人类活动对老哈河流域近50年径流变化影响的定量评估

雍 斌朱 磊任立良刘 蝶陈 波

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 210098)

人类活动对老哈河流域近50年径流变化影响的定量评估

雍 斌1,2,朱 磊1,2,任立良1,刘 蝶2,陈 波2

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 210098)

以中国北方典型的半干旱区老哈河流域为研究区,基于分布在流域内的53个雨量站、10个径流站和4个气象站数据研究老哈河10个子流域近50年来关键水文要素的时空变化规律。利用MK检验及Pettitt突变点检验,分析降水与径流的变化趋势和显著性水平,并计算其突变点。采用半分布式可变下渗能力(variable infiltration capacity,VIC)模型对10个子流域基准期的降雨径流过程进行模拟。基于率定后的模型参数,对变化期自然径流进行重建,从而定量分割出气候变化和人类活动对该流域径流急剧下降的影响。结果表明:自1980年以来,老哈河流域90%的径流下降是由人类活动引起的,而仅有10%归因于气候变化;就人类活动而言,特别是中下游地区大面积的农业灌溉用水是整个老哈河流域地表径流急剧下降的根本原因。此外,研究还发现人类活动对径流下降的贡献率随流域干湿变化而不同,在枯水年人类活动影响所占比重较大,而在丰水年人类活动的影响相对较小。

气候变化;人类活动;径流;降水;半干旱地区;老哈河流域

水资源是生命存在和社会经济发展的重要资源[1],水资源量的多少及其时空分布特性与人类生产和生活息息相关。过去半个世纪里,由于人口增长和经济发展,使得人类对水资源的需求不断增强,我国很多流域的地表水和地下水遭到过度使用和开采,从而导致某些地区的地表径流明显减少[2],这一现象在我国北方半干旱地区尤为突出。自20世纪80年代以来,我国北方半干旱地区的气候和环境具有明显的干旱化趋势[3],流域水资源问题日益严重,水资源短缺已成为制约我国北方大多数地区社会经济发展的主要因素[4]。

符淙斌等[5-6]、叶笃正等[7]对我国东北榆林、赤峰等地进行了长期调查和研究,结果显示:不合理的人类活动对水文循环和生态环境的破坏是加剧我国北方干旱化的一个关键因素,未来资源性缺水和工程性缺水在这些半干旱区域已成定局;王顺德等[8]在分析塔里木河流域人类活动及气候变化对水文过程影响的研究中指出:塔里木河干流上中游区间耗水量严重,主要是因为河流源区人类活动的强烈影响;Ma等[9]基于降水和潜在蒸散发的定量估算,分析了气候变化与人类活动对石羊河流域过去50年径流变化的影响,结果表明:气候因素中的降水量是影响径流变化的主导因素;胡珊珊等[10]在白洋淀上游水源区的水量分析表明:气候变化部分影响了流域的产水量,但是人类活动是源区水源缺乏的根本原因。郝璐等[11]对老哈河红山水库坝址处的月径流进行分析,发现近40年间老哈河径流在月尺度上表现为负趋势变化,并对四季的变化进行了分析。由此可见:气候变化和人类活动是影响中国北方干旱、半干旱流域地表径流变化的两个主要因素,而在不同地区这两种因素的贡献率各不相同。

人类活动的影响较大程度上决定了流域径流的变化,本研究以我国东北半干旱的老哈河流域为研究对象,采用VIC-3L模型定量分析人类活动和气候变化对该流域过去50年地表径流显著下降的影响。老哈河属于半干旱资源型缺水区域,水资源的保护与利用决定了流域内城市的发展,研究结果以期对当地水资源管理和决策提供科学依据,以制定更合理的水资源管理政策。

1 研究区概况

作为西辽河的源头,老哈河流域地处河北、辽宁两省和内蒙古自治区交界,是我国重要的重工业、能源和商品粮生产基地。该流域形状呈不对称扇形,介于41°N～43°N、117°E～120°E之间,流域内地形复杂,地势西高东低起伏较大,海拔427～2017 m。老哈河流域属中温带半干旱大陆性季风气候,多年平均气温为7℃,平均降水量为430mm。降水量时空分布不均,丰枯变化大,5—10月为雨季,11月至翌年4月为旱季,暴雨集中在夏秋两季,暴雨中心多出现在中上游。上游多为林地覆盖,植被良好,土壤侵蚀较轻;中下游则大部分为黄土丘陵区,植被覆盖率较低,水土流失较严重。流域主要支流有黑里河、英金河、崩河、羊肠子河、锡伯河、西路嘎河、召苏河及半支箭河等(图1)。

图1 老哈河流域雨量站、径流站及子流域划分示意图Fig.1 Sketch map of rain gauge stations,runoff stations, and sub-basins in Laohahe Basin

本文以10个径流站作为出口站点来划分流域,其中7个为上游源头流域,2个为中部出口流域(8号流域出口点在赤峰市区内)以及以兴隆坡为流域出口的老哈河流域。表1提供了10个子流域的站点、经纬度、面积、高程、水文气象等特征信息。

2 数据资料和研究方法

2.1 资料收集

用于实验的水文气象观测数据来自内蒙古水文局提供的1964—2009年水文日资料以及国家气象局提供的基准站气象数据,具体包括:(a)流域内53个雨量站日降水资料;(b)10个子流域出口水文站逐日径流量资料;(c)流域内9个蒸发站所提供的日蒸发资料;(d)4个国家气象基准站所提供的日最高温、最低温和平均温度,以及10 m日平均风速、大气湿度等数据;(e)地形DEM数据为美国地质调查局提供的USGS标准格式全球1 km精度的GTOPO30数据。其中各个流域的降水量是由流域内所有雨量站的观测值通过泰森多边形法计算得到的。

表1 老哈河流域10个径流站的特征信息Table1 Feature information of ten runoff stations in Laohahe Basin

2.2 研究方法

本研究使用MK检验[12]和Pettitt突变点检验[13]来判断流域在长时间序列下是否发生了突变。它们可以判断一个随机序列是否发生了显著性变化,并定量计算出该序列的变化趋势,是水文、气象序列研究最常采用的方法。降雨径流双累积曲线用来辅助检验MK检验法及Pettitt突变点检验的结果。同时使用VIC (variable infiltration capacity,可变下渗能力)模型进行水文过程模拟。国内部分学者利用该模型在淮河[14-15]、渭河[15-16]、海河[17]等流域进行水文过程模拟,都取得了较好的效果。

此外,本文提供了一个可用于定量分割气候变化和人类活动对径流变化影响的评估框架。该框架的前提假设是:对于某一特定流域,径流的变化主要来自于气候变化和人类活动这2个因素[18],其中,相对于全球或区域的气候变化而言,流域内的人类活动是相对独立的[19],因此流域径流的变化实际上是由气候变化和人类活动引起的两种径流变量之和:

其中ΔQtot和ΔQclim还可以表示为

则人类活动引起的径流变化量为

这样,气候变化和人类活动对径流变化的影响可定量分割为

式中:ΔQtot——总的径流变化量;ΔQclim——由气候变化引起的径流变化量;ΔQhum——由人类活动引起的径流变化量;¯Q2,obs——变化期的流域年平均观测径流量;¯Q1,obs——基准期的流域年平均观测径流量;¯Q2,sim——变化期的流域年平均模拟径流量;¯Q1,sim——基准期的流域年平均模拟径流量;Iclim——由气候变化引起径流量变化的百分比;Ihum——由人类活动引起径流量变化的百分比。

3 结果与分析

3.1 流域内的降雨径流变化

表2为10个子流域运用MK检验法得到的结果,可以看出:在降水无明显变化的情况下,10个子流域内有6个流域的径流下降趋势显著。通过突变点检验,可以发现这6个子流域都存在2个突变点,其中新井的突变点为1967年和1998年,初头朗的突变点为1974年和1998年,甸子、赤峰、太平庄、兴隆坡这4个子流域的突变点都为1979年和1998年。统计出有突变点的6个子流域的降雨径流累积曲线(见图2),得到与表2结果相同的变化趋势。

图2 过去50年6个子流域的降雨径流累积曲线Fig.2 Cumulative curves of precipitation and runoff in six sub-basins over past 50 years

3.2 气候变化和人类活动对径流的影响

运用VIC-3L模型分别对径流下降显著的3个子流域进行水文模拟,以流域的第一个突变年份为界限,之前作为基准期,之后作为变化期。以确定性系数(NSCE)和偏差(BIAS)最小为指标,对VIC-3L模型进行参数率定;然后保持率定参数不变,利用变化期的降水驱动模型对变化期的自然径流进行重建,得到3个子流域的模拟径流。

表2 10个子流域趋势检验及变点检验的结果Table2 Results of trend test and change point test in ten sub-basins

表3 在整个变化期年平均径流量人类活动及气候变化的影响Table3 Effects of climate change and human activities on annual average runoff over whole variation period

为了评估人类活动和气候变化对地表径流下降的影响,在3个子流域内采用式(1)～(6)计算整个变化期由人类活动和气候变化引起的年均径流变化量以及各自所占的比重(表3)。从表3可以看出在这3个子流域中,人类活动是影响径流下降的主要原因,所占比例从 77.96%到90.94%。其中,8号、10号流域由人类活动引起的径流变化量为-911.63万m3和-1846.19万m3,占总径流下降的90.94%和89.53%。位于8号流域的赤峰市历年经济数据(图3)显示:随着人口数量的不断增加(过去50年人口增加了约200万),农业生产规模及国内生产总值不断扩大,如农作物产量在变化期的年均增长率为3.26%,远高于基准期的1.94%。特别是耗水量极大的灌溉农田面积已从1987年的2083 km2增加到2005年的3840 km2,水库、塘坝等水利工程支持下的农业灌溉成为人类活动对老哈河流域径流量影响的最主要因素。

图3 赤峰市经济数据Fig.3 Economic data of Chifeng City

为进一步分析人类活动和气候变化在年代间对径流变化的影响,将变化期划分为1980年前、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年共4个时期,同样采用式(1)～(6)计算上述流域径流量的变化。表4显示:在降水偏少的20世纪80年代,受人类活动和气候变化双重影响,整体径流普遍呈下降趋势,且人类活动的影响高于气候变化,是径流下降的主要原因;而降水相对较多的20世纪90年代,气候变化促进了径流增加,致使部分流域的气候变化影响高于人类活动;到了2000年以后,人类对流域水资源过度利用,中大型水库的修建,人类活动的影响远高于气候变化,部分流域甚至出现了断流的情况。

表4 每10年变化期年平均径流量人类活动及气候变化的影响Table4 Effects of climate change and human activities on annual average runoff with decadal variations

4 结 语

分析老哈河10个不同子流域降水和径流过去50年的变化趋势,并采用VIC-3L模型定量评估了气候变化和人类活动对流域地表径流急剧下降的影响,主要结论如下:

a.10个子流域的MK检验、Pettitt突变点检验以及降雨径流累积曲线的结果表明:自1980年以来,由于农业灌溉及经济发展对地表水和地下水过度开采,使得老哈河6个子流域的地表径流显著下降,其中8号子流域(即赤峰站控制的北部子流域)的径流受人类活动影响最剧烈,径流下降的显著性水平最高,近年来甚至在雨季都出现了断流的情况;而老哈河源头中部3～6号子流域,由于流域内植被覆盖较好,水土流失不严重,人类活动影响较少,流域的自然水文循环过程保持良好,地表径流变化不显著。

b.基于VIC-3L模型,对地表径流有显著下降特性的3个子流域的人类活动和气候变化定量分析结果表明:由于人类活动的剧烈影响,这3个子流域的地表径流从20世纪80年代开始出现明显的下降趋势,而且,人类活动对径流下降的贡献率随流域干湿变化而不同。在枯水年由于降水较少,人类对水的需求是导致径流下降的主要原因;而在丰水年由于雨量充足,气候变化在一定程度上促进了径流回升,人类活动的影响相对较小。就整个流域而言,近90%的径流下降是人类活动所引起的,而仅有10%归因于气候变化的影响。

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Quantitative evaluation of effects of human activities on runoff variation over past 50 years in Laohahe Basin

YONG Bin1,2,ZHU Lei1,2,REN Liliang1,LIU Die2,CHEN Bo2
(1.Sate Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University, Nanjing 210098,China; 2.School of Earth Sciences and Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Based on data from 53 rain gauge stations,ten runoff stations,and four meteorological stations in the Laohahe Basin,a typical semi-arid area in northern China,we studied the temporal and spatial variations of key hydrological factors in ten sub-basins of the Laohahe Basin over the past 50 years.We employed the rank-based Mann-Kendall trend test and Pettitt change-point test to analyze the change trends and significance levels of precipitation and runoff in the basin and calculate the change point.Then,we adopted a semi-distributed variable infiltration capacity(VIC)model to simulate the rainfall-runoff processes of the ten sub-basins during the baseline period.Based on calibrated parameters of the model,we reconstructed natural runoff during the variation period,so as to quantitatively separate the effects of climate change and human activities on the abrupt reduction of the runoff in the basin.The results show that since 1980,90%of the runoff reduction in the basin has been caused by human activities,and 10%of the runoff reduction has been caused by climate change.In terms of human activities, widespread agricultural irrigation especially in the middle and lower reaches,was the essential reason for the abrupt reduction of runoff in the Laohahe Basin.Furthermore,the impact of human activities on runoff reduction varied with dryness and wetness changes across the basin,with greater impact in dry years than in wet years.

climate change;human activities;runoff;precipitation;semi-arid area;Laohahe Basin

P339

:A

:1000-1980(2014)02-0101-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.02.002

2013-02 17

武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金(2012B091);国家自然科学基金(51190091);高等学校学科创新引智计划(B08048);科技部科技基础性专项课题(2011IM011000)

雍斌(1975—),男,安徽马鞍山人,教授,主要从事流域水文过程模拟研究。E-mail:yongbin-hhu@126.com