劉鳴彥，房一禾，孫鳳華，趙春雨， 侯依玲，崔 妍，周曉宇

(1.沈陽(yáng)區(qū)域氣候中心，遼寧 沈陽(yáng) 110166；2.中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

引 言

隨著全球氣候變暖和人類活動(dòng)加劇，我國(guó)各大流域水資源在時(shí)空分配上發(fā)生明顯改變，而河川徑流是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是人們生產(chǎn)生活用水的主要來(lái)源，其變化對(duì)整個(gè)流域水資源配置、開發(fā)及利用產(chǎn)生重大影響[1]。研究表明，流域徑流量的變化由氣候波動(dòng)與人類活動(dòng)共同引起[2]，前者主要通過(guò)降水、氣溫、日照、風(fēng)速等氣候要素影響流域水循環(huán)[3]，其中降水是影響徑流變化的主導(dǎo)因素，氣溫則是通過(guò)改變流域的蒸散發(fā)間接影響徑流變化[4]，而后者主要通過(guò)土地覆被類型的改變[5]、水利工程設(shè)施建設(shè)、地下水開采等方式改變流域下墊面狀況[6]，進(jìn)而影響流域水文過(guò)程。另外，隨著人口密集度的增加，生產(chǎn)生活用水趨于增多，這在一定程度上也會(huì)導(dǎo)致徑流量的減少。如何定量區(qū)分氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的影響？近年來(lái)，相關(guān)研究陸續(xù)提出了多元線性回歸法[7]、雙累積曲線法[8]、降雨徑流模型法[9-11]、累積量斜率變化率比較法[12-13]等，用來(lái)定量分解上述兩類因素對(duì)徑流量變化的影響程度。其中，累積量斜率變化率比較法能夠定量客觀地獲得各類影響因子對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率，且累積量與年份建立的線性關(guān)系能有效降低觀測(cè)資料年際波動(dòng)的影響[14]。與其他方法相比，累積量斜率變化率比較法能夠消除各類影響因子權(quán)重分配的人為性，分析結(jié)果更加可信，該方法已廣泛應(yīng)用于干旱半干旱地區(qū)流域徑流量影響要素的評(píng)估中[15]。焦瑋等[16]利用累積量斜率變化率比較法分離了氣候要素及人類活動(dòng)對(duì)錫林河流域徑流量變化的貢獻(xiàn)率，明確人類活動(dòng)是錫林河流域徑流量減少的最重要驅(qū)動(dòng)因素。王靜潔等[17]采用累積量斜率變化率比較法評(píng)估了降水對(duì)呼倫湖流域徑流變化的影響，得出降水減少是徑流減少的主要原因。可見，不同區(qū)域氣候變化及人類活動(dòng)對(duì)河川徑流的影響程度差異較大。

東北地區(qū)是我國(guó)氣候變化敏感區(qū)，在全球變暖背景下該地區(qū)水資源量出現(xiàn)較大幅度的衰減。太子河是遼河流域的重要水系，太子河流域是遼寧省工業(yè)生產(chǎn)基地及主要糧食產(chǎn)區(qū)，太子河用水量占全省的70%，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口密度大的雙重壓力下，該流域已成為省內(nèi)最嚴(yán)重的缺水地區(qū)之一[18-19]。目前，太子河流域徑流量的研究多集中在趨勢(shì)特征分析[20]和徑流模擬預(yù)估[21]方面，而氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的定量評(píng)估方面相對(duì)有限[22]。隨著氣候波動(dòng)的影響，近10 a太子河流域徑流量呈現(xiàn)與以往不同的變化態(tài)勢(shì)，目前僅研究水文氣象變化趨勢(shì)已無(wú)法滿足該流域水資源開發(fā)管理的需求。為此，本文利用1961—2018年水文與氣象觀測(cè)資料，分析太子河流域徑流量、面降水量及潛在蒸散量的趨勢(shì)和突變特征，在此基礎(chǔ)上，采用累積量斜率變化率比較法定量估算氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)不同時(shí)期徑流量變化的貢獻(xiàn)率，揭示徑流變化對(duì)氣候波動(dòng)和人類活動(dòng)的響應(yīng)特征，以期為該流域水資源可持續(xù)利用提供一定的科學(xué)決策參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

太子河流域(122°26′E—124°53′E、40°29′N—41°39′N)橫貫遼寧省中東部，是遼河下游左岸的主要支流[23]。太子河上游有兩個(gè)源頭，北支源于新賓縣平頂山鄉(xiāng)紅石砬子山，南支源于本溪縣東營(yíng)坊鄉(xiāng)白石砬子山，兩支流在北甸附近匯合后，自東向西流經(jīng)本溪、遼陽(yáng)、鞍山市，在海城三岔河附近匯入大遼河(圖1)，并于營(yíng)口市注入渤海[24]。太子河干流全長(zhǎng)約413 km，流域面積13 883 km2，平均流量106 m3·s-1，落差463 m，河道比降為0.29‰～1.22‰[25]。太子河流域是東北地區(qū)經(jīng)濟(jì)核心，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，工業(yè)化程度較高。流域西部是遼河沖積平原的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，是遼寧省商品糧基地，而東部山區(qū)自然資源豐富，是多種經(jīng)濟(jì)作物的集中產(chǎn)區(qū)。太子河流域地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，雨熱同季，冬季寒冷期長(zhǎng)，春、秋季短，東濕西干，平原多大風(fēng)[26]；年平均降水量為700～900 mm，且年內(nèi)分布不均勻，多集中在6—9月，約占全年的71.2%，且降水量由東向西逐漸遞減，本溪至遼陽(yáng)段是暴雨洪水的多發(fā)地區(qū)[27]。太子河流域年平均水資源量34.9億m3，且空間分布差異顯著，東部多于西部，山地多于平原，水資源開發(fā)利用率為37%，總體屬于中高度緊張。小林子水文站位于太子河下游，控制流域面積9.75×103km2，約占全流域面積的74%，是太子河流域主要控制站。

圖1 太子河流域高程(單位:m) 及氣象站、水文站分布Fig.1 Distribution of elevation (Unit: m), meteorological stations and hydrological station in the Taizihe basin

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)為研究區(qū)6個(gè)氣象站1961—2018年逐日降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣壓、日照時(shí)數(shù)等，來(lái)源于遼寧省氣象信息中心，站點(diǎn)分布見圖1所示。水文資料是小林子水文站逐年徑流量，摘錄于中華人民共和國(guó)水文年鑒第2卷第3冊(cè)(渾河、太子河水系分冊(cè))。地理信息數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣候中心，包括30 m分辨率的數(shù)字高程模型(http://srtm.csi.cgiar.org)及河流水系。

1.3 研究方法

潛在蒸散量采用世界糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式[28]進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)用泰森多邊形法(Thiessen)[29]計(jì)算流域面平均氣溫、降水量和潛在蒸散量。采用累積量斜率變化率比較法[30]定量評(píng)估面降水量、潛在蒸散量及人類活動(dòng)對(duì)太子河流域徑流量變化的貢獻(xiàn)率。其原理是：假設(shè)累積徑流量與年份線性關(guān)系式的斜率在突變點(diǎn)前后2個(gè)時(shí)期分別為SR1和SR2(億m3·a-1)，累積降水量與年份線性關(guān)系式的斜率在突變點(diǎn)前后2個(gè)時(shí)期分別為SP1和SP2(mm·a-1)，累積蒸散量與年份線性關(guān)系式的斜率在突變點(diǎn)前后2個(gè)時(shí)期分別為SE1和SE2(mm·a-1)，則累積徑流量斜率變化率RSR(%)、累積降水量斜率變化率RSP(%)和累積蒸散量斜率變化率RSE(%)分別表示如下：

RSR=[(SR2-SR1)/SR1]×100%

(1)

RSP=[(SP2-SP1)/SP1]×100%

(2)

RSE=[(SE2-SE1)/SE1]×100%

(3)

式中：RSR、RSP、RSE為正數(shù)表示斜率增大，為負(fù)數(shù)則表示斜率減小。

面降水量、潛在蒸散量變化及人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率表示如下：

CP=(RSP/RSR)×100%

(4)

CE=-(RSE/RSR)×100%

(5)

CH=(1-CP-CE)×100%

(6)

式中：CP、CE、CH(%)分別是降水量、潛在蒸散量變化及人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率。

另外，采用趨勢(shì)分析、累積距平等方法進(jìn)行氣候要素變化趨勢(shì)、突變分析，其中1981—2010年為氣候態(tài)平均。

2 徑流量與氣象要素變化特征

2.1 年際及年代際變化特征

1961—2018年，太子河流域小林子水文站年徑流量整體呈微弱減少趨勢(shì)，平均每10 a減少0.81億m3，徑流量1960年代最大，1970年代最小，年徑流量最大值56.30億m3出現(xiàn)在2010年，最小值5.38億m3出現(xiàn)在1980年[圖2(a)]。

近58 a來(lái)，太子河流域面降水量表現(xiàn)出明顯的“多、少”循環(huán)的年代際變化特征，面降水量在1980年代最大，1990年代最小，整體呈微弱減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-5.64 mm·(10 a)-1[圖2(b)]；年面潛在蒸散量也呈微弱減少趨勢(shì)，平均每10 a減少3.67 mm，2010年代以前年代際階段性下降特征明顯，最低年代(2000年代)較最高年代(1960年代)減少5.26%[圖2(c)]。

2.2 突變特征

從小林子水文站徑流量累積距平的變化趨勢(shì)[圖3(a)]看出，徑流量累積距平分別在1975、1984、1996、2009年前后表現(xiàn)出“增大-減小-增大-減小-增大”的變化趨勢(shì)，趨勢(shì)特征通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明在1975、1984、1996、2009年前后小林子水文站徑流量發(fā)生了4次明顯突變。太子河流域面降水量累積距平的年際變化趨勢(shì)特征與徑流量類似，也在1975、1984、1996及2009年發(fā)生顯著突變[圖3(b)]。然而，面潛在蒸散量?jī)H在1983年前后發(fā)生了由大到小的顯著突變(通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn))[圖3(c)]。綜上可見，太子河流域徑流量在1975年之后發(fā)生了多次顯著突變，表明徑流量受氣候變化及人類活動(dòng)的影響程度可能加大。

圖2 1961—2018年太子河流域徑流量(a)、面降水量(b) 及潛在蒸散量(c)變化特征及趨勢(shì)Fig.2 The change characteristics and trends of runoff (a), areal precipitation (b) and potential evapotranspiration (c) in the Taizihe basin during 1961-2018

圖3 1961—2018年太子河流域徑流量(a)、面降水量(b)及潛在蒸散量(c)累積距平及突變年份Fig.3 The cumulative anomaly and mutation years of runoff (a), areal precipitation (b) and potential evapotranspiration (c) in the Taizihe basin during 1961-2018

2.3 徑流量與氣象要素的相關(guān)性

對(duì)太子河流域面平均降水量、潛在蒸散量與徑流量的年時(shí)間序列做相關(guān)分析(表略)，發(fā)現(xiàn)年徑流量與年面降水量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.897(通過(guò)α=0.001的顯著性檢驗(yàn))，而與面潛在蒸散量、平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.559(通過(guò)α=0.001的顯著性檢驗(yàn))、-0.333(通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn))，表明徑流量隨著降水量增加、氣溫降低和潛在蒸散量減小而增大。

3 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)

3.1 不同時(shí)期徑流量、面降水量及潛在蒸散量的變化率

以太子河流域徑流量發(fā)生顯著突變的年份(1975、1984、1996和2009年)為界，將1961—2018年劃分為5個(gè)時(shí)期：1961—1975年(A時(shí)期)、1976—1984年(B時(shí)期)、1985—1996年(C時(shí)期)、1997—2009年(D時(shí)期)和2010—2018年(E時(shí)期)，其中A時(shí)期定義為徑流變化基準(zhǔn)期，主要受氣候尤其是降水變化的影響，而將B～E時(shí)期定義為徑流變化期，徑流量變化除了受降水量、蒸散量等氣候因素影響外，可能還疊加了人類活動(dòng)的影響。上述5個(gè)時(shí)期的累積徑流量和面降水量、潛在蒸散量與年份之間的擬合關(guān)系如圖4所示，自變量x為年份，因變量y分別為累積徑流量、累積面降水量和累積面潛在蒸散量，各擬合公式的相關(guān)系數(shù)R都達(dá)0.98以上，通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明線性方程的擬合程度非常高。

3.2 不同時(shí)期氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率

在上述5個(gè)時(shí)期內(nèi)，太子河流域累積徑流量的線性擬合斜率分別為25.97、13.88、22.82、16.84、19.47億m3·a-1(表1)，累積面降水量的擬合斜率分別為763.01、676.80、751.54、695.11、710.40 mm·a-1，累積面潛在蒸散量的擬合斜率分別為987.71、982.93、972.80、964.27、989.87 mm·a-1(表2)。

圖4 1961—2018年太子河流域累積徑流量(a)、面降水量(b) 及潛在蒸散量(c)與年份的擬合關(guān)系Fig.4 The fitting relations between cumulative runoff (a), areal precipitation (b) and potential evapotranspiration (c) and year in the Taizihe basin during 1961-2018

表1 太子河流域不同時(shí)期累積徑流量的擬合斜率及其變化率Tab.1 The slopes of fitting equations of cumulative runoff in different periods and their change rates in the Taizihe basin

表2 太子河流域不同時(shí)期累積面降水量、潛在蒸散量的擬合斜率及其變化率Tab.2 The slopes of fitting equations of cumulative areal precipitation and potential evapotranspiration in different periods and their change rates in the Taizihe basin

與基準(zhǔn)期A相比，B時(shí)期累積徑流量的線性擬合斜率減小12.09億m3·a-1，減小率為46.55%；累積面降水量的擬合斜率減小86.21 mm·a-1，減小率為11.30%，累積面潛在蒸散量的擬合斜率減小4.78 mm·a-1，減小率為0.48%。將斜率的變化率帶入公式(4)、(5)、(6)，得到相對(duì)于基準(zhǔn)期，B時(shí)期氣候變化對(duì)徑流量減少的貢獻(xiàn)率為23.24%，其中降水減少的貢獻(xiàn)率為24.27%，潛在蒸散量減少的貢獻(xiàn)率為-1.03%，而人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率為76.76%(表3)。

表3 太子河流域徑流變化期氣候 變化與人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率Tab.3 The contribution rates of climate change and human activities to runoff change in change periods compared with the base period in the Taizihe basin 單位：%

與基準(zhǔn)期A相比，C時(shí)期累積徑流量的線性擬合斜率減小3.15億m3·a-1，減小率為12.13%，而累積面降水量、潛在蒸散量的擬合斜率分別減小11.47、14.91 mm·a-1，對(duì)應(yīng)減小率為1.50%、1.51%。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，C時(shí)期氣候變化對(duì)太子河流域徑流量變化的貢獻(xiàn)率為-0.08%，其中降水的貢獻(xiàn)率為12.37%，潛在蒸散量的貢獻(xiàn)率為-12.45%，人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率為100.08%。相對(duì)于B時(shí)期，C時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)基準(zhǔn)期徑流量變化的影響有所增強(qiáng)，增強(qiáng)約30.38%。另外，與B時(shí)期相比，C時(shí)期累積徑流量的線性擬合斜率增大8.94億m3·a-1，增大率為64.41%；累積面降水量的擬合斜率增大74.74 mm·a-1，增大率為11.04%，而累積面潛在蒸散量的擬合斜率減小10.13 mm·a-1，減小率為1.03%。經(jīng)計(jì)算可知，相對(duì)于B時(shí)期，C時(shí)期氣候變化對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率為18.74%，其中降水的貢獻(xiàn)率為17.14%，潛在蒸散量的貢獻(xiàn)率為1.60%，而人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率為81.26%。

相較于基準(zhǔn)期，D時(shí)期累積徑流量的線性擬合斜率減小9.13億m3·a-1，減小率為35.16%，而累積面降水量、潛在蒸散量的擬合斜率分別減小67.90、23.44 mm·a-1，對(duì)應(yīng)減小率為8.90%、2.37%。經(jīng)計(jì)算可知，D時(shí)期氣候變化對(duì)徑流量減少的貢獻(xiàn)率為18.57%，其中降水減少的貢獻(xiàn)率為25.31%，潛在蒸散量減少的貢獻(xiàn)率為-6.74%，人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率為81.43%。相對(duì)于B時(shí)期，D時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)基準(zhǔn)期徑流量變化的影響約增強(qiáng)6.08%，而氣候變化的影響相對(duì)減弱，約減少20.09%。相對(duì)于C時(shí)期，D時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)基準(zhǔn)期徑流量變化的影響有所減弱，約減少18.63%，而氣候變化的影響相對(duì)增強(qiáng)。另外，與上一時(shí)期(C)相比，D時(shí)期累積徑流量的擬合斜率減小26.20%，累積面降水量、潛在蒸散量的擬合斜率分別減小7.51%、0.88%，氣候變化對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率為25.29%，其中降水的貢獻(xiàn)率為28.65%，潛在蒸散量的貢獻(xiàn)率為-3.36%，而人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率為74.71%。

與基準(zhǔn)期相比，E時(shí)期累積徑流量的線性擬合斜率減小6.50億m3·a-1，減小率為25.03%，累積面降水量的擬合斜率減小6.90%，而累積面潛在蒸散量的擬合斜率增大0.22%，氣候變化對(duì)徑流量減少的貢獻(xiàn)率為28.45%，其中降水減少的貢獻(xiàn)率為27.57%，潛在蒸散量增加的貢獻(xiàn)率為0.88%，而人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率為71.55%，徑流量的變化仍主要受人類活動(dòng)的影響。另外，與前一時(shí)期(D)相比，E時(shí)期累積徑流量的擬合斜率增大15.62%，累積面降水量、潛在蒸散量的擬合斜率分別增大2.20%、2.65%，E時(shí)期氣候變化對(duì)徑流量增加的貢獻(xiàn)率為-2.88%，其中降水增加的貢獻(xiàn)率為14.08%，潛在蒸散量增加的貢獻(xiàn)率為-16.96%，而人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率為102.88%。

綜上所述，人類活動(dòng)是引發(fā)太子河流域徑流量變化的主要影響因子，影響程度在70%以上。人類活動(dòng)主要通過(guò)改變下墊面條件直接或間接地影響徑流過(guò)程和徑流量。一方面太子河流域內(nèi)人口數(shù)量增加及城市建設(shè)、道路交通等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)增強(qiáng)導(dǎo)致用水量增多，從而影響了河流徑流量；另一方面，流域內(nèi)修建了葠窩水庫(kù)、湯河水庫(kù)、觀音閣水庫(kù)等大中型水利樞紐工程，通過(guò)調(diào)節(jié)徑流過(guò)程而改變了下滲量和匯流時(shí)間。相對(duì)于基準(zhǔn)期而言，20世紀(jì)80年代中期至21世紀(jì)00年代末期人類活動(dòng)的影響偏強(qiáng)，對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率在80%以上；進(jìn)入2010年以后，人類活動(dòng)的影響程度有所減弱，氣候變化影響呈增強(qiáng)態(tài)勢(shì)，但人類活動(dòng)的影響程度仍高于氣候因子。

4 結(jié) 論

(1)1961—2018年，太子河流域小林子水文站徑流量與流域面平均降水量、潛在蒸散量均表現(xiàn)出不顯著的減少趨勢(shì)；徑流量與面降水量、潛在蒸散量之間存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，徑流量隨著降水量的增多、潛在蒸散量的減少而增大。

(2)近58 a來(lái)，太子河流域徑流量和面降水量分別在1975、1984、1996、2009年發(fā)生4次顯著突變，而面潛在蒸散量則在1983年發(fā)生顯著突變。以徑流量的突變年份為界，將研究時(shí)段劃分為5個(gè)不同時(shí)期，分別建立累積徑流量、面降水量及潛在蒸散量與年份之間的線性擬合關(guān)系式，相關(guān)系數(shù)均在0.98以上。

(3)相較于基準(zhǔn)期，4個(gè)變化期的氣候因子對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率分別為23.24%、-0.08%、18.57%、28.45%，而人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率分別為76.76%、100.08%、81.43%及71.55%?？梢?，人類活動(dòng)是太子河流域徑流量減少的主要影響因素，影響程度約是氣候因素的2～4倍。

由于水文資料受限，對(duì)太子河流域徑流量變化分析只選取了1個(gè)水文站作為樣本進(jìn)行探討，其結(jié)果具有一定的局限性，在今后的研究中可選取上、中、下游不同河段的水文站開展研究，以提高可信度。此外，除累積量斜率變化率比較法外，雙累積曲線法[31]和水文模型法[32]也廣泛應(yīng)用于徑流量變化的成因分析，在后續(xù)工作中可結(jié)合以上兩種方法開展對(duì)比分析，多方法驗(yàn)證識(shí)別，綜合估算氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)太子河流域徑流量變化的貢獻(xiàn)。