了地表和地下水資源的過度開發(fā)，使自然水循環(huán)遭到不同程度的破壞，河川徑流的自然節(jié)律性受到影響［6］。評價人類活動對水文干旱的影響已經(jīng)成為了干旱領(lǐng)域的熱點問題。任立良等［7］提出多種徑流指數(shù)參數(shù)化方案，對比評定各方案表征非平穩(wěn)干旱的合理性以及環(huán)境變換對干旱演變的影響作用，發(fā)現(xiàn)人類活動是短歷時干旱發(fā)生的主導因素；Rangecroft等［8］用閾值法和標準化指標法評價了智利北部圣胡安水壩建成前后的水文干旱特征，發(fā)現(xiàn)大壩減少了年內(nèi)干旱事件的頻率、歷時和強度，但是對多年尺度干旱影響不明顯。然而，上述研究多集中于采用統(tǒng)計分析方法評估人類活動對水文干旱發(fā)生的貢獻率，而就人類活動對水文干旱時空（如不同季節(jié)、上下游地區(qū)）演變特征的影響分析仍相對較少。

為此，本文擬選取遼西北大凌河流域為研究區(qū)，采用水文模擬方法重建自然徑流序列，進一步基于標準化徑流指數(shù)（SSI）和游程理論提取典型干旱過程及特征，對比評估天然狀態(tài)和人類活動影響下不同時空尺度下的水文干旱變化，為適應(yīng)環(huán)境變化的水資源調(diào)度管理和干旱預警預報提供科學依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

大凌河是遼寧省西部最大河流（118°46′— 121°50′E，40°28′— 42°38′N），全長435 km，流域面積23 800 km2（見圖1）。屬溫帶季風性氣候，夏季多雨炎熱，冬季少雨，氣候干燥。大凌河流域是遼寧省旱災多發(fā)區(qū)之一，素有十年九旱之稱［9-10］，降水量年際變化較大，年內(nèi)分配不均，多年平均降水量為430～630 mm，多年平均氣溫為7.8～8.9℃。大凌河流域已建大型水庫4座，中型水庫4座，小型水庫及塘壩453座，總庫容23.45億m3，興利庫容11.81億m3。流域內(nèi)人均水資源占有量378 m3，不到全省人均水資源占有量的一半。干旱缺水造成了生態(tài)環(huán)境惡化，導致了上下游、河道內(nèi)外和用水部門之間的水資源配置矛盾，已經(jīng)嚴重制約了流域內(nèi)的經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定［11-12］。

圖1 大凌河流域示意圖

3 研究數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 研究數(shù)據(jù)來源 本文收集了大凌河流域12個水文站，40個雨量站及4個國家級氣象站過去近40年（1980—2017）的觀測數(shù)據(jù)。其中，水文數(shù)據(jù)為各站點逐月河道觀測徑流量，氣象數(shù)據(jù)為逐日降水量和溫度、風速等。

為構(gòu)建流域水文模型，還收集了模型所需的陸面參數(shù)數(shù)據(jù)，包括高分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM），土壤數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)。具體而言，DEM數(shù)據(jù)來自國際科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺（http：//srtm.csi.cgiar.org/selection/input Coord.asp）的SRTM 30 m數(shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)來自聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所（IIASA）所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫（Harmonized world soil database v1.2）數(shù)據(jù)集，中國境內(nèi)數(shù)據(jù)源為第二次全國土地調(diào)查南京土壤所所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)，空間分辨率為 0.05°（http：//www.fao.org/soils-portal/soil-survey/soil-maps-and-databases/harmonized-world-soil-database-v12/en/）；土地利用數(shù)據(jù)采用國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)（Globe-Land30）（http：//www.globallandcover.com/GLC30Download/index.aspx）。

3.2 研究方法

3.2.1 基于水文模型重建天然徑流序列 陸面水文模型是基于水平衡約束機制開發(fā)的、用于刻畫和描述流域水循環(huán)過程的重要工具。以真實可靠的氣象觀測作為驅(qū)動輸入，陸面水文模型已成功用于重建過去幾十年的水循環(huán)過程［13-14］，并生成一系列歷史長期一致的水熱通量數(shù)據(jù)產(chǎn)品［15］。本文擬借助陸面水文模擬方法，重建流域天然徑流序列。具體如下：利用天然時期或人類活動影響顯著前的實測水文氣象資料驅(qū)動并率定模型參數(shù)，構(gòu)建適用于流域的水文模型，由此獲取的模型參數(shù)能夠反映流域在人類活動弱干擾背景下的產(chǎn)流狀況；保持參數(shù)不變，延長模擬時間，將人類活動影響期的氣象驅(qū)動數(shù)據(jù)輸入模型，得到相應(yīng)時期的還原徑流量，即為人類活動影響期的天然徑流序列。

基于人類活動影響期的實測徑流量和重建的天然徑流量，開展水文干旱估算與對比分析，定量揭示人類活動對水文干旱的影響。

3.2.2 SWAT水文模型構(gòu)建 本文選取由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)的SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型重建自然狀態(tài)下流域水循環(huán)過程。SWAT模型是一個具有物理機制的分布式水文模型，能夠利用GIS和多種空間數(shù)據(jù)集提供的空間數(shù)據(jù)信息，模擬復雜大流域中多種不同的水文物理過程［16］。SWAT將流域分為若干個水文響應(yīng)單元（HRU），在每個單元上采用概念性模型推求凈雨，再進行匯流演算，最后求得出口斷面流量。該模型在國內(nèi)外被廣泛地用于水文預報、水資源規(guī)劃管理與水土保持評價等領(lǐng)域［17-19］。SWAT模型在重建自然水循環(huán)過程，生成歷史長期一致的水熱通量序列方面也有成功的先例［20］。

本文利用SRTM 30 m DEM數(shù)據(jù)、土壤和土地利用數(shù)據(jù)構(gòu)建大凌河流域SWAT模型陸面參數(shù)數(shù)據(jù)庫，利用40個雨量站逐日降雨數(shù)據(jù)和氣象觀測臺站逐日最高、最低氣溫和風速、相對濕度數(shù)據(jù)作為SWAT模型的氣象強迫輸入（具體見3.1節(jié)），采用長序列（近20年）（天然）月徑流觀測系列進行模型參數(shù)率定。采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)（NSE）和相對誤差（Er）評價模型率定的效果［21］。根據(jù)模型評估的標準［14］，當NSE高于0.70且Er低于25%時，即可認為模型效果能夠合理地重現(xiàn)徑流的年際及年內(nèi)變化。

3.2.3 典型水文干旱過程識別

（1）水文干旱診斷指標。目前國內(nèi)外廣泛采用標準化河道流量指數(shù)（SSI）進行水文干旱識別研究［22-25］，計算方法與標準化降水指數(shù)（SPI）類似，即在確定特定時間內(nèi)徑流量適合的概率分布類型后，進行正態(tài)標準化徑流指數(shù)的計算，具體方法見參考文獻［26］：參照中華人民共和國國家標準氣象干旱等級（GB/T 20481-2006）規(guī)定的干旱等級標準，對SSI干旱等級進行劃分［27］（見表1），以便從旱情嚴重程度視角對比分析水文干旱。

表1 干旱等級劃分

鑒于我們主要關(guān)注人為活動影響期水文干旱特征的變化，為此，本研究利用重建的天然徑流序列和相應(yīng)時期的徑流觀測序列，分別計算相應(yīng)的SSI序列。

（2）水文干旱事件特征提取。干旱不同于洪水，往往很難準確地定義干旱事件的起始和結(jié)束時間，甚至不能準確地定義干旱事件的特征［28］。游程理論是定義干旱事件的較為有效的方法［29］。即假設(shè)閾值X來截取一個隨時間變化的離散系列Xt，當Xt在一個或多個時段內(nèi)連續(xù)大于X時，出現(xiàn)正游程；而當Xt連續(xù)小于X時，則出現(xiàn)負游程。在干旱研究中，把負游程的長度稱作干旱歷時（D），即干旱開始至結(jié)束時間的長度；負游程的總量稱為干旱烈度（M），也稱干旱的嚴重程度，即干旱歷時內(nèi)所有小于截斷水平值的累積之和。值得注意的是，通常干旱發(fā)展過程緩慢且歷時長，在一場干旱持續(xù)時期內(nèi)，由于某些原因，如臨時性的降水，可能出現(xiàn)若干“子干旱”。這種相鄰的幾次“子干旱”構(gòu)成了相互關(guān)聯(lián)的非獨立干旱事件，但它們實質(zhì)上是一場干旱事件。定義此時的干旱歷時為初始“子干旱”至末尾“子干旱”的歷時之和，相應(yīng)的烈度為“子干旱”烈度之和。

4 結(jié)果分析

4.1 流域水文氣象觀測要素分析 對大凌河流域1980—2017年的水文氣象要素序列分析（圖2（a）—圖2（c））顯示，1980—2017年流域內(nèi)降水和氣溫總體上呈緩慢上升趨勢，且2000年前后降水和氣溫的變化趨勢沒有發(fā)生顯著的變化。凌海站（流域出口）的徑流量變化趨勢表明，1980—1999年和2000—2017年徑流量均呈上升趨勢，但變化率差異較大，1980—1999年的徑流變化率為2000—2017年的8倍。這可能與人類活動的干擾密切相關(guān)。1980—2000年是大凌河水利工程建設(shè)和退耕還林的主要時期，特別是2000年投入運行的白石水庫，極大地改變了大凌河干流的徑流機制。

大凌河流域年降水量與年徑流深的雙累計曲線（圖2（d））進一步表明，2000—2017年流域降水和徑流關(guān)系較1980—1999年發(fā)生了改變，徑流量顯著下降，導致徑流系數(shù)明顯下降。以上分析說明了大凌河流域在氣象要素變化趨勢沒有發(fā)生明顯的變化的前提下，徑流量的變化趨勢卻在2000年出現(xiàn)了突變。

圖2 大凌河流域水文氣象要素過程線

結(jié)合大凌河流域人類活動歷史特征，選取1980—1999年為天然期，此階段水文過程受環(huán)境變化干擾較?。贿x取2000—2017年為人類活動影響期，此階段人類活動對水文過程的影響顯著。

4.2 人類活動影響期的天然徑流序列重建 采用典型水文站點的實測月徑流數(shù)據(jù)率定天然期SWAT模型參數(shù)，以Nash-Sutcliffe效率系數(shù)（NSE）和相對誤差（Er）作為模型率定的檢驗標準。結(jié)果顯示（圖3），模擬徑流的年際變化和多年平均值均能和觀測徑流吻合，兩個主要站點的NSE均大于0.70，且相對誤差小于20%，均在合理的范圍之內(nèi)［21］，表明經(jīng)過率定的SWAT模型能夠較好地重現(xiàn)天然流域水循環(huán)過程。

圖3 SWAT模型率定結(jié)果

采用影響期的氣象驅(qū)動數(shù)據(jù)和天然期的模型參數(shù)重建影響期徑流序列，得到天然狀態(tài)下2000—2017年的徑流序列（圖4）。凌海站（流域出口）的徑流還原結(jié)果顯示，不考慮系統(tǒng)誤差的情況下，還原后的天然徑流總量較人類活動影響下的徑流量總量提高了87.9%。影響期模擬的各洪峰流量相對誤差為63.4%～179.2%，反映出實測徑流序列的汛期峰值與還原徑流相比顯著降低，這可能與新修水庫和退耕還林對洪峰的削減作用有關(guān)。

圖4 人類活動對影響期徑流量的影響（凌海站）

4.3 不同時間尺度下水文干旱演變分析 通過計算不同時間尺度的SSI，能夠描述從月尺度到多年尺度的水文干旱演變規(guī)律。圖5對比凌海站（流域出口）基于實測值和基于模型還原值計算的SSI。結(jié)果顯示，人類活動對不同時間尺度（1月、3月、6月、12月）的水文干旱均產(chǎn)生了一定的影響。SSI-1、SSI-3和SSI-6的時間序列對比結(jié)果顯示，同一時期，基于觀測值水文干旱發(fā)生的時間出現(xiàn)了滯后，表明了人類活動的調(diào)節(jié)一定程度上推遲了短期干旱發(fā)生的時間。此外，兩種情形下的短時間尺度干旱等級也有較大的差異?；趯崪y值和基于還原值的長時間尺度水文干旱（SSI-12）的整體變化趨勢基本一致，同一時期SSI反映出的旱澇情況二者區(qū)別不大，但其旱情等級出現(xiàn)了差異。綜上，我們發(fā)現(xiàn)人類活動對短時間尺度的水文干旱的影響更加顯著，即改變了短期干旱的發(fā)生時間，也改變了其量級；而對于長時間尺度的干旱，僅改變了部分時段的干旱等級。

圖5 2000—2016年凌海站基于實測流量和模型還原流量的SSI值變化情況

4.4 人類活動影響下季尺度水文干旱演變分析

4.4.1 干旱事件頻率分析 為了進一步分析人類活動對季節(jié)性干旱頻率的影響，本文基于季尺度的水文干旱指標SSI-3，進一步計算了不同等級和不同月份干旱發(fā)生頻率。從不同等級干旱頻率的整體分布情況（圖6）來看，天然狀態(tài)下大凌河流域的干旱分布以輕旱、重旱為主。在人類活動的影響下，輕旱和中旱的頻率下降，而重旱和特旱的頻率上升。進一步對比中游（朝陽站）和下游（凌海站）的干旱頻率分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中游的變化更加明顯，其中輕旱的頻率降低了10%。下游地區(qū)的中旱旱情受人類活動影響較大（降低5%），其他級別干旱頻率變化不明顯。

圖6 基于實測值和模型還原值不同等級干旱發(fā)生頻率

從干旱頻率的月份分布可以看出（圖7），人類活動顯著改變了天然狀態(tài)下水文干旱的季節(jié)性分布特征。天然狀態(tài)下，秋、冬季節(jié)是大凌河流域水文干旱高發(fā)季節(jié)，尤其是夏轉(zhuǎn)秋（8—10月份）期間，汛期一過，流域降水量迅速減少，上游來水量隨之銳減，此時極易發(fā)生秋旱。旱情等級以輕旱、中旱為主，重旱和特旱比較少見。中游（朝陽站）與下游（凌海站）相比，下游的秋、冬季節(jié)干旱頻率較中游高，而中游的夏季干旱頻率更高。在人類活動的影響下，冬、春季的干旱頻率降低，而秋季干旱頻率則出現(xiàn)了上升。尤其是中游朝陽站，9月和10月的干旱頻率提升了7%～13%。從干旱等級來看，在人類活動影響下，特旱和重旱頻率增加，尤其是下游地區(qū)，冬季和春季連續(xù)出現(xiàn)特旱旱情。

圖7 基于實測值和模型還原值的各月不同等級干旱發(fā)生頻率

大凌河流域最為顯著的人類活動是水庫調(diào)節(jié)，其干流建有4座大型水庫，對流量的自然節(jié)律性產(chǎn)生了很大的影響。由于水庫的調(diào)度以防洪為主要目標，在非汛期放水騰空庫容，增加了河道流量，導致冬、春季水文干旱頻率降低；汛期攔蓄洪水，減少下游來水量，使得夏、秋旱頻率增加。

4.4.2 干旱事件特征分析 為了進一步評價人類活動影響下的水文干旱特性，本文基于季尺度的水文干旱指標SSI-3，采用游程理論提取干旱事件，分析大凌河流域天然狀態(tài)和人類活動影響下干旱歷時和干旱烈度（圖8）。結(jié)果表明，總體上人類活動對干旱歷時和干旱烈度呈現(xiàn)增強的作用，即延長了干旱歷時，提升了干旱烈度。其中對中游（朝陽站）的影響較下游（凌海站）更加明顯，朝陽站的平均干旱歷時延長了約1個月，干旱烈度增加了約2個單位。從干旱特征的統(tǒng)計分布區(qū)間來看，人類活動增加了水文干旱特性的不確定性，干旱歷時和干旱烈度的分布范圍擴大了，其中朝陽站天然狀態(tài)下的干旱歷時最大為11個月，人類活動使干旱歷時延長了近一倍（20個月）。下游干旱歷時的分布范圍變化不大，但烈度的分布范圍也擴大了近一倍。

圖8 基于實測值和基于模型還原值的2000—2017年干旱歷時和干旱強度箱型圖

5 結(jié)論

本文以遼西北大凌河流域為例，利用SWAT水文模型重建天然狀態(tài)下的歷史水文序列，并采用多時間尺度的標準化徑流指數(shù)（SSI），對比評估天然狀態(tài)和人類活動影響下的流域水文干旱演變特征，揭示人類活動干擾對不同時空尺度水文干旱的影響。主要結(jié)論如下：

（1）大凌河流域月平均降水、氣溫均呈上升趨勢且無明顯突變，月徑流量總體呈上升趨勢。1980—1999年和2000—2017年兩階段的徑流序列變化趨勢及降水徑流雙累計曲線表明，大凌河流域徑流序列在2000年發(fā)生了顯著突變。

（2）應(yīng)用SWAT模型對人類影響期的流域天然徑流進行還原，發(fā)現(xiàn)人類活動導致徑流量的明顯衰減，受水庫蓄水和退耕還林的影響，汛期峰值削減了63.4%以上。

（3）以SSI為水文干旱指標，評價了代表性站點的多時間尺度水文干旱演變特征，結(jié)果表明，人類活動對短時間尺度（月尺度、季節(jié)尺度）的干旱影響更明顯，對同期水文干旱的發(fā)生有一定的推遲作用。

（4）對季尺度干旱的頻率和特征分析表明，人類活動顯著改變了天然狀態(tài)下水文干旱的季節(jié)性分布特征，導致冬、春季干旱發(fā)生頻率降低，而秋季干旱頻率則呈現(xiàn)上升；就空間分布而言，人類活動對中游季尺度干旱頻率的干擾更加顯著，導致中游輕旱頻率降低了10%。此外，人類活動增加了季尺度干旱的歷時和烈度。尤其是中游，平均干旱歷時延長了約1個月，干旱烈度增加了約2個單位，并增加了其離散程度。

上述系列分析表明，人類活動干擾增加了大凌河流域水文干旱事件的不確定性。為此，未來的干旱模擬預報研究需充分考慮人為因素對流域極端水文事件形成過程的影響。不過，需要指出的是，本文僅僅是針對各類潛在的人類活動（水利工程、農(nóng)業(yè)灌溉、取用水和下墊面變化等）對水文干旱的影響作了總體概化式的評估，在精細化評估各類人類活動對水文干旱演變的驅(qū)動作用方面仍然存在不足。未來依據(jù)人類活動取用水和水利工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，更準確、精細地區(qū)分不同人類活動對水文干旱的貢獻。