人类活动及气候变化对滦河流域地表径流的影响

2024-02-29蔡媛媛

水利技术监督 2024年2期

蔡媛媛

(河北省衡水水文勘测研究中心，河北衡水 053000)

水循环通常受到气候变化和人类活动的双重影响，降雨量和温度等气候变化在很大程度上决定流域的径流量，土地利用和覆盖变化和水资源项目等人类活动也会影响水资源，应将气候变化和人类活动对径流变化的影响分开，以确定主导因素，并在不断变化的环境中制定可持续的水资源管理战略[1]。吴迪等人[2]利用月水量平衡水文模型和固定变化方法分析了气候变化和人类活动对流域径流的影响，认为人类活动对该流域径流的影响强于气候变化的影响。李瑶等[3]根据应用于石羊河流域的基于Budyko-Fu模型得出结论，人类活动是引起石羊河流域径流变化的主要因素。杜欢等[4]发现，在不同流域使用水文模型和敏感性分析方法时，土地利用变化对径流量减少的影响为30%～40%。目前的研究主要遵循确定突变点和基线期，量化气候变化和人类活动的影响，采用非参数检验、时间序列分析等统计方法和双质量曲线、流量持续时间曲线等图解方法用于检测径流变化的变化点[5]。通常，水文建模方法使用基于分布式水文模型或集中概念模型来评估影响。与水文建模方法相比，气候弹性方法是另一种使用较少水文气候数据集的有用方法[6]。常见的气候弹性方法是基于统计分析的非参数方法和基于Budyko的分析推导方法，将水文建模和气候弹性方法相结合将有助于更好地理解气候变化、人类活动和水循环之间的复杂关系。

滦河流域是中国易受到人类活动和气候变化影响的地区之一。本文提出了一种基于Budyko-Fu模型、水文建模和气候弹性方法的综合方法，以量化气候变化和人类活动对滦河流域地表径流的影响，同时分析水文建模和气候弹性方法的不确定性和定量结果的影响因素。

1 研究区域

滦河流域位于海河流域，面积近4.485万km2。该流域位于温带大陆性季风区，夏季炎热多雨，春秋干燥少雨，冬季干燥寒冷。1967—2018年，年平均降水量约为490mm，年平均气温为7.0℃。自20世纪80年代以来，修建了包括潘家口水库和桃林口水库等大型水库，如图1所示。本研究使用的数据包括中国气象数据共享服务系统提供的1967—2018年的日降水量、最高和最低气温以及日照时数等。水文建模所需的日潜在蒸散数据采用Hargreaves方法计算的，该方法已在该地区得到验证。水文建模中应用的数字地理信息数据，包括500m分辨率的数字高程模型数据，来自公共数据库。

图1 滦河流域的地理位置

2 分析方法

本研究采用降水量、实际蒸发量和潜在蒸散量的5年平均值作为输入。根据土壤含水量在5年内保持稳定的假设，通过水平衡方程计算5年平均实际蒸发量，通过Mann-Kendall检验确定人类活动影响导致的突变点。本研究中的人类活动效应是指土地利用和覆盖变化以及灌溉、工业和生活用水的总影响。气候变化效应是指降水、温度或潜在蒸散量变化的总影响。人类活动和气候特征的不同时期之间的年平均径流量的总变化可以通过下式(1)估算：

ΔQ=Qt-Qp

(1)

式中，ΔQ—年平均径流量的差值；Qt、Qp—试验期和预处理期的年平均径流量，m3/a。

对于给定的流域，将气候变化和人类活动视为流域尺度内的自变量，两个时段之间的总径流变化量可用下式(2)计算：

ΔQ=ΔQC+ΔQH

(2)

式中，ΔQC—气候变化引起的径流量变化；ΔQH—由于人类活动造成的径流变化，m3/a。

考虑到模型结构、参数校核和尺度变化等方面的不确定性，本文选择了两种水文模型：SIMHYD集中模型和SWAT分布式模型。水文模型在预处理阶段进行了校准和验证，用于模拟测试阶段的水文过程。试验期间模拟径流和试验径流之间的差值用于量化人类活动的影响。在SIMHYD模型中，蒸散量是根据受有效土壤水分约束的潜在蒸散量计算。径流产生量由3个来源估算：多余入渗径流、饱和过量径流和基流。SWAT模型采用SCS曲线法计算径流量，采用Penman-Monteith方程计算潜在蒸散量，该模型的输入包括气象数据集和数字地理信息数据集。选取NS效率系数、相对误差和相关系数作为模型性能指标。气候弹性方法分析径流对气候变化的敏感性。径流弹性定义为径流变化率与某一气候因素变化率的比值，如下式(3)计算：

(3)

式中，ΔP、ΔE—降水量和潜在蒸散量的变化，m3/a；εP、εE—径流对降水和潜在蒸散的弹性系数。

3 结果与分析

3.1 时间序列分析

本文利用时间序列估算了年径流量、降水量和潜在蒸散量的变化，如图2—4所示。结果表明，潜在蒸散量和降水量略有下降，径流量下降趋势相对较明显。此外，与预处理期相比，试验期降水量、潜在蒸散量和径流量分别减少了64.35、16.58、89.64mm。相应的变化率分别为-13.20%、-1.84%、-85.21%，见表1。这些数值表明，多年平均径流量的变化率远大于降水量和潜在蒸散量的变化率，基于试验的年径流量、降水量和潜在蒸散量的趋势结果，表明年径流量显著下降，统计斜率为-2.29，而年降水量和潜在蒸散量没有显著下降趋势。以上结果表明，径流量的减少不仅仅是由降水量和潜在蒸散量的减少引起的，因此人类活动也可能对径流量的下降产生了重要影响[8-9]。

表1 年降水量、潜在蒸散量和观测径流的变化

图2 径流量的变化

图3 降水量的变化

图4 潜在蒸散量的变化

3.2 水文建模

本文采用SWAT和SIMHYD模型模拟水文过程。首先，用部分观测数据对两个模型进行校核，用校准后的参数模拟预处理期剩余观测数据的河水流量。在此过程中，水文模型在校核时未模拟水库，在此期间对人类活动的校准和验证受到限制。根据模型校准和验证结果散点图，这两个模型在模型校准和验证中都表现良好，具有较高的Nash-Sutcliffe效率系数、相关系数和低相对误差，见表2。

表2 SWAT模型和SIMHYD模型的参数

SWAT模型和SIMHYD模型的校准NS值分别为85%和88%，2个模型的相对误差分别为0.07和0.09，相关系数分别为0.89和0.91。在验证期内，SWAT模型的NS效率系数、相关系数和相对误差值分别为94%、0.94和0.005，SIMHYD模型的NS效率系数、相关系数和相对误差值分别为91%、0.95和0.02。如上所述，试验期间平均年模拟径流与观测径流之间的差异代表了人类活动的影响，年观测径流与年模拟径流之间的平衡误差将影响定量结果。从表2中的统计结果分析，SWAT和SIMHYD模型的平衡误差在校准期分别为0.05和0.10，在验证期分别为0.03和0.08，模型的误差可以接受，在年径流模拟中表现良好。图5为SWAT和SIMHYD模型观测年径流量和模拟年径流量的比较，可以看出，在测试期间，模拟的流量远大于观测到的流量。因此，有必要在预处理期间分析干旱期的年观测径流与模拟径流之间的水平衡误差，选择干旱年份(保证率为75%)进行测试。SWAT模型和SIMHYD模型的干旱期年观测径流与模拟径流之间的平衡误差在校准期分别为0.14和0.08，在验证期分别为0.02和0.15。结果表明，SWAT和SIMHYD模型在干旱期的年径流量模拟中表现良好，没有系统误差，可以作为区分气候变化和人类活动影响的科学依据。

图5 观测年径流量与模拟年径流量的比较

3.3 量化气候变化和人类活动的影响

SWAT和SIMHYD模型用于模拟试验期间的水文过程，基于预处理期间的校准参数，表3为预处理和试验期间观测和模拟径流的统计值。变化点后的模拟年径流量远大于观测年径流量，观测和模拟平均径流量之间的差异反映了人类活动的影响。同时，试验期和预处理期观测径流的差异代表了气候变化和人类活动的总体影响。因此，气候变化的影响可以通过计算总影响和人类活动影响之间的差异来获得。见表4，气候变化和人类活动造成的总差异为86.60mm。根据SWAT和SIMHYD模型，人类活动导致的径流量减少分别为50.66mm和45.38mm。基于这2个模型，气候变化导致的径流量减少分别为35.94mm和41.22mm。根据SWAT模型，人类活动对径流的影响占58.5%，气候变化的影响占41.5%。根据SIMHYD模型，人类活动占径流量减少的52.4%，气候变化的影响占47.6%。

表3 年均模拟径流和观测径流单位：mm

表4 气候变化和人类活动对径流的影响单位：mm

结果表明，人类活动的影响比气候变化的影响更大，降水和潜在蒸散量没有表现出明显的趋势，但径流却呈现出显著的下降趋势，这表明人类活动可能是径流量下降的驱动因素。与水有关的人类活动，包括土地利用和植被变化以及灌溉、工业及生活用水的引水，均是径流量减少的原因。观测到的径流在过去几年中呈下降趋势，这可能与人类活动的负面影响有关，如该流域内灌溉、工业和生活用水的引水。随着农田面积的增加，滦下灌区的水也从庙公灌区的庙宫水库等引水用于灌溉。由于经济发展和人口增加，工业、生活用水和灌溉的用水需求增加了，导致流域流量减少[7]。同时，灌溉可能会引发高蒸散这也会减少径流。图6显示了试验期间的模拟年径流量，以及2个模型获得的95%置信区间，模拟径流量和观测径流量的差异为35.64～62.84mm。在SWAT模型中，人类活动对径流量减少的贡献为40%～70%，平均值为56%，使用SIMHYD模型，模拟径流和观测径流之间的差异为24.67～66.51mm，人类活动对径流减少的贡献为30%～75%，平均值为54%。模型的不确定性将影响水文建模方法产生的定量结果，将气候变化和人类活动的影响作为2个自变量进行分离的方法也会引入不确定性，例如，城市化等人类活动可能会影响返回大气的水通量，这可能会导致温度和降水等气候变量的变化，从而导致径流的变化。同时，气候变化也会影响土地利用等人类活动，从而导致径流变化。