人类活动对秦岭月河流域径流变化的影响分析

段雨佳，何 毅，赵 杰，吴 琼

(1.西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127；2.陕西省地表系统与环境承载力重点实验室，陕西 西安 710127）

河川径流作为水循环过程的核心环节和水资源的重要组成部分，从多方面推动着自然生态系统的发育与演化［1］，因此研究影响径流变化的主要驱动因素是全球水资源预测的关键，也是维持淡水资源可持续利用的基础［2］。近年来，在气候变化和人类活动的双重影响下，许多河川径流发生了较为明显的变化。研究流域径流变化的原因，从发生变异的水文要素中分离出两种因子的贡献量成为当前流域水文研究的热点和难点［3］。Mu 等［4］研究指出，剧烈的人类活动影响已导致黄河径流改变；Bao等［5］基于海河流域的研究发现，强烈的人类活动干扰会导致流域的下垫面特征剧烈变化，在一定程度上改变流域的产汇流过程；郭文献等［6］研究乌江流域发现，人类活动如修建水利工程等会对径流进行一定的调节，进而改变径流原有的时空分布；郭爱军等［7］对渭河流域的研究表明，在径流变化的各影响因子中，人类活动的作用处于主导地位，而气候变化的影响呈不明显的增加趋势。因此综合探究径流的变化特征并分析人类活动对径流的作用机制具有极其重要的意义。

目前，区分气候变化的自然过程和人类活动对径流影响的研究还在广泛的探索中［8］，最常用的几种区分气候变化和人类活动对径流影响的方法主要包括：基于Budyko 假设的弹性系数法［9］、水文模型法［10］、分项调查方法［11］以及配对流域分析法［12］等。弹性系数法虽然应用广泛，但其偏导部分计算方法多样，导致偏导值不一，因此计算结果会产生一定误差［13］；水文模型法参数较多，具有较强的物理机制，但建模及率定参数困难，不确定性强［14］；分项调查法的研究思路是根据水量平衡方程将流域内的各种水文参数计入到实测径流中，但该方法需要大量详实的用水数据及相应人类活动的影响定额，难以全面考虑所有人类活动对流域水文过程的扰动，不能保证还原结果的可靠性；配对流域分析法通过参考流域与试验流域的对比来分析人类活动对径流产生的影响，但这种方法成本较高，且只适用于小流域［15］。此外，王飞等［16］提出了确定相似气候前提的方法，即通过分析降雨和蒸发的数量和过程相似的不同时段间径流量和输沙量变化来定量区分气候变化和人类活动对黄河唐乃亥水文站以上的流域(黄河河源区)径流的影响，该方法能定量的区分气候变化和人类活动对河川径流的影响。秦巴山区地处我国南北过渡地带，是南水北调中线水源地，河川径流变化对气候变化敏感。因此，本研究以地处秦岭南坡的月河流域为研究区，基于水量平衡的基本原理，确定出相似气候年组，通过分析降雨和蒸发的数量和过程均相似的年组内径流量的变化，结合LUCC和NDVI的变化对气候变化和人类活动对径流的影响进行研究，以期定量分析人类活动对月河流域径流变化的影响程度。

1 数据来源及研究方法

1.1 研究区概况

月河发源于秦岭南麓凤凰山主峰铁瓦殿（图1），河长112.6 km，流域控制面积2826 km2，河道比降2.8‰，为长江支流汉江北岸的一级支流。月河北部为秦岭山区，中部为川道、丘陵区，南部为巴山区，中部地势最低。该流域多年平均气温为15.1 ℃，四季分明。受温带大陆性气候的影响，流域内降雨量的变化有较为明显的差异，多年平均降雨量在826.5～879.6 mm 之间，无霜期较长［17］。月河流域水系发达，河网密布，主要一级支流共41条，长枪铺水文站是月河流域把口水文站（图1）。

图1 月河流域区位及地形特征Fig.1 Location and topographic characteristics of Yue River Basin

1.2 数据来源

气象数据基于月河流域及其周边的镇安、旬阳、安康、石泉、宁陕、汉阴、紫阳共计7个气象站点，时间跨度为1960—2018年，来源于国家气象科学数据中心（http://www.cma.gov.cn/）。在此基础上本研究利用FAO56 Penman-Monteith 公式计算出潜在蒸发量，并运用反距离加权空间插值法对降雨量和潜在蒸发量进行插值分析，获取月河流域平均降雨量和平均潜在蒸发量。流域逐月径流量数据采用1960—2018 年长枪铺水文站的实测径流资料。土地利用/土地覆盖(LUC)数据来源于中国区30 m分辨率土地利用分类数据——Landsat 衍生的年度土地覆盖产品（CLCD）［18］，LUC 分为草地、耕地、灌木、不透水面、林地、水体6 种。归一化植被指数（NDVI）数据集来源于中国年度植被指数空间分布数据集、中国科学院资源环境科学数据中心数据注册与出版系统(http://www.resdc.cn/DOI)，研究时段为2000年8 月—2016 年8 月，时间分辨率为1 月，空间分辨率为1 km。

1.3 研究方法

1.3.1 基本原理 流域内水量平衡方程：P-ET0=R+Wground+Wsoil是本研究的基本原理。式中：P为流域内降雨量；ET0为流域内潜在蒸发量；R为流域内地表径流量；Wground为流域内地下储水量；Wsoil为流域内土壤储水量。径流的变化由下垫面和气候因子共同驱动。当流域内降雨量和蒸发量平衡时，径流量的变化主要是由下垫面性质的变化引起的。在较短时间尺度内，地形等影响因子演变缓慢，因此人类活动是改变流域内下垫面性质的主导因素［19］。降雨量和潜在蒸发量包括了气温、湿度、风速和日照等气候因素，所以在降雨和潜在蒸发相似的前提下可以将人类活动对流域内径流量变化的影响进行深入分析。

1.3.2 计算潜在蒸发量 利用联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations)推荐的Penman-Monteith公式［20］，计算各气象站点的潜在蒸发量。Penman-Monteith公式为:

式中：ET0为潜在蒸发量（mm·d-1）；Rn为地表净辐射通量（kJ·m-2·s-1）；G为土壤热通量（MJ·m-2·d-1），相对于Rn很小，因此可以忽略；γ为干湿表常数（kPa·℃-1）；T为日平均气温（℃）；u2为2 m高度处的风速（m·s-1）；ea为饱和水气压（kPa）；ed为实际水气压（kPa）；Δ为饱和水气压与温度关系曲线斜率（kPa·℃-1）；Rs为地表短波辐射通量（MJ·m-2·s-1）；Ra为大气外层辐射通量（MJ·m-2·s-1）；Tkx为日最高温度（K）；Tky为日最低温度（K）；α为阴天短波辐射通量与大气外层辐射通量的比例系数；α+β为晴天短波辐射通量与大气外层太阳辐射通量的比例系数；y为实际日照时间（h）；Y为理论日照时间（h）。

计算各气象站点的逐月潜在蒸发量，并对其累计得到逐年潜在蒸发量。

1.3.3 确定相似年组 气候变化和人类活动是流域径流变化的最主要的影响因子。在相似气候的前提下，流域径流变化主要是由人类活动引起。本研究确定的相似年组包括数量相似年组和过程相似年组［21］。考虑到人类活动的连续性等原因，本研究的相似年组年差定于5 a及其以上。根据已有研究［22］将流域平均降雨量和平均潜在蒸发量之差均小于2%的2 a 作为数量相似年组，将数量相似的年组内平均降雨量和平均潜在蒸发量的线性相关达到1%及其以上的定为过程相似年组，满足数量相似与过程相似的年组即所求相似年组。

1.3.4 LUCC 分析 土地利用/覆被变化(LUCC) 是影响流域水量平衡及水文循环过程的关键因素之一［23］。LUCC 通过改变地表蒸散发、土壤水分的下渗能力和植被的截留等，直接或间接影响流域水循环。计算月河流域耕地、林地、灌木、草地、水体和不透水面6 种类型的土地面积，以显示月河流域研究时段内土地利用的变化过程。土地利用转移矩阵用于展示土地转移的动向情况和数量结构，能够定量描述研究时段初期与末期研究区各类土地类型面积相互转化的动态信息［24-25］。基于LUCC地图，通过土地利用转移矩阵来说明2000—2016 年时段内月河流域土地利用和覆盖的变化情况。

2 结果与分析

2.1 气象要素统计结果分析

2.1.1 年降雨量和年潜在蒸发量变化趋势 秦岭南坡月河流域1960—2018 年的流域内年降雨量和年潜在蒸发量的平均值分别为912.6 mm和873.1 mm，变差系数分别为0.173 和0.064，说明降雨量和潜在蒸发量的年际变化较小。研究时段内月河流域年际降雨量的数值变化呈增加趋势，线性拟合增率为6.1417 mm·(10a)-1。年潜在蒸发量的数值变化呈减少趋势，线性拟合减率为8.1147 mm·(10a)-1。潜在蒸发量的年际变幅大于降雨量的年际变幅，但二者变化均未达到显著性水平（图2）。

图2 月河流域逐年降雨量和潜在蒸发量变化Fig.2 Annual changes of precipitation and evaporation in Yue River Basin

2.1.2 降雨量和潜在蒸发量年内变化 基于月河流域逐月降雨量和逐月潜在蒸发量的插值结果，计算所得研究区1960—2018 年多年平均月降雨量和月潜在蒸发量年内的分布情况如图3所示。月河流域降雨量年内分配不均匀且比较集中，降雨大多集中在4—10月，最大降雨量出现在7月，多年平均值为176.6 mm，最小降雨量在1 月出现，多年平均值为4.9 mm。潜在蒸发量的年内分布情况与降雨量的年内分布情况相似，年内分配不均匀且比较集中，最大值出现在7月，多年平均值为133.8 mm，最小值出现在12月，多年平均值为27.5 mm。

图3 月河流域降雨量和潜在蒸发量年内变化Fig.3 Precipitation and potential evaporation change within the year in Yue River

2.2 水文要素统计分析

由表1 可知，月河流域内年径流量平均值为8.3×108m3，变差系数为0.481，说明在研究时段内月河流域径流量年际变化较大，在1964年径流量达到研究时段内径流量的最大值19.2×108m3，在1999年达到研究时段内径流量的最小值1.7×108m3，在研究时段内月河流域的年径流量整体呈现出减少的趋势，且未达到显著性水平（图4）。

表1 1960—2018年月河流域气象、水文要素统计特征Tab.1 Statistical characteristics of hydrological elements in Yue River Basin from 1960 to 2018

图4 月河流域年径流量变化Fig.4 Annual changes of runoff from 1960 to 2018 in Yue River Basin

2.3 相似年组的判定及年组特征

本研究确定的年差≥5 a 的相似年组一共6 组（表2），这6组相似年组在时间上覆盖了本研究的所有年代，年差变化从5 a 到41 a，这不仅反映了研究时段内流域不同的降雨量和潜在蒸发量的变化特征，而且可以从较长时间尺度上反映出研究区流域径流量的变化，时空差异较为显著。相似年组6（1964 年和2003 年）的年降雨量比年平均降雨量高230 mm；在相似年组1（1973年和1968年）的降雨量接近多年降雨量的平均值。相似年组1（1973 年和1968 年）的潜在蒸发量比年平均潜在蒸发量高91mm；相似年组5（1982年和2012年）的潜在蒸发量接近于多年平均蒸发量的平均值。

表2 降雨量和潜在蒸发量的相似年组Tab.2 Precipitation and evaporation of paired years

2.4 基于相似气候前提的流域内径流量年际变化分析

在本研究的6 组相似年组中，一共有3 个相似年组的年径流量增加，有2 个相似年组的年径流量减少（表3）。从年径流量的变幅分析，研究区域年径流量变化较为复杂。在相似气候的前提下，年组2的径流量增加幅度最大，变化值为9.2×108m3，变幅为200%。年组6 的径流量减少幅度最大，变化值为-5.0×108m3，变幅为-26.0%。除此之外，相似年组1、3、4、5 径流量的变化值分别为6.4×108m3、4.7×108m3、2.9×108m3、-1.0×108m3，变幅分别为95.5%、102.2%、31.2%、-11.1%。

表3 月河流域相似年组径流量变化Tab.3 Changes of runoff and sediment discharge in paired years of Yue River Basin

2.5 研究区径流量变化原因分析

2.5.1 LUCC 结果分析 以相似年组3（2000—2016年）为例，分析月河流域2000—2016年LUCC的变化情况（图5）和不同土地利用类型之间的转化（表4）。在2000—2016年时段内，林地和耕地是月河流域的主要土地利用类型，占总面积的97.4% 以上。在该研究时段内林地面积由175744.9 hm2增加到200743.8 hm2，耕 地 面 积 由98439.7 hm2减 少 到75808.7 hm2。不透水面作为城市化的显著特征，对径流的增加有促进作用［26］，其面积仅增加了1783.6 hm2。2000—2016 年的土地利用变化矩阵表明，林地和不透水面增加的部分均主要来自于耕地，有26.2%的耕地转化为了林地，但仅有1.9%的耕地转化为不透水面。除此之外，有2106.4 hm2的草地和1088.9 hm2的灌木转化为林地。在2000—2016年时段内，林地面积和不透水面面积分别增加了24998.9 hm2和1783.6 hm2，而 耕 地 面 积 减 少 了22631.0 hm2。林地相对于耕地具有减流作用［27］，因此在该时段内，包括林地面积增加和耕地面积减少在内的集水区面积的变化均会对同时期月河流域年径流量产生抑制作用。

表4 2000—2016年月河流域LUCC变化矩阵Tab.4 LUCC matrix of Yue River Basin from 2000 to 2016 /hm2

图5 2000—2016年月河流域LUCCFig.5 LUCC of the Yue River Basin from 2000 to 2016

2.5.2 水利工程建设 水利工程的建设会改变径流的产流汇流模式、河床形态以及径流的原有规律,对流域径流产生较大的影响。截至2016年，月河流域共建成水库74 座，总库容79572×104m3；塘坝1827座，总库容1380×104m3。除此之外，还有引水工程730 处、提水工程220 处、机电井2094 眼，合计供水能力为28356×104m3，各类供水工程总供水量为21241×104m3。研究时段内月河流域年际降雨量呈现增加趋势，各类水利工程的修建是月河流域在研究时段内径流减少的原因之一［28］。月河流域建有观音河水库和黄石滩水库2 座中型水库，其余均为小型水库。观音河水库于1962 年建成枢纽工程。黄石滩水库位于安康市谭坝乡境内汉江二级支流付家河中游，于2000年开工建设，2007年开闸放水，总库容4177×104m3。黄石滩水库以及部分小型水库的建设使用期处于本研究所确定的相似年组的研究时段内。以相似年组2 为例，该相似年组包含的2 个年份的降雨量几乎相同，但年径流量变幅较大，黄石滩中型水库等水利工程的修建是该时段月河流域径流量大幅减少的主要影响因子之一。

2.5.3 研究区NDVI 变化分析 植被作为重要的地理环境要素，主要受到3种因素的影响：生长地区的气候、地形和土壤以及当地的人类活动，而3种影响因素中尤以气候变化和人类活动对植被的影响最大。秦岭南坡月河流域地表土壤演变进程缓慢，因此在相似气候的前提下流域内植被覆盖的变化也主要是由人类活动引起的。NDVI 是目前研究中公认的植被变化的最佳表征指标［29-30］，所以本研究中采用NDVI来作为下垫面植被变化的表征。考虑到数据的可获得性，本研究以相似年组3（2000—2016年）为例，由图6 可知，在2000—2016 年时段内，月河流域NDVI增加的面积为242652.0 hm2，减少的面积为39368.0 hm2，因此在2000—2016 年时段内，人类活动对月河流域植被NDVI 的影响均具有双重性，但总体上以正向促进作用为主，即月河流域的NDVI 整体呈现出增加的趋势。由分析结果可以看出，在相似气候的前提下，流域内径流量的变化与植被覆盖程度有密切关系，随着植被覆盖度的增加，下垫面粗糙度和土壤结构改善，研究区产流的能力减弱，当地径流量呈现出减少的趋势，即二者的变化大致呈现出相反的趋势。而作为最主要的驱动因素的人类活动与NDVI的数值波动具有明显的同步性，所以该结果进一步说明了当地径流量的变化对人类活动作出了响应。

图6 2000—2016年月河流域NDVI变化Fig.6 NDVI change in Yue River Basin from 2000 to 2016

3 讨论

气候变化和人类活动均对流域径流量的变化有较大的影响。在相似气候条件下，径流会对人类活动有不同程度的响应。研究人类活动对流域径流量变化的影响程度对于保护流域及维持其周边地区生态环境的稳定具有重要的意义。国内外关于月河流域的研究主要有：水生态系统保护修复、洪水成因及特点分析、水资源优化配置等，目前关于月河流域多年径流量变化趋势的分析以及人类活动对月河流域径流量变化影响的研究较少。本文以月河流域为研究区，统计得到月河流域在1960—2018年时段内的平均径流量为8.3×108m3，这与杨晨光等［31］计算所得的月河多年平均径流量数值相同。除此之外，在本研究所得的数量和过程均相似的6 组相似年组中，各年组时段内研究区径流量均对人类活动产生了不同程度的响应，且年组2（1975—2016年）时段内8月径流量对人类活动的响应程度最大。

土地利用/覆被变化对区域生态、水文过程有着显著的影响，会引起流域土壤状况、地表产水量、土壤侵蚀量等的变化［32］，是影响流域径流变化的直接因素。研究表明，相对于草地而言，林地面积的增加有减弱径流的作用，耕地的扩张会导致土壤入渗率的降低和径流的增加［33］；窦小东等［27］研究发现，耕地、林地、草地三者对径流增加的贡献大小顺序为：耕地＞草地＞林地。耕地和林地是月河流域主要的土地利用类型，在研究时段内有26.2%的耕地转化为林地，耕地转化为林地的面积远高于林地转化为耕地的面积，除此之外还有57.0%的草地转化为了林地。这一系列不同土地利用类型的转化均对月河流域的径流产生了抑制作用。

植被是流域水循环过程的重要环境因子之一，对流域水分运移具有重要驱动作用，亦对流域产流和汇流有着调节作用。而植被覆盖度的变化很大程度上受到人类活动的制约。研究区域植被变化对径流变化的影响以及对人类活动的响应对区域水资源规划与管理具有重要的科学意义和实际价值。杨洁等［34］发现，植被覆盖度的增加导致延河流域年径流量和年径流系数明显减小；张建云等［35］证明了黄淮海流域植被覆盖条件改善对径流有削弱作用，流域NDVI 增加时径流量会相应地减少。本研究将统计得到的月河流域年组内径流量的变化趋势与NDVI 的变化特征结合分析，发现在相同气候条件下研究区流域内径流量整体年际变化趋势与NDVI 年际变化趋势相反，进一步验证了人类活动是月河流域内径流量变化的主要原因。

本研究所用的方法在描述机制方面存在不足之处，若结合能够检验分析结果可靠性的评价指标体系，就可以更好地分析研究区内径流量的变化特征以及其影响因子。研究所确定的相似年组的年际降雨量和年际潜在蒸发量数值相对集中。以降雨量为例，研究所得的6 组相似年组降雨量范围在829.8～1159.3 mm之间，主要代表丰水年和平水年两种气候类型，相似年组中缺少能够代表枯水年气候类型的年份。同时，若能结合土地利用数据分析月河流域的潜在蒸发量、地表植被覆盖类型、土壤的入渗对径流量变化的影响情况，本文就能够更好地解释流域产流的情况。除此之外，由于人类因素较为复杂，所以本文把人类活动作为一个整体来考虑，没有对人类活动进行区分。人类活动如工程建设和农业生产等对下垫面的改变，还有诸如经济社会结构调整等，这些影响因子相互耦合，关系较为复杂。因此，如何进一步量化不同人类活动对径流变化的影响仍然是目前研究所面临的难题。

4 结论

本研究基于1960—2018 年月河流域7 个气象站点的气象数据以及长枪铺水文站的径流资料，结合LUCC 和NDVI 的变化分析了在相似气候的前提下研究区径流量变化对人类活动的响应程度，得出如下结论：

（1）月河流域1960—2018 年的降雨量和潜在蒸发量在年内分配不均，年际降雨量呈现出不显著的增加趋势，年际潜在蒸发量呈现出不显著的减少趋势。在研究时段内月河流域年径流量呈现出不显著的减少趋势，且径流量年际变化较大。

（2）月河流域径流量变化同时受到气候变化和人类活动的影响，在相似气候的前提下可以较好地描述人类活动对月河流域径流作用机制的实际情况。在研究得到的数量和过程均相似的6组相似年组中，相似年组2（1975—2016 年）时段内月河流域径流量的变化幅度最大，说明在该时段内人类活动对研究区径流量变化的影响最明显。

（3）在相似气候条件下，发现月河流域径流量的变化与人类活动之间存在密切联系。月河流域径流量在2000—2016 年减少了4.7×108m3，整体呈现出减少的趋势。在相应时段内，分别有25751.4 hm2的耕地、2106.4 hm2的草地和1088.9 hm2的灌木转化为了林地，林地面积增加迅速。NDVI 整体呈现出增加的趋势，增加的面积为242652.0 hm2，月河流域径流量的年际变化与NDVI 年际变化趋势相反。研究结果进一步量化了人类活动对月河流域径流量变化的不同程度的影响。