气候变化和人类活动对海河流域径流变化的影响

王 磊

(河北省衡水水文水资源勘测局，河北 衡水 053000)

0 引 言

河流径流量的变化既受气候变化的影响，也受人类活动的影响[1]。气候变化导致温度上升和降水的空间分布格局的变化，其对区域径流量的变化具有重要影响[2]。人类活动如森林砍伐、土地利用变化、灌溉和水库大坝建设等也影响着径流的变化[3-5]。在过去几十年中，水量和水质的恶化已成为流域或区域范围内水资源管理所面临的日益严重的问题[6]。

海河流域是一个缺水地区，其在过去经历过长期干旱。近年来，山区的径流急剧减少。大多数河流的年径流量都有减少的趋势，比如滦河、潮白河、漳河。目前，大多数研究都应用水文模型来分析气候变化和人类活动对径流变化的影响，如VIC模型和GBHM模型等[7]。虽然这些模型是该方向研究的有力工具，但研究结果具有许多不确定性，这主要是由模型结构、参数校准和换算比例的缺陷造成的[8]。此外，水文模型需要大量的输入数据[9]。作为替代以上的方法，统计分析已被证明是对径流响应的各种影响因素检验的有效选择[10]。长期记录的水文数据间接展示了其受气候和土地覆盖变化造成的影响。从长期水文数据中分析这种变化不仅可以了解汇水区的径流变化，还可以解读气候变化和人类活动对其造成的影响[11]。由于河北省内的海河流域人类活动强烈[12]，因此本文的研究目的为:①分析海河流域年径流及季度径流的突变及趋势变化；②分析气候变化(降水和蒸散发量)及人类活动(水库水量调节和土地利用变化)对径流变化影响的贡献率。

1 研究区概况

本文以河北省境内的海河流域为研究区，N39°44′-N42°44′，E115°33′-E119°36′。该区域总面积为44 618 km2，占海河总流域面积的17.06%。地形以低山丘陵地貌为主，高程范围为28～2 171 m。该地区属于半湿润的大陆性季风气候，年平均温度为9.5℃。降水量在时间上分布不均匀，6～9月份的降水量占全年的80%以上[13]。年平均降水量为527 mm。从多年月降水量的平均值(图1)可以看出，7月份的降水量最大，其次为8月份，其降水量分别为166.2和144.6 mm。

图1 多年平均月降水量

2 数据来源

本文采用的年降水量和径流量数据(36个雨量站及8个水文站)来自中国水文年鉴。这些数据目前尚未公布，但已打印出来供内部使用。12个气象站数据来自国家气象信息中心气象数据共享服务网( http://data.cma.cn/)，1979、1990、1995和2000年4期土地利用数据来自国家地球系统科学数据共享服务平台(http://www.geodata.cn/)。

3 研究方法

3.1 Mann-Kendall趋势检验

Mann-Kendall非参数检验被广泛用于检测气象要素时间序列的趋势变化及是否发生显著性变化，其计算方法如下[14]：

定义统计量S：

(1)

(2)

趋势计算公式为：

(3)

(4)

Z值被用于判断时间序列的变化趋势，当Z大于0时，表明序列具有增加趋势；当Z小于0时，表明序列具有减少趋势。在显著性水平α下，当|Z|≥Z1-α/2时，表明时间序列存在显著性变化趋势。

3.2 Mann-Kendall突变检测

定义统计量Sk[14]：

(5)

(6)

定义统计量UF[14]：

(7)

(8)

(9)

将数据进行逆序排列，采用上述公式计算得到UB，当UF线与UB线的交点在±Uα之间时，且数据存在显著性变化趋势时候，说明交点为突变点。Uα为在显著性水平α下，查正态分布表获得的统计量值。

3.3 气候变化和人类活动对径流量的影响

气候变化引起的年平均径流量的变化为[15-17]：

ΔQclim=βΔP+γΔE0

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：ΔQclim为由气候变化引起的径流变化；ΔP为突变点前后降水量变化；ΔE0为突变点前后蒸散发量变化；β、γ为径流对降水及潜在蒸散量的敏感系数；x为干燥指数；ω为植物水分利用效率。

人类活动对径流变化的影响为：

Qhum=ΔQ-Qclim

(14)

式中：ΔQ为突变点前后径流量的变化；Qhum为由人类活动引起的径流变化。

4 结果分析

4.1 年径流的趋势及突变分析

趋势分析有助于了解水文和气候变量的长期变化特点。本文采用M-K法对1956-2000年的年径流数据进行了分析。Z统计值为2.96，在0.01显著性水平下表现为显著性下降趋势。图2给出M-K突变检验结果，曲线的交点出现在1979年，其年径流量在0.05显著水平上存在突变。根据1979年的变化点，径流量可以分为两部分，分别为基准期(1956-1979年)和变化期(1980-2000年)，见图3。负的UF值表明年径流量存在下降趋势。在基准时期年平均径流量为108.35 mm，而变化时期的值仅为51.63 mm，变化时期的径流量大幅减少了56.72 mm(52.34%)。

图2 年平均径流量趋势及突变点检测结果

图3 1956-2000年年平均径流量变化

4.2 气候变化和人类活动对年径流变化的影响

表1给出基准期和变化期径流及气象因素的变化量。本文利用1960-2000年的气象数据，采用Penman-Monteith模型[18-19]计算12个气象站的潜在蒸散量。与基准时期相比，变化期年降水量减少了51.90 mm(8.65%)，而潜在蒸散量变化不大，仅为6.94 mm，仅增加了0.71%。

表1 不同时期年平均径流量、降水及蒸散发的变化量

本文土地利用的覆盖范围通过海河流域的土地利用图获得，根据1979、1990、1995和2000年的土地利用图，可获得不同土地利用覆盖范围的比例，见表2。

表2 不同土地利用方式所占的比例

由表2可以看出，不同土地利用方式所占比例的大小分别为：森林>草地>农田>荒地>建设用地>水域，森林所占比例的平均值为41.02%，水域的均值为1.35%。根据式(10)计算可得，由气候变化引起的径流变化Qclim为23.19 mm，占40.89 %。而ΔQ为56.72 mm，因此由人类活动引起的径流变化Qhum为33.53，占59.12%。

人类活动对河流径流量的影响主要是由土地利用变化和水库水量调节引起的。通过对比海河流域的基准流量和调整流量，可以判断水库流量调节的效果。调整后的流量资料从水文局获得。比较年观测流量和调整流量，结果表明在基准期(1956-1979年)，水库对径流影响较小，水库流量减少仅为3.31 mm；而变化期影响明显，减少流量为25.35 mm。因此，在总径流变化ΔQ中，水库的影响为22.04 mm，占38.86%。土地利用变化的影响为11.49 mm，占总径流变化的20.26%。最终计算的气候变化和人类活动对年径流的影响见表3。总体来看，人类活动的影响大于气候变化，在人类活动的影响因素中，水库的影响大于土地利用变化，为其2倍左右。

表3 气候变化和人类活动对径流变化的影响

4.3 季节性径流量的突变及趋势变化

为了更好地分析气候和人类活动对季节性径流量变化的影响，根据其降水特征(图1)，本文将年径流量分为旱季(10月份至次年5月份)和雨季(6-9月份)。M-K突变点检测的结果见图4和图5，在0.05显著性水平下，季节性径流量的突变点也发生在1979年。因此，季节性径流量也可分为两部分:基准周期(1956-1979年)和变化周期(1980-2000年)。表4给出两个时期之间降水和径流量的变化。由表4可以看出，两个季节的径流量均表现出明显的减少；雨季减少了56.36%，旱季减少了40.43%。雨季降水量减少了12.19%，而旱季降水量增加了4.84%。

图4 雨季径流M-K突变检验结果

图5 旱季径流M-K突变检验结果

表4 基准期和变化期积极性降水量及径流量的变化

4.4 气候变化和人类活动对季节性径流量的影响

为确定人类活动开始显著影响径流的时间，本文分析了1956-2000年的年径流量和降水的双累积曲线。双累积曲线可以用来检查降雨-径流关系是否随时间一致。曲线的显著变化可表明降水以外的因素可能会对径流变化造成影响径流。在1956-1979年期间，本文的季度径流量与降水之间呈一条直线变化。从1980年开始，干湿季节的径流量均偏离了1980年以前延伸的直线(即延伸或预测线)，这表明自然产生的径流比预测的要少。季节性累积径流量与预测值之间的差异被称为人类活动干扰引起的季节性流量偏差。这些径流偏差是由于人类活动对海河流域季节性径流的影响所造成的。计算结果表明，人类活动引起的径流变化在雨季为-25.80 mm，在旱季为-11.95 mm。根据表5可知，径流在雨季的整体变化为-45.69 mm，旱季为11.03 mm；气候变化在旱季引起的径流变化为-19.89 mm，在旱季为0.92 mm。对于人类活动对季节性流量的影响，水库流量调节的影响也可通过实测流量和调节流量的比较来判断，分析结果表明，水库在雨季对径流变化的影响为-18.04 mm，在旱季的影响为-5.24 mm。其次土地利用变化在雨季的影响为-7.76 mm，在旱季为-6.71 mm。气候变化和人类活动对海河流域季节性流量的贡献率见表5。结果表明，在雨季，气候变化的影响占43.53%，人类活动占56.47%。人类活动的贡献率中水库调节占39.48%，而土地利用变化仅占16.99%。旱季河流流量的变化主要是由人类活动引起的，占92.85%，而气候变化仅占7.15%。人类活动的贡献率为92.85%，其中水库调节占40.71%，土地利用变化占52.14%。

表5 在雨季和旱季气候变化和人类活动对季节性径流变化的影响

5 结 论

海河流域年径流和季节性径流的趋势及突变分析结果表明，径流有显著的下降趋势，其突变点出现在1979年；土地利用方式所占比例的大小分别为：森林>草地>农田>荒地>建设用地>水域，森林和水域所占比例的平均值分别为41.02%和1.35%；对于年径流量的变化，气候变化的贡献率为40.89%，人类活动为59.11%，其中水库调节占38.86%，土地利用变化占20.26%，人类活动的影响大于气候变化，其中水库的影响大于土地利用变化，为其2倍左右。雨季径流变化中，气候变化占43.53%，人类活动占56.47%，其中水库调节占39.48%，土地利用变化占16.99%。旱季径流变化主要是由人类活动引起的，占92.85%，而气候变化仅占7.15%；在人类活动的贡献中，水库调节占40.71%，土地利用变化占52.14%。总之，对于海河流域，无论是年径流还是季节性径流，人类活动对径流变化造成的影响均大于气候变化。