人类活动和气候变化对北洛河径流变化的影响

樊晶晶,黄　强 ,刘登峰,王义民

(西安理工大学 陕西省西北旱区生态水利工程重点实验室，陕西 西安 710048)



人类活动和气候变化对北洛河径流变化的影响

樊晶晶,黄强 ,刘登峰,王义民

(西安理工大学 陕西省西北旱区生态水利工程重点实验室，陕西 西安 710048)

[摘要]【目的】 研究气候变化和人类活动对北洛河径流变化的贡献，分析径流变化的主要驱动因子，为北洛河流域水资源的合理利用提供决策依据。【方法】 以北洛河流域1956-2011年共56年的降水量以及实测、还原径流深序列为研究对象，采用Mann-Kendall法、径流系数法、降水-径流双累积曲线法进行变异点诊断，量化分析气候变化、下垫面变化和其他人类活动对径流变异的贡献率。【结果】 北洛河流域1956-2011年降水量变化不明显，但还原径流深呈现出不显著增加趋势，变异点出现在1964和2001年。以变异点为分界点，将第一阶段(1956-1963年)作为下垫面Ⅰ，第二阶段(1964-2000年)作为下垫面Ⅱ建立降水-径流关系式，模拟在下垫面Ⅰ和下垫面Ⅱ情景下第三阶段(2001-2011年)的径流序列，模拟结果显示，建立的降水-径流关系式能够很好地反映不同下垫面径流的变化情况。下垫面Ⅱ与下垫面Ⅰ情况下模拟径流的变化量为-7.00 mm，表明径流下垫面Ⅱ情况下的产流比下垫面Ⅰ大。定量分析下垫面变化、其他人类活动和气候变化对径流变异的贡献，发现气候变化的贡献率为40%；人类活动为主要影响因素，总贡献率为60%，其中下垫面变化的影响占19%，其他人类活动的影响占41%。【结论】 人类活动是北洛河流域径流变异的关键驱动因子，下垫面变化的影响也不可忽视。

[关键词]北洛河流域；径流变化；气候变化；人类活动；下垫面

近年来，由于人类活动导致的下垫面变化以及气候变化引起的地表热量平衡改变、大气环流异常等，使水循环要素，如降水、水的蒸散发、地表地下径流、土壤水分等发生了相应改变，进而改变了全球水循环现状，引起水资源在时空上的重新分配，导致水文序列产生剧烈变化，从而引发了径流变异问题。因此，正确认识变化环境下水文序列的演变规律，研究径流变异和量化影响因子的贡献率，对于水资源的可持续利用、防灾减灾及水利工程安全高效运行管理、保证经济社会稳定发展等具有重要的现实意义。

关于径流序列变异点诊断及归因问题已有许多学者进行了研究，并取得了一定的成果[1-3]。谢平等[4]以降水-径流关系为依据，提出了水资源变异影响因素的归因分析方法，定量分析了乌力吉木仁河三级区水资源变异的原因，认为人类活动是主要影响因素。赵阳等[5]研究表明，潮白河流域年径流深存在明显变异现象，气候变化是导致径流减少的主要原因，不同类型土地利用方式对径流减少的贡献率不同，其中林地较大，而草地和耕地较小。张士锋等[6]分析了三江源区气候变化对径流的影响，认为降水对径流有促进作用，而潜在蒸发则为反向作用。姚允龙等[7]采用水量平衡法和降水-径流经验模型，定量分析了气候变化对挠力河径流的影响，认为降水是主要影响因素，蒸发量次之。张建云等[8]和王国庆等[9]提出定量计算方法，提出人类活动影响阶段的径流实测数据和人类活动影响较弱阶段的差值由2部分组成，一部分是人类活动影响，另外一部分是气候变化影响。

北洛河是渭河的第二大支流，河流全长680.3 km，流域总面积2.69万km2。流域内水土流失严重，是黄河龙门-潼关段泥沙的来源区域。流域内包括陕西省和甘肃省共17个县，人口总数426.85万人，人口密度158人/km2，耕地面积达到64.33万hm2[10]。北洛河下游现有堤防工程(74 km)和部分护岸工程，流域承担着重要的社会经济作用，但是目前尚未见关于北洛河流域径流变异及定量的分析报道。因此，本研究选用北洛河的状头站径流序列(状头水文站位于北洛河下游，控制面积为2.52万km2，占北洛河流域的94%，基本可以代表北洛河流域)，定量分析气候、下垫面和其他人类活动对北洛河流域径流变化的贡献率，以期为北洛河流域水资源的合理利用和管理提供理论依据。

1研究方法

1.1Mann-Kendall法

Mann-Kendall法(M-K法)是一种非参数统计检验方法，在序列变异诊断方面应用广泛。非参数检验方法也称作无分布检验，M-K法适合非正态分布[5]，即不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，计算简单[6]。

对于任一有n个样本的时间序列X(X1,X2,X3,…,Xn)，构造一个秩序列：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Dτ为第i时刻时所有大于j时刻数值的个数累计值；τ为i的取值范围，τ=1，2，…，n;n为样本容量；Ri为i时刻时依据Xi与Xj的大小取值0或1；Xi为i时刻的数值；Xj为j时刻的数值,j=1,2,…,i；UFτ为Dτ标准化计算后得到的值；E(Dτ)、V(Dτ)为Dτ的均值和方差。

给定显著水平α，查正态分布表得出临界值Uα，若|UFτ|>Uα，则系列存在明显的上升或者下降的趋势变化；同理，以逆序列{Xn,Xn-1,…,1}，重复以上过程，令UBτ=-UFτ，其中τ=n,n-1,…,1，根据UFτ和UBτ值绘制UF和UB曲线图，若UFτ或UBτ值大于0，则序列呈上升趋势，反之则呈下降趋势；若UFτ和UBτ曲线相交且交点在临界线之间(α=0.05，临界值Uα=±1.96)，则交点对应的时刻即为变异开始的时间。

1.2贡献率分析

流域实测径流深变化反映了气候变化和人类活动的共同影响，本研究还原径流深时考虑了河道工程、农业灌溉工程等各种大的引、用水工程。因此，还原径流深的变化反映了气候变化的影响，还原径流深与实测径流深的差值反映了人类活动的影响。目前，关于气候变化和人类活动对径流变化影响进行定量分析的研究有很多[11-12]，本研究参照研究气候、下垫面变化及人类活动对北洛河径流变化的影响的文献[13-14]，所用的公式有：

ΔRT=RHR-RN，

(6)

ΔRH=RHR-RHN，

(7)

ΔRC=RHN-RN，

(8)

ΔRL=RHⅡ-RHⅠ，

(9)

ΔR0=ΔRT-ΔRC-ΔRL，

(10)

Δ=|ΔR0|+|ΔRC|+|ΔRL|，

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：ΔRT为径流变化总量；RHR为人类活动影响阶段实测径流深；RN为人类活动影响较弱阶段的还原径流深；ΔRH、ΔRC分别为人类活动和气候变化对径流的影响量；RHN为人类活动影响阶段还原径流深；ΔRL为下垫面变化对径流的影响量；RHⅡ、RHⅠ分别为不同下垫面情况下的模拟径流，其中Ⅱ对应下垫面Ⅱ，Ⅰ对应下垫面Ⅰ；ΔR0为其他人类活动(主要是河道工程(水库)、农业工程措施(灌溉)和耗水损失等方面)对径流的影响量；Δ为下垫面变化、气候变化及其他人类活动引起径流变化量的绝对值之和；PL、PC、PR0分别为下垫面变化、气候变化及其他人类活动对径流影响的百分比，即贡献率。

2北洛河流域径流变异分析

2.1流域内降水、径流的变化

采用北洛河流域内吴旗、延安、洛川3个国家气象站1956-2011年的降水量数据，采用均值法计算面降水量。由于这3个气象站覆盖了整个流域，因此本研究选取的资料能反映流域各气象要素的变化情况。径流资料选取北洛河状头水文站1956-2011年的实测、还原径流深。图1为北洛河流域降水量、实测径流深以及还原径流深在1956-2011年的变化情况。由图1可以看出，北洛河流域降水量变化不明显。在20世纪90年代前，实测径流深和还原径流深基本相同；从20世纪90年代开始有差别出现，尤其到了1995年之后差别明显变大，实测径流深明显小于还原径流深，说明1995年后人类活动对径流的影响明显增大。

图 1　1956-2011年北洛河流域降水量和实测、还原径流深的变化

对北洛河流域降水量和还原径流深序列进行线性拟合，发现降水量和还原径流深序列变化不明显，而实测径流深序列呈下降趋势(图1)。采用Kendall趋势检验方法，对径流深和降水量序列进一步进行趋势性分析，结果见表1。从表1可以看出，还原径流深与降水量均未通过α=0.05的显著性检验，为不显著变化，其中降水量为不显著减少，还原径流深变化不显著，但通过了α=0.10的检验；实测径流深通过α=0.05的显著性检验，呈显著减少趋势。与前些年相比，还原径流深没有减少但却呈不显著增加趋势。这说明径流深的增加主要是人类活动影响所致。

表 1　北洛河流域降水量和实测、还原径流深的Kendall趋势检验

2.2径流变异分析

2.2.1M-K法变异诊断采用M-K法对北洛河流域还原径流深序列进行变异诊断分析，计算结果如图2所示。图2显示，由计算得出的UFτ和UBτ值绘制的UF和UB曲线。在置信度区间(α=0.05，临界值Uα=±1.96)，曲线在1964年出现第一个交点，在2001-2011年共有4处交点，即2001，2003，2008和2010年连续出现，由于各交点出现时间相近，且2001年为各交点出现的起点，为径流变化不稳定的开始时间，故选取2001年为该阶段变异点。因此本研究选取变异点为1964和2001年。

图 2　1956-2011北洛河流域还原径流深序列的Mann-Kendall法变异诊断结果

2.2.2径流系数法变异诊断径流系数为还原径流深与对应降水量的比值，其在一定程度上综合反映了流域内下垫面的变化情况。采用径流系数法对北洛河实测径流深序列进行变异分析，结果如图3所示。图3中的径流系数在1964和1996年2个点发生明显变化，径流系数在1964年之后明显上升，但1996年后明显减小，气候变化对径流的影响发生了变化，变异点为1964和1996年。

2.2.3降水-径流双累积曲线法变异诊断降水-径流双累积曲线可以反映人类活动对径流深趋势性变化的影响，可以分析出现趋势性变化的时间及强度，在降水量不变的前提下，当降水-径流双累积曲线斜率变大，产流量也会随之变大。北洛河流域降水-径流双累积曲线如图4所示。由图4可以看出，2001年后降水-径流双累积曲线的斜率发生明显变化。进一步对降水量序列与还原径流深序列进行回归分析，以径流深累积值为因变量(y)，降水量累积值为自变量(x)，建立降水径流相关关系式，从3个关系式(图4)可以看出，每个阶段斜率不同，且随着降水量累积值的增加越来越大，斜率从第一阶段 0.056 3 变为第二阶段的0.068 6，到第三阶段变为0.088 1，第三阶段斜率为第二阶段的1.56倍，变化明显。可知不同阶段的降水径流产流关系发生了变化，表明在同等降水条件下，流域的产流量将发生变化。

图 3　北洛河流域径流系数法变异诊断结果

图 4　北洛河流域降水-径流双累积曲线变异诊断结果

通过Mann-Kendall法、径流系数法及降水-径流双累积曲线法3种变异诊断方法，对北洛河实测径流序列进行变异诊断，其中径流系数法诊断出径流在1964和1996年发生变异，另外2种方法结果均明确显示径流变异点在1964和2001年，均未诊断出1996年。因此，本研究以1964、2001年作为变异点来区分气候变化和人类活动对径流变异的贡献。

3北洛河流域径流变异影响因素分析

3.1贡献率分析

以1964、2001年作为变异点，将其作为分界点，将径流序列分为1956-1963年、1964-2000和2001-2011年3个阶段。同一流域内，在降水量相同的条件下，下垫面不同，径流产流量也不同。因此将第一阶段(1956-1963年)作为下垫面Ⅰ，第二阶段(1964-2000年)作为下垫面Ⅱ，建立降水-径流关系式，分析气候变化、下垫面变化和其他人类活动对径流变异的贡献。

以变异前1956-1963年的降水量序列与还原径流深序列作为基准，取图5中的回归分析结果，以还原径流深为因变量(y)、降水量为自变量(x)建立降水-径流关系式，得到1956-1963年的降水-径流关系式为y=0.061 5x-2.798 9；1964-2000年为y=0.096 4x-14.488 3，2个序列的R2均大于0.7，表明两者线性相关性很好。因此，该线性关系式可以很好地反映该阶段的降水-径流关系。本研究采用此关系式进行变异期的径流模拟，结果如图6所示。图6显示，建立的降水-径流关系式的模拟效果良好。

图 5　1956-1963和1964-2000年北洛河流域

图 6北洛河流域不同下垫面情况下模拟径流的变化

Fig.6Calculated runoff depth value in Beiluo River basin at different underlying surfaces

下垫面变化、气候变化和其他人类活动对径流变异影响的分析结果如表2所示。由表2可知，相对于变异前的1956-1963年，变异后2001-2011年的还原径流深呈增加趋势。不同下垫面情况下径流变化不同，下垫面Ⅱ与下垫面Ⅰ情况下模拟径流的变化量为-7.00 mm，表明径流在下垫面Ⅱ情况下产流比下垫面Ⅰ大。引起径流变化的影响因素中，下垫面变化引起的径流改变占绝对径流深总变化量的19%，其他人类活动的影响占41%，气候变化使得径流深减少，对径流改变的贡献为40%，三者变化都会引起径流出现减少或增加的变化。人类活动(下垫面变化和其他人类活动)的总贡献率为60%，表明人类活动是导致北洛河流域径流变化的主要影响因素。

表 2　下垫面变化、气候变化和其他人类活动对北洛河流域径流变异贡献分析

3.2径流变异原因分析

近几十年来，北洛河流域人类活动频繁，流域仅陕西境内已建成的水库有44座，总库容达到19 321万m3；另有引水工程568座，提水工程973座，配套机电井共约1.08万眼，集雨工程年利用量1 034.36万m3，且流域能源化工业发展快速，用水量大量增加，挤占了生态环境用水，导致下游断流严重，水环境污染加剧。同时，流域内水资源开发利用缺乏统筹安排，地区各部门之间争水、无序引水现象严重，水资源得不到合理开发和有效保护[15]。随着退耕还林等生态建设的实施，植被覆盖显著增加，水土流失得到控制，河道径流和输沙发生了明显改变[16]。根据北洛河流域各县土地详查及土地面积变更资料统计，截至1996年，北洛河流域陡坡开荒面积已达7.3万hm2[17]。退耕还林所带来的土地利用类型改变是下垫面条件变化的主要形式，流域内的退耕还林工程主要于1999年实施完成，径流、输沙在2001年后显著变化[15]。从北洛河流域1956-2011年的气象资料来看，年平均气温呈现上升趋势，且通过α=0.05的显著性检验，潜在蒸发量未通过检验，为不显著增加趋势[18]。本研究曾采用Pearson、Kendall、Spearman法3种方法，对径流序列和气象要素序列进行相关性分析，结果发现还原径流深与降水量相关性最高，与平均风速、平均水汽压和平均相对湿度相关性次之，但也在P=0.01水平(双侧)上显著相关。说明在北洛河流域，气候因素中降水量对径流的影响最大，但平均风速、平均水汽压和平均相对湿度的变化也会对径流变化造成一定的影响。以上分析表明，北洛河流域径流变化的驱动力是人类活动和气候变化共同作用的结果，其中气候因素中降水量的影响最大，人类活动的直接作用及间接作用都有一定程度的贡献率。

4结论

本研究以北洛河流域1956-2011年共56年降水、实测和还原径流深序列为对象，对北洛河流域下垫面变化、气候变化以及其他人类活动的影响的贡献率进行了定量分析，得到以下结论：

1)北洛河流域1956年以来降水量变化不明显，但还原径流深呈现出不显著增加趋势。

2)采用Mann-Kendall法、径流系数法和降水-径流双累积曲线法对还原径流深序列进行变异点诊断分析，发现变异点出现在1964和2001年。

3)以变异点为分界点，第一阶段1956-1963年作为下垫面Ⅰ，第二阶段1964-2000年作为下垫面Ⅱ，建立降水-径流关系式，分析气候变化、下垫面变化和其他人类活动对径流变异的贡献，结果表明，人类活动为主要影响因素，贡献率为60%，其中下垫面变化的影响占19%，其他人类活动的影响为41%；气候变化的总贡献率为40%。

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Impacts of climate change and human activity on runoff variation of Beiluo River

FAN Jing-jing,HUANG Qiang,LIU Deng-feng,WANG Yi-min

(StateKeyLaboratoryofEco-HydraulicEngineeringinShaanxi,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China)

Abstract:【Objective】 This study quantified the contributions of climate change and human activities to runoff change and analyzed the main driving factors in Beiluo River basin to provide reference for water resources management.【Method】 The precipitation,recorded and nature runoff depths from a total of 56 years (1956-2011) in Beiluo River were analyzed to detect the impacts of underlying surface,climate change and other human activities.Mann-Kendall method,runoff coefficient method and precipitation-runoff double cumulative curve method were used to analyze the variation points and obtain the contributions of climate change,underlying surface and human activities.【Result】 The precipitation did not change significantly since 1956,while the runoff had insignificantly decreasing trend.The break points occurred at 1964 and 2001.Based on the break points,the runoff series were divided into 3 portions:underlying surface Ⅰ during 1956-1963,underlying surface Ⅱ during 1964-2000,and phase 3 during 2001-2011.Runoff and precipitation correlations were developed under underlying surface Ⅰ and underlying surface Ⅱ,and used to estimate the runoff series in period 2001-2011.The estimated results showed that the developed precipitation-runoff relations can identify the runoff difference between different underlying surfaces.The difference between underlying surface Ⅰ and underlying surface Ⅱ was -7.00 mm,indicating that the runoff production in underlying Ⅰ was better.Climate change contributed to 40% of runoff change.Human activities were the main driving factor at Beiluo River basin with the contribution of 60%,among which 19% was from underlying surface change and 41% was from other human activities.【Conclusion】 The main driving factor of runoff change was human activities at Beiluo River basin,and the impacts of underlying surface change were also significant.

Key words:Beiluo River basin;runoff change;climate change;human activities;underlying surface

DOI：网络出版时间:2016-01-0810:2210.13207/j.cnki.jnwafu.2016.02.031

[收稿日期]2014-06-23

[基金项目]国家自然科学基金重大项目(51190093)；国家自然科学基金项目(51179148，51179149)；国家重点基础研究(973)计划项目(2011CB403306)；陕西省重点实验室项目(11JS077)

[作者简介]樊晶晶(1986-)，女，河北邢台人，在读博士，主要从事水文水资源系统工程研究。E-mail：fj0722@163.com

[中图分类号]P33；TV11

[文献标志码]A

[文章编号]1671-9387(2016)02-0221-07