魏宣，王寧，周明通，郭玉川, 2*

氣候變化和人類活動對克里雅河徑流變化影響定量研究

魏宣1，王寧1，周明通1，郭玉川1, 2*

（1.新疆大學 地理與遙感科學學院，烏魯木齊 830017；2.新疆大學 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊 830017）

【目的】深入了解克里雅河徑流變化的潛在機制及驅動因素?！痉椒ā炕谮厔莘治觥⑾嚓P性分析及突變分析，分別采用雙累積曲線法及累積量斜率變化率比較法，計算氣候變化和人類活動對克里雅河徑流變化的貢獻率?！窘Y果】1958—2015年克里雅河流域年平均氣溫和年徑流量呈一定的顯著增加趨勢，年降水量呈不顯著增加趨勢，而潛在蒸散發(fā)呈顯著遞減趨勢；通過Mann-Kendall突變檢驗法、累積距平法和有序聚類法，綜合確定克里雅河流域徑流突變點為1999年；以1958—1999年為基準期，使用雙累積曲線法計算得出2000—2015年氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻率分別為59.16%、40.84%，通過累積量斜率變化率比較法得出貢獻率的結果分別為79.03%、20.97%。【結論】因此，氣候變化是影響克里雅河徑流變化的首要因素，人類活動是次要因素。

雙累積曲線法；克里雅河流域；氣候變化；人類活動；累積量斜率變化率比較法

0 引言

【研究意義】近年來，全球氣溫以數百萬年最快的速率穩(wěn)步上升，它直接影響到水汽濃度、蒸散發(fā)、降水強度和頻率等氣象要素，對區(qū)域水文過程產生強烈影響[1]；同時，受土地利用類型變化、水利工程建設、水土保持設施等人類活動的影響，流域下墊面條件發(fā)生改變，從而影響流域內水文循環(huán)過程[2]，因此，徑流的變化往往是氣候變化和人類活動共同作用的結果。定量分析氣候變化和人類活動對徑流變化的影響，已逐步成為全球水文變化研究、水資源科學管理以及生態(tài)環(huán)境保護等領域重點關注問題[3]。

【研究進展】近年來，為定量研究氣候變化與人類活動對徑流變化的影響程度，眾多學者提出不同計算方法，目前較主流方法有2類：一類是水文模型法，例如楊大文等[4]、吳立鈺等[5]、劉酌希等[6]、王國慶等[7]分別利用流域水熱耦合平衡模型、可變下滲容量模型、SWAT模型、RCCC-WBM水量平衡模型等分析徑流變化成因。另一類是水文氣象趨勢分析法，雖然該方法需要較少的數據，但為了達到定量評價的效果，需要較長的數據序列。其中應用較為廣泛的方法有雙累積曲線法，例如王隴等[8]、邱玲花等[9]、臧榮強等[10]分別以南小溝流域、黑河中游流域、沅水流域為研究對象，使用雙累積曲線法分析徑流變化的驅動因素；此外，累積量斜率變化率比較法也被學者們廣泛運用，例如韓聰慧等[11]、張艷霞等[12]、夏偉等[13]、李彤等[14]為了計算氣候變化和人類活動對西拉木倫河、錫林河、灃河以及資水流域等徑流變化的貢獻率，通過累積量斜率變化率比較法計算并分析其主要影響因素。

【切入點】當前研究更多的集中在濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)的一些流域，而干旱區(qū)徑流的變化程度對氣候變化和人類活動更為敏感，各因素對徑流變化的影響程度也存在著諸多不確定性?！緮M解決的關鍵問題】本研究以發(fā)源于昆侖山北麓的克里雅河徑流為研究對象，探討氣候變化與人類活動對克里雅河徑流變化的影響，以期為全球氣候變暖背景下的干旱區(qū)水資源配置與管理提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

克里雅河（圖1）發(fā)源于昆侖山主峰的烏斯騰格山北坡[15]，由南向北流經塔里木盆地南緣的于田縣。克里雅河全長約438 km，縱坡為3.4‰，蘭干水文站是克里雅河控制性水文站（81°28′10.26″E，36°27′58.45″N），出山口處蘭干水文站以上的集水面積為7 358 km2，站點高程為1 880 m。水文站上游修建的吉音水庫于2016年底下閘蓄水，因此，本文僅采用蘭干水文站1958—2015年的天然月徑流量數據進行分析，該時段內蘭干水文站以上基本不受人為干擾?？死镅藕?958—2015年多年平均徑流量7.55億m3，最大年徑流量為11.39億m3，最小年徑流量為4.89億m3；春季流量為11.04 m3/s，夏季流量為63.72 m3/s，秋季流量為14.28 m3/s，而冬季流量為6.75 m3/s，徑流年內分配不均。

1.2 數據來源

克里雅河1958—2015年月徑流數據來自于蘭干水文站，由和田地區(qū)水文局提供。氣象數據來自于田氣象站，通過國家氣象信息中心（http://data.cma.cn/）下載獲得克里雅河流域范圍內于田氣象站1958—2015年日氣象數據，包括最高最低氣溫、平均氣溫、風速、日照時間、日降雨量、平均相對濕度、平均水汽壓等?；谟谔餁庀笳局鹑諗祿?，通過FAO修正的彭曼（Penman-Monteith）公式獲得研究區(qū)的潛在蒸散發(fā)[16]。

1.3 研究方法

1.3.1 水文氣象要素分析

水文要素和氣象要素都有其客觀發(fā)生的原因和具體形成條件，是隨時間而發(fā)生動態(tài)變化的，在一段時間中服從趨勢性規(guī)律。眾多學者提出不同趨勢變化分析方法，為了分析克里雅河流域水文氣象要素變化趨勢，本文采用較為直觀的線性回歸法和應用廣泛的Mann-Kendell趨勢檢驗法[17]。對于徑流突變點的識別，采用Mann-Kendell突變檢驗法、累積距平法[18]和有序聚類法[19]3種方法綜合考慮，突變點可信度更高。上述方法已有較多研究詳細介紹，本文不再這里贅述。

1.3.2 徑流變化歸因定量識別

對于克里雅河流域徑流變化驅動因素的識別，本文應用雙累積曲線法[20]和王繼隨等[21-22]提出并修正的累積量斜率變化率比較法2種方法綜合確定。

目前，雙累積曲線法是對水文氣象要素進行長時間序列分析的方法。本文按照相同的步長，繪制基準期降水-徑流深雙累積曲線圖，并建立二者之間線性回歸方程，利用所建立的回歸方程模擬變化期的徑流。徑流深變化總量為突變后實測徑流深與突變前實測徑流深的差值，其中人類活動對徑流的影響量為突變后徑流深與突變后計算徑流深差值。

在眾多氣候因子中，降水與氣溫直接影響流域徑流量變化，其中降水量的變化直接影響到產流量的變化，而氣溫的變化導致蒸散量的變化。假設在累積徑流量變化的某一突變點年份前后，年份與累積徑流量、累積降水量、累積蒸散量間線性關系的斜率分別為Rb和Ra（億m3）、pb和pa（mm/a）、Eb和Ea（mm/a），則降水量對河流徑流量變化的貢獻率p（%）可以表示為：

蒸散量對徑流量變化的貢獻率C（%）可以表示為：

獲得降水量和蒸散量對徑流變化的貢獻率后，則人類活動對流域徑流變化的貢獻率H（%）為：

2 結果與分析

2.1 趨勢性及相關性分析

圖2為克里雅河流域年平均氣溫、年降水量、潛在蒸散發(fā)以及年徑流量線性變化趨勢，各要素Mann-Kendall趨勢檢驗結果見表1。

圖2 研究區(qū)氣象水文要素變化趨勢

表1 線性趨勢及Mann-Kendall趨勢檢驗

從圖2和表1可以看出，克里雅河流域年平均氣溫以0.015 ℃/a的速率增高，且統(tǒng)計量值為2.84，在0.01檢驗水平下遞增趨勢顯著；年降水量以0.29 mm/a的速率升高，但降水統(tǒng)計量值為0.55，在0.05檢驗水平下遞增趨勢不顯著；潛在蒸散發(fā)以4.21 mm/a的速率遞減，檢驗統(tǒng)計量值為-3.98，在0.01檢驗水平下下降趨勢顯著；年徑流量以0.04億m3/a的速率升高，徑流量統(tǒng)計量值為3.08，在0.01檢驗水平下遞增趨勢顯著。

流域尺度的降水量、降水強度、氣溫及蒸散發(fā)等氣候要素通過水文循環(huán)而影響徑流，因而進一步研究氣象要素對徑流的影響。對克里雅河流域1958—2015年日照時間、最低氣溫、平均氣溫、最高氣溫、平均水汽壓、相對濕度、潛在蒸散發(fā)和降雨與徑流作Pearson相關性檢驗，結果如表2所示。由表2可知，克里雅河流域年徑流量與最高氣溫通過99.9%置信度的相關檢驗，即年徑流量與最高氣溫相關系數為0.49，二者極顯著正相關；年徑流量與最低氣溫、平均水汽壓和降雨相關系數分別為0.30、0.26和0.33，顯著正相關。徑流量與氣象要素的相關性排序為：最高氣溫>降雨>最低氣溫>平均水汽壓>平均氣溫>相對濕度>潛在蒸散發(fā)>日照時間。

表2 徑流與氣象要素相關性分析

注 **表示在0.01級別（雙尾），相關性顯著。*表示在0.05級別（雙尾），相關性顯著。

2.2 突變性分析

本研究分別運用Mann-Kendall突變檢驗法、累積距平法和有序聚類法這3種方法綜合判別分析蘭干水文站徑流基準期和變化期，如圖3所示。

在Mann-Kendall突變檢驗法中，()為標準正態(tài)分布序列，它是按時間序列的順序（1,2,…x）計算出的統(tǒng)計量序列，()為時間序列的逆序（x,x1,…1）。將顯著性水平設定為0.05和0.01，其統(tǒng)計量值分別為±1.96和±2.58。從圖3（a）可知，克里雅河流域徑流量()和()曲線相交于1999年，且交點位于臨界值檢驗范圍內，認為徑流量的突變點為1999年。()曲線呈顯著上升趨勢，在2010年時超過0.05顯著性水平，在2012年超過0.01顯著性水平，表明克里雅河徑流量增加趨勢極其顯著。根據克里雅河流域1958—2015年徑流量的累積距平值，繪制其累積距平圖如圖3（b）所示。從圖3（b）可知，1958—1998年累積距平值整體呈減小趨勢，1998—2015年累積距平值總整體呈增加趨勢，因此蘭干水文站徑流量發(fā)生突變的年份為1998年。根據克里雅河流域1958—2015年徑流量的離差平方和值，繪制其總離差平方和如圖3（c）所示。從圖3（c）可知，總離差平方和在1999年達到最小值為96.03，因此1999年是蘭干水文站徑流量序列顯著變化轉折年。

通過3種方法綜合考慮，認為蘭干站徑流量序列在1999年發(fā)生突變，將徑流序列劃分為1958—1999年為基準期，2000—2015年為突變期。

圖3 1958—2015年克里雅河流域徑流量突變點識別

表3對比了基準期和變化期氣象水文要素的變化量。變化期氣溫、降水、徑流較基準期分別增加了0.83 ℃、10.65 mm、2.22億m3，而潛在蒸散發(fā)減少了44.26 mm。經過計算Hurst指數（簡稱值）[23]，1958—2015年年平均氣溫、年降水量及年徑流量的值分別為0.832、0.658和0.670，皆大于0.5，具有較強的持續(xù)性，表明在2015年后的一段時間內，克里雅河流域年平均氣溫、年降水量和年徑流量在未來仍保持上升趨勢，這與西北地區(qū)由暖干向暖濕化轉化，年降水量有所增加的趨勢相同[24]。徑流量產生顯著增加趨勢的原因可能是，克里雅河屬于西北干旱區(qū)內陸河，對氣候變化較為敏感，在氣候變暖的影響下，冰川積雪消融速率增快，補給了大量徑流。

表3 基準期和變化期氣象水文要素變化

2.3 徑流量變化的歸因分析

分別對克里雅河流域降水量和徑流深進行累積，繪制累積徑流深與累積降水量雙累積曲線圖見圖4，二者線性關系顯著，得到基準期回歸方程為：

∑=2.013∑+62.567，2=0.991

圖4 降雨-徑流深雙累積曲線圖

為了得到突變后計算徑流深值，將變化期2000—2015年的累積降雨量帶入基準期的回歸方程求得。分別求得氣候變化和人類活動對克里雅河流域徑流的影響量和貢獻率，如表4所示。

徑流的顯著變化取決于降水的增加或減少。由表4可知，變化期的多年平均降水量較基準期增加了10.65 mm，而徑流深較基準期增加了30.17 mm，因而蘭干水文站徑流量的增加與降水量的增加直接相關。通過分離降水變化和人類活動對徑流的影響可知，降水變化導致2000—2015年的徑流深增加了17.85 mm，貢獻率為59.16%；而由人類活動引起徑流的增加量為12.32 mm，貢獻率為40.84%。

表4 氣候變化和人類活動對克里雅河流域徑流變化影響

本研究基于上述徑流突變年份，分別對年份與累積降水量、年份與累積潛在蒸散發(fā)、年份與累積徑流量在基準期和變化期進行線性回歸分析，所得相關關系見圖5。各因子與年份擬合后2均超過0.98，因此各因子與年份之間的相關性較高。為了定量分離降水、潛在蒸散發(fā)以及人類活動對徑流量變化的影響，分別提取各要素斜率數值，結果如表5所示。由表5可知，與基準期相比，變化期累積降水量與年份線性關系的斜率增加了13.77 mm，變化率為29.44%；變化期累積潛在蒸散發(fā)與年份線性關系的斜率減少60.30 mm，變化率為-4.74%；變化期累積徑流量與年份線性關系的斜率增加了2.18億m3，斜率變化率為31.26%。

圖5 累積降水量、累積潛在蒸散發(fā)、累積徑流量變化趨勢

表5 不同時期年份與各指標累積量關系的斜率及其變化

由表6可知，與基準期（1958—1998年）相比，變化期（1999—2015年）降水量對徑流量的貢獻率為94.18%，潛在蒸散發(fā)對徑流量的貢獻率為-15.15%，氣候變化對徑流量變化的貢獻率為79.03%，而人類活動對徑流量的貢獻率為20.97%。

表6 氣候變化和人類活動對克里雅河流域徑流變化貢獻率

表7對比了2種方法的計算結果，使用雙累積曲線法得到氣候變化對克里雅河徑流變化的貢獻率為59.16%，而使用累積量斜率變化率比較法計算結果為79.03%，二者相差19.87%。在雙累積曲線應用中，僅考慮降雨這一氣候因素，此外流域內只有1個氣象站，本研究使用了單站點的降雨量可能造成了徑流變化結果的不精確。綜合來看，氣候變化是克里雅河徑流變化的重要因素，這是由于蘭干水文站位于源流山區(qū)，未經人為引流，受人類活動影響較小。

表7 2種方法對氣候變化和人類活動影響的定量區(qū)分

3 討論

眾多學者對干旱區(qū)徑流量變化的影響因素已做了大量研究，如李虹彬等[25]基于彈性系數法，定量研究阿克蘇河徑流變化的歸因，結果表明氣候變化對徑流量增加的貢獻率是59%，因此氣候變化是阿克蘇河徑流變化的主要原因；洪波等[26]通過雙累積曲線法確定氣候變化是開都河出山口徑流量增加的主要驅動力。本文采用雙累積曲線法和累積量斜率變化率比較法分析克里雅河徑流變化的成因，結果表明徑流變化的主要因素是氣候變化，人類活動是次要因素，這一研究結果與干旱區(qū)的其他研究結果[27-29]基本一致。

雖然國內外水文氣象學者在全球及區(qū)域尺度水文循環(huán)要素變化檢測和歸因分析取得了一定的進展，但當前的研究方法均是建立在氣候變化和人類活動相對獨立的假設上，首先計算氣候變化所引起的徑流變化量，然后將剩余的徑流變化量全部歸結為人類活動。在定量評估氣候變化與人類活動對徑流變化影響時，多因素影響機理及相互作用問題仍不清楚，無法簡單分離氣候要素與人類活動二者的影響，如氣候變化對徑流過程的影響有多少是人類活動引起的，人類活動又如何影響氣候變化。由于不確定性因素對方法的影響以及水文數據的限制，在以后研究中，需要綜合考慮各方面的因素，以便準確把握氣候變化和人類活動影響下水資源演變規(guī)律，保障水資源安全并實現合理調控。此外，本研究僅涉及到降水、氣溫和潛在蒸散發(fā)作為氣候要素，通過徑流量與氣象要素的相關性分析發(fā)現，與徑流顯著相關的平均水汽壓這一氣候要素尚未考慮。因此，在變化環(huán)境下，需要綜合考慮有關的水文氣象要素（如溫度、日照時間、風速、平均水汽壓、土壤濕度、實際蒸發(fā)等）變化，確定各要素的貢獻率大小及各影響因素的作用，以便提出適合流域水資源協調發(fā)展的對策和措施。

4 結論

1）克里雅河流域1958—2015年年平均氣溫、年降水量和年徑流量呈增加趨勢，其中年平均氣溫和年徑流增加趨勢顯著，年降水量增加趨勢不顯著，而潛在蒸發(fā)量呈顯著遞減趨勢。徑流量與氣象要素的相關性排序為：最高氣溫>降雨>最低氣溫>平均水汽壓>平均氣溫>相對濕度>潛在蒸散發(fā)>日照時間。

2）克里雅河流域徑流突變點為1999年，因而將徑流序列劃分為基準期（1958—1999年）和變化期（2000—2015年）。

3）氣候變化對徑流增加的貢獻率遠大于人類活動對徑流增加的貢獻率。因此，氣候變化是克里雅河流域徑流變化的首要因素，人類活動是次要因素。

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Combined Impact of Climate Change and Human Activities on Runoff in the Kriya River

WEI Xuan1, WANG Ning1, ZHOU Mingtong1, GUO Yuchuan1, 2*

(1. Xinjiang University College of Geography and Remote sensing Sciences, Urumqi 830017, China;2. Key Laboratory of Oasis Ecology Ministry Education Xinjiang University, Urumqi 830017, China)

【Objective】Kriya River is one of most important rivers in Xinjinag, and the purpose of this paper is to analyze the impact of climate change and human activity on its runoff.【Method】The study was based on trend analysis, correlation analysis and abrupt change analysis; the contribution of climate change and human activities to the change in the runoff was calculated using the double cumulative curve method and the comparison of slope rate of change of cumulative volume, respectively.【Result】The mean annual temperature and runoff showed significant increase from 1958 to 2015, annual precipitation did not show significant variation, while the potential evapotranspiration had decreased significantly. The sudden change in the runoff occurred in 1999, as estimated by the Mann-Kendall method, cumulative distance level method and the ordered clustering method. Using the data from 1958 to 1999 as reference, the contribution of climate change and human activities to the runoff calculated using the double cumulative curve method for 2000—2015 was 59.16% and 40.84%, respectively,and those calculated by the cumulative slope rate were 79.03% and 20.97%, respectively. 【Conclusion】Climate change is the primary factor influencing the change in the runoff of the Kriya River, followed by human activities.

double cumulative curve method; Kriya River Basin; climate change; human activities; comparison of the slope rate of change of cumulative volume

魏宣, 王寧, 周明通, 等. 氣候變化和人類活動對克里雅河徑流變化影響定量研究[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(8): 80-86.

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1672 - 3317（2022）08 - 0080 - 07

P333

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022080

2022-02-17

國家自然科學基金項目（41961003）；國家自然科學基金聯合重點支持項目（U1703237）

魏宣（1996-），女。碩士研究生，主要從事水文水資源研究。E-mail: 1582718107@qq.com

郭玉川（1982-），男。講師，主要從事水文水資源研究。E-mail: xjguoyuchuan@126.com

責任編輯：白芳芳