气候变化和人类活动对开都河上游径流量的影响评价

魏光辉

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

文章编号：1006—2610(2015)05—0011—05

气候变化和人类活动对开都河上游径流量的影响评价

魏光辉

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

开都河是新疆焉耆盆地内的重要河流，对维持焉耆盆地水土生态平衡具有极其重要的作用。近年来，开都河流域的水资源问题已经引发了较为严重的生态环境问题。根据流域内1960—2011年水文气象数据，采用小波分析法、累积距平法、累积量斜率变化率法，对开都河上游径流量和气候变化特征及趋势进行了分析，并定量评估了气候变化和人类活动对径流量变化的影响。结果表明：年降水量、蒸散发量和径流量总体均呈增加趋势；径流量的增加变幅为1.93亿m3/(10 a)，具有16 a和28 a的准周期变化，且在1995年前后发生了突变；气候变化对开都河上游径流增加的贡献率达100%，人类活动对径流基本无扰动。

气候变化；人类活动；径流量；贡献率；开都河；焉耆盆地

0 前 言

开都河位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境内，河流发源于天山中部的依连哈比尔尕山南坡，流域面积18 827 km2，河长560 km，多年平均径流量35.18亿m3。开都河下游流经焉耆盆地，尾闾注入中国最大的内陆淡水湖——博斯腾湖[1]。焉耆盆地是新疆巴音郭楞蒙古自治州国民经济发展的主导地区之一，同时也是主要的农业种植区。由于开都河流域地势复杂，降水稀少、蒸散发大，且时空分布极不均匀，径流主要由降水和冰雪融水混合补给。近几十年来，随着气候变化和人类对水资源的大规模开发利用，流域下游出现了水资源贫乏、水质污染、水土流失严重等危机。在全球气候变暖的背景下，受人类活动对水文径流过程的影响，流域径流变化已不是以往的随气候变化表现出有规律的时间变化特征，而在一定程度上叠加了人类活动的影响。因此，两者对径流量变化贡献引起了学术界广泛关注[2-4]，较为一致的看法是：径流量变化是气候与人类活动的叠加效应。然而，在进行了综合分析后发现两者贡献率大小不但与研究流域有关，还与研究方法密切相关。目前，在流域尺度上，可以定量地分离出气候变化和人类活动的水文影响的研究方法主要有水文模型法和定量评估法(气候弹性系数法、敏感性分析法、降水-径流双累积曲线法等)[5-8]，前者具有较好的物理基础，但参数敏感性存在一定的不确定性，若对模拟结果不进行验证，很有可能使气候变化对径流影响偏大[9]；后者所需数据较少，但需要较长的数据序列，同时，长时间数据序列中噪声会对评估结果造成干扰[10]。王随继等在2012年利用基准期和变异期累积降水量-年份线性方程和累积径流深-年份线性方程的斜率计算的累积量斜率变化率比较法(SCRCQ)是一种新的分离方法[11]，可以有效地剔除噪声，较方便地分离出气候变化和人类活动对径流的影响值[12-14]。 目前，学者对新疆开都河上游径流的研究很少，仅有的研究侧重于径流模拟，而未对人类活动的影响作评估[15]，由此，本研究通过累积量斜率变化率比较法(SCRCQ)分析评估开都河上游气候变化和人类活动对径流变化的贡献率，旨在为流域的水资源管理和生态环境的可持续发展提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文选取流域内代表站巴音布鲁克气象站(地理坐标43°02′N，84°09′E，海拔高程2 458.0 m)数据，来自中国气象资料共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/)，包括逐日水汽压(kPa)、最高气温(℃)、最低气温(℃)、平均气温(℃)、相对湿度(%)、降水量(mm)、风速(m/s)与日照时数(h)，时间尺度为1960—2011年。径流数据选取同时段开都河上游出山口控制站——大山口水文站(地理坐标42°13′N，85°44′E，海拔高程1 331.0 m)的年径流量数据，该水文站特性能反映整个开都河上游的水文变化状况，径流量数据来自新疆巴州水文水资源勘测局。

1.2 研究方法

1.2.1 波谱分析法、累积距平法

小波分析法[16]能反映开都河年径流量在不同时间尺度上的变化情况，小波方差反映了波动的能量随尺度的分布，通过小波方差图可以确定径流序列存在的主要时间尺度(主周期)。累积距平法[17]可以较为直观地反映径流量在不同时代的阶段变化，同时采用该方法来判断降水量和径流量突变年份，Ran研究得出这种确定突变年份的新方法可以避免由于近年来被广泛采用的降水量-径流量双累积曲线方法在判断突变年份上存在的缺陷，如当年降水和年径流量均开始变小时，用后者判断突变年份前后的数据可能会保持同一直线，因为该方法在确定突变年份时人为随意性较大，而用前者判断得出的突变年份清晰，突变前后双累积量的线性关系拟合性较高[18]。然后以突变年份为界，将径流量序列划分为基准期和变异期[19]，变异期相对基准期径流过程受气候波动和人类活动的影响相对较大。

1.2.2 累积量斜率变化率分析方法(SCRCQ)

SCRCQ方法的理论创新点为：以年份做自变量比较客观，因变量是各因子的累积量，而累积量的引入在一定程度上可以消除实测数据年际变化的影响，所得年份-累积量有较高的相关性，同时在降水量、蒸散发和径流量变化比较小的情况下，利用累积量可以为进一步定量分析创造条件。采用降水累积量、蒸散发累积量和径流量累积量与年份的相关关系式的斜率首先计算各参数累积变化量斜率的变化率，然后根据斜率变化率计算降水和蒸散发对径流变化的贡献率，最后用100减去降水和气温两因子对径流量变化的贡献外即可得到人类活动对径流量变化的贡献。在此假设基准期和变异期的降水量为P，累积降水量-年份线性方程的斜率分别为KPa、KPb(mm/a)，斜率变化率为SP；蒸散发为E，累积蒸散发量-年份线性方程的斜率分别为KEa、KEb(mm/a)，斜率变化率为SE；径流量为R，累积径流量-年份线性方程的斜率分别为KRa、KRb(亿m3/a)，斜率变化率为SR。则累积降水量斜率变化率SP为：

(1)

累积蒸散发斜率变化率SE为：

(2)

累积径流量斜率变化率SR为：

(3)

根据以上算法，降水对径流量变化贡献率CP为：

(4)

蒸散发对径流量变化的贡献率CE为：

(5)

则人类活动对径流量变化的贡献率为：

CH=100-CP-CE

(6)

由于流域面积较大、气象站点分布较为稀疏，因此要准确计算大范围的实际蒸散发困难较大，Budyko水热耦合平衡方程采用潜在蒸散发和降水作为输入参数可以较好地模拟干旱半干旱地区实测数据较为缺乏地区的实际蒸散发[20]。故本文采用Budyko水热耦合平衡方程模拟研究区逐年实际蒸散发，其公式如下：

(7)

式中：E为年实际蒸散发；ET0为年潜在蒸散发量；P为年降水量。潜在蒸散发ET0采用联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith公式[21]计算得到：

(8)

式中：ET0为潜在蒸散发量，mm/d；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率,kPa/℃；T为环境平均温度，℃；Rn为作物冠层表面净辐射量,MJ/(m2·d)；G为土壤热通量,MJ/(m2·d)，逐日计算时G=0；γ为温度表常数，kPa/℃；u为2 m高处的风速，m/s；es为空气饱和水气压，kPa；ea为空气实际水气压，kPa。

2 结果分析

2.1 年均径流量与气象要素年际变化趋势

图1给出了1960—2011年开都河上游径流量及气象要素的年际变化。年径流量变化(见图1a)、小波方差(见图1b、1c)及年降水量和蒸散发变化特征(见图1d)。由此可见，近52 a来开都河上游出山口年径流量变化具有如下基本规律：

图1 1960～2011年开都河径流量及气象要素的年际变化图

(1) 近52 a来年径流量变化率为1.927亿m3/(10 a)，变化率趋势线的相关系数r=0.458 8(r0.01=0.354 1)，说明年径流量呈极显著增加趋势，且经历了1995年之前的减少阶段和之后的增加阶段。

(2) 开都河年径流量具有16、28 a的准周期，其中28 a左右的周期震荡最强，是流域的第一主周期，对于径流序列的方差贡献最大。总体来看，在28 a时间尺度附近，小波系数呈上升趋势，表明未来一段时间径流量将进入一个丰水期，相反，在16 a时间尺度上，小波系数呈降低趋势，径流量将进入枯水期，由于研究时段共52 a，小时间尺度上的突变点更能很好地捕捉到径流量变化的特征，而随着时间尺度的增大，奇异点减少，小时间尺度上的一些突变态，在高层次上则是平常态，因此，在不同的时间尺度上，气候变化和人类活动的不同变化组合对径流的影响程度不同。

(3) 近52 a来降水量以9.72 mm/(10 a)速率呈显著递增趋势(相关系数r=0.296 3，r0.05=0.273 2)，与年径流量的年际变化规律较为相似，通过对四季降水量进一步分析可知，夏季降水量与年径流量变化的相关性最高，持续性较好，通过了0.01的显著性检验。年径流量对秋季降水量变化最为敏感，具有一定滞后性，与滞后3 a相关性最高，通过了0.05的显著性检验，而冬季开都河上游降水量较小，径流量主要源自冰雪融水；蒸散发呈增加趋势，变化率为5.08 mm/(10 a)，未通过显著性检验。由以上可知径流量对降水变化的敏感性强于蒸散发。

2.2 研究阶段的划分

从图2开都河年径流量累积距平变化可以看出，近52 a来开都河上游径流量呈现出相对明显的阶段性变化特征，其中1961—1994年为显著的枯水期，累积距平值总体呈现递减趋势；1995—2011年属于丰水期，径流量累积距平值总体呈现递增趋势，因此将1995年作为基准期和变异期的分界点，1961—1994年(Y1)为基准期，1995—2011年(Y2)为变异期。

图2 1960—2011年开都河上游年径流量累积距平变化图

2.3 气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率

根据基准期(1961—1994年)和变异期(1995—2011)的划定，从图3可以看出，累积径流量、累积降水量、累积蒸散发量与年份的3个拟合方程相关系数很高，均大于0.99，且通过了0.01的显著性检验，所建关系的拟合度较好。根据王随继的算法可知，在基准期人类活动相对较弱，开都河径流量的变化主要受控气候变化的影响，进入变异期，降水量和蒸散发增加，人类活动用水、农作物需水等多种用水方式大幅度增大，径流量的变化受到二者的综合影响。

表1 开都河流域累积量斜率及其变化表

研究时期累积径流量的斜率/(亿m3·a-1)累积降水量的斜率/mm累积蒸散发的斜率/mm径流量/(亿m3·a-1)降水量/mm蒸散发/mm基准期32．208259．57241．960．0320．360．61变异期41．438302．97269．780．0315．324．28变化量9．2343．427．82-0．0014．963．67变化率22．2714．3210．31-3．2393．2385．75

表1为开都河上游径流量和气候变化各要素的斜率及其变化率，由此可知，前后2个时期的KRa和KRb分别为32.208亿m3/a和41.438亿m3/a，与Y1时期相比，Y2时期径流量R基本没变，KR增加9.23亿m3/a，SR为22.27%，表明径流量在整个研究期呈增加状态，与前面用小波分析研究得出的结论一致；Y1和Y2期内，KPa和KPb分别为259.57 mm/a和302.97 mm/a，P为0.36 mm和5.32 mm，SP为14.32%；KEa和KEb分别为241.96 mm/a和269.78 mm/a，E为0.61 mm和4.28 mm，E增加了3.67 mm，SE为85.75%，可见降水量的变化和蒸散发的变化的总和与径流量的变化出现差异，表明研究区的水文循环变化在一定程度上还受到了非气候因子的影响。根据式(4)～(6)，可计算得到降水量的增加对径流量增加的贡献为58.14%，蒸散发的增加对径流量增加的贡献为41.86%，人类活动对径流量增加的贡献为0(即人类活动对径流基本无扰动)。

由开都河上游实际情况分析可知，研究区人烟稀少，主要为高山草原区，是新疆主要的牧区，近些年来由于国家“定居兴牧”工程的实施，上游水源得到有效涵养与保护，故人类活动对径流量的影响非常微弱，这也从侧面印证了本文的分析结果是合理可信的。

3 讨 论

本文采用王随继在2012年提出的累积量斜率变化率法评估气候变化和人类活动对开都河上游径流变化的贡献率，结果表明径流量主要受气候变化影响，人类活动基本无扰动，这一研究结果与西北干旱地区的其他研究结果基本一致。何旭强等利用该方法在黑河上中游研究结果表明，上游径流增加59.71%可归因于气候变化，40.29%归因于人类活动，中游径流减少的25.23%归因于气候变化，74.77%归因于人类活动[12]。值得注意的是，在研究中采取的任何方法在情景模拟中均把人类活动和气候变化假设成是相互独立的2个事件。事实上，两者并非完全独立，气温升高、下垫面的变化与人类活动密切相关。在以后的研究中如何更科学合理地分离气候变化和人类活动的影响是一个研究难点。

4 结 论

本文利用线性趋势法、Mann-Kendall非参数检验法、累积量斜率变化率法对开都河上游径流和气候变化各要素时间序列的长期变化趋势进了检验，并探讨径流量增加的主要原因，结果表明：

(1) 开都河上游近52 a来年径流量总体呈增加趋势，经历了1960—1994年的减少阶段和1995—2011年的增加阶段2个变化阶段，并具有16 a、28 a的准周期，目前16 a、28 a周期均有增加的趋势，表明径流量较前期有所增加。

(2) 开都河上游年径流量在1995年前后发生了突变，在1960—1994年(基准期)径流量以0.32亿m3/(10 a)速率递减，降水以3.63 mm/(10 a)速率递减，蒸散发以6.11 mm/(10 a)速率递减，而1995—2011年(变异期)径流量以0.58亿m3/(10 a)速率递增，降水以5.32 mm/(10 a)速率递增，蒸散发以4.28 mm/(10 a)速率递增，根据这组变化速率说明径流量的变化在基准期受气候变化影响较大，在变异期研究区的水文循环变化还受到了非气候因子的影响。

(3) 近52 a来开都河上游年径流量的增加主要受降水增加和蒸散发增加减弱的影响，其中降水量增加的贡献为58.14%，蒸散发增加减弱的贡献为41.86%。

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Assessment on Influences by Climate Change and Human Activity on Upstream Runoff Volume of Kaidu River

WEI Guang-hui

(College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China)

The Kaidu River is an important one in the Yanqi basin. It plays an important role in maintaining the ecological balance of water and soil in the basin. In recent years, issues on the water resources in the Kaidu River catchment has caused quite serious ecological and environmental issues. Based on the hydrological and meteorological data of the catchment in 1960-2011, the runoff volume, the climate change features and trends at the upstream of the Kaidu River are analyzed by application of wavelet analysis method, cumulative anomaly method and change ratio of cumulative slope. And influences on the runoff by the climate change and human activities are assessed quantitatively as well. The study and analysis show that the annual precipitation, evaporation/dissipation and runoff generally is increasing in trend. The increase range of the runoff is 193 million m3/(10 a) with the paracycle variation of 16 a and 28 a. Furthermore, it abruptly changed around 1995. The contribution rate of the climate change to the runoff increase at the upstream of the Kaidu River is 100%. The human activities rarely disturbs the runoff. Key words:climate change; human activity; runoff volume; contribution ratio; Kaidu River; Yanqi basin

2014-12-04

魏光辉(1981- )男，新疆石河子市人，高级工程师，博士，主要从事干旱区水资源利用与工程建设管理工作.

新疆水文学及水资源重点学科资助(XJSWSZYZDXK2010-12-02).

TV121.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.004