，， ，

(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，長沙 410114；2.湖南省水文水資源勘測局，長沙 410007)

2017,34(11):6-11

降水變化和人類活動對瀏陽河流域徑流的影響

于澤興1，胡國華1，陳肖1，顧慶福2

(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，長沙 410114；2.湖南省水文水資源勘測局，長沙 410007)

定量評估降水變化和人類活動對瀏陽河流域徑流的影響，有助于更合理地利用流域水資源。采用線性擬合、滑動平均和累積距平等方法分析了1969—2013年瀏陽河流域徑流和降水的演變規(guī)律及其相關(guān)關(guān)系，應(yīng)用累積斜率變化率比較法定量估算了不同時期降水變化和人類活動對徑流量變化的貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明：瀏陽河流域降水量表現(xiàn)為增加趨勢，上升率為3 mm/(10 a)；年徑流量表現(xiàn)為下降趨勢，下降率為2.7 (m3·s-1)/(10 a)；降水和徑流在1988年和1999年均發(fā)生顯著性突變，經(jīng)歷了“減少—增多—減少”的交替變換。與基準(zhǔn)期1969—1988年相比，1989—1998年和1999—2013年這2個時期的降水量變化對徑流量變化貢獻(xiàn)率依次為56.8%，7.62%，而人類活動對徑流量的貢獻(xiàn)率依次為43.2%，92.38%，可見人類活動已成為影響瀏陽河流域徑流變化的主要因素。

瀏陽河流域；徑流量變化；累積斜率變化率比較法；降水變化；人類活動

1 研究背景

降水作為氣候變化的主要因素之一，對水資源的變化起著決定性作用。近幾十年來，全球氣候變暖和大規(guī)模的人類活動引起了水資源在時空上的重新分布，導(dǎo)致河川徑流發(fā)生了明顯變化，對流域的綜合管理和生態(tài)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了顯著影響，而水資源問題會引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問題[1-4]。對于不同地區(qū)和流域，受人類生產(chǎn)力和地理條件的限制，影響水資源的主要因素可能會有所區(qū)別。因此，分析降水變化和徑流的相互關(guān)系以及定量區(qū)分氣候和人類活動對徑流的影響，已成為目前研究的熱點問題之一。

近年來，研究者對湘江流域及其支流的降水量、徑流量的演變規(guī)律及其影響因素進(jìn)行了相關(guān)研究[5-8]，認(rèn)為湘江流域的徑流量總體呈現(xiàn)減少趨勢，降水量總體呈現(xiàn)增多趨勢，趨勢的顯著性存在明顯的時空差異，并且降水量存在明顯的階段性變化。張海斌[9]發(fā)現(xiàn)瀏陽河流域的暴雨中心多在流域上游，小溪河山地降水量多而下游的河口平原地區(qū)降水明顯偏少。張棋等[10]利用L-THIA水文模型分析了瀏陽河流域土地利用變化對徑流量以及非點源污染負(fù)荷的影響。然而，這些研究很少涉及徑流變化的深層次原因及其主要影響因子貢獻(xiàn)率的定量估算。

瀏陽河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，流域內(nèi)長沙縣和瀏陽市位于全國縣域經(jīng)濟(jì)前列。瀏陽河的株樹橋水庫作為長沙市的水源地之一，影響著長沙市區(qū)和瀏陽市數(shù)百萬人口的用水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。自20世紀(jì)60年代以來，由于氣候變化和人類活動的影響，瀏陽河流域的徑流量也發(fā)生了明顯的階段性變化，并導(dǎo)致了水土流失、濕地退化等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，流域水資源供需矛盾日益加劇，并且旱澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響瀏陽的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本文基于線性擬合、滑動平均和累積距平等統(tǒng)計方法，在分析降水和徑流的演變規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用累積量斜率變化率比較法[11]定量評估氣候變化和人類活動對徑流量變化的影響，從而為瀏陽河流域的水資源可持續(xù)利用和管護(hù)提供有意義的參考。

2 研究區(qū)、數(shù)據(jù)及方法

2.1 研究區(qū)概況

瀏陽河是湘江的一級支流，流經(jīng)瀏陽市、長沙縣及長沙市區(qū)，位于112°58′E —114°15′E，27°51′N —28°34′N之間。全長234 km，流域面積4 665 km2，東西走向，形狀狹長，地勢東北高西南低(圖1)。地貌以山地丘陵為主，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，多年平均氣溫17.6 ℃；多年平均降水量1 601.1 mm，以大圍山一帶為多雨區(qū)。流域出口控制站為郎梨水文站(113°5′E，28°10′N)，郎梨站以上集水面積約為3 815 km2，多年平均徑流量為99.7 m3/s。近年來瀏陽市和長沙的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速和人口增多引起用水量增加，瀏陽河流域下墊面受人類活動的影響也越來越強(qiáng)。

圖1瀏陽河流域位置

Fig.1LocationofLiuyangRiverwatershed

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究利用的原始數(shù)據(jù)為郎梨站1969—2013年實測徑流資料和瀏陽河流域內(nèi)12個雨量站的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來源于湖南省水文與水資源勘測局?；贏rcGIS 10.2平臺對12個雨量站點逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，利用泰森多邊形法插值成水文站控制區(qū)域內(nèi)的面降水量，且序列長度與徑流保持一致。

2.3 研究方法

采用線性回歸和5 a滑動平均法[12]對距平處理后的降水、徑流時間序列進(jìn)行了年際、年代際和季節(jié)的變化分析。利用累計距平[13]和滑動t檢驗[14]分析標(biāo)準(zhǔn)化后的徑流、降水序列的突變，并結(jié)合分段線性擬合分析二者的相互關(guān)系。

在定量分析氣候變化和人類活動對徑流的影響時，降水與徑流雙累積曲線法[15]在人類活動影響較小、年降水量和徑流量同比例增加或減少時，其雙累積曲線在拐點前后可能仍然保持在同一直線上，從而造成拐點劃分的隨意性，因此本文采用累積量斜率變化率法[11]。其原理是假如徑流量只受到降水變化的影響，則降水和徑流隨年份變化的累積斜率應(yīng)是同倍比變化的，然后根據(jù)各個影響因素隨時間累積斜率的變化率占變量累積斜率變化率的比值來推求其影響程度。假設(shè)累積徑流量隨年份的關(guān)系式的斜率在變點前后分別為SRb和SRa(億m3/a), 累積降水量隨年份的關(guān)系式的斜率在變點前后分別為SPb和SPa(mm/a)，則累積徑流量斜率變化率RSR為

RSR=100%×(SRa-SRb)/SRb。

(1)

累積降水量斜率變化率為RSP為

RSP=100%×(SPa-SPb)/SPb。

(2)

降水量變化對徑流量變化的貢獻(xiàn)率CP可以表示為

CP=100%×RSP/RSR。

(3)

氣溫的變化也會影響流域蒸發(fā)量的改變，從而影響徑流量的變化。如果用CET表示蒸發(fā)量對流域徑流變化的貢獻(xiàn)率，則人類活動對徑流量變化的貢獻(xiàn)率CH為

CH=100%-CP-CET。

(4)

張婷婷[16]的研究表明，瀏陽位于山地東側(cè)的迎風(fēng)坡，降水豐富，氣候濕潤，風(fēng)速較小導(dǎo)致蒸發(fā)皿蒸發(fā)微弱。從湘江流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率空間分布來看，瀏陽站點的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量無明顯的變化趨勢，未通過置信度檢驗。說明該地區(qū)蒸發(fā)量變化對徑流量的影響非常有限，因此，假定CET近似為0。

3 降水量和徑流的變化特征及關(guān)系

3.1 降水量的年際、年代際和季節(jié)變化

表1給出了1969—2013年瀏陽河流域年、季節(jié)降水量平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變差系數(shù)。由表1可知，瀏陽河流域1969—2013多年平均降水量為1 601.1 mm，呈上升趨勢，上升率為3 mm/(10 a)，標(biāo)準(zhǔn)差259.7 mm，變差系數(shù)0.16。

表11969—2013年瀏陽河流域年、季節(jié)面降水量平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變差系數(shù)

Table1Meanvalues,standarddeviationsandvariationcoefficientsofannualandseasonalprecipitationfrom1969to2013inLiuyangRiverwatershed

統(tǒng)計時段平均值/mm標(biāo)準(zhǔn)差/mm變差系數(shù)年度1601．1257．90．16春季594．4126．70．21夏季551．0188．70．34秋季225．999．10．44冬季229．866．00．29

從降水的季節(jié)分布來看，春、夏季偏多，而秋、冬季偏少。春季和夏季為瀏陽河流域面降水量最多的季節(jié)，降水量為594.4，551 mm，分別占年降水量的37.1%，34.4%。而秋、冬季面降水量明顯偏少，分別只有225.9，229.8 mm，分別占年降水量的14.1%，14.4%。從季節(jié)的變差系數(shù)可知，春季最小，最穩(wěn)定；夏、冬季次之；秋季最大，穩(wěn)定性最差。

由瀏陽河流域1969—2013年降水量距平及5 a滑動平均曲線(圖2)可知，瀏陽河流域年降水量有明顯的年際、年代際的變化特征。最大年降水量為1998年的2 241.1 mm，最小降水量為2007年的1 082.8 mm。20世紀(jì)70年代、90年代和21世紀(jì)初年際間的降水量變化較大，變差系數(shù)在0.15～0.23之間；而20世紀(jì)80年代的年際變化較小，變差系數(shù)在0.08左右。20世紀(jì)70年代降水處于波動的平穩(wěn)階段，90年代處于降水偏多期，80年代和21世紀(jì)初處于降水偏少期。

圖2瀏陽河流域1969—2013年降水量距平變化

Fig.2Variationofannualprecipitationanomaliesfrom1969to2013inLiuyangRiverwatershed

3.2 徑流的年際、年代際和季節(jié)變化特征

由表2可知，郎梨水文站1969—2013多年徑流量的平均值為99.7 m3/s，標(biāo)準(zhǔn)差為29.4 m3/s，變差系數(shù)為0.29，呈減少趨勢，下降率為2.7 (m3·s-1)/(10 a)。

表2 1969—2013年瀏陽河流域年、季節(jié)徑流量平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變差系數(shù)

從季節(jié)分布來看，春季和夏季的徑流量分別為155.1，146 m3/s，分別占到全年的38.9%，36.6%。秋季和冬季較小，分別為48，49.8 m3/s。從季節(jié)的變差系數(shù)可知，夏季的變差系數(shù)最大，為0.53，波動最大，秋季和冬季次之，春季變差系數(shù)最小，為0.35，變化相對穩(wěn)定。

由瀏陽河流域1969—2013年徑流量距平及5 a滑動平均曲線(圖3)可知，郎梨的年徑流量也有明顯的年際、年代際變化特征。最大年徑流量為1998年的191.5 m3/s，最小年徑流量為2007年的45 m3/s，與面降水量極值年份一致。20世紀(jì)70年代、90年代和21世紀(jì)初年際波動較大，變差系數(shù)在0.25～0.33之間；而20世紀(jì)80年代的年際變化較平緩，變差系數(shù)為0.19。徑流量按豐、平、枯水年劃分為5個等級[17]，頻率分別為(87.5%,100%)，(62.5%，87.5%)，(37.5%，62.5%)，(12.5%，37.5%)，(0，12.5%) 的徑流分別對應(yīng)枯水年、偏枯水年、平水年、偏豐水年和豐水年。20世紀(jì)70年代至90年代未出現(xiàn)枯水年，而21世紀(jì)初有3年出現(xiàn)枯水年，分別為2007，2004，2011年。1969，1973，1998年為豐水年，平水年的年數(shù)為12。偏豐和偏枯的年數(shù)分別為14，13，占總年數(shù)的31.1%，28.9%。從年代際變化來看，20世紀(jì)90年代處于偏大期，80年代和21世紀(jì)初處于偏少期，這與降水的變化基本一致。

圖3瀏陽河流域1969—2013年徑流量距平變化

Fig.3Variationofannualrunoffanomaliesfrom1969to2013inLiuyangRiverwatershed

3.3 降水與徑流的關(guān)系

對1969—2013年的瀏陽河流域面降水量和下游郎梨站徑流數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理后，得出降水和徑流標(biāo)準(zhǔn)化序列后的累積距平曲線(圖4)。徑流與同期降水的演變趨勢基本一致，徑流處于豐、枯水段時降水也同樣處于偏多、偏少期。具體來看，1969—1976年，徑流處于偏豐階段；1977—1988年，徑流處于偏枯時段；1988—1999年，徑流處于總體偏豐階段。這種階段性變化與圖3 的階段性變化基本一致，與降水的年際變化相吻合，呈現(xiàn)一致的下降—上升—下降趨勢。從圖 4可知，1988—1992年，降水和徑流發(fā)生一次顯著性波動后，迅速轉(zhuǎn)為90年代的明顯上升期。徑流與降水的相關(guān)系數(shù)為0.9，通過了0.01的顯著性檢驗，說明降水的變化是影響徑流變化的一個重要因素。

圖4瀏陽河流域1969—2013年標(biāo)準(zhǔn)化的降水與徑流累積距平曲線

Fig.4Cumulativeanomalycurvesofstandardizedrunoffandprecipitationfrom1969to2013inLiuyangRiverwatershed

根據(jù)1969—2013年間徑流和降水標(biāo)準(zhǔn)化序列的累積距平的年際變化，在1988年前后徑流量和降水的累積距平分別表現(xiàn)為減少和增大的趨勢，顯然1988年為該時期的突變年份。從1988—2013年間的徑流量和降水的累積距平的年際變化可以發(fā)現(xiàn)，在1999年前后徑流和降水也表現(xiàn)出先增大后減少的變化特征，其突變年份為1999年。利用滑動t檢驗法對徑流序列的1988年和1999年作進(jìn)一步檢測，分別取前后長度均為10的2個子序列進(jìn)行計算，得到統(tǒng)計量t分別為-3和2.9，均通過t0.05=2.23的顯著性檢驗。

土地利用覆被變化是影響流域產(chǎn)匯流過程重要因素，從而影響降水徑流之間的關(guān)系。以1988年和1999年為分界劃分為3個階段，分別對降水和徑流的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值進(jìn)行線性擬合(圖5)。在瀏陽河流域，1969—1988年和1989—1998年2個時段的降雨與徑流曲線擬合出現(xiàn)明顯的交叉現(xiàn)象，1989—1998年與1969—1988年相比，擬合線斜率增加，這反映流域地表蓄水能力相對增加，對水資源涵養(yǎng)能力有所增加，植被覆蓋情況相對較好。1989—1998年和1999—2013年2個時段的降雨與徑流曲線擬合接近平行，后時段與前時段相比，等量的降水量所形成的徑流量有所增加，這反映流域的地表蓄水能力相對減弱了，土地覆被中的不透水面積增加，從而導(dǎo)致水資源涵養(yǎng)能力降低，產(chǎn)流增加，匯流時間提前。

圖5各時期標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值的徑流與降水的關(guān)系

Fig.5Relationshipofstandardizedrunoffvs.standardizedprecipitationineachperiod

4 降水和人類活動對徑流影響的定量研究

由徑流量的2個突變點，即1988年和1999年可以將瀏陽河流域徑流量的變化劃分為3個時期：Ra時期(1969—1988年)、Rb時期(1989—1998年)和Rc時期(1999—2013年)。瀏陽河流域在1988年以前，人類活動相對較少，變點1988年以前徑流量的變化主要受到氣候尤其是降水量變化的影響。1988年之后，人類活動逐漸加強(qiáng)，徑流量的變化既受降水等自然因素的變化影響,還疊加了人類活動的影響。如圖6所示，用累積徑流量(圖6(a))和累積降水量(圖6(b))分別與年份進(jìn)行擬合。

(a) 累積徑流量與年份的關(guān)系

(b) 累積降水量與年份的關(guān)系

圖6瀏陽河流域累積徑流量、累積降水量與年份的關(guān)系

Fig.6Relationshipsofcumulativerunoffandcumulativeprecipitationvs.yearinLiuyangRiverwatershed

Rb時期與Ra時期相比，累積徑流量與年份的線性關(guān)系式的斜率增加了8.4億m3/a，增加率為28.29%(表3)。與同時期的降水量相比，累積降水量與年份的線性關(guān)系式的斜率增加了244.9 mm/a，增加率為16.07%(表4)。根據(jù)式(3)和式(4)計算結(jié)果可知，Rb時期與Ra時期相比，降水量的變化對徑流變化的貢獻(xiàn)率為56.8%，在不考慮氣溫變化對徑流變化的影響時，人類活動對徑流量增加的貢獻(xiàn)率為43.2%。

表3 瀏陽河流域累積徑流量斜率及其變化率

Rc時期與Ra時期相比，累積徑流量與年份的線性關(guān)系式的斜率減少了2.69億m3/a，減少率為9.06%(表3)。與同時期的降水量相比，累積降水量與年份的線性關(guān)系式的斜率減少了10.5 mm/a，減少率為0.69%(表4)。根據(jù)式(3)和式(4)計算結(jié)果可知，Rc時期與Ra時期相比，降水量的變化對徑流變化的貢獻(xiàn)率為7.62%，在不考慮氣溫變化對徑流變化的影響時，人類活動對徑流量增加的貢獻(xiàn)率為92.38%。

表4 瀏陽河流域累積降水量斜率及其變化率

Rc時期與Rb時期相比，累積徑流量與年份的線性關(guān)系式的斜率減少了11.09 億m3/a，減少率變?yōu)?9.12%(表3)。與同時期的降水量相比，累積降水量與年份的線性關(guān)系式的斜率減少了255.4 mm/a，減少率為14.44%(表4)。根據(jù)式(3)和式(4)計算結(jié)果可知，Rc時期與Rb時期相比，降水量的變化對徑流變化的貢獻(xiàn)率為49.59%，在不考慮氣溫變化對徑流變化的影響時，人類活動對徑流量增加的貢獻(xiàn)率為50.41%。

20世紀(jì)80年代以來，水利工程的不斷建設(shè)，瀏陽河流域中上游興建大中型水庫2座，中型水庫5座,小型水庫225座。株樹橋引水工程的修建，將提供長沙市每日95萬t的用水量。另外，隨著瀏陽市社會經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展以及人口的增長，工農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的用水量也隨之增加,會導(dǎo)致河川徑流減少。1998年以來，受國家政策的影響，瀏陽河流域展開了退耕還林工程，林地的增加導(dǎo)致產(chǎn)流隨之減少?？梢娊邓孔兓瘜搅髁孔兓挠绊懗潭燃眲p少，而劇烈的人類活動已成為影響瀏陽河流域徑流變化的主要因素。

5 結(jié) 論

采用統(tǒng)計分析方法分析了瀏陽河流域面降水量與郎梨水文站徑流量的演變規(guī)律及相關(guān)關(guān)系，定量分析了降水變化和人類活動對徑流量變化的貢獻(xiàn)率。主要結(jié)論如下：

(1)1969—2013年瀏陽河流域降水量表現(xiàn)為增加趨勢，上升率為3 mm/(10 a)，而徑流量表現(xiàn)為下降趨勢，下降率為2.7 (m3·s-1)/(10 a)。氣候變化和人類活動的共同作用導(dǎo)致瀏陽河流域年徑流量呈下降趨勢，降水量呈增加趨勢而徑流量呈下降趨勢從側(cè)面體現(xiàn)了人類活動對徑流的影響大于蒸散發(fā)等其他氣象因素。降水量和徑流量均表現(xiàn)為相似的年際、年代際的變化特征，在20世紀(jì)70年代、90年代和21世紀(jì)初年際變化顯著，變差系數(shù)分別在0.15～0.23和0.25～0.33之間，而年代際之間均表現(xiàn)為“偏多—偏少—偏多”的交替變化。

(2)從季節(jié)的分布來看，降水量和徑流量的季節(jié)最大值均出現(xiàn)在春季,夏季次之，秋季和冬季相對較少。春季和夏季的降水量和徑流量均占全年的60%～70%。而秋季的降水量和夏季的徑流波動最大，變差系數(shù)分別達(dá)到了0.44和0.53。

(3)降水量和徑流量序列均在1988和1999年發(fā)生顯著性突變。根據(jù)降水和徑流的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值分階段線性擬合可知，相對于基準(zhǔn)期1969—1988年，該流域的水資源涵養(yǎng)能力和植被覆被經(jīng)歷了先增加后下降的2個階段。

(4)以1969—1988年為基準(zhǔn)期，在不考慮蒸散發(fā)影響的條件下，定量估算了1989—1998年和1999—2013年降水量的變化和人類活動對徑流量變化的貢獻(xiàn)率。在不同的時空尺度下，2個時期的降水量變化對徑流量變化貢獻(xiàn)率依次為56.8%和7.62%，而人類活動對徑流量的貢獻(xiàn)率依次為43.2%和92.38%。

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(編輯：羅 娟)

Effects of Precipitation Variation and Human Activities on Runoff in Liuyang River Watershed

YU Ze-xing1，HU Guo-hua1，CHEN Xiao1，GU Qing-fu2

(1.School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science amp; Technology, Changsha 410114,China; 2.Hydrology amp; Water Resources Bureau of Hunan Province, Changsha 410007,China)

Quantitative evaluation of the effects of precipitation variation and human activities on runoff in Liuyang River watershed is conducive to a more rational utilization of water resource. In this paper we analyzed the evolution law of and the relationship between runoff and precipitation in 1969—2013 in Liuyang River basin by means of linear fitting, moving average and accumulative anomaly. We also estimated the contribution rates of precipitation variation and human activities to runoff variation in different periods quantitatively by comparing cumulative slope variance ratio. Results indicated that precipitation displayed an increasing trend in a rate of 3 mm/(10 a), while runoff represented a decreasing trend in a rate of 2.7 (m3·s-1)/(10 a). Precipitation and runoff both witnessed an abrupt change in 1989 and 1999 in a trend of “decrease-increase-decrease”. Compared with the baseline period from 1969 to 1988, the contribution rates of precipitation variation to runoff variation in 1989—1998 and 1999—2013 were 56.8% and 7.62%, while the contribution rates of human activities in 1989—1998 and 1999—2013 were 43.2% and 92.38%, indicating that human activity has become the main factor which affects the runoff variation in Liuyang River watershed.

Liuyang River watershed; runoff variation; method of comparing cumulative slope variance ratio; precipitation variation; human activities

2016-07-18;

2016-08-25

湖南省重大水利科技項目(2013-243-2)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2015B359)

于澤興(1991-)，男，湖南岳陽人，碩士研究生，從事水文預(yù)報研究，(電話)14789910820(電子信箱)423552622@qq.com。

胡國華(1965-)，男，湖南新田人，教授，博士，從事水資源演變規(guī)律研究，(電話)13974831708(電子信箱)g.h.hu@163.com。

10.11988/ckyyb.20160735

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1001-5485(2017)11-0006-06