气候变化和人类活动对太子河流域径流变化的贡献

刘鸣彦，房一禾，孙凤华，赵春雨， 侯依玲，崔 妍，周晓宇

(1.沈阳区域气候中心，辽宁 沈阳 110166；2.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166)

引 言

随着全球气候变暖和人类活动加剧，我国各大流域水资源在时空分配上发生明显改变，而河川径流是水循环的重要环节，也是人们生产生活用水的主要来源，其变化对整个流域水资源配置、开发及利用产生重大影响[1]。研究表明，流域径流量的变化由气候波动与人类活动共同引起[2]，前者主要通过降水、气温、日照、风速等气候要素影响流域水循环[3]，其中降水是影响径流变化的主导因素，气温则是通过改变流域的蒸散发间接影响径流变化[4]，而后者主要通过土地覆被类型的改变[5]、水利工程设施建设、地下水开采等方式改变流域下垫面状况[6]，进而影响流域水文过程。另外，随着人口密集度的增加，生产生活用水趋于增多，这在一定程度上也会导致径流量的减少。如何定量区分气候变化与人类活动对径流量变化的影响？近年来，相关研究陆续提出了多元线性回归法[7]、双累积曲线法[8]、降雨径流模型法[9-11]、累积量斜率变化率比较法[12-13]等，用来定量分解上述两类因素对径流量变化的影响程度。其中，累积量斜率变化率比较法能够定量客观地获得各类影响因子对径流量变化的贡献率，且累积量与年份建立的线性关系能有效降低观测资料年际波动的影响[14]。与其他方法相比，累积量斜率变化率比较法能够消除各类影响因子权重分配的人为性，分析结果更加可信，该方法已广泛应用于干旱半干旱地区流域径流量影响要素的评估中[15]。焦玮等[16]利用累积量斜率变化率比较法分离了气候要素及人类活动对锡林河流域径流量变化的贡献率，明确人类活动是锡林河流域径流量减少的最重要驱动因素。王静洁等[17]采用累积量斜率变化率比较法评估了降水对呼伦湖流域径流变化的影响，得出降水减少是径流减少的主要原因。可见，不同区域气候变化及人类活动对河川径流的影响程度差异较大。

东北地区是我国气候变化敏感区，在全球变暖背景下该地区水资源量出现较大幅度的衰减。太子河是辽河流域的重要水系，太子河流域是辽宁省工业生产基地及主要粮食产区，太子河用水量占全省的70%，在经济发展和人口密度大的双重压力下，该流域已成为省内最严重的缺水地区之一[18-19]。目前，太子河流域径流量的研究多集中在趋势特征分析[20]和径流模拟预估[21]方面，而气候变化和人类活动对径流影响的定量评估方面相对有限[22]。随着气候波动的影响，近10 a太子河流域径流量呈现与以往不同的变化态势，目前仅研究水文气象变化趋势已无法满足该流域水资源开发管理的需求。为此，本文利用1961—2018年水文与气象观测资料，分析太子河流域径流量、面降水量及潜在蒸散量的趋势和突变特征，在此基础上，采用累积量斜率变化率比较法定量估算气候变化和人类活动对不同时期径流量变化的贡献率，揭示径流变化对气候波动和人类活动的响应特征，以期为该流域水资源可持续利用提供一定的科学决策参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

太子河流域(122°26′E—124°53′E、40°29′N—41°39′N)横贯辽宁省中东部，是辽河下游左岸的主要支流[23]。太子河上游有两个源头，北支源于新宾县平顶山乡红石砬子山，南支源于本溪县东营坊乡白石砬子山，两支流在北甸附近汇合后，自东向西流经本溪、辽阳、鞍山市，在海城三岔河附近汇入大辽河(图1)，并于营口市注入渤海[24]。太子河干流全长约413 km，流域面积13 883 km2，平均流量106 m3·s-1，落差463 m，河道比降为0.29‰～1.22‰[25]。太子河流域是东北地区经济核心，社会经济发展迅速，工业化程度较高。流域西部是辽河冲积平原的农业灌溉区，是辽宁省商品粮基地，而东部山区自然资源丰富，是多种经济作物的集中产区。太子河流域地处温带大陆性季风气候区，雨热同季，冬季寒冷期长，春、秋季短，东湿西干，平原多大风[26]；年平均降水量为700～900 mm，且年内分布不均匀，多集中在6—9月，约占全年的71.2%，且降水量由东向西逐渐递减，本溪至辽阳段是暴雨洪水的多发地区[27]。太子河流域年平均水资源量34.9亿m3，且空间分布差异显著，东部多于西部，山地多于平原，水资源开发利用率为37%，总体属于中高度紧张。小林子水文站位于太子河下游，控制流域面积9.75×103km2，约占全流域面积的74%，是太子河流域主要控制站。

图1 太子河流域高程(单位:m) 及气象站、水文站分布Fig.1 Distribution of elevation (Unit: m), meteorological stations and hydrological station in the Taizihe basin

1.2 数据来源

气象观测数据为研究区6个气象站1961—2018年逐日降水量、平均气温、最高气温、最低气温、风速、相对湿度、气压、日照时数等，来源于辽宁省气象信息中心，站点分布见图1所示。水文资料是小林子水文站逐年径流量，摘录于中华人民共和国水文年鉴第2卷第3册(浑河、太子河水系分册)。地理信息数据来源于国家气候中心，包括30 m分辨率的数字高程模型(http://srtm.csi.cgiar.org)及河流水系。

1.3 研究方法

潜在蒸散量采用世界粮农组织推荐的Penman-Monteith公式[28]进行计算。应用泰森多边形法(Thiessen)[29]计算流域面平均气温、降水量和潜在蒸散量。采用累积量斜率变化率比较法[30]定量评估面降水量、潜在蒸散量及人类活动对太子河流域径流量变化的贡献率。其原理是：假设累积径流量与年份线性关系式的斜率在突变点前后2个时期分别为SR1和SR2(亿m3·a-1)，累积降水量与年份线性关系式的斜率在突变点前后2个时期分别为SP1和SP2(mm·a-1)，累积蒸散量与年份线性关系式的斜率在突变点前后2个时期分别为SE1和SE2(mm·a-1)，则累积径流量斜率变化率RSR(%)、累积降水量斜率变化率RSP(%)和累积蒸散量斜率变化率RSE(%)分别表示如下：

RSR=[(SR2-SR1)/SR1]×100%

(1)

RSP=[(SP2-SP1)/SP1]×100%

(2)

RSE=[(SE2-SE1)/SE1]×100%

(3)

式中：RSR、RSP、RSE为正数表示斜率增大，为负数则表示斜率减小。

面降水量、潜在蒸散量变化及人类活动对径流量变化的贡献率表示如下：

CP=(RSP/RSR)×100%

(4)

CE=-(RSE/RSR)×100%

(5)

CH=(1-CP-CE)×100%

(6)

式中：CP、CE、CH(%)分别是降水量、潜在蒸散量变化及人类活动对径流量变化的贡献率。

另外，采用趋势分析、累积距平等方法进行气候要素变化趋势、突变分析，其中1981—2010年为气候态平均。

2 径流量与气象要素变化特征

2.1 年际及年代际变化特征

1961—2018年，太子河流域小林子水文站年径流量整体呈微弱减少趋势，平均每10 a减少0.81亿m3，径流量1960年代最大，1970年代最小，年径流量最大值56.30亿m3出现在2010年，最小值5.38亿m3出现在1980年[图2(a)]。

近58 a来，太子河流域面降水量表现出明显的“多、少”循环的年代际变化特征，面降水量在1980年代最大，1990年代最小，整体呈微弱减少趋势，气候倾向率为-5.64 mm·(10 a)-1[图2(b)]；年面潜在蒸散量也呈微弱减少趋势，平均每10 a减少3.67 mm，2010年代以前年代际阶段性下降特征明显，最低年代(2000年代)较最高年代(1960年代)减少5.26%[图2(c)]。

2.2 突变特征

从小林子水文站径流量累积距平的变化趋势[图3(a)]看出，径流量累积距平分别在1975、1984、1996、2009年前后表现出“增大-减小-增大-减小-增大”的变化趋势，趋势特征通过α=0.05的显著性检验，说明在1975、1984、1996、2009年前后小林子水文站径流量发生了4次明显突变。太子河流域面降水量累积距平的年际变化趋势特征与径流量类似，也在1975、1984、1996及2009年发生显著突变[图3(b)]。然而，面潜在蒸散量仅在1983年前后发生了由大到小的显著突变(通过α=0.05的显著性检验)[图3(c)]。综上可见，太子河流域径流量在1975年之后发生了多次显著突变，表明径流量受气候变化及人类活动的影响程度可能加大。

图2 1961—2018年太子河流域径流量(a)、面降水量(b) 及潜在蒸散量(c)变化特征及趋势Fig.2 The change characteristics and trends of runoff (a), areal precipitation (b) and potential evapotranspiration (c) in the Taizihe basin during 1961-2018

图3 1961—2018年太子河流域径流量(a)、面降水量(b)及潜在蒸散量(c)累积距平及突变年份Fig.3 The cumulative anomaly and mutation years of runoff (a), areal precipitation (b) and potential evapotranspiration (c) in the Taizihe basin during 1961-2018

2.3 径流量与气象要素的相关性

对太子河流域面平均降水量、潜在蒸散量与径流量的年时间序列做相关分析(表略)，发现年径流量与年面降水量呈极显著正相关，相关系数达0.897(通过α=0.001的显著性检验)，而与面潜在蒸散量、平均气温呈显著负相关，相关系数分别为-0.559(通过α=0.001的显著性检验)、-0.333(通过α=0.01的显著性检验)，表明径流量随着降水量增加、气温降低和潜在蒸散量减小而增大。

3 气候变化和人类活动对径流量变化的贡献

3.1 不同时期径流量、面降水量及潜在蒸散量的变化率

以太子河流域径流量发生显著突变的年份(1975、1984、1996和2009年)为界，将1961—2018年划分为5个时期：1961—1975年(A时期)、1976—1984年(B时期)、1985—1996年(C时期)、1997—2009年(D时期)和2010—2018年(E时期)，其中A时期定义为径流变化基准期，主要受气候尤其是降水变化的影响，而将B～E时期定义为径流变化期，径流量变化除了受降水量、蒸散量等气候因素影响外，可能还叠加了人类活动的影响。上述5个时期的累积径流量和面降水量、潜在蒸散量与年份之间的拟合关系如图4所示，自变量x为年份，因变量y分别为累积径流量、累积面降水量和累积面潜在蒸散量，各拟合公式的相关系数R都达0.98以上，通过α=0.05的显著性检验，表明线性方程的拟合程度非常高。

3.2 不同时期气候变化和人类活动对径流变化的贡献率

在上述5个时期内，太子河流域累积径流量的线性拟合斜率分别为25.97、13.88、22.82、16.84、19.47亿m3·a-1(表1)，累积面降水量的拟合斜率分别为763.01、676.80、751.54、695.11、710.40 mm·a-1，累积面潜在蒸散量的拟合斜率分别为987.71、982.93、972.80、964.27、989.87 mm·a-1(表2)。

图4 1961—2018年太子河流域累积径流量(a)、面降水量(b) 及潜在蒸散量(c)与年份的拟合关系Fig.4 The fitting relations between cumulative runoff (a), areal precipitation (b) and potential evapotranspiration (c) and year in the Taizihe basin during 1961-2018

表1 太子河流域不同时期累积径流量的拟合斜率及其变化率Tab.1 The slopes of fitting equations of cumulative runoff in different periods and their change rates in the Taizihe basin

表2 太子河流域不同时期累积面降水量、潜在蒸散量的拟合斜率及其变化率Tab.2 The slopes of fitting equations of cumulative areal precipitation and potential evapotranspiration in different periods and their change rates in the Taizihe basin

与基准期A相比，B时期累积径流量的线性拟合斜率减小12.09亿m3·a-1，减小率为46.55%；累积面降水量的拟合斜率减小86.21 mm·a-1，减小率为11.30%，累积面潜在蒸散量的拟合斜率减小4.78 mm·a-1，减小率为0.48%。将斜率的变化率带入公式(4)、(5)、(6)，得到相对于基准期，B时期气候变化对径流量减少的贡献率为23.24%，其中降水减少的贡献率为24.27%，潜在蒸散量减少的贡献率为-1.03%，而人类活动的贡献率为76.76%(表3)。

表3 太子河流域径流变化期气候 变化与人类活动的贡献率Tab.3 The contribution rates of climate change and human activities to runoff change in change periods compared with the base period in the Taizihe basin 单位：%

与基准期A相比，C时期累积径流量的线性拟合斜率减小3.15亿m3·a-1，减小率为12.13%，而累积面降水量、潜在蒸散量的拟合斜率分别减小11.47、14.91 mm·a-1，对应减小率为1.50%、1.51%。经计算发现，C时期气候变化对太子河流域径流量变化的贡献率为-0.08%，其中降水的贡献率为12.37%，潜在蒸散量的贡献率为-12.45%，人类活动的贡献率为100.08%。相对于B时期，C时期人类活动对基准期径流量变化的影响有所增强，增强约30.38%。另外，与B时期相比，C时期累积径流量的线性拟合斜率增大8.94亿m3·a-1，增大率为64.41%；累积面降水量的拟合斜率增大74.74 mm·a-1，增大率为11.04%，而累积面潜在蒸散量的拟合斜率减小10.13 mm·a-1，减小率为1.03%。经计算可知，相对于B时期，C时期气候变化对径流量变化的贡献率为18.74%，其中降水的贡献率为17.14%，潜在蒸散量的贡献率为1.60%，而人类活动的贡献率为81.26%。

相较于基准期，D时期累积径流量的线性拟合斜率减小9.13亿m3·a-1，减小率为35.16%，而累积面降水量、潜在蒸散量的拟合斜率分别减小67.90、23.44 mm·a-1，对应减小率为8.90%、2.37%。经计算可知，D时期气候变化对径流量减少的贡献率为18.57%，其中降水减少的贡献率为25.31%，潜在蒸散量减少的贡献率为-6.74%，人类活动的贡献率为81.43%。相对于B时期，D时期人类活动对基准期径流量变化的影响约增强6.08%，而气候变化的影响相对减弱，约减少20.09%。相对于C时期，D时期人类活动对基准期径流量变化的影响有所减弱，约减少18.63%，而气候变化的影响相对增强。另外，与上一时期(C)相比，D时期累积径流量的拟合斜率减小26.20%，累积面降水量、潜在蒸散量的拟合斜率分别减小7.51%、0.88%，气候变化对径流量变化的贡献率为25.29%，其中降水的贡献率为28.65%，潜在蒸散量的贡献率为-3.36%，而人类活动的贡献率为74.71%。

与基准期相比，E时期累积径流量的线性拟合斜率减小6.50亿m3·a-1，减小率为25.03%，累积面降水量的拟合斜率减小6.90%，而累积面潜在蒸散量的拟合斜率增大0.22%，气候变化对径流量减少的贡献率为28.45%，其中降水减少的贡献率为27.57%，潜在蒸散量增加的贡献率为0.88%，而人类活动的贡献率为71.55%，径流量的变化仍主要受人类活动的影响。另外，与前一时期(D)相比，E时期累积径流量的拟合斜率增大15.62%，累积面降水量、潜在蒸散量的拟合斜率分别增大2.20%、2.65%，E时期气候变化对径流量增加的贡献率为-2.88%，其中降水增加的贡献率为14.08%，潜在蒸散量增加的贡献率为-16.96%，而人类活动的贡献率为102.88%。

综上所述，人类活动是引发太子河流域径流量变化的主要影响因子，影响程度在70%以上。人类活动主要通过改变下垫面条件直接或间接地影响径流过程和径流量。一方面太子河流域内人口数量增加及城市建设、道路交通等经济活动增强导致用水量增多，从而影响了河流径流量；另一方面，流域内修建了葠窝水库、汤河水库、观音阁水库等大中型水利枢纽工程，通过调节径流过程而改变了下渗量和汇流时间。相对于基准期而言，20世纪80年代中期至21世纪00年代末期人类活动的影响偏强，对径流量变化的贡献率在80%以上；进入2010年以后，人类活动的影响程度有所减弱，气候变化影响呈增强态势，但人类活动的影响程度仍高于气候因子。

4 结 论

(1)1961—2018年，太子河流域小林子水文站径流量与流域面平均降水量、潜在蒸散量均表现出不显著的减少趋势；径流量与面降水量、潜在蒸散量之间存在显著的线性相关关系，径流量随着降水量的增多、潜在蒸散量的减少而增大。

(2)近58 a来，太子河流域径流量和面降水量分别在1975、1984、1996、2009年发生4次显著突变，而面潜在蒸散量则在1983年发生显著突变。以径流量的突变年份为界，将研究时段划分为5个不同时期，分别建立累积径流量、面降水量及潜在蒸散量与年份之间的线性拟合关系式，相关系数均在0.98以上。

(3)相较于基准期，4个变化期的气候因子对径流量变化的贡献率分别为23.24%、-0.08%、18.57%、28.45%，而人类活动的贡献率分别为76.76%、100.08%、81.43%及71.55%。可见，人类活动是太子河流域径流量减少的主要影响因素，影响程度约是气候因素的2～4倍。

由于水文资料受限，对太子河流域径流量变化分析只选取了1个水文站作为样本进行探讨，其结果具有一定的局限性，在今后的研究中可选取上、中、下游不同河段的水文站开展研究，以提高可信度。此外，除累积量斜率变化率比较法外，双累积曲线法[31]和水文模型法[32]也广泛应用于径流量变化的成因分析，在后续工作中可结合以上两种方法开展对比分析，多方法验证识别，综合估算气候变化和人类活动对太子河流域径流量变化的贡献。