气候变化和人类活动对南盘江上游径流的定量影响
2020-03-10谷桂华李学辉余守龙段路松
谷桂华，李学辉，余守龙，段路松
(1.云南省水文水资源局玉溪分局，云南玉溪653100；2.云南省水文水资源局，云南昆明650106；3.云南省水文水资源局临沧分局，云南临沧677000)
气候变化是影响水资源最直接的因素，其中降水对水循环起着至关重要的作用。但随着经济社会的发展，人类活动对水循环的影响越来越大，在部分区域，甚至超过了自然作用力的影响[1]。气候变化和人类活动是全球环境变化的重要体现，也是改变河川径流量的主要因素[2-3]。
几十年来，气候变化和人类活动对径流量的影响一直被人们关注和研究。近年来，刘剑宇等[4]构建气候变化和人类活动对径流变化影响定量评估模型，在Penman-Monteith潜在蒸发分析基础上，进一步分析气象因子对径流变化的弹性系数，量化气候变化和人类活动对径流变化的影响；黄斌斌等[5]以水文循环过程为主线，分过程阐述气候变化及人类活动影响地表径流发生变化的机制机理，对各种量化二者对地表径流变化贡献率的方法进行比较，分析全球部分流域气候变化和人类活动对地表径流变化影响的差异；司源等[6]采用基于Budyko假设的水热耦合平衡方法定量计算了工程实施前后气候变化及人类活动对黑河流域径流演变的影响；王赛男等[7]以南洞地下河为研究对象,利用其1972—2014年的径流量、降水量和蒸散量数据,分析其年际变化特征，揭示气候变化与人类活动对岩溶地下河系统年径流量的影响；彭涛等[8]采用长江干流寸滩、宜昌、汉口和大通4个控制站的径流量和输沙量资料，分析水沙变化趋势及突变特征，定量分解气候变化与人类活动对径流泥沙的影响；崔豪、张艳霞、邹浩等[9-11]开展了气候变化与人类活动对大清河、锡林河、湘江流域径流影响的研究。
南盘江为珠江流域上游，属于云南东部经济社会较发达地区，同时也是云南地区水资源开发利用最高[12]，水污染较严重的地区，因此南盘江水资源是珠江流域水资源配置的重要基础，对泛珠江三角州经济健康协调发展具有重要意义。由于气候变化、社会经济发展以及流域水资源开发利用的影响，南盘江流域径流发生较大变化。因此，为实测径流还原分析提供基础依据，为流域水资源规划、水资源管理和保护与利用提供支撑，定量研究气候变化和人类活动对该流域径流的影响是十分必要的。本文以第3次水资源调查评价选用的南盘江干流控制水文站江边街站和区间20个降水代表站1956—2016年资料为基础，采用Mann-Kendall趋势检验法、累积距平法和分离评判法，分析了径流的趋势变化，并定量研究了气候变化和人类活动影响的贡献率。
1 数据和方法
1.1 研究区概况
南盘江是珠江的上游，在云南省境内流域面积约为4.32万 km2。南盘江发源于曲靖马雄山，干流由北向南流经麒麟、沾益、陆良、石林、宜良、华宁、弥勒等县(区)，在开远市小龙潭转向东北，经弥勒、泸西、邱北、师宗至罗平县三江口滇、黔、桂三省交界处出省境，境内河长766 km，出境处高程720 m。南盘江位于滇东高原地区，有阳宗海、抚仙湖、星云湖、杞麓湖、异龙湖等高原湖泊，是云南工农业经济最发达的地区。南盘江高古马以上河段，河谷开阔，河床纵坡较缓，两岸地势平坦，土地肥沃，盆地在河流上呈串珠状排列，松林坝、沾曲坝、陆良坝、宜良坝分布其间，是云南省粮食作物主要生产基地；高古马以下河段，呈峡谷地形，山岭重叠，石灰岩分布较广[12]。
南盘江流域属于亚热带季风气候区，干湿季分明；干季(枯期)受西方干暖大陆气团的影响，干暖少雨，降水量仅占年值的15%左右；湿季(汛期)受西南暖湿气流影响，降水集中，占年降水量的85%左右。由于气候和地形影响，流域北部和东部为多雨区，中部和西部干旱少雨；径流由降水产生，因此径流分布与降水基本一致。南盘江水资源开发利用较高，目前已建成各类蓄水工程6 342座，总蓄水库容30.2亿m3；大型水库有独木水库和柴石滩水库，中型水库46座，河道引水工程4 664条，提水工程3 193处，总供水能力达到37.7亿m3[13]。流域内用水以农业用水为主，具有曲靖、蒙开个、平远街和丘北4个大型灌区和众多中小型灌区；农业用水量占年用水总量的65%；南盘江水资源开发利用率达16%，是云南境内开发利用最高的流域[14]。
1.2 数据
按照第3次水资源调查评价分析成果，南盘江云南境内具有长系列的径流出境控制站为江边街水文站。因此，选择江边街站及其控制区域内20个降水代表站1956—2016年径流和降水资料进行分析，其中选用水文雨量站12个，气象雨量站8个。选用站基本情况见表1，代表站点分布情况见图1。
表1 南盘江流域选用站点基本情况
1.3 方法
1.3.1Mann-Kendall趋势检验法
Mann-Kendall趋势检验法能有效区分某一自然过程是处于自然波动还是存在确定的变化趋势，特别是对于非正态分布的水文数据，Mann-Kendall秩次相关检验具有较好的适用性，无需对数据系列进行特定的分布检验，对于极端值也可参与趋势检验；在时间序列分析中，无需指定是否是线性趋势，可以定量地计算出时间序列的变化趋势，是水文气象序列研究中经常采用的方法[15-16]。对长度为n的时间序列{xi︳i=1，2，…，n}，{xi}是一个由n个元素组成的独立的具有相同分布的随机变量。
图1 南盘江流域云南区主要水系及代表站点分布
对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列:
(1)
式中:
构造的秩序列Sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计值。在假定时间序列服从随机独立的条件下，定义统计量UFk。
(2)
式中 UF1=0;E(Sk)、Var(Sk)——累计数Sk的均值和方差；UFi——标准正态分布，给定显著性水平α(α取0.05)，若|UFi|≥Uα，则表明时间序列x存在明显的趋势变化。
将时间序列x按逆序进行排列，得到新的时间序列xn，xn -1，…，x1，再重复上述过程，同时令UBk=-UFk。分别绘制UFk和UBk曲线图，如果UFk值大于0，则表明时间序列x呈上升趋势；反之，则表明呈下降趋势；当它们超过显著性水平α所给定的临界值时，表明时间序列x上升或下降趋势显著。如果UBk和UFk2条曲线出现交点，且交点在两临界直线之间，那么交点所对应的时间即为时间序列突变开始的时间。
1.3.2累积距平法
累积距平法是一种常用于判别水文气象要素变化趋势的方法，它可以直观准确的确定要素年际变化的阶段性特征[17-18]。对于时间序列xi累积距平的计算方法表示为：
(3)
将n个时间序列的累积距平值全部算出，即可绘制累积距平曲线。累积距平曲线可直观分析时间序列的趋势变化，从曲线明显的上升和下降起伏变化，可以判断系列长期显著的演变趋势和发生突变的大致时间[19]。
1.3.3分离评判法
将分析系列划分成基准期和人类活动影响评价期，综合考虑径流变化特征和人类活动的影响，用径流变化比例代替气候因素和人类活动因素对径流量的影响[20]。公式为：
(4)
(5)
(6)
(7)
式中Rc、Rh——气候变化和人类活动对径流变化贡献的比例；Qn、Qh——评价期的天然径流量和实测径流量；Wn、Wh——基准期的天然径流量和实测径流量；Pc、Ph——气候变化和人类活动在径流量变化中的贡献率[21-22]。
2 结果分析
2.1 径流和降水变化趋势
根据选用的20个雨量站降水逐年系列，采用泰森多边形法计算江边街水文站集水区域内1956—2016年的面雨量系列。从江边街站天然径流和区域面降水过程看出(图2)，径流过程与降水过程对应性较好，过程趋势基本一致。
图2 江边街站径流及区间降水变化过程趋势
通过线性分析得到降水过程Y=-1.708 7X+999.97，则b=-1.7087<0，区间降水系列有减少趋势；径流过程Y=-1.348 7X+277.81，则b=-1.348 7<0，径流系列也为减少趋势。通过M-K法对区间降水和径流系列进行显著性检验，得到降水系列坎德尔秩次相关检验值U=1.572
2.2 分析期划分
绘制径流深和降水累积距平线，见图3。由于降水累积距平线的|T|=2>Tα/2=1.64(α取0.05)，说明降水过程存在突变；其中累积距平线最高点1987年前后发生显著跳跃，次高点2002年前后也发生明显跳跃。径流累积距平线的|T|=2.13>Tα/2=1.64(α取0.05)，说明径流过程也存在突变；其中累积距平线最高点1974年前后发生显著跳跃，次高点2002年前后也发生明显跳跃。
图3 南盘江流域径流深与流域降水累积距平线
综合降水和径流累积距平过程，以径流深过程为主，首先确定1974年为径流过程的首个突变点，结合降水过程和径流过程的第2个可能突变点2002年，再确定2002年为径流过程的第2突变点。根据径流过程突变点的确定，本次把江边街径流过程划分为3个时期进行分析：①基准期1956—1973年；②分析I期1974—2001年；③分析II期2002—2016年。
2.3 影响程度估算
根据江边街站1956—2016年实测径流量和分项调查法还原后的天然径流量成果，分别统计不同分析期江边街站实测径流深和天然径流深，见表2。
表2 江边街站不同时期径流深
1956—1973年，江边街站径流天然值与实测值仅相差3.7%，实测径流基本与天然径流一致。1974—2001年，天然值与实测值相差9.7%，超过5.0%；2002—2016年，天然值与实测值相差11.9%。由此可见，随着社会经济的发展径流天然值与实测值的相差越来越大，说明人类活动对径流的影响越来越大。采用分离评判法估算江边街站不同分析期气候变化和人类活动对径流影响程度，见表3。
表3 江边街站径流影响因素估算结果 单位：%
相对于基准期1956—1973年，分析I期1974—2001年气候变化对径流变化的贡献率为65.9%，人类活动对径流变化的贡献率为34.1%；分析II期2002—2016年气候变化对径流变化的贡献率为82.8%，人类活动对径流变化的贡献率为17.2%。
从分析结果看出，虽然人类活动对径流的影响越来越大，但气候变化仍然是影响径流变化的主要因素。表3中，II期的气候变化对径流变化的贡献率比I期大，主要是因为2002年后流域经历了几个特殊干旱年，特别是2009年后连续5年的干旱导致分析II期气候变化对径流的影响更加显著。干旱的直接影响导致径流明显减少(表4)，分析II期的降水与基准期比较减少11%，形成的径流则减少26.1%，影响情况比分析I期显著。有研究显示，云南从2000年以后干旱次数和强度均增加，持续时间长，出现2003—2006年、2009—2014年等长期连续干旱的状态[23]，南盘江流域年降水量在2002年出现突变，并开始显著下降[24]。以上气候变化和人类活动对径流变化贡献率的分析结果、干旱对径流的影响以及相关研究成果显示，受气候变化和干旱的影响，南盘江流域降雨、径流在2002年前后发生了显著变化。
表4 江边街站面降雨量、径流深变化情况
人类活动对径流的影响也越来越显著，根据第三次水资源调查评价分析成果，江边街站径流一致性较好，说明流域下垫面条件没有发生较大变化。从流域水资源开发利用情况看，年用水总量27.85亿m3，占水资源量的15.4%；其中供用水量中蓄水工程和提水工程供水量占总量的70.7%[14]；因此，人类活动对径流的影响主要表现在对径流的控制和调配方面，水利工程对枯季径流影响显著[25]。
2.4 对径流年内分配影响
根据江边街站径流的年内月过程显示，径流主要集中在汛期5—10月，占年径流的54%～84%；各分析期枯季(1—4月、11—12月)和汛期(5—10月)径流比例变化显示(表5)，1974—2001年分析期与基准期枯季和汛期径流占年内比例变化不明显，而2002—2016年分析期与基准期枯季和汛期径流的年内分配占比变化较为明显，枯季径流占比增加4.2%，汛期径流占比减少4.2%。说明径流的年内变化在本世纪较为明显，主要是表现在枯季径流增加，汛期减少。
表5 江边街站枯季和汛期径流占年径流比例变化 单位：%
不同分析期降水和径流的年内分配变化过程显示(图4)，不同时期降水的年内分配比例基本不变(图4a)，而不同时期径流的年内分配比例有明显变化(图4b)。径流年内分配变化主要是年内集中程度有所坦化，特别是2002—2016年相比于1956—1973年径流变化率为4.2%。说明在以降水为主要气候要素，其年内分配变化不大的情况下，径流年内分配的变化主要是由于人类活动引起的。
a) 江边街站以上区间降水年内分配变化
b) 江边街径流年内分配变化图4 江边街站径流和区间降水年内变化
3 结果与讨论
南盘江流域具有云南最大的坝子，人口集中，经济较发达，水资源对坝区经济社会发展具有较大影响。通过对1956—1973年、1974—2001年和2002—2016年3个分析期降水和径流因子的特性分析，径流与降水变化有较好的一致性，说明气候变化对径流影响最显著。同时，由于农田灌溉、工业用水等人类活动的叠加影响，径流的变化更加明显。
a) 南盘江流域的径流来源于降水，两个因子的变化特性显示，江边街水文站以上区间年降水为不显著减少趋势，而年径流呈显著减少趋势。
b) 以1956—1973年为基准期，1974—2001年期间，南盘江流域的气候变化和人类活动对年径流变化的贡献率分别为65.9%和34.1%；2002—2016年期间分别为82.8%和17.2%，说明气候变化仍然是影响径流年际变化的主要因素。同时也说明，干旱年份年径流的气候变化影响因素更显著。
c) 南盘江流域降水的年内变化不明显，径流则有显著变化。人类活动是月径流影响的主要影响因素，径流的年内分配影响主要表现在月径流的均匀化和峰值的坦化现象上。
定量评价气候变化和人类活动影响是重新认识地区水资源变化的重要基础，对单站径流分析和水资源评价具有重要意义。本文定量评价了气候变化和人类活动对径流的变化影响，是第3次水资源调查评价中“实测径流还原”工作的重要基础和支撑。由于气候变化影响因素较多，降水仅是气候要素中对径流影响最直观的因子，而气候变化引起环境变化进而对径流产汇流也有一定的影响；同时人类活动也会影响下垫面产汇流条件和机制，因此气候变化和人类活动对径流的影响变化仍然是值得研究的问题。
