人为活动和气候变化对安阳河流域年径流量的影响研究

崔花瑞，郭春梅，曹瑞仙，王 伟，张延平

（1.河南省安阳水文水资源勘测局，455000，安阳；2.河南省开封市城区水利局，475000，开封；3.河南省安阳市水利局，455000，安阳）

一、流域概况

安阳河（洹河）位于河南省安阳市境内，是卫河的一大支流，河流全长162km2，流域面积为 1920km2，平原面积所占比例为35%，山区面积为47%。

安阳河上游比降大，进入平原后由于过渡带短，河道比降明显变缓。河道的行洪能力上游大下游小，市区以上河道流速为 4 000～2 400 m3/s，到入卫口处流速约为600～300 m3/s。在洪水期间，由于卫河水位高，下游洪水因受卫河洪水影响，导致不能够及时排出，在市区以下5km处左岸崔家桥一带形成了自然滞洪区。

二、研究方法

1.天然水文序列划分方法

流域的径流量变化主要受两个因素的影响：一为降水强度与其空间分布，二为流域内区域的人为活动强度。由于人为活动对流域径流的影响具有显著的时空差异，因此流域水文过程具有趋势性、阶段性的特点。将本研究的研究对象设定为年径流系数序列，是为了减少由降水强度差异引起的流域径流变化，分析人为活动引起的流域年径流变化的阶段性。本研究采用的分析方法为：有序聚类法、序列滑动平均法等。

由于人为活动影响的水文序列与天然序列存在差异，因此可将两者作为两类水文序列。本研究基于流域水文模型，采用有序聚类分析方法，判定人为活动影响的水文序列与天然序列之间的突变点。运用有序聚类分析方法判定水文序列的显著突变点，其实质就是判定最优分割点。最优点分割的方法为：

总离差平方和为：

最优分割使 Sn∇（r）=min[Sn（r）]，满足该条件的r为最优分割点。

一般来说，如果水文序列出现了两个显著的阶段性过程，Sn（r）的时序变化出现单谷底；如果出现两个或以上的显著阶段性过程，则Sn（r）的时序变化出现两个或以上谷底，因此根据谷底发生的时间来划分水文序列变化的阶段是合理可信的。

综合考虑尺度、水文、气候、区位和下垫面等因素，采用有序聚类分析方法，计算流域的年径流系数与变化过程。安阳河流域的计算结果表明，因为年径流系数与变化过程出现单谷底变化，所以把1981年作为安阳河流域天然时期与非天然时期的分界点，见图1。从20世纪80年代以来，流域内降水量呈现上升趋势；而在80年代以后流域内的人为活动强度增加。鉴于此，把1981年作为流域天然时期与非天然时期的分界点是合理的。

2.人类活动和气候变化对径流影响的分离方法

安阳河流域上游山区段界线分明，产汇流过程简单，人为活动强度小，因此把1981年前后安阳河水文站的实测径流深的差值作为气候变化对流域径流量的影响量。基于此，本研究采用了董雯提出的人为活动和气候变化对流域年径流量影响的分离方法。背景值为流域天然时期的实测径流深，则1981年后实测径流深与背景值之间的差值作为人为活动和气候变化对流域年径流量的影响量。气候变化与人为活动对流域年径流量影响的分割方法为：

图1 安阳河流域年径流系数的离差平方和变化过程

图2 1990—1994年NAM模型模拟结果与实测结果比较

式中，WT为流域中下游年径流变化的总量；WH为人为活动对流域中下游年径流变化的影响量；WC为气候变化对流域上游年径流变化的影响量；WN为背景值，W入河为流域入河径流量；W山口为流域水文站的实测年径流深；WHN为流域水文站的模拟值或预测值；ηH为人为活动对流域中下游径流变化影响的百分比；ηC为气候变化对流域中下游径流变化影响的百分比。

三、研究结果

根据此前校准好的NAM模型参数，以及1981年以后的气象数据（实测与校核），考虑了安阳河流域的地形、土壤、植被等影响因素，运用NAM模型模拟了强人为干扰时期安阳河流域的径流量，探讨了人为活动和气候变化对安阳河流域径流变化的影响。

1.人类活动影响时期流域径流量的模拟

根据NAM模型的模拟结果，运用1990—1994年的实测数据校准NAM模型，图2给出了安阳河水文站1990—1994年日径流深的实测值和模拟值。基于此，运用NAM模型来模拟强人为干扰时期的流域径流量是合理可信的。

NAM模型模拟的安阳站日径流过程的精度比较结果详见表1。NAM模型模拟的日径流过程，在率定期内，确定性系数大于0.9，等级属于甲等的有2年;确定性系数大于等于0.7小于等于0.9，等级属于乙等的有5年。在验证期内，确定性系数都在大于等于0.7小于等于0.9的范围内，等级都属于乙等。径流深相对误差，在率定期内，5年都合格，合格率为100%；验证期内，3年都合格，合格率为100%。

基于校准的模型参数以及流域强人为干扰时期的气象资料，运用NAM模型模拟了1981—2008年的流域径流深，模拟值见表2。

2.人类活动和气候变化对流域年径流量的影响

根据安阳河流域年径流的背景值、模拟值和实测值，采用分离法计算了人为活动和气候变化对安阳河流域中下游年径流量变化的影响（表1）。安阳河流域年径流变化主要受人为活动和气候变化两方面影响。在安阳河流域上游主要为山区，除水库外基本没有人为活动影响。因此把1981年前后安阳河水文站的实测径流深的差值作为气候变化对流域上游径流量的影响量。

分析结果表明：①从20世纪80年代以来，流域的降水量减少，六七十年代多年平均年降水量为574 mm，而80年代以后的多年平均年降水量约551 mm，年均降水量减少4%；②受流域环境变化影响，流域中下游径流量逐渐减少，尤其是在80年代和近10年流域径流量的显著减少，这主要是由于人为活动的强度增大；③气候变化和人为活动对安阳河流域中下游年径流量的影响存在时间差异。在80年代和2000年以后，人为活动对安阳河流域中下游径流的影响占径流减少总量的85%以上；在90年代，气候变化对安阳河流域中下游径流量的影响占径流减少总量的10%；④气候变化和人为活动对安阳河流域中下游年径流量的影响存在空间差异。在安阳河流域上游即山区，气候变化是导致径流量减少的主因，而在流域中下游区，人为活动是影响流域径流量减少的主因。此外，由于流域气温上升，导致蒸发量增加，使得流域平均年径流量减少。

表1 NAM模型模拟的安阳站日径流过程的精度比较

表2 安阳河安阳站天然径流量

表3 人为活动和气候变化对流域年径流量的影响预测

3.人类活动和气候变化对流域年径流量的影响预测

基于上述研究结果，利用校准的模型参数，结合区域气象预报，预测了未来10年强人为干扰条件下流域径流量的变化趋势。根据流域径流量的背景值和预测值，分别分析并预测了气候变化和人为活动对安阳河流域中下游径流量变化的影响（表3）。

分析结果表明：①在2009—2018年期间，流域平均降水量减少8%。②2014—2018年间流域中下游人为活动的影响程度比2009—2013年间增强，说明人为活动对安阳河流域中下游年径流量的影响增大。③从2000年以来，气候变化对安阳河流域中下游年径流量的影响逐渐上升，这主要与全球气候变暖有关。④从安阳河流域径流量变化的空间分布来看，上游山区气候变化是主因，中下游平原区人为活动是主因。预测结果表明：安阳河流域在2009—2018年间平均年径流量已低于1.5亿m3。据专家考证，如果要维持安阳河的生态功能，必须保证年径流量不低于2亿m3，因此安阳河地区已经出现了严重的水资源短缺，仅依靠流域内节约用水、调整工农业结构和技术改造等措施已经不能扭转这种局面，所以对流域实施跨流域生态调水十分必要。

[1]黄锡荃.水文学[M].北京：高等教育出版社，1993.

[2]丁晶.随机水文学[M].成都：成都科技大学出版社，1988.