谷桂華，李學(xué)輝，余守龍，段路松

(1.云南省水文水資源局玉溪分局，云南玉溪653100；2.云南省水文水資源局，云南昆明650106；3.云南省水文水資源局臨滄分局，云南臨滄677000)

氣候變化是影響水資源最直接的因素，其中降水對(duì)水循環(huán)起著至關(guān)重要的作用。但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)的影響越來(lái)越大，在部分區(qū)域，甚至超過(guò)了自然作用力的影響[1]。氣候變化和人類活動(dòng)是全球環(huán)境變化的重要體現(xiàn)，也是改變河川徑流量的主要因素[2-3]。

幾十年來(lái)，氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響一直被人們關(guān)注和研究。近年來(lái)，劉劍宇等[4]構(gòu)建氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化影響定量評(píng)估模型，在Penman-Monteith潛在蒸發(fā)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析氣象因子對(duì)徑流變化的彈性系數(shù)，量化氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響；黃斌斌等[5]以水文循環(huán)過(guò)程為主線，分過(guò)程闡述氣候變化及人類活動(dòng)影響地表徑流發(fā)生變化的機(jī)制機(jī)理，對(duì)各種量化二者對(duì)地表徑流變化貢獻(xiàn)率的方法進(jìn)行比較，分析全球部分流域氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)地表徑流變化影響的差異；司源等[6]采用基于Budyko假設(shè)的水熱耦合平衡方法定量計(jì)算了工程實(shí)施前后氣候變化及人類活動(dòng)對(duì)黑河流域徑流演變的影響；王賽男等[7]以南洞地下河為研究對(duì)象,利用其1972—2014年的徑流量、降水量和蒸散量數(shù)據(jù),分析其年際變化特征，揭示氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)年徑流量的影響；彭濤等[8]采用長(zhǎng)江干流寸灘、宜昌、漢口和大通4個(gè)控制站的徑流量和輸沙量資料，分析水沙變化趨勢(shì)及突變特征，定量分解氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)徑流泥沙的影響；崔豪、張艷霞、鄒浩等[9-11]開(kāi)展了氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)大清河、錫林河、湘江流域徑流影響的研究。

南盤江為珠江流域上游，屬于云南東部經(jīng)濟(jì)社會(huì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，同時(shí)也是云南地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用最高[12]，水污染較嚴(yán)重的地區(qū)，因此南盤江水資源是珠江流域水資源配置的重要基礎(chǔ)，對(duì)泛珠江三角州經(jīng)濟(jì)健康協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。由于氣候變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及流域水資源開(kāi)發(fā)利用的影響，南盤江流域徑流發(fā)生較大變化。因此，為實(shí)測(cè)徑流還原分析提供基礎(chǔ)依據(jù)，為流域水資源規(guī)劃、水資源管理和保護(hù)與利用提供支撐，定量研究氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)該流域徑流的影響是十分必要的。本文以第3次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)選用的南盤江干流控制水文站江邊街站和區(qū)間20個(gè)降水代表站1956—2016年資料為基礎(chǔ)，采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法、累積距平法和分離評(píng)判法，分析了徑流的趨勢(shì)變化，并定量研究了氣候變化和人類活動(dòng)影響的貢獻(xiàn)率。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

南盤江是珠江的上游，在云南省境內(nèi)流域面積約為4.32萬(wàn) km2。南盤江發(fā)源于曲靖馬雄山，干流由北向南流經(jīng)麒麟、沾益、陸良、石林、宜良、華寧、彌勒等縣(區(qū))，在開(kāi)遠(yuǎn)市小龍?zhí)掇D(zhuǎn)向東北，經(jīng)彌勒、瀘西、邱北、師宗至羅平縣三江口滇、黔、桂三省交界處出省境，境內(nèi)河長(zhǎng)766 km，出境處高程720 m。南盤江位于滇東高原地區(qū)，有陽(yáng)宗海、撫仙湖、星云湖、杞麓湖、異龍湖等高原湖泊，是云南工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)。南盤江高古馬以上河段，河谷開(kāi)闊，河床縱坡較緩，兩岸地勢(shì)平坦，土地肥沃，盆地在河流上呈串珠狀排列，松林壩、沾曲壩、陸良?jí)?、宜良?jí)畏植计溟g，是云南省糧食作物主要生產(chǎn)基地；高古馬以下河段，呈峽谷地形，山嶺重疊，石灰?guī)r分布較廣[12]。

南盤江流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，干濕季分明；干季(枯期)受西方干暖大陸氣團(tuán)的影響，干暖少雨，降水量?jī)H占年值的15%左右；濕季(汛期)受西南暖濕氣流影響，降水集中，占年降水量的85%左右。由于氣候和地形影響，流域北部和東部為多雨區(qū)，中部和西部干旱少雨；徑流由降水產(chǎn)生，因此徑流分布與降水基本一致。南盤江水資源開(kāi)發(fā)利用較高，目前已建成各類蓄水工程6 342座，總蓄水庫(kù)容30.2億m3；大型水庫(kù)有獨(dú)木水庫(kù)和柴石灘水庫(kù)，中型水庫(kù)46座，河道引水工程4 664條，提水工程3 193處，總供水能力達(dá)到37.7億m3[13]。流域內(nèi)用水以農(nóng)業(yè)用水為主，具有曲靖、蒙開(kāi)個(gè)、平遠(yuǎn)街和丘北4個(gè)大型灌區(qū)和眾多中小型灌區(qū)；農(nóng)業(yè)用水量占年用水總量的65%；南盤江水資源開(kāi)發(fā)利用率達(dá)16%，是云南境內(nèi)開(kāi)發(fā)利用最高的流域[14]。

1.2 數(shù)據(jù)

按照第3次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)分析成果，南盤江云南境內(nèi)具有長(zhǎng)系列的徑流出境控制站為江邊街水文站。因此，選擇江邊街站及其控制區(qū)域內(nèi)20個(gè)降水代表站1956—2016年徑流和降水資料進(jìn)行分析，其中選用水文雨量站12個(gè)，氣象雨量站8個(gè)。選用站基本情況見(jiàn)表1，代表站點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖1。

表1 南盤江流域選用站點(diǎn)基本情況

1.3 方法

1.3.1Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法能有效區(qū)分某一自然過(guò)程是處于自然波動(dòng)還是存在確定的變化趨勢(shì)，特別是對(duì)于非正態(tài)分布的水文數(shù)據(jù)，Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)具有較好的適用性，無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)系列進(jìn)行特定的分布檢驗(yàn)，對(duì)于極端值也可參與趨勢(shì)檢驗(yàn)；在時(shí)間序列分析中，無(wú)需指定是否是線性趨勢(shì)，可以定量地計(jì)算出時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，是水文氣象序列研究中經(jīng)常采用的方法[15-16]。對(duì)長(zhǎng)度為n的時(shí)間序列{xi︳i=1，2，…，n}，{xi}是一個(gè)由n個(gè)元素組成的獨(dú)立的具有相同分布的隨機(jī)變量。

圖1 南盤江流域云南區(qū)主要水系及代表站點(diǎn)分布

對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序列:

(1)

式中:

構(gòu)造的秩序列Sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)值。在假定時(shí)間序列服從隨機(jī)獨(dú)立的條件下，定義統(tǒng)計(jì)量UFk。

(2)

式中 UF1=0;E(Sk)、Var(Sk)——累計(jì)數(shù)Sk的均值和方差；UFi——標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定顯著性水平α(α取0.05)，若|UFi|≥Uα，則表明時(shí)間序列x存在明顯的趨勢(shì)變化。

將時(shí)間序列x按逆序進(jìn)行排列，得到新的時(shí)間序列xn，xn -1，…，x1，再重復(fù)上述過(guò)程，同時(shí)令UBk=-UFk。分別繪制UFk和UBk曲線圖，如果UFk值大于0，則表明時(shí)間序列x呈上升趨勢(shì)；反之，則表明呈下降趨勢(shì)；當(dāng)它們超過(guò)顯著性水平α所給定的臨界值時(shí)，表明時(shí)間序列x上升或下降趨勢(shì)顯著。如果UBk和UFk2條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在兩臨界直線之間，那么交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為時(shí)間序列突變開(kāi)始的時(shí)間。

1.3.2累積距平法

累積距平法是一種常用于判別水文氣象要素變化趨勢(shì)的方法，它可以直觀準(zhǔn)確的確定要素年際變化的階段性特征[17-18]。對(duì)于時(shí)間序列xi累積距平的計(jì)算方法表示為：

(3)

將n個(gè)時(shí)間序列的累積距平值全部算出，即可繪制累積距平曲線。累積距平曲線可直觀分析時(shí)間序列的趨勢(shì)變化，從曲線明顯的上升和下降起伏變化，可以判斷系列長(zhǎng)期顯著的演變趨勢(shì)和發(fā)生突變的大致時(shí)間[19]。

1.3.3分離評(píng)判法

將分析系列劃分成基準(zhǔn)期和人類活動(dòng)影響評(píng)價(jià)期，綜合考慮徑流變化特征和人類活動(dòng)的影響，用徑流變化比例代替氣候因素和人類活動(dòng)因素對(duì)徑流量的影響[20]。公式為：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中Rc、Rh——?dú)夂蜃兓腿祟惢顒?dòng)對(duì)徑流變化貢獻(xiàn)的比例；Qn、Qh——評(píng)價(jià)期的天然徑流量和實(shí)測(cè)徑流量；Wn、Wh——基準(zhǔn)期的天然徑流量和實(shí)測(cè)徑流量；Pc、Ph——?dú)夂蜃兓腿祟惢顒?dòng)在徑流量變化中的貢獻(xiàn)率[21-22]。

2 結(jié)果分析

2.1 徑流和降水變化趨勢(shì)

根據(jù)選用的20個(gè)雨量站降水逐年系列，采用泰森多邊形法計(jì)算江邊街水文站集水區(qū)域內(nèi)1956—2016年的面雨量系列。從江邊街站天然徑流和區(qū)域面降水過(guò)程看出(圖2)，徑流過(guò)程與降水過(guò)程對(duì)應(yīng)性較好，過(guò)程趨勢(shì)基本一致。

圖2 江邊街站徑流及區(qū)間降水變化過(guò)程趨勢(shì)

通過(guò)線性分析得到降水過(guò)程Y=-1.708 7X+999.97，則b=-1.7087<0，區(qū)間降水系列有減少趨勢(shì)；徑流過(guò)程Y=-1.348 7X+277.81，則b=-1.348 7<0，徑流系列也為減少趨勢(shì)。通過(guò)M-K法對(duì)區(qū)間降水和徑流系列進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得到降水系列坎德?tīng)栔却蜗嚓P(guān)檢驗(yàn)值U=1.572Uα/2=1.96(α取0.05)，說(shuō)明徑流系列變化趨勢(shì)顯著。

2.2 分析期劃分

繪制徑流深和降水累積距平線，見(jiàn)圖3。由于降水累積距平線的|T|=2>Tα/2=1.64(α取0.05)，說(shuō)明降水過(guò)程存在突變；其中累積距平線最高點(diǎn)1987年前后發(fā)生顯著跳躍，次高點(diǎn)2002年前后也發(fā)生明顯跳躍。徑流累積距平線的|T|=2.13>Tα/2=1.64(α取0.05)，說(shuō)明徑流過(guò)程也存在突變；其中累積距平線最高點(diǎn)1974年前后發(fā)生顯著跳躍，次高點(diǎn)2002年前后也發(fā)生明顯跳躍。

圖3 南盤江流域徑流深與流域降水累積距平線

綜合降水和徑流累積距平過(guò)程，以徑流深過(guò)程為主，首先確定1974年為徑流過(guò)程的首個(gè)突變點(diǎn)，結(jié)合降水過(guò)程和徑流過(guò)程的第2個(gè)可能突變點(diǎn)2002年，再確定2002年為徑流過(guò)程的第2突變點(diǎn)。根據(jù)徑流過(guò)程突變點(diǎn)的確定，本次把江邊街徑流過(guò)程劃分為3個(gè)時(shí)期進(jìn)行分析：①基準(zhǔn)期1956—1973年；②分析I期1974—2001年；③分析II期2002—2016年。

2.3 影響程度估算

根據(jù)江邊街站1956—2016年實(shí)測(cè)徑流量和分項(xiàng)調(diào)查法還原后的天然徑流量成果，分別統(tǒng)計(jì)不同分析期江邊街站實(shí)測(cè)徑流深和天然徑流深，見(jiàn)表2。

表2 江邊街站不同時(shí)期徑流深

1956—1973年，江邊街站徑流天然值與實(shí)測(cè)值僅相差3.7%，實(shí)測(cè)徑流基本與天然徑流一致。1974—2001年，天然值與實(shí)測(cè)值相差9.7%，超過(guò)5.0%；2002—2016年，天然值與實(shí)測(cè)值相差11.9%。由此可見(jiàn)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展徑流天然值與實(shí)測(cè)值的相差越來(lái)越大，說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響越來(lái)越大。采用分離評(píng)判法估算江邊街站不同分析期氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響程度，見(jiàn)表3。

表3 江邊街站徑流影響因素估算結(jié)果 單位：%

相對(duì)于基準(zhǔn)期1956—1973年，分析I期1974—2001年氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率為65.9%，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率為34.1%；分析II期2002—2016年氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率為82.8%，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率為17.2%。

從分析結(jié)果看出，雖然人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響越來(lái)越大，但氣候變化仍然是影響徑流變化的主要因素。表3中，II期的氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率比I期大，主要是因?yàn)?002年后流域經(jīng)歷了幾個(gè)特殊干旱年，特別是2009年后連續(xù)5年的干旱導(dǎo)致分析II期氣候變化對(duì)徑流的影響更加顯著。干旱的直接影響導(dǎo)致徑流明顯減少(表4)，分析II期的降水與基準(zhǔn)期比較減少11%，形成的徑流則減少26.1%，影響情況比分析I期顯著。有研究顯示，云南從2000年以后干旱次數(shù)和強(qiáng)度均增加，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，出現(xiàn)2003—2006年、2009—2014年等長(zhǎng)期連續(xù)干旱的狀態(tài)[23]，南盤江流域年降水量在2002年出現(xiàn)突變，并開(kāi)始顯著下降[24]。以上氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化貢獻(xiàn)率的分析結(jié)果、干旱對(duì)徑流的影響以及相關(guān)研究成果顯示，受氣候變化和干旱的影響，南盤江流域降雨、徑流在2002年前后發(fā)生了顯著變化。

表4 江邊街站面降雨量、徑流深變化情況

人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響也越來(lái)越顯著，根據(jù)第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)分析成果，江邊街站徑流一致性較好，說(shuō)明流域下墊面條件沒(méi)有發(fā)生較大變化。從流域水資源開(kāi)發(fā)利用情況看，年用水總量27.85億m3，占水資源量的15.4%；其中供用水量中蓄水工程和提水工程供水量占總量的70.7%[14]；因此，人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響主要表現(xiàn)在對(duì)徑流的控制和調(diào)配方面，水利工程對(duì)枯季徑流影響顯著[25]。

2.4 對(duì)徑流年內(nèi)分配影響

根據(jù)江邊街站徑流的年內(nèi)月過(guò)程顯示，徑流主要集中在汛期5—10月，占年徑流的54%～84%；各分析期枯季(1—4月、11—12月)和汛期(5—10月)徑流比例變化顯示(表5)，1974—2001年分析期與基準(zhǔn)期枯季和汛期徑流占年內(nèi)比例變化不明顯，而2002—2016年分析期與基準(zhǔn)期枯季和汛期徑流的年內(nèi)分配占比變化較為明顯，枯季徑流占比增加4.2%，汛期徑流占比減少4.2%。說(shuō)明徑流的年內(nèi)變化在本世紀(jì)較為明顯，主要是表現(xiàn)在枯季徑流增加，汛期減少。

表5 江邊街站枯季和汛期徑流占年徑流比例變化 單位：%

不同分析期降水和徑流的年內(nèi)分配變化過(guò)程顯示(圖4)，不同時(shí)期降水的年內(nèi)分配比例基本不變(圖4a)，而不同時(shí)期徑流的年內(nèi)分配比例有明顯變化(圖4b)。徑流年內(nèi)分配變化主要是年內(nèi)集中程度有所坦化，特別是2002—2016年相比于1956—1973年徑流變化率為4.2%。說(shuō)明在以降水為主要?dú)夂蛞?，其年?nèi)分配變化不大的情況下，徑流年內(nèi)分配的變化主要是由于人類活動(dòng)引起的。

a) 江邊街站以上區(qū)間降水年內(nèi)分配變化

b) 江邊街徑流年內(nèi)分配變化圖4 江邊街站徑流和區(qū)間降水年內(nèi)變化

3 結(jié)果與討論

南盤江流域具有云南最大的壩子，人口集中，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，水資源對(duì)壩區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有較大影響。通過(guò)對(duì)1956—1973年、1974—2001年和2002—2016年3個(gè)分析期降水和徑流因子的特性分析，徑流與降水變化有較好的一致性，說(shuō)明氣候變化對(duì)徑流影響最顯著。同時(shí)，由于農(nóng)田灌溉、工業(yè)用水等人類活動(dòng)的疊加影響，徑流的變化更加明顯。

a) 南盤江流域的徑流來(lái)源于降水，兩個(gè)因子的變化特性顯示，江邊街水文站以上區(qū)間年降水為不顯著減少趨勢(shì)，而年徑流呈顯著減少趨勢(shì)。

b) 以1956—1973年為基準(zhǔn)期，1974—2001年期間，南盤江流域的氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)年徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為65.9%和34.1%；2002—2016年期間分別為82.8%和17.2%，說(shuō)明氣候變化仍然是影響徑流年際變化的主要因素。同時(shí)也說(shuō)明，干旱年份年徑流的氣候變化影響因素更顯著。

c) 南盤江流域降水的年內(nèi)變化不明顯，徑流則有顯著變化。人類活動(dòng)是月徑流影響的主要影響因素，徑流的年內(nèi)分配影響主要表現(xiàn)在月徑流的均勻化和峰值的坦化現(xiàn)象上。

定量評(píng)價(jià)氣候變化和人類活動(dòng)影響是重新認(rèn)識(shí)地區(qū)水資源變化的重要基礎(chǔ)，對(duì)單站徑流分析和水資源評(píng)價(jià)具有重要意義。本文定量評(píng)價(jià)了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的變化影響，是第3次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)中“實(shí)測(cè)徑流還原”工作的重要基礎(chǔ)和支撐。由于氣候變化影響因素較多，降水僅是氣候要素中對(duì)徑流影響最直觀的因子，而氣候變化引起環(huán)境變化進(jìn)而對(duì)徑流產(chǎn)匯流也有一定的影響；同時(shí)人類活動(dòng)也會(huì)影響下墊面產(chǎn)匯流條件和機(jī)制，因此氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響變化仍然是值得研究的問(wèn)題。