气候变化和人类活动对黄河上游径流变化的差异性影响

李 芳，曾 彪，李勋贵，沈艳琦

(1.兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000；2.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004)

人类活动通过改变下垫面土地利用、覆被状况以及取用水量，对流域产汇流及水文循环过程产生影响，进而影响径流变化[1]。水利工程对径流的调蓄和重新调配，改变了河川径流的时空分布。同时全球变暖等气候变化问题可对水资源产生重大影响，气象要素如温度、降雨的时空分布及强度变化导致洪旱灾害发生的频率和强度增加，亦可引起河川径流的变化[2-3]。定量区分气候变化和人类活动对径流变化的差异性影响，揭示引起的径流变化的不同机理具有重要的理论价值和现实意义[3-5]。

近年来，国内外学者对黄河上游径流特性的分析逐渐增加，对径流趋势的研究表明，黄河上游流域径流在长时间序列上呈递减趋势[6-8]。不同学者用不同的方法对径流变化影响因素进行了研究，如苏贤保[9]运用径流复杂度研究了黄河源区至兰州段径流变化的影响因素，表明气候变化是影响变异期黄河上游源区水文系统复杂度变化的主要因素，人类活动是影响变异期贵德站至兰州站水文系统复杂度变化的主要因素。党星海等[10]运用累积斜率变化率方法对黄河源区径流变化影响因素进行了研究，表明人类活动已经成为引起黄河源区径流量下降的主要影响因素。李万志等[11]运用累积斜率变化率的方法对黄河源区径流变化影响因素进行了研究，结果表明人类活动为1990—2008年径流变化的主导因素，而气候变化是2009—2015年径流变化的主导因素。周群[12]运用累积斜率变化率方法对黄河源区径流变化的影响因素进行了研究，表明1990年前径流主要受气候因素的影响，1990年后主要受人类活动的影响。周帅[13]采用5种衍生的具有代表性的Budyko公式对黄河源区径流变化影响因素进行了研究，表明人类活动是导致径流量改变的主要因素。王亚迪[7]结合SCRAQ和Budyko公式2种方法对黄河源区径流变化影响因素进行了研究，表明人类活动是导致径流减少的主导因素，气候变化是改变径流的重要因素。陈磊[14]运用Variable Infiltration Capacity(VIC)模型对黄河上游径流变化的影响因素进行了研究，表明气候变化和人类活动对径流的影响存在地域差别，黄河源区人类活动因素对径流改变贡献较低，其余各区域人类活动是径流量变化主要因素。一些学者利用SWAT( Soil and Water Assessment Tool)模型来研究黄河流域径流变化的归因，李二辉[15]对黄河中游皇甫川流域进行研究，研究表明人类活动依然是黄河中游皇甫川流域水沙减少的主要因素。姬广兴[16]对黄河流域进行研究，研究表明人类活动是导致黄河流域径流减少最主要的影响因素。

传统对黄河径流变化的影响研究多是基于唐乃亥水文站控制的源区区域，且即使是同一方法，同一研究区的研究结果也有较大差异。黄河上游源区至兰州段作为黄河流域主要产水区，径流的变化对全流域径流贡献起到举足轻重的作用。唐乃亥水文站以上的区域，处于青藏高原半湿润地区，而唐乃亥至兰州段处于青藏高原区向黄土高原区过渡带，属于半干旱地区。气候变化和人类活动对径流的影响会因地理位置、气候、年代、时间尺度不同，贡献率发生很大变化[17-18]，从源区向下逐渐增加。故气候变化和人类活动对不同区域的径流变化影响不相同，存在差异性，但其驱动机制仍不清楚。开展此项研究，可为黄河上游水资源管理、生态环境保护与高质量发展提供决策依据与科学指导。

1 研究区、数据和方法

1.1 研究区概况

黄河发源于青海省境内巴颜喀拉山脉北麓的约古宗列盆地，是中国第二长河，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东9个省级行政区，最终注入渤海，全长5 465 km，流域面积75.2万km2。黄河上游指内蒙古自治区托克托县河口镇以上区域，分为上段和下段，上段由河源至甘肃省兰州市，下段由兰州市至内蒙古托克托县河口镇。本研究以黄河上游上段为研究区，介于95°52′27.23″E～103°50′08.60″E和32°09′14.36″N～38°20′52.10″N，干流全长2 119 km，流域面积222 551 km2[19]，占黄河上游和黄河流域总面积的60.6%和29.7%，兰州水文站多年平均径流量为327.4亿m3，占黄河入海水量的71%以上[20]。该区域多年平均气温2.68 ℃，自西北向东南呈递增趋势。区域多年平均降水量446 mm，降水自东南向西北呈递减趋势[21]。区域河流阶地众多，河流比降大，水力资源丰富，自上而下分布有龙羊峡、李家峡、刘家峡等水库水电站。位置见图1。

图1 黄河兰州段地理位置

1.2 数据

本研究选取了5个水文站(图1中玛曲、唐乃亥、贵德、循化和兰州站)，水文站径流数据为1966—1985年的天然月平均实测径流数据和1966—2015年实测月平均径流数据。1967—1987、2009—2015年径流数据摘自中华人民共和国水文年鉴《黄河流域水文资料》第一册黄河上游区上段(黑山峡以上)，其他数据来源于黄河水利委员会。气象数据包括研究区1960—2017年38个站点的降水、气温、相对湿度、风速、日照等逐日观测数据，这些数据来自国家气象信息中心。数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)数据来源于地理空间数据云( http: //www.gscloud.cn/)的STMDEMUTM 500 m数字高程数据产品。

土地利用数据为1990、1995、2005、2015年的中国土地利用遥感监测数据，分辨率为90 m，来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)。土壤数据采用世界土壤数据库(HWSD V1.1)数据，分辨率为500 m，来源于寒区旱区科学数据中心(http://estdc.Westgis.ac.cn /)。SWAT模型会根据DEM数据将土地利用数据和土壤数据重分类为统一的分辨率。

1.3 研究方法

1.3.1SWAT模型的建立、校准与验证

基于SWAT分布式水文模型，对研究区1964—2015年不同水文站月水文过程进行定量分析，量化气候变化和人类活动对黄河上游兰州段径流变化的影响。

根据收集的土壤数据、气象数据分别建立土壤数据库、气象数据库，并根据研究区DEM生成流域河网水系、划分符合模型要求的子流域，再利用土地利用数据、土壤数据划分水文响应单元(hydrologic research units，HRUs)，进而构建研究区的SWAT模型参数。SWAT模型参数基于序列不确定性拟合算法(sequential uncertainty fitting algorithm，SUFI-2)在SWAT-CUP中进行校准和验证。选取研究区5个主要水文站点的天然月径流数据用于模型的校准与验证，并选用Nash-Suttcliffe效率系数(NSE)和决定系数R2来评价模拟值与实测值的拟合度[22-23]。NSE取值范围为(-∞,1)，其值越接近1，反映模拟结果越接近实际观测值。R2表示模拟值与实测值的吻合程度，取值范围为(0，1)，R2越接近1，表明模拟结果与实测结果越吻合。误差值反映了模拟径流与水文站实测径流值在数值上的偏离程度，相对误差越接近0，则数据越准确。

地形和积雪/融雪是黄河源区高山地区水文模拟中2个重要的因素。为了缓解地形对气温和降水引起的波动变化，对SWAT模型的流域设置取为10个高程带，各个高程带的降水和气温通过降水梯度和气温梯度计算得到。SWAT模型基于不同的日平均气温自动将降水划分为降雨、冻雨和冻雪3种不同的形式。临界温度作为划分依据，其值的大小参考研究区的实际状况来设定。当日平均气温低于临界温度时，降水会变成降雪，雪水量应增加到积雪上。针对积雪和融雪的过程，SWAT模型通过各自对应的能量平衡函数模拟估算。

1.3.2基于水文模型的分离环境变量法

根据黄河上游兰州段流域各水文站年径流时间序列，进行突变点检验，根据研究区内人类活动对自然环境的影响程度，一般将径流序列依据突变点划分为“基准期”和“影响期”。造成影响期与基准期实测径流差值的主要因素包括人类活动和气候变化[4,24]；基准期实测径流序列认为不受人类活动和气候变化影响，影响期实测径流序列则是两者共同作用的结果，而利用基准期径流数据率定的SWAT模型模拟的影响期水文序列所得径流可认为不受人类活动影响；参照环境变量分离方法，气候变化影响的计算采用影响期模拟径流和基准期实测径流计算差值所得，人类活动影响取为影响期模拟径流与同期实测径流的差值，见式(1)—(5)：

ΔR=R1-R0=ΔRc+ΔRh

(1)

ΔRc=R-R0

(2)

ΔRh=R1-R

(3)

(4)

(5)

式中 ΔR——径流总变化，m3/s;R1——影响期实测径流，m3/s;R0——基准期实测径流，m3/s；R——影响期模拟径流，m3/s；ΔRc——气候变化对径流的影响值，m3/s；ΔRh——人类活动对径流的影响值，m3/s;ηc、ηh——气候变化、人类活动对径流变化的贡献率。

2 结果与讨论

2.1 年径流突变点检测

河流水文过程是降水在自然条件和人类活动综合作用下的流域响应。当流域发生明显人类活动后，河流水文的自然过程受到破坏，相应发生趋势性变化或跳跃性突变。采用Mann-Kendall(M-K)突变检测方法[6,12]对区域5个水文站1960—2015年的实测年径流进行突变检验，结果见图2。基于图中UF、UB位于0.05显著性水平临界线±1.96内的交点，可得到各站突变年份。

a)玛曲站

e)兰州站

从图2中可以看出，黄河上游兰州段各站的突变年份有细微差异，玛曲站突变年份为1990年，唐乃亥和贵德站径流序列发生了2次突变，突变年份为1987、1989年，循化和兰州站的突变年份为1985年。综合检验结果和黄河上游流域实际情况，确定1985年为黄河上游兰州段流域径流变异的时间点，检测1985年为突变点与其他学者的研究结果一致[25]。

2.2 水文序列演变规律

2.2.1降水演变规律分析

表1为研究区4个水文站1960—2015年降水线性趋势和M-K趋势检验结果。除了唐乃亥站降水显著增加外，其他3个站降水变化趋势不显著。

表1 研究区各站点降水变化趋势检验结果

2.2.2气温演化规律

根据M-K趋势检验和线性趋势(表2)可知，黄河上游在研究年限范围内气温呈显著上升趋势，这种增加趋势通过了0.05显著性水平检验(U0.05=±1.96),甚至通过了0.001显著性水平检验(U0.001=±2.56)。研究结果与王亚迪[7]一致，与全球气候变暖趋势相符合[4-5]。

表2 研究区各站点气温变化趋势检验结果

2.2.3径流演化规律

根据M-K趋势检验和线性趋势(表3、4)，5个水文站实测径流呈下降趋势，其中源区径流变化不显著，贵德站、循化站和兰州站的径流显著下降。同时，各水文站站的下降速率各不相同，兰州站径流减少速率最大，每年约减少4.67 m3/s，玛曲站径流量减少率最小(1.56 m3/s)。根据表4可知，突变点前的多年平均径流较突变点后高，其中玛曲和唐乃亥突变点前后径流变化量较下段的贵德、循化和兰州小，径流变化最大的是兰州站，突变后的径流较突变前减少204.53 m3/s。研究区下段在突变点后径流显著减少，突变时间与1986年修建的龙羊峡水电站时间一致。

表3 研究区各站点径流变化趋势检验结果

表4 突变前后各站点径流变化趋势检验结果 单位：m3/s

根据图3可以看到5个水文站的径流变化过程线，玛曲和唐乃亥变化趋势较一致，在1990年后径流有减少的趋势，这也与突变检验结果吻合。贵德、循化和唐乃亥在1985年有径流明显下降的趋势，结果也与突变检验吻合。

a)玛曲站

2.3 模型参数率定及天然径流过程模拟

2.3.1参数敏感性分析

由流域DEM生成河网，并根据实地调研结果对生成的河网进行校正，将流域划分27个子流域，在此基础上，设置土地利用类型阈值、土壤类型阈值、坡度阈值均为15%，将27个子流域进一步划分为137个水文响应单元(HRUs)。基于SWAT-CUP软件Sensibility analysis模块在该研究区域进行参数敏感性分析，利用拉丁超立方抽样法对参数进行多元回归系统计算，选择19个参数参与模型率定，其中t-stat值代表了敏感性的程度，绝对值越大越敏感；p值决定了敏感性的显著性，p值越接近0越显著。设置2年预热期，为1964—1965年，率定期为1966—1975年，验证期为1976—1985年。选择玛曲、唐乃亥、贵德、循化、兰州站5个子流域出口站点进行水量平衡和径流校准。经过多次调试，得到参数校准值和敏感性见表5。

表5 黄河上游流域参数敏感性分析结果及初始值

2.3.2天然径流过程模拟

利用径流突变年份之前的资料系列进行模型参数率定(1966—1975年)和模型验证(1976—1985年)，结果见图4。表6给出了玛曲、唐乃亥、贵德、循化和兰州站年天然径流模拟结果。

表6 黄河上游流域年径流量模拟效果

a)玛曲站

若R2和NSE的值大于0.50，则表示是模型可接受的程度，若值大于0.70则表示该模型是一个很好的径流预测模型[26-28]。表6给出了研究区5个水文站的3个评价指标(纳什效率系数NSE、决定性系数R2、相对偏差RBIAS)的综合评价结果。可以看出，模拟精度较高，且对于唐乃亥站的模拟精度高于其他学者的研究[7,10]。校准后的SWAT模型达到了精度要求，认为模型在黄河上游流域有很好的适用性，可以在此基础上进行下一步研究。

2.3.2.1不同空间尺度的差异性

对于玛曲水文站控制的源区，与基准期(1966—1985年)相比，1986—2015年气候变化是径流变化的主导因素，气候变化对径流减少的贡献率为85.30%(表7)。对于研究区中下段地区(唐乃亥、贵德、循化和兰州站)，与基准期相比，1986—2015年气候变化和人类活动对径流的影响在各时段均呈负向影响，唐乃亥、贵德、循化和兰州站人类活动对径流减少的贡献率分别为56.41%、59.45%、67.01%和58.28%，气候变化对径流减少的贡献率分别为43.59%、40.55%、32.99%和41.72%，人类活动对径流减少的贡献较大,贡献率大于56%，研究结果与其他学者一致[7]。从源区沿干流到兰州站所在区域，人类活动对径流的影响呈现逐渐增加趋势，由源区12.87 m3/s的径流减少量增加到兰州站的153.48 m3/s。人类活动对流域中下游地区径流的影响大于源区，是径流变化的主导因素。

表7 气候变化和人类活动对黄河上游各水文站径流变化的贡献

贵德站至兰州站之间峡谷众多，分布有大型梯级水库群，水库群每年的补水量在20亿～80亿m3[21]，而兰州以上区域2015年人类活动总用水量仅27.95亿m3[9]。

2.3.2.2不同时间尺度的差异性

对于玛曲站控制的源区，1986—2015年径流呈现减少趋势，气候变化是径流减少的主导因素，呈现出先减少后增加的趋势，其对径流变化的贡献率分别为98.67%(1986—1995年)、77.99%(1996—2005年)和82.12%(2006—2015年)。对于源区唐乃亥站，在1986—1995年和1996—2005年2个时期，气候变化是径流减少的主导因素，其贡献率分别为52.01%和50.47%。而人类活动是2006—2015年径流减少的主导因素，其贡献率达到81.83%。此结果与周群[12]的结果相似，周群[12]运用累积斜率变化率方法对黄河源区径流变化的影响因素进行了研究，表明1990年前径流主要受气候因素的影响，1990年后主要受人类活动的影响。

对于下段地区贵德和兰州站,在1986—1995年，气候变化是径流减少的主导因素，其贡献率分别为56.53%和50.21%。在1996—2005、2006—2015年2个时期，人类活动均为径流减少的主导因素，贵德站的人类活动对径流变化的贡献率分别为59.99%和73.38%，兰州站的为60.10%和66.67%。而对于循化站，人类活动为各时期(1986—1995、1996—2005、2006—2015年)径流减少的主要影响因素，其贡献率呈现出增加的趋势，分别为60.74%(1986—1995年)、63.06%(1996—2005年)和90.06%(2006—2015年)。

源区因人类活动较少，径流变化的主导因素为气候变化。对于中下段地区的贵德、循化和兰州站，在1986年后径流发生了较大变化，贵德站1986年实测径流出现的突变与龙羊峡水库的建设有关。龙羊峡水库自1986年10月开始蓄水后开始对贵德站实测径流产生很大影响。循化站位于贵德站下游，其径流在1986年也发生了突变，虽受到了李家峡、拉西瓦和公伯峡水电站陆续建设的影响，但主要与多年调节水库——龙羊峡水库的运行调度有关[29]。兰州站作为区域把口站，除受到该站以上7个大型水库群和支流的影响[30]之外，也与龙羊峡水库的运行调度密不可分(在1986年实测径流也发生了突变)，且兰州站以上区域城市化加剧，人口日趋增多，工农业生活用水量增加，导致径流变化在整个研究区最大。

总体来说，源区的气候变化是影响径流变化的主导因素，但人类活动对径流变化的影响呈现逐渐增加趋势。人类活动对流域中下段径流的影响大于源区，成为影响径流变化的主导因素，且随着时间的推移，人类活动对径流变化的影响强度在增大。研究结果与其他学者一致，如陈磊[14]用VIC模型对黄河上游径流变化的影响因素进行了研究，表明气候变化和人类活动对径流的影响存在地域差别，黄河源区人类活动因素对径流改变贡献较低，其余各区域人类活动是径流量变化的主要因素。

3 结论

本研究采用统计方法分析了降水、温度和径流的变化规律，利用SWAT模型定量分析了气候变化和人类活动对不同水文站径流变化的空间和时间差异性，主要结论如下。

1960—2015年源区径流变化不显著，唐兰段径流下降趋势显著，研究区下游的径流下降趋势明显于上游。气候变化是源区1986—2015年径流减少的主导因素，气候变化对径流变化的贡献率达到85.30%。研究区中段地区的气候变化为1986—2005年径流变化的主导因素，而人类活动为2006—2015年径流变化的主导因素。研究区下段地区的气候变化是1986—1995年径流减少的主导因素。在1996—2015年，人类活动是径流减少的主导因素。但是对于下段循化站，人类活动是使1986—2015年径流减少的主要影响因素。区域的径流变化具有明显的空间和时间差异性。

1986年后区域逐渐增强的人类活动是导致区域径流变化呈现时空特征差异性的主要原因。工农业和城市群快速发展以及水电站陆续修建，导致了由基准期的“气候控制”向“气候变化和人类活动共同控制”再向“人类活动主导”的驱动特征转变。