气候变化和人类活动对开都河径流的影响

洪波　海米提?依米提　马蓉等

摘要以开都河径流出山口以上部分作为研究区域，基于Mann-Kendall以及双累积曲线等方法对1960～2007年气候变化和人类活动对径流影响的贡献率进行分离。结果表明，开都河流域气候趋向暖湿方向发展，且径流增加；以MK检验得到的径流量突变点，将研究时段划为1960～1996和1997～2007年2个阶段，后半段与前半段相比降水增加18.98 mm，温度升高0.92 ℃，且径流增加29.78 m3/s；气候变化导致开都河径流增加，但人类活动则导致径流减少，其贡献率分别为122%和-22%；气候变化是导致开都河出山口径流量增加的主要驱动力。

关键词气候变化；人类活动；开都河；径流；影响

中图分类号S181文献标识码A文章编号0517-6611（2015）16-201-04

Effects of Climate Change and Human Activities on Path of Kaidu River

HONG Bo1，2， HAIMITI Yimiti2，3*， MA Rong1，2 et al

（1. School of Resource and Environment Science， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830046； 2.Oasis Ecology Key Laboratory of Ministry of Education， Urumqi， Xinjiang 830046； 3. Key Laboratory of Lake Environment and Resource in Arid Region， Urumqi， Xinjiang 830054）

AbstractTaking water source area of Kaidu River as the study area， based on MannKendall and double cumulative curve methods， the contribution rate of climate change and human activities on path during 1960-2007 was separated. The results showed that in Kaidu River Basin climate became warm and wet， and the runoff increased； according to runoff mutation point， the research period was divided into two stages of 1960-1996 and 1997-2007； with the first periods comparison， the precipitation of the last period increased 18.98 mm， temperature increased 0.92 ℃， and the runoff increased 29.78 m3/s.Human activities bring about the runoff cut down， but climate change generate the runoff increase， the contribution rate was respectively 122% and -22%. Climate change is the main driving force causing runoff increase of Kaidu River.

Key wordsClimate change； Human activities；Kaidu River； Path； Influence

在全球气候变暖的当下，我国西北地区气候发生了很大变化，逐渐由暖干向暖湿型转变[1-3]。西北干旱区气温对气候变暖的敏感性明显强于东部季风区，是气候变化的敏感地带[4]。对于西北干旱区而言，地表径流对气候变化的响应极为敏感，由于空气湿度较低，轻微的降水和温度变化均会引起河流径流量的明显改变；与此同时人类活动对水资源的重新分配同样对水资源的变化有重大影响。我国最大的内陆淡水湖是位于新疆库尔勒市的博斯腾湖，湖区蒸发量大且降水量少。开都河是博斯腾湖的最大入湖河流，近年来，有的学者对开都河流域中上游的气温和降水变化进行了一些研究[5-10]。但气候变化以及人类活动对开都河水源区流量影响的程度未见报道。笔者在此利用MannKendall和双累积曲线等方法分离了1960～2007年气候变化和人类活动对开都河径流影响的贡献率。

1资料与方法

1.1研究区概况

开都河处于新疆维吾尔自治区的巴州（82°58′～86°55′E、41°47′～43°21′ N），全長610 km，是雪融水和雨水补给为主的河流[11]。流域内的冰川总数为722条，面积可达445 km2，主要分布于开都河水源地4 000～4 500 m地区。积雪、冰川和地下水补给在河流水源中占相当大的比重，冰川融水补给占15%左右[12]。开都河水量年内变化较为分散，呈单峰弧线，高水量多发生在高温多雨的夏季，约占年总量的50%，而在寒冷且降水稀少的冬季，主要补给源是地下水回流。该研究的研究区域为大山口水文站以上区域，区域面积约为18 311 km2（图1）。

图1研究区概况

1.2数据处理与研究方法

1.2.1气象观测数据。

开都河流域的气象观测数据来源于新疆气象局，包括了巴音布鲁克、和硕、和静、焉耆以及大山口气象站1960～2007年的逐日气温、降水量等气象要素，其中气温和降水数据均求取算术平均值作为流域的平均值。

1.2.2水文气象要素的MK突变检验。采用MK检验法以及距平百分比来研究水文气象要素变化特征。距平百分比能够轻易获得各水文气象要素的变化趋势，并可对各要素间的相互关系进行简要分析；MK检验可以发现水文气象要素的变化趋势和突变年份，为双累积曲线法提供临界年份。在此利用统计软件DPS对大山口水文站1960～2007年的观测径流数据进行MK检验。检验的置信水平设为0.05。

1.2.3气候变化和人类活动对径流影响的分离。

采用双累积曲线法将气候变化和人类活动对开都河水量的影响进行分离[13-14]。根据MK检验获得的突变分析结果，将实测时段分为突变点前段和突变点后段两段（简称为标准期和变化期）。

将标准期的累积径流量R1以及累积降水量P1通过线性回归得到以下方程：

R1=kP1+b（1）

将（1）中的方程式带入到变化期（即包含气候变化和人类活动的影响成分的部分），以变化期的累积降水量P2得到累积径流量R2，此时计算得到的累计径流量R2可认为是与标准期下垫面相同情况下的人类活动较小时期的径流。

用计算得到的R2可以得出年平均径流，再分别算出标准期和变化期的实测和演算得到的年径流量的均值，并对这些均值求差，即

δ1=R2实测-R1实测（2）

δ2=R2计算-R2实测（3）

式中，R1实测、R2实测分别表示标准期和变化期的实际测量平均径流量，R2计算表示变化期由计算得到的平均径流量，δ1表示气候变化和人类活动协同下的径流变化，在（3）中消除了降水因素变化的影响，因此，δ2表示由非降水要素（如人类活动）导致的径流变化。计算其比值：

α=δ2/δ1（4）

α值则表示非降水要素变化在总变化中所占的比重。

通过（4）式获取的非降水变化要素的影响大小，就可知降水要素对径流的影响，前提是要判断非降水和降水要素对径流变化影响的趋势。将这2种变化要素的综合影响当作是1，其中非降水要素对径流的影响看作α，当这2种要素导致径流向相同方向变化时，即同时增加或同时减小，那么降水对径流的影响为（1-|α|）。当2种要素使径流的大小向不同方向变化时，还需要看径流量是向大变还是向小变化，当非降水要素对径流的影响趋势增大（或减小），且径流量同时增大（或减小）时，降水对径流的影响为（|α|-1）；当非降水要素对径流的影响趋势增大（或减小），而径流却减小（或增大）时，降水要素对径流的影响是（1+|α|）。

2结果与分析

2.1水文气象要素的变化分析

1960～2007年开都河流域平均降水、径流和温度分别是121.19 mm、110.09 m3/s、6.06 ℃，从極值比、标准偏差和变异系数（表1）来看，三者均有较

表11960～2007年开都河流域水文气象要素的特征值

要素均值最大值最小值极值比标准偏差变异系数

降水∥mm121.19173.4467.382.625.760.21

径流∥m3/s110.09180.2877.822.320.290.18

气温∥℃6.067.214.711.50.610.10

为缓和的变化。径流的变异程度和降水的变异程度差不多，说明研究区的径流变化受降水因素影响程度较高。

从年际变化的线性趋势（图2）来看，降水和温度均有升高的趋势，说明在未来一段时间内开都河流域的气候会向暖湿方向发展。降水的变化增加了河流水源的补给，而温度的增高会使水源区的冰雪融水增加，因此，开都河流域的这种气候变化导致了河流径流的增加。

图21960～2007年开都河流域径流（a）、降水（b）和温度（c）线性变化趋势

2.2水文气象要素的距平百分比变化

分析1960～2007年研究区水文气象要素的距平百分比（图3）可以看出，开都河流域的温度变化相对平稳，最大和最小变幅均为多年平均值的20%左右。降水变化较大，20世纪60～80年代中期以负距平为主，说明这一时期开都河流域降水低于多年平均降水，可能会出现旱灾；80年代中期～21世纪初，距平值以正值为主，说明这一时期的降水量高于多年平均水平，水量充足；正负距平的极值分别为1992年的43.12%和1985年的-44.40%，说明1985～1992年降水变化明显，可能是径流量发生突变的主要原因之一。径流变化规律与降水变化规律基本一致，一定程度上其变幅小于降水，

图31960～2007年开都河流域年径流、降水和气温的距平变化

正负距平的极值分别为2002年的63.75%和1986年的-29.31%。总体上，降水量和径流量的变化方向是一致的，表明降水对径流有决定性的影响。一般而言降水变化会被放大到径流变化中[15]，但开都河流域降水的变化与径流的变化相差不大，有些时段降水距平百分率的绝对值大于径流，说明非降水要素如水利工程建设、农业用水等扰动了降水与径流的关系，且缓和了降水与径流之间的关系，如部分降水低于平均值的年份（2001、2004和2006年）径流却高于平均值。

2.3水文气象要素的突变分析

从MK突变性检验结果（图4）可看出，径流自1985年以来不断减少，在2000年左右开始增加，并在1997年发生突变性增加；在1979年以来，开都河流域的降水在总体上呈上升趋势，并在1988年发生突变性升高；而温度自1986年以来一直有升高趋势，且在1998年发生升高的突变；从这3个要素的变化趋势来看，径流增加与降水增加和温度升高的趋势基本同步，说明1960～2007年气候变化必然会对开都河径流产生重要影响。

图41960～2007年开都河流域径流（a）、降水（b）和气温（c）的M-K突变分析

以1997年为分界，将1960～1996和1997～2007年2个阶段的水文气象要素进行对比分析，降水、径流和气温分别从116.84 mm、103.26 m3/s和5.85 ℃变化至135.82 mm、133.05 m3/s和6.77 ℃，其中降水量增加了16.3%、径流量增加28.8%，降水量的轻微变化将导致径流相应的变化，这与相关结论一致[15]；温度上升0.92 ℃，这会使蒸发增加而导致径流量减少，但有研究指出温度每提高1 ℃可导致5%～6%空气湿度的增加[16]。那么，以研究区的多年平均降水量121.19 mm作为实际蒸散量，且以温度升高1 ℃来计算的话，最多只可能减少7 mm左右的水量，而降水增幅（18.98 mm）和径流增幅（29.79 mm）的差值为-10.81 mm，可见单一的温度变化是不可能使径流变化为目前的状态。温度变化导致的冰雪融水以及人类活动必然在其中扮演重要角色。

43卷16期

洪 波等气候变化和人类活动对开都河径流的影响

2.4气候变化和人类活动的水文效应评价

根据MK突变性检验得到的结论，将1997年定为临界年份，把水文要素划分为1960～1996和1997～2007年两段。根据双累积曲线，由公式（1）建立起来的1960～1996年累积降水量与累积径流量的线性关系（图5）相关性较好（R2= 0.996），说明可以用于将1997～2007年径流还原至1960～1996年期间的受人类活动影响水平的状态。根据该回归关系，可以计算得到1997～2007年的累积径流量（图6），计算值大致等同于临界年份之前的受人类活动影响较小时的状态值，可见，该时段得到的计算径流值大于实际测量值。然后，按照前面提到的方法，对1997～2007年的径流进行反推、

图51960～1996年的累积降水量与累积径流量的线性关系

图61960～2007年径流的计算值和实测值变化

还原并根据公式（2）和（3）计算2个差值，结果显示（表2），通过还原得到的前段年径流量均值为106.31 m3/s，对比相应的实测值103.26 m3/s，误差仅3%，说明该方法的精确性较好。后段的实测径流均值为133.05 m3/s，计算均值为126.60 m3/s，因而人类活动的影响将会导致径流量减小6.55 m3/s，但由表2可知实测的径流共减小29.78 m3/s，因此，根据公式（4）可得人类活动对径流的最大贡献率为-22%，同时从表2可以看出气候变化对径流的贡献率为122%。

表2气候变化和人类活动对开都河径流的影响

时段实测径流m3/s计算径流m3/s总变化量m3/s人类活动影响的贡献率∥%降雨影响的贡献率%

1960～1996103.26106.31 ---

1997～2007133.05 126.60 29.78 -22122

3结论

1960～2007年开都河水源区气候向暖湿方向发展，以1997年为界，降水增加了18.98 mm，温度升高0.92 ℃，径流在1997年开始突变性增加，截至2007年平均增加29.78 m3/s。气候变化使水量增加而人类活动致使水量减少，其贡献率分别为122%和-22%。尽管气候变化对开都河水源区径流的影响具有主导性，但人类活动是径流减少的重要影响因素，可见，开都河水源区在进行生态建设时应充分考虑其不利影响。该研究采用双累积曲线法建立受人类活动影响较小時期的降雨径流模型后，将受人类活动影响较大时期的径流还原至人类活动影响较小的前一阶段水平，进而可分别求出气候变化和人类活动对水量变化的影响大小。一般情况

下，采用该方法可能会导致人类活动贡献率的最终结果变高，而气候变化的贡献率偏低。这是因为该方法分离的是非

降水要素和降水要素的水文效应，影响径流变化的决定性因

素是降水，但温度的升高将导致蒸发增加而径流减少，该方法却没有考虑到温度升高将导致的效应。但由于该研究区存在冰川和积雪，温度升高可增加冰雪融水对径流的补给，这将缩小气候变化对径流的影响。总的来说，这种方法获得的评估结果是基本准确的，具有重要的参考价值。可见，该研究中气候变化因素对径流的影响占主导地位，这主要是由于开都河水源区海拔高、地理环境复杂，极大程度上限制了人类活动导致的。

参考文献

[1] 窦睿音，延军平，王鹏涛.全球变化背景下甘肃近半个世纪气温时空变化特征[J].干旱区研究，2015，32（1）：73-79.

[2] 郝振纯，王加虎，李丽，等.气候变化对黄河源区水资源的影响[J].冰川冻土，2006，28（1）：1-7.

[3] 陈亚宁，李稚，范煜婷，等.西北干旱区气候变化对水文水资源影响研究进展[J].地理学报，2014，69（9）：1295-1304.

[4] 张强，邓振镛，赵映东，等.全球气候变化对我国西北地区农业的影响[J].生态学报，2008，28（3）：1210-1218.

[5] 薛杰，李兰海，李雪梅，等.开都河流域降水与径流年内分配特征及其变化的同步性分析[J].干旱区资源与环境，2014，28（12）：99-104.

[6] 赵直，徐晗.新疆开都河流域近50a径流量年际年内变化及其对气候变化的响应分析[J].干旱区资源与环境，2014，28（10）：151-156.

[7] 李新国，阿斯耶姆·图尔迪，刘彬，等.近50年开都河流域下游降水和气温变化特征分析[J].干旱地区农业研究，2013，31（3）：252-259.

[8] 王维霞，王秀君，姜逢清，等.开都河流域上下游过去50a气温降水变化特征分析[J].干旱区地理，2012，35（5）：746-753.

[9] 黄粤，陈曦，包安明，等.开都河流域山区径流模拟及降雨输入的不确定性分析[J].冰川冻土，2010，32（3）：567-572.

[10] 姚亚楠，徐俊荣，郭玲鹏，等.气温与降水形态关系研究——以开都河流域为例[J].干旱区研究，2015，32（1）：94-101.

[11] 王莉.基于SWAT模型的气候变化对水资源响应研究——以开都河流域为例[D].南京：南京信息工程大学，2012：9-10.

[12] 黄粤，陈曦，包安明.干旱区资料稀缺流域日径流过程模拟[J].水科学进展，2009，20（3）：332-336.

[13] 穆兴民，张秀勤，高鹏，等.双累积曲线方法理论及在水文气象领域应用中应注意的问题[J].水文，2010，30（4）：47-51.

[14] 冉大川，刘斌.双累积曲线计算水土保持减水减沙效益方法探讨[J].人民黄河，1996，18（6）：24-25.

[15] CHIEW F H S，MCMAHON T A.Modelling the impacts of climate change on Australian streamflow[J].Hydrological Processes，2002，16（6）：1235-1245.

[16] 陈亚宁，徐宗学.全球气候变化对新疆塔里木河流域水资源的可能性影响[J].中国科学D辑，2004，34（11）：1047-1053.