王 磊

(河北省衡水水文水資源勘測(cè)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(dòng)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(duì)區(qū)域徑流量的變化具有重要影響[2]。人類活動(dòng)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(gè)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(shì)，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(dòng)對(duì)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(jì)分析已被證明是對(duì)徑流響應(yīng)的各種影響因素檢驗(yàn)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(dòng)對(duì)其造成的影響[11]。由于河北省內(nèi)的海河流域人類活動(dòng)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(shì)變化；②分析氣候變化(降水和蒸散發(fā)量)及人類活動(dòng)(水庫水量調(diào)節(jié)和土地利用變化)對(duì)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?yàn)檠芯繀^(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(shí)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(gè)雨量站及8個(gè)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(gè)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(tái)(http://www.geodata.cn/)。

3 研究方法

3.1 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)

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

定義統(tǒng)計(jì)量S：

(1)

(2)

趨勢(shì)計(jì)算公式為：

(3)

(4)

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

3.2 Mann-Kendall突變檢測(cè)

定義統(tǒng)計(jì)量Sk[14]：

(5)

(6)

定義統(tǒng)計(jì)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(jì)算得到UB，當(dāng)UF線與UB線的交點(diǎn)在±Uα之間時(shí)，且數(shù)據(jù)存在顯著性變化趨勢(shì)時(shí)候，說明交點(diǎn)為突變點(diǎn)。Uα為在顯著性水平α下，查正態(tài)分布表獲得的統(tǒng)計(jì)量值。

3.3 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)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(diǎn)前后降水量變化；ΔE0為突變點(diǎn)前后蒸散發(fā)量變化；β、γ為徑流對(duì)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(dòng)對(duì)徑流變化的影響為：

Qhum=ΔQ-Qclim

(14)

式中：ΔQ為突變點(diǎn)前后徑流量的變化；Qhum為由人類活動(dòng)引起的徑流變化。

4 結(jié)果分析

4.1 年徑流的趨勢(shì)及突變分析

趨勢(shì)分析有助于了解水文和氣候變量的長期變化特點(diǎn)。本文采用M-K法對(duì)1956-2000年的年徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。Z統(tǒng)計(jì)值為2.96，在0.01顯著性水平下表現(xiàn)為顯著性下降趨勢(shì)。圖2給出M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果，曲線的交點(diǎn)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(diǎn)，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(shì)。在基準(zhǔn)時(shí)期年平均徑流量為108.35 mm，而變化時(shí)期的值僅為51.63 mm，變化時(shí)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(shì)及突變點(diǎn)檢測(cè)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(dòng)對(duì)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(jì)算12個(gè)氣象站的潛在蒸散量。與基準(zhǔn)時(shí)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(shí)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(jì)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(dòng)引起的徑流變化Qhum為33.53，占59.12%。

人類活動(dòng)對(duì)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(duì)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(cè)流量和調(diào)整流量，結(jié)果表明在基準(zhǔn)期(1956-1979年)，水庫對(duì)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(jì)算的氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)年徑流的影響見表3?？傮w來看，人類活動(dòng)的影響大于氣候變化，在人類活動(dòng)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(dòng)對(duì)徑流變化的影響

4.3 季節(jié)性徑流量的突變及趨勢(shì)變化

為了更好地分析氣候和人類活動(dòng)對(duì)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(diǎn)檢測(cè)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(diǎn)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(gè)時(shí)期之間降水和徑流量的變化。由表4可以看出，兩個(gè)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(yàn)結(jié)果

圖5 旱季徑流M-K突變檢驗(yàn)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(dòng)對(duì)季節(jié)性徑流量的影響

為確定人類活動(dòng)開始顯著影響徑流的時(shí)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(shí)間一致。曲線的顯著變化可表明降水以外的因素可能會(huì)對(duì)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(cè)線)，這表明自然產(chǎn)生的徑流比預(yù)測(cè)的要少。季節(jié)性累積徑流量與預(yù)測(cè)值之間的差異被稱為人類活動(dòng)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(dòng)對(duì)海河流域季節(jié)性徑流的影響所造成的。計(jì)算結(jié)果表明，人類活動(dòng)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(duì)于人類活動(dòng)對(duì)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(shí)測(cè)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(duì)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(dòng)對(duì)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(dòng)占56.47%。人類活動(dòng)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(dòng)引起的，占92.85%，而氣候變化僅占7.15%。人類活動(dòng)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(dòng)對(duì)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(shì)及突變分析結(jié)果表明，徑流有顯著的下降趨勢(shì)，其突變點(diǎn)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(duì)于年徑流量的變化，氣候變化的貢獻(xiàn)率為40.89%，人類活動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)引起的，占92.85%，而氣候變化僅占7.15%；在人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)中，水庫調(diào)節(jié)占40.71%，土地利用變化占52.14%?？傊瑢?duì)于海河流域，無論是年徑流還是季節(jié)性徑流，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化造成的影響均大于氣候變化。