賀燕子,岳大鵬,達 興,程金文,張君茹

(陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院，陜西 西安 710119)

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氣候變化和人類活動對水資源影響的初探
——以陜西省為例

賀燕子,岳大鵬*,達 興,程金文,張君茹

(陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院，陜西 西安 710119)

針對陜西省14個小流域1961～2009年的徑流、降雨及潛在蒸散情況，運用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法、累積距平法分析了其變化趨勢及徑流突變點，使用敏感系數(shù)法分離了人類活動和氣候變化對徑流的影響，并基于Budyko假設，采用張氏曲線研究了各流域ω、β以及γ的變化。結(jié)果表明:(1)研究區(qū)徑流呈現(xiàn)顯著下降的趨勢，降雨量呈現(xiàn)不顯著下降的趨勢，潛在蒸散發(fā)的變化各區(qū)域不一致并且不同流域徑流突變點出現(xiàn)的時間不一致，主要集中在1980年和1990年前后。(2)ω在陜北關(guān)中從北到南逐漸增大，在陜南比較?。沪玛兡掀毡檩^高，γ陜南普遍較高。(3)陜北由于實施水土保持、退耕還林、黃土治理等措施，人類活動對徑流變化的貢獻率高于氣候變化；關(guān)中地區(qū)由于工農(nóng)業(yè)用水以及生活用水，人類活動的貢獻率有所下降；在陜南由于下墊面性質(zhì)，人類活動的貢獻率亦占有很大比重。

徑流變化；Mann-Kendall；累積距平法；敏感系數(shù)法；陜西

0 引言

隨著全球氣候變化和人類土地利用方式的改變，水資源正發(fā)生著顯著的變化，主要表現(xiàn)為河道內(nèi)徑流量的不斷減少。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，特別是進入到20世紀80年代，水資源供需矛盾日漸突出，人類活動對其影響日益顯著；徑流的變化特征已經(jīng)不單純地由氣候因素的時空變化規(guī)律所決定，人類活動的影響使徑流的變化規(guī)律更趨向復雜化,氣候變化和人類活動是引起流域水資源變化的主要原因，國內(nèi)外的學者均對徑流的變化及其受氣候和人類活動的影響給予了很高的關(guān)注。Nemec等[1]指出若氣溫升高1 ℃，且降水減少10%，干旱和濕潤地區(qū)徑流的變化幅度分別為25%和50%，這說明了在徑流的響應中氣候因子的變化會被放大。Pikounism等[2]利用分布式水文模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)研究了不同土地利用變化對水文循環(huán)的影響。李棟梁等[3]指出了青藏高原前期熱力作用及大氣環(huán)流特征對黃河流域夏秋季的徑流量預測具有一定的指示性。張建云等[4]對中國近50年來6大流域的年徑流變化趨勢進行了研究，結(jié)果表明受人類活動和氣候變化的共同影響，6大江河的實測徑流量整體呈下降趨勢，其中黃河中下游地區(qū)的徑流量減少十分明顯。雖然有關(guān)氣候變化和人類活動對徑流的影響研究已有很多，然而以往的研究主要集中在流域[5-14]，針對具體行政管理單元的并不多見。

氣候變化和人類活動的加劇，使流域中的水文循環(huán)、水資源時空、數(shù)量分配產(chǎn)生了很大的變化并直接影響到流域水資源的蒸發(fā)、降雨以及徑流,在這種背景下,許多流域中的徑流量減少甚至出現(xiàn)了季節(jié)性斷流的現(xiàn)象,從而給流域水資源的開發(fā)、利用、調(diào)配和管理帶來了很大的挑戰(zhàn)。所以對人類活動和氣候變化對流域水資源的影響做出研究,能夠為流域水資源的開發(fā)利用、設計規(guī)劃等提供必要的依據(jù)。

陜西根據(jù)其地貌類型的不同，可以分為三部分：陜北黃土高原、關(guān)中平原、陜南秦巴山地。陜北黃土高原是生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，是全國水土流失最為嚴重的地區(qū)之一。主要表現(xiàn)在2個方面:一是土地荒漠化，二是水土流失嚴重。關(guān)中平原是我國重要的工農(nóng)業(yè)集中區(qū)，是我國工農(nóng)業(yè)和文化發(fā)達地區(qū)之一，是全國重要麥、棉產(chǎn)區(qū)。陜南秦巴山地是我國南水北調(diào)中線水源地，對于我國水資源優(yōu)化配置、改善北方地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)、保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展將發(fā)揮巨大作用。因此明晰不同區(qū)域的演變特征，對水資源管理和適應氣候變化具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

本次研究所選區(qū)域位于陜西省，根據(jù)其地貌類型的不同，陜西可以分為三部分：北部是在第三紀末起伏和緩的準平原基礎(chǔ)上，歷經(jīng)第四紀以來多次黃土堆積和侵蝕作用的陜北黃土高原；中部是關(guān)中斷陷盆地，它南依秦嶺，北連黃土高原，為西狹東闊的新生代斷陷盆地，渭河橫貫其中，盆地兩側(cè)地形向渭河傾斜，由洪積傾斜平原、黃土臺塬、沖積平原組成，呈階梯狀地貌景觀；南部是由隴山余脈、秦嶺和巴山組成的陜南秦巴山地，是中生代末以來全面隆起的褶皺山地，以中山地貌為主體，高峰林立，斷陷盆地星散于群山之中，漢江谷地貫穿于秦嶺、巴山之間。由于其地貌類型、地形特征等地理因素的不同導致陜北、關(guān)中以及陜南的水資源使用特征有明顯的差異。陜北的水資源使用主要是在煤化工業(yè)，關(guān)中是我國重要的工農(nóng)業(yè)集中區(qū)，并且關(guān)中地區(qū)人口密集，生活用水量大，而陜南是我國南水北調(diào)工程的中線(圖1)。

圖1 各流域位置及水文站分布

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)全國氣象站點分布，選用資料較完整的氣象站1961～2009年的年累積降雨量資料數(shù)據(jù)，氣象資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)，采用FAO推薦的Penman-Monteith公式計算潛在蒸散發(fā)量[15]，流域徑流量選用由黃河及長江水利委員會(水資源公報)提供的各水文觀測站1961～2009年逐年實測徑流量資料。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann—Kendall檢驗 用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗法檢測要素序列變化趨勢[16-17]。該統(tǒng)計檢驗方法的優(yōu)點是統(tǒng)計測試的樣本不需要服從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于非正態(tài)分布的水文氣象等數(shù)據(jù)。在Mann-Kendall檢驗中，原假設H0為時間序列數(shù)據(jù)(x1,x2,…,xn),是n個獨立的，隨機分布的樣本；對于所有的k、j≤n,且k≠j，xk和xj的分布式是不相同的，檢驗的統(tǒng)計變量S計算公式如下：

(1)

(2)

S為正態(tài)分布，其均值點為0，Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當n>10時，標準的正態(tài)統(tǒng)計變量通過下式計算：

(3)

在給定的α置信水平上，如果|Z|≥Z1-a/2，則原假設是不可接受的，即在α置信水平上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。對于統(tǒng)計變量Z>0時，樣本是上升趨勢；而Z<0時，樣本則是下降趨勢。

累積距平是一種十分常用的、根據(jù)曲線直觀判斷變化趨勢的方法。對于某一序列x某一時刻t的累積距平表示為:

(4)

2.2.3 敏感系數(shù)法 采用多年平均水量平衡法，假設前后時段年均徑流的變化量可由下式計算：

△Q=Q2-Q1

(5)

作為一階近似值，同時前后時段年均徑流變化量也可由下式確定：

△Q==Qclim-QLUCC

(6)

Qclim通過Milly等[10]提出的方法計算：

Qclim=P+E0

(7)

式中：△Q為年均徑流變化量，單位為mm；Q1為前一時段年均徑流量，單位為mm；Q2為后一時段年均徑流量，單位為mm；Qclim為由于氣候變化引起的前后時段徑流變化量，單位為mm；QLUCC為由土地利用/覆被變化不同等人類活動引起的徑流變化量，單位為mm；△P、△E0為前后時段降雨量(P)和潛在蒸發(fā)量(E0)的變化量，單位為mm；β和γ分別為徑流對降雨及蒸發(fā)的敏感系數(shù)，決定于區(qū)域氣候環(huán)境特征，可由Li等[19]提供的公式確定：

(8)

(9)

式中：x為干燥指數(shù)(E0/P)，其量綱為1；ω為反映流域植被變化的參數(shù)，其量綱為1。

2.2.4 估算地表系數(shù) Budyko認為可用的能量和水是決定蒸散速度的主要因素，并且建立了一個基于干燥指數(shù)來確定蒸散量的模型[19]。張魯?shù)膹埵锨€模型與Budyko的假設類似，用于估算蒸散量[16,19]。該模型不僅符合先前的理論工作并與全世界的研究達到很高的一致[20-22]。

(10)

式中：E0是區(qū)域潛在蒸散發(fā)，ω是與植被類型有關(guān)的下墊面參數(shù)，E可由水量平衡推算，公式為：

Q=P-E

(11)

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流降水以及潛在蒸散的變化趨勢分析

根據(jù)全國氣象站點分布，在ArcGIS 10.0中，將獲取到的站點尺度的降雨數(shù)據(jù)以及計算的站點尺度的潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，使用克里金(kring)插值的方法生成研究區(qū)面狀降雨數(shù)據(jù)及潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計得到流域尺度降雨以及潛在蒸散發(fā)的平均值。借助Matlab執(zhí)行Mann-Kendall趨勢分析方法，各流域徑流、降雨以及潛在蒸散發(fā)的變化趨勢(圖2)。

從圖2以及表1的徑流變化趨勢中可以看出：除鎮(zhèn)安外，各流域的徑流呈現(xiàn)顯著下降的趨勢。但不同區(qū)域徑流變化的斜率不等，其中在陜北趙石窯、關(guān)中林家村、陜南石泉斜率最小，徑流下降最明顯。從圖2以及表1的降雨變化趨勢中可以看出：各流域降雨均呈現(xiàn)不顯著下降的趨勢。但不同區(qū)域徑流變化的斜率不等，其中陜北橫山、關(guān)中林家村、陜南石泉斜率最小，降雨下降最明顯。從圖2以及表1的潛在蒸散發(fā)變化趨勢中可以看出：陜北除了丁家溝外，其他流域的潛在蒸散發(fā)均呈現(xiàn)不顯著下降的趨勢，在關(guān)中林家村是不顯著下降，其余是不顯著上升，在陜南除竹林關(guān)外，均為不顯著下降。并且不同區(qū)域徑流變化的斜率不等，其中陜北趙石窯下降最明顯，關(guān)中甘谷驛上升最明顯，陜南白河下降最明顯。

圖2 徑流、降水量及潛在蒸散發(fā)的變化趨勢

3.2 各小流域徑流突變及要素變化分析

根據(jù)公式(4)，累積距平的方法對各小流域的徑流進行分析，得到各小流域在研究時段徑流發(fā)生突變的位置(表1)。

表1 秦嶺南北14個小流域水文—氣候

注：“***”表示顯著變化；“ns”表示不顯著變化。

從表1各小流域徑流變化的突變點中可以看出：不同的研究區(qū)徑流突變的年份存在差異，對于研究時間從1961年開始的區(qū)域，突變點主要集中在20世紀70年代末80年代初，狀頭和甘谷驛出現(xiàn)了異常，其突變點出現(xiàn)在20世紀90年代中期；對于研究時間從1980年開始的流域，突變點主要集中在20世紀80年代末90年代初期的1989年和1990年。

此外，不同區(qū)域各要素的變化情況及其變化程度也是有差異的，從圖3-a中可以發(fā)現(xiàn)：屬于陜南的5個小流域它們的徑流與基準期相比較下降最明顯，徑流減少最大的流域為石泉，在狀頭、甘谷驛以及綏德徑流減少量比較小。從圖3-b降雨變化圖中可以看出，降雨的變化情況和變化程度與徑流的變化比較一致，屬于陜南的5個小流域降雨減少量最大，降雨減少最多的為石泉，而在甘谷驛、綏德、丁家溝降雨的減少量比較小。從圖3-c潛在蒸散發(fā)變化圖中可以看出，潛在蒸散發(fā)的變化情況與徑流、降雨的變化存在差異。石泉、白河以及橫山的潛在蒸散發(fā)減少最明顯，而溫家川、竹林關(guān)以及荊紫關(guān)的變化比較小。

3.3 氣候?qū)搅鞯拿舾邢禂?shù)變化

根據(jù)公式(10)和(11)可以準確計算出各個流域的下墊面參數(shù)ω、降雨對徑流變化的敏感系數(shù)β以及潛在蒸散發(fā)對徑流變化的敏感系數(shù)γ。不同的研究區(qū)由于地形、氣候、水熱條件等因素的不同導致不同的ω、β和γ，如圖4所示。

從圖4-a中可以發(fā)現(xiàn)：陜北以及關(guān)中的9個小流域,除了突變點狀頭和趙石窯外其他下墊面參數(shù)ω從北到南在增大，其中北部區(qū)域的ω值小于南部區(qū)域，北部的ω值最低為0.09，出現(xiàn)在高家川，而偏南部的ω值最高可達14.09，出現(xiàn)在狀頭。在陜南各流域的ω值普遍偏小。從圖3-b降雨對徑流變化的敏感系數(shù)β可以看出，降雨對徑流變化的β各流域存在差異，在陜北從北到南，β以不等速率減小，在關(guān)中地區(qū)增大，在陜北和關(guān)中β最大值為0.45出現(xiàn)在高家川，β最大值為0.05出現(xiàn)在趙石窯。在陜南β普遍較大，最大的β為0.75，出現(xiàn)在石泉。從圖3-c潛在蒸散發(fā)對徑流變化的敏感系數(shù)γ可以看出，部分區(qū)域的γ的變化情況和變化程度與下墊面參數(shù)ω的變化接近一致，其中在陜北關(guān)中，最大值出現(xiàn)在趙石窯和狀頭，為-0.01,在陜南γ的取值比較接近最大值出現(xiàn)在白河，為-0.19，最小值出現(xiàn)在石泉，為-0.28。

圖3 徑流、降雨以及潛在蒸散發(fā)的變化

圖4 下墊面參數(shù)，降雨以及潛在蒸散對徑流變化的敏感系數(shù)

4 結(jié)論及討論

4.1 討論

4.1.1 氣候變化和人類活動的貢獻率 徑流的變化主要歸因于2個方面：氣候變化和人類活動。在敏感性分析中，通過公式(8)和(9)求得徑流對降雨及蒸發(fā)的敏感系數(shù)，計算由氣候因素變化導致的徑流的變化量，從而分離了氣候變化和人類活動對徑流的影響。研究區(qū)14個流域氣候變化與人類活動對徑流影響分離的結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出：在陜北人類活動對徑流變化的貢獻率明顯高于氣候變化，平均人類活動貢獻率為77.47%。除過狀頭這個突變區(qū)域外，人類活動對徑流變化的最低貢獻率也達到54.6%(甘谷驛)，超過一半，各個小流域徑流的變化主要受人類活動控制，越是偏北，人類活動在徑流變化中占的地位越高，人類活動對徑流變化的影響越大；并且觀察陜北關(guān)中的9個小流域的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，根據(jù)地理位置從北到南，人類活動對徑流變化的貢獻率呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，偏北部流域人類活動對徑流變化的貢獻率普遍高于偏南部區(qū)域。也就是說，從北到南，人類活動對徑流變化的影響逐漸減弱，氣候因素占的份量變大；關(guān)中地區(qū)人類活動所占比份有所下降，平均人類活動貢獻率為50.34%；在表2中，陜南的5個小流域發(fā)現(xiàn)人類活動對徑流變化的貢獻率除竹林關(guān)的42.69%外，其余均達到50%以上，平均人類活動貢獻率為58.3%，也就是說，陜南的這些小流域，人類活動對徑流變化的影響亦占有很重要的份量。

表2 秦嶺南北14個小流域水文-氣候要素變化及貢獻率分析

4.1.2 陜西水資源變化特征及對策 (1)在陜北人類活動對徑流變化占主導作用，是徑流變化的主要原因，人類活動在此處是多樣的，主要是為了控制泥沙修建了大量的水土保持工程。隨著國家黃土高原治理規(guī)劃(2013～2020年)、陜西省水保工程的實施以及林草覆蓋的加強，導致徑流可能將進一步銳減，人類活動對徑流的影響可能會逐步加強，在這樣的背景下，必須依靠調(diào)水解決區(qū)域的水資源問題。

(2)渭河林家村徑流的減少，人類活動占主導地位。由于本區(qū)域是陜西省的糧食主產(chǎn)區(qū)和經(jīng)濟社會中心，所以需要加強對渭河主要徑流區(qū)的甘肅省天水市提供生態(tài)補償，從而確保流入陜西的水量及水質(zhì)。

(3)陜南的徑流變化主要是氣候變化和人類活動共同帶來的。其中下墊面特征所導致的氣候變化所占比重同樣較大，因此需要通過調(diào)整人類活動來更好地適應氣候變化。具體的人類活動包括增加林草覆蓋、保護環(huán)境降低溫室效應、減少耗水工業(yè)以及高污染的產(chǎn)業(yè)等。

由于研究資料等原因，未對區(qū)域人類活動進一步細化并且研究區(qū)各流域研究時間不一致；此外，本文的研究將氣候變化與人類活動分離，事實上，兩者是互相聯(lián)系的，如何衡量2個要素的相互聯(lián)系以及這種聯(lián)系對研究結(jié)果的影響均需要進一步深入研究。

4.2 結(jié)論

(1)各流域降雨和徑流都呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，其中徑流呈現(xiàn)顯著下降的趨勢，降雨量呈現(xiàn)不顯著下降的趨勢。潛在蒸散發(fā)在丁家溝、甘谷驛呈現(xiàn)不顯著上升的趨勢，其他區(qū)域均呈現(xiàn)不顯著下降的趨勢。不同流域徑流突變點出現(xiàn)的時間不一致，主要集中在1980年和1990年前后。

(2)在陜北它們的下墊面參數(shù)ω從北到南以不等的速率增大，偏北部區(qū)域的ω小于偏南部區(qū)域。在關(guān)中，下墊面參數(shù)達到最大；在陜南各個流域的下墊面參數(shù)ω普遍偏小。在陜北β以不等速率減小之后在關(guān)中又增大,在陜南β普遍較大。γ從北到南逐漸增大，陜南γ普遍較大。

(3)為了控制泥沙修建了大量的水土保持工程，國家黃土高原治理規(guī)劃(2013～2020年)、陜西省水保工程的實施以及林草覆蓋的加強使得在陜北人類活動對徑流變化的貢獻率明顯高于氣候變化，各小流域徑流的變化主要受人類活動控制，越是偏北，人類活動在徑流變化中占的地位越高，人類活動對徑流變化的影響越大，平均貢獻率為77.47%；關(guān)中地區(qū)由于主要受工農(nóng)業(yè)以及生活用水等人類活動的影響，其人類活動所占比分有所下降，平均貢獻率為50.34%；在陜南發(fā)現(xiàn)由于其下墊面的特征人類活動對徑流變化的影響亦占有很重要的分量，平均貢獻率為58.3%。

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(責任編輯：管珊紅)

A Preliminary Study on Impact of Climatic Change and Human Activity on Water Resources: Taking Shaanxi Province as An Example

HE Yan-zi, YUE Da-peng*, DA Xing, CHENG Jin-wen, ZHANG Jun-ru

(College of Tourism and Environmental Sciences, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China)

According to the status of runoff, rainfall and potential evaporation in 14 small watersheds of Shaanxi province during 1961～2009, the author analyzed the variation trend and abrupt-change points of the runoff by using the methods of Mann-Kendall nonparametric test and cumulative departure, separated the impacts of human activity and climatic change on the runoff by using the sensitive coefficient method, and studied the changes in omega, beta, and gamma values of various watersheds based on the Budyko assumption and by adopting Zhang’s curve. In the studied area, the runoff showed a significant reduction tendency, rainfall revealed an un-significant reduction trend; the changes in potential evaporation in different regions were inconsistent. The abrupt-change points of runoff in different watersheds were different, and mainly concentrated in 1980 and 1990 or so. In Northern Shaanxi and Guanzhong areas, the omega value increased gradually from the north to the south. The omega value was lower in Southern Shaanxi. Both the beta value and the gamma value were generally higher in Southern Shaanxi. In Northern Shaanxi, due to the implementation of such measures as water conservation, returning farmland to forestry, and loess management, human activity had a higher contribution rate to the runoff changes than climatic change. In Guanzhong area, due to the water use for industrial and agricultural sectors, and the domestic water, the contribution rate of human activity to the runoff changes was lower. In Southern Shaanxi, the contribution rate of human activity to the runoff changes also occupied a large proportion due to the nature of the underlying surface.

Shaanxi; Runoff change; Mann-Kendall; Accumulative departure method; Sensitive coefficient method

2015-07-09

國家自然科學基金項目(41071012)；陜西省水土流失補償費資助項目“陜西省能源開發(fā)項目水土保持監(jiān)測技術(shù)研究及信息系統(tǒng)研究”。

賀燕子(1992—)，女，甘肅寧縣人，碩士研究生，研究方向：水土資源評價與規(guī)劃。*通訊作者：岳大鵬。

K928.42

A

1001-8581(2016)12-0087-07