气候变化和人类活动对西拉木伦河径流的影响

韩聪慧，席小康，朱永华

气候变化和人类活动对西拉木伦河径流的影响

韩聪慧1，席小康2*，朱永华3

（1.赤峰市水文勘测局，内蒙古 赤峰 024000；2.陕西省水文水资源勘测中心，西安 710068；3.延安大学 建筑工程学院，陕西 延安 716000）

【】定量识别气候变化和人类活动对西拉木伦河流域径流变化的影响程度。以西拉木伦河流域为研究对象，基于该流域1958―2015年气象水文资料，采用皮尔逊相关分析、逐步多元回归分析、双累积曲线、累积距平、SCRCQ方法，揭示引起流域径流变化的主导因素，量化气候变化与人类活动对流域径流的影响程度。年径流的变化最主要受到夏季降水的影响，其次是夏季平均气温。T1（1972―1981年）、T2（1982―1997年）、T3（1998―2015年）阶段降水对径流变化的影响程度分别为0.26%、17.51%、26.13%；人类活动对径流变化的影响程度分别为99.74%、82.49%、73.88%；各阶段径流的变化主要是由人类活动导致，但随着时间推移，降水对径流的影响作用增强，人类活动减弱。

西拉木伦河；流域；气候变化；人类活动；径流

0 引言

【研究意义】气候变化和人类活动对径流的影响复杂，定量研究特殊气候环境下西拉木伦河流域径流对气候变化和人类活动的响应程度，可为该流域水资源合理开发利用、地区农业经济发展、水资源保护、生态环境恢复提供科学依据。【研究进展】气候变化和人类活动对径流影响的贡献率因地而异，对径流的影响主要表现为3种形式。第1种，气候变化是影响径流变化的主要因素，而人类活动对径流的影响较小，例如：Lahmer等[1]对湿润地区的径流量变化的研究；Ma等[2]认为气候变化对西北干旱地区石羊河流域年径流变化起到64%的作用。第2种，人类活动对径流变化的贡献率大于气候变化，例如，Raymond等[3]对密西西比河的研究表明，影响径流变化的主导因素是人类活动；Wang等[4]对海河流域的研究表明，人类活动对径流的贡献率大于50%。第3种，不同时期不同区域影响径流变化的主导因素不同。如Zhang等[5]对中国九大流域研究表明，湿润地区径流量和降雨量具有较为稳定的关系，而在干旱和半干旱地区径流量和降水量之间不具有稳定的关系，此外，北方海河、黄河和松辽流域径流量下降主要是因为用水量的增加，而内流河流域径流量减少则主要是因为用水量和潜在蒸发量的增加；李新等[6]认为人类活动的作用使得塔里木河流域的径流变化规律复杂化。

目前大多数研究将气候变化和人类活动对径流的影响作为单独因素进行分析，主要采用水文模型法和数理统计法针对气候变化和人类活动对径流的影响进行研究。到目前为止，经验统计法及弹性系数法被广泛应用于气候变化和人类活动对径流影响的定量研究[7]。WER-L、AVSWAT、SWAT、SIMHYD、VIC、MIKESHE等一系列分布式或半分布式水文模型在气候变化与人类活动对径流的影响研究中得到广泛应用，研究成果表明，气候变化与人类活动是影响径流变化的主要因素，但年尺度与季节尺度主要影响因素不同[8-11]。相比于水文模型，数理计算法、线性分析法、神经网络法、基于弹性分析、累积曲线等方法更为简单直白。侯钦磊等[12]采用降水与径流双累积曲线法对渭河流域近1960—2009年的径流研究发现，径流变化受人类活动和气候变化的共同影响，但人类活动对径流减少的贡献大于降水，杨倩等[13]采用7种基于Budyko理论的弹性系数法定量分析了汉江上游气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。

【切入点】人类活动与气候变化对流域产汇流及水文循环过程的干扰加剧，对水资源量产生重大影响[14]。气候变化通过降水和蒸发等水文过程直接影响着径流变化，而人类活动主要是通过改变流域下垫面情况，进而影响流域产汇流过程，从而导致径流变化，影响水资源配置[15-17]，定量解析气候变化和人类活动对西拉木伦河径流的影响鲜见报道。【拟解决的关键问题】采用多元线性回归法识别影响年径流变化的主要气象因子，通过双累计曲线法与累计距平法对径流变化阶段进行划分，并采用SCRCQ法定量分析各阶段气候变化和人类活动对径流变化的影响程度。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

西拉木伦河（图1）是西辽河的最大支流，全长约397 km，全流域面积32 539.13 km2，发源于克什克腾旗白岔山，流域地形地貌条件较为复杂，上游主要地貌为高原平原、洼地和山前丘陵，中下游为西辽河平原，海拔在300 m以下，地貌类型以固定沙丘与半固定沙丘为主。台河口水文站位于西拉木伦河下游，1954年建站，控制流域面积为28 951 km2，多年平均径流量为6.04×108m3，径流深为21 mm，流域径流年内分布不均，径流量主要集中在夏季，流域主要水利工程有海日苏、台河口等大中型水利工程。

图1 研究区位置

西拉木伦河流域气候属于温带半湿润气候，冬季漫长，春季干旱多风，夏季少雨干旱，蒸发量远远大于水分补给量，水土流失与草地荒漠化较为严重，流域多年平均气温5.41 ℃，7月气温最高，1月气温最低。年均降水量为359.97 mm，全年降水量主要集中在6—9月，占全年降水量的89%，其他月份仅占10%左右。其中，7月最多占全年降水量的31%，1月降水占全年比重最小，仅0.35%。地表水和地下水主要受大气降水的补给。积雪期120～150 d，最大积雪深度10～40 cm，积雪是冬季放牧的供水来源，年均风速为3.4～4.5 m/s之间。

1.2 数据来源

从中国气象数据共享网获取了西拉木伦河流域内及其周边共6个站1958—2015年日值气温和降水资料（图1），径流数据为台河口水文站1958—2015年实测径流数据。台河口水文站位于西拉木伦河流域下游，其坐标为43.38° N，120.43° E。

1.3 研究方法

采用皮尔逊相关分析、逐步多元回归分析识别影响径流变化的环境因子，揭示引起流域径流变化的主导因素。采用SCRAQ法量化气候变化与人类活动对流域径流的影响程度。SCRAQ[18]是在通过双累积曲线识别径流开始突变年份的基础上，将径流时间序列划分为人类活动微弱时期（基准期）和人类活动时期；通过绘制不同时期以时间为自变量，径流、降水、蒸发等的累积量为因变量的累积曲线图，确定各时间段径流量、降水量、蒸发量的斜率，并计算同一因子不同时期的斜率变化率，从而确定气候变化和人类活动对径流的影响率。假设在突变年份前后累积径流线性曲线的斜率分别为S1和S2；累积降水线性曲线的斜率分别为S1和S2，则降水对径流量变化的贡献率C计算式[19]为：

若不考虑蒸发对径流变化的影响，则在求得上述气候因子的贡献率后，根据水量平衡原理，人类活动对径流变化的贡献程度C可表示为：

C=100-C。 （2）

2 结果与分析

2.1 气象因素对径流的影响

2.1.1 径流与气象因子变化特征

通过5 a滑动平均和线性回归分析法对1958—2015年径流量、年降水量、年均气温分析可知（图2—图4），1958—1983年径流量呈降趋势，1983—1995年年径流量处于有增有减的波动变化趋势中，从1995—2015年径流呈明显地减少趋势。从1958—2015年时间序列来看，年径流量呈下降趋势，减少率为4 mm/10 a，即每10 a减少4 mm左右，经Daniel检验，=-0.593，=0＜0.01，西拉木伦河流域年径流量呈极显著下降趋势。

年降水量呈下降趋势，减少率为8.24 mm/10 a，经Daniel检验，=-0.173，=0.193>0.05，西拉木伦河流域年降水量呈下降趋势，但不明显。

年均气温呈上升趋势，上升率为0.32 ℃/10 a，经Daniel检验，=0.69，=0＜0.01西拉木伦河流域年均气温呈极显著上升趋势。

图2 年径流变化趋势

图3 年降水量变化趋势

图4 年均气温变化趋势

2.1.2 影响径流变化的主要气象因素

表1列出了西拉木伦河流域1958―2015年径流量与年降水量、四季降水量、年均气温、四季平均气温等10个变量的相关系数。年径流量与年降水量、夏季降水量存在极显著正相关关系（＜0.01），而与春季、秋季、冬季降水量不存显著相关关系（＞0.05）。与年均气温、夏季平均气温存在极显著负相关关系（＜0.01），与秋季平均气温存在显著负相关关系（＜0.05），与春季平均气温、冬季平均气温不存在显著相关关系（＞0.05）。这表明年降水量、夏季降水量、年均气温、夏季平均气温、秋季平均气温是影响年径流量的主要因素，其中年降水量与夏季降水量偏多则年径流量偏多，而年平均气温、夏季平均气温、秋季平均气温越高则年径流量越小。

年径流量的变化受不同时间尺度降水、气温的共同影响，为了识别影响年径流量的主导气象因子，进一步采用多元逐步线性回归的方法对年径流量与各时间尺度降水、气温因素进行分析。根据表2年径流量与气象因子的逐步线性回归结果可知，夏季降水量与夏季平均气温分别作为第一因子和第二因子被引入回归模型，并且通过0.05显著性水平检验，模型一自变量夏季降水量解释了61%的年径流量变化，模型二自变量夏季降水量与夏季平均气温累积解释65.4%的年径流变化。这表明，西拉木伦河年径流的变化最主要受到流域夏季降水的影响，其次是夏季平均气温。降水的变化主要导致流域产流量的变化，从而影响径流量，降水量越大产流量越大，径流量也就越高，反之亦然。气温升高植被蒸散发和土壤蒸发作用加剧，蒸散发增加从而使得流域径流量明显减少。

表1 年径流量与气象因子的相关分析

注 *表示显著相关（＜0.05），**表示极显著相关（＜0.01）。

表2 年径流量与气象因子的逐步线性回归结果

2.2 气候变化和人类活动对径流量影响的定量解析

2.2.1 研究阶段的划分

图5为西拉木伦河流域降水-径流的双累积曲线。由图5可知，西拉木伦河流域从1971年以后降水-径流双累曲线发生了较为明显的偏移，偏移时间范围分别为1972—1981、1982—1997、1998—2015年，拐点年份分别为1972、1982、1998年。从各阶段线性拟合曲线来看，2均达到0.952以上（＜0.001）。在降水径流双累积曲线偏移的第一个时段（1958—1971）2达到0.987，相关程度极高，而在1971年以前西拉木伦河流域人类活动较弱，上游担负着海日苏草原灌区供水任务的海日苏水利工程于1978年完工，台河口水利枢纽于1991年建成，均在1972年以后，对1972年以前流域径流变化的影响较小，故而将1958—1971年作为流域径流主要受气候变化影响而受人类活动极弱的基准期，将1972—1981、1982—1997、1998—2015年3个时期作为受气候变化和人类活动共同作用时期。

图5 西拉木伦河流域降水-径流的双累积曲线

图6 西拉木伦河年径流序列累积距平曲线

从图6、图7径流与降水的累积距平曲线分析可知，西拉木河流域在整个时间序列的年径流与年降水各时间段变化趋势与拐点年份具有相似的变化趋势，1958—1971年径流与年降水虽有波动但呈增加趋势，1972—1981年下降，1982—1997年上升，1998—2015年下降。根据累积距平法划分的研究阶段与双累积曲线法一致，表明上述研究阶段划分方法与划分阶段具有可靠性。

图7 西拉木伦河年降水序列累积距平曲线

2.2.2 气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率

在气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率研究中，由于西拉木伦河流域缺乏持续长系列的蒸散量观测数据，所以本文在分析气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率时，在不考虑流域潜在蒸散量的情况下分析了降水量和人类活动对径流变化的贡献率。采用SCRCQ法将降水量和其他影响因素（主要是人类活动）对径流的影响总和定义为100%，降水量与人类活动对径流的影响程度等于其在时间序列上的累积斜率变化率与径流累积斜率变化率比值。

根据研究阶段的划分以及拐点年份的确定，在时间序列上对年流量与年降水量按1958—1971年（基准期）、1972—1981年（T1）、1982—1997年（T2）、1998—2015年（T3）4个阶段进行线性拟合如图8、图9所示。

图8 年份与累积径流量关系

图9 年份与累积降水量关系

由图8、图9可知，拟合曲线决定系数2均大于0.96（＜0.001），根据SCRCQ法相关要素获取依据，以1958—1971年为基准期，之后T1、T2、T3各时期变化量与变化率均以基准期为依据，小于0表示趋势减小，反之增加。各时期年份与径流量、降水量的斜率如表3所示。对于径流，基准期为28.19，T1为16.59，T2为29.16，T3为7.57；对于降水量，基准期为361.15，T1为360.77，T2为389.34，T3为317.09。与基准期相比，T1径流减少了41.15%、降水量几乎没有变化；T2径流增加了3.44%、降水量增加了7.81%；T3径流量减少了76.58%、降水量减少12.20%。

表3 各时段累积量变化量

根据径流量与降水量累积量斜率变化率定量估算降水量与人类活动影响在各阶段对径流变化的贡献率（表4）。T1、T2、T3阶段降水对径流变化的影响程度分别为0.26%、17.51%、26.13%。T1、T2、T3阶段人类活动对径流变化的影响程度为99.74%、82.49%、73.88%。T1阶段相对于基准期径流下降，而径流的减少主要是人类活动导致，该阶段建成了担负海日苏草原灌区供水任务的海日苏水利工程，气候变化影响较小。T2阶段相对于基准期径流上升主要是由于降水量的增加，加之大量环境保护措施的实施导致下垫面条件改善，径流量增加；T3阶段相对于基准期径流下降，降水量的减少作用增强，但人类活动仍然占主导作用，该时期社会经济发展迅速，城市大面积扩张，工业化进程加快，煤矿开发力度加大造成径流量的削减。综上所述，各阶段径流的变化主要是由人类活动导致，但随着时间推移，降水对径流的影响作用增强。

表4 各阶段气候变化和人类活动对径流的贡献率

3 讨论

前人对于干旱半干旱地区径流量变化的影响因素已做了大量研究，但对西拉木伦河流域相关研究未见报道，根据累积距平法与双累积曲线法认为拐点年份分别为1972、1982、1998年，这与王威娜等[20]对地理位置相近的锡林河流域研究认为降雨与径流关系在1998年出现突变的结论是一致的，区别在于本文进行了更为细致的降雨径流关系阶段划分，找出了1972、1982、1998年3个突变点，研究原因认为一是研究系列资料长度不一致，二是相似流域人类活动程度不同，西拉木伦河流域各阶段径流变化主要是由人类活动导致，这与焦玮等[21]关于锡林河流域径流减少的主要原因是人类活动导致是一致的。T1（1972—1981年）、T2（1982—1997年）、T3（1998—2015年）3个时期作为径流受气候变化和人类活动共同作用时期，T1阶段相对于基准期径流下降主要是人类活动导致，T2阶段相对于基准期径流上升主要以人类活动影响为主，降水量的增加为辅；T3阶段相对于基准期径流下降，虽受降水量的影响作用增强，但人类活动影响仍然占主导作用。虽然各阶段径流的变化主要是由人类活动导致，但随着时间推移，降水对径流的影响作用增强。目前，气候变化越来越成为研究热点，而区域气候变化对径流变化的机制分析，以及对未来气候变化趋势预测的研究更是研究的重点以及难点。一个地区径流变化的影响因子众多，影响过程复杂，仅仅通过简单分析，很难对一个区域的气候变化与径流特征及其未来变化趋势做出准确的判断。

4 结论

1）年降水量、夏季降水量、年平均气温、夏季平均气温、秋季平均气温是影响年径流量的主要因素。年径流的变化最主要受到流域夏季降水的影响，其次是夏季平均气温。

2）1958—1971年是径流主要受气候变化影响而受人类活动极弱时期，1972—1981、1982—1997、1998—2015年3个时期为受气候变化和人类活动共同作用时期。

3）相对于基准期（1958―1971年），T1（1972―1981年）、T2（1982―1997年）、T3（1998―2015年）阶段降水对径流变化的影响程度分别为0.26%、17.51%、26.13%，人类活动对径流变化的影响程度分别为99.74%、82.49%、73.88%。

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The Impacts of Climate Change and Anthropogenic Activities on the Runoff of Xilamulun River

HAN Conghui1, XI Xiaokang2*, ZHU Yonghua3

(1.Chifeng Hydrology Survey Bureau, Chifeng 024000, China;2. Shaanxi Hydrological and Water Resources Survey Center, Xi’an 710068, China;3.School of Civil Engineering and Architecture, Yan’an University, Yan’an 716000, China)

【】The average global temperature has risen by 0.74 ℃ over the last century, which has alerted the global hydrological cycle with extreme weather events occurring more frequently. This, together with anthropogenic activities, has affected the runoffs of most catchments and led to soil degradation and deterioration. Understanding the change in runoff of a river in response to climate change and anthropogenic activity is hence critical to mitigating their detrimental impacts. Taking Xilamulun River basin as an example, this paper is to identify the environmental factors underlying its runoff change.【】The analysis was based on meteorological and hydrological data measured from 1958 to 2015 across the basin. The factors that affected the runoff changes in the basin were calculated using Pearson correlation analysis, stepwise multiple regression, double cumulative curve, cumulative anomaly and SCRCQ method.【】Both runoff and precipitation in the basin had been in decline at decadal rates of 4 mm/10 a and 8.24 mm/10 a respectively, while the annual average temperature has been rising at an average decadal rate of 0.32 ℃/10 a. Annual average temperature, average summer temperature, average autumn temperature and annual runoff were all closely correlated. The annual runoff was affected by rainfall in summer the most, followed by the average temperature in summer. There was a correlation between precipitation and runoff after 1971, and the significance of the correlation endured reflection changes in 1972, 1982, and 1998, respectively. The contribution of the precipitation to runoff has been in decline and was 0.26%, 17.51% and 26.13%, respectively, in 1972—1981, 1982—1997, and 1998—2015, while during the same periods the associated contribution of human activities to the runoff changes was 99.74%, 82.49% and 73.88% respectively. 【】Anthropogenic activities affected the runoff change in Xilamulun river the most from 1985 to 2015, but its influence has been waning compared to that of climate change.

Xilamulun river basin; climate change; human activities; runoff

韩聪慧, 席小康, 朱永华. 气候变化和人类活动对西拉木伦河径流的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(9): 134-140.

HAN Conghui，XI Xiaokang，ZHU Yonghua. The Impacts of Climate Change and Anthropogenic Activities on the Runoff of Xilamulun River[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(9): 134-140.

P333

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020507

1672 – 3317（2021）09 - 0134 - 07

2020-09-11

延安大学校级博士研究启动项目（YDBK2017-19，YDBK2019-35，YDBK2019-36）

韩聪慧（1985-），女，内蒙古满洲里人。助理工程师，主要从事水文水资源工作。E-mail: 736407316@qq.com

席小康（1991-），男，陕西汉中人。工程师，硕士，主要从事水情预警预报工作。E-mail: 354925114@qq.com

责任编辑：陆红飞