雍 斌朱 磊任立良劉 蝶陳 波

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

人類(lèi)活動(dòng)對(duì)老哈河流域近50年徑流變化影響的定量評(píng)估

雍 斌1,2,朱 磊1,2,任立良1,劉 蝶2,陳 波2

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

以中國(guó)北方典型的半干旱區(qū)老哈河流域?yàn)檠芯繀^(qū),基于分布在流域內(nèi)的53個(gè)雨量站、10個(gè)徑流站和4個(gè)氣象站數(shù)據(jù)研究老哈河10個(gè)子流域近50年來(lái)關(guān)鍵水文要素的時(shí)空變化規(guī)律。利用MK檢驗(yàn)及Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn),分析降水與徑流的變化趨勢(shì)和顯著性水平,并計(jì)算其突變點(diǎn)。采用半分布式可變下滲能力(variable infiltration capacity,VIC)模型對(duì)10個(gè)子流域基準(zhǔn)期的降雨徑流過(guò)程進(jìn)行模擬?；诼识ê蟮哪Ｐ蛥?shù),對(duì)變化期自然徑流進(jìn)行重建,從而定量分割出氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)該流域徑流急劇下降的影響。結(jié)果表明:自1980年以來(lái),老哈河流域90%的徑流下降是由人類(lèi)活動(dòng)引起的,而僅有10%歸因于氣候變化;就人類(lèi)活動(dòng)而言,特別是中下游地區(qū)大面積的農(nóng)業(yè)灌溉用水是整個(gè)老哈河流域地表徑流急劇下降的根本原因。此外,研究還發(fā)現(xiàn)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流下降的貢獻(xiàn)率隨流域干濕變化而不同,在枯水年人類(lèi)活動(dòng)影響所占比重較大,而在豐水年人類(lèi)活動(dòng)的影響相對(duì)較小。

氣候變化;人類(lèi)活動(dòng);徑流;降水;半干旱地區(qū);老哈河流域

水資源是生命存在和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源[1],水資源量的多少及其時(shí)空分布特性與人類(lèi)生產(chǎn)和生活息息相關(guān)。過(guò)去半個(gè)世紀(jì)里,由于人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,使得人類(lèi)對(duì)水資源的需求不斷增強(qiáng),我國(guó)很多流域的地表水和地下水遭到過(guò)度使用和開(kāi)采,從而導(dǎo)致某些地區(qū)的地表徑流明顯減少[2],這一現(xiàn)象在我國(guó)北方半干旱地區(qū)尤為突出。自20世紀(jì)80年代以來(lái),我國(guó)北方半干旱地區(qū)的氣候和環(huán)境具有明顯的干旱化趨勢(shì)[3],流域水資源問(wèn)題日益嚴(yán)重,水資源短缺已成為制約我國(guó)北方大多數(shù)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素[4]。

符淙斌等[5-6]、葉篤正等[7]對(duì)我國(guó)東北榆林、赤峰等地進(jìn)行了長(zhǎng)期調(diào)查和研究,結(jié)果顯示:不合理的人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水文循環(huán)和生態(tài)環(huán)境的破壞是加劇我國(guó)北方干旱化的一個(gè)關(guān)鍵因素,未來(lái)資源性缺水和工程性缺水在這些半干旱區(qū)域已成定局;王順德等[8]在分析塔里木河流域人類(lèi)活動(dòng)及氣候變化對(duì)水文過(guò)程影響的研究中指出:塔里木河干流上中游區(qū)間耗水量嚴(yán)重,主要是因?yàn)楹恿髟磪^(qū)人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)烈影響;Ma等[9]基于降水和潛在蒸散發(fā)的定量估算,分析了氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)石羊河流域過(guò)去50年徑流變化的影響,結(jié)果表明:氣候因素中的降水量是影響徑流變化的主導(dǎo)因素;胡珊珊等[10]在白洋淀上游水源區(qū)的水量分析表明:氣候變化部分影響了流域的產(chǎn)水量,但是人類(lèi)活動(dòng)是源區(qū)水源缺乏的根本原因。郝璐等[11]對(duì)老哈河紅山水庫(kù)壩址處的月徑流進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)近40年間老哈河徑流在月尺度上表現(xiàn)為負(fù)趨勢(shì)變化,并對(duì)四季的變化進(jìn)行了分析。由此可見(jiàn):氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)是影響中國(guó)北方干旱、半干旱流域地表徑流變化的兩個(gè)主要因素,而在不同地區(qū)這兩種因素的貢獻(xiàn)率各不相同。

人類(lèi)活動(dòng)的影響較大程度上決定了流域徑流的變化,本研究以我國(guó)東北半干旱的老哈河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,采用VIC-3L模型定量分析人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化對(duì)該流域過(guò)去50年地表徑流顯著下降的影響。老哈河屬于半干旱資源型缺水區(qū)域,水資源的保護(hù)與利用決定了流域內(nèi)城市的發(fā)展,研究結(jié)果以期對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源管理和決策提供科學(xué)依據(jù),以制定更合理的水資源管理政策。

1 研究區(qū)概況

作為西遼河的源頭,老哈河流域地處河北、遼寧兩省和內(nèi)蒙古自治區(qū)交界,是我國(guó)重要的重工業(yè)、能源和商品糧生產(chǎn)基地。該流域形狀呈不對(duì)稱(chēng)扇形,介于41°N～43°N、117°E～120°E之間,流域內(nèi)地形復(fù)雜,地勢(shì)西高東低起伏較大,海拔427～2017 m。老哈河流域?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候,多年平均氣溫為7℃,平均降水量為430mm。降水量時(shí)空分布不均,豐枯變化大,5—10月為雨季,11月至翌年4月為旱季,暴雨集中在夏秋兩季,暴雨中心多出現(xiàn)在中上游。上游多為林地覆蓋,植被良好,土壤侵蝕較輕;中下游則大部分為黃土丘陵區(qū),植被覆蓋率較低,水土流失較嚴(yán)重。流域主要支流有黑里河、英金河、崩河、羊腸子河、錫伯河、西路嘎河、召蘇河及半支箭河等(圖1)。

圖1 老哈河流域雨量站、徑流站及子流域劃分示意圖Fig.1 Sketch map of rain gauge stations,runoff stations, and sub-basins in Laohahe Basin

本文以10個(gè)徑流站作為出口站點(diǎn)來(lái)劃分流域,其中7個(gè)為上游源頭流域,2個(gè)為中部出口流域(8號(hào)流域出口點(diǎn)在赤峰市區(qū)內(nèi))以及以興隆坡為流域出口的老哈河流域。表1提供了10個(gè)子流域的站點(diǎn)、經(jīng)緯度、面積、高程、水文氣象等特征信息。

2 數(shù)據(jù)資料和研究方法

2.1 資料收集

用于實(shí)驗(yàn)的水文氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自?xún)?nèi)蒙古水文局提供的1964—2009年水文日資料以及國(guó)家氣象局提供的基準(zhǔn)站氣象數(shù)據(jù),具體包括:(a)流域內(nèi)53個(gè)雨量站日降水資料;(b)10個(gè)子流域出口水文站逐日徑流量資料;(c)流域內(nèi)9個(gè)蒸發(fā)站所提供的日蒸發(fā)資料;(d)4個(gè)國(guó)家氣象基準(zhǔn)站所提供的日最高溫、最低溫和平均溫度,以及10 m日平均風(fēng)速、大氣濕度等數(shù)據(jù);(e)地形DEM數(shù)據(jù)為美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局提供的USGS標(biāo)準(zhǔn)格式全球1 km精度的GTOPO30數(shù)據(jù)。其中各個(gè)流域的降水量是由流域內(nèi)所有雨量站的觀(guān)測(cè)值通過(guò)泰森多邊形法計(jì)算得到的。

表1 老哈河流域10個(gè)徑流站的特征信息Table1 Feature information of ten runoff stations in Laohahe Basin

2.2 研究方法

本研究使用MK檢驗(yàn)[12]和Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn)[13]來(lái)判斷流域在長(zhǎng)時(shí)間序列下是否發(fā)生了突變。它們可以判斷一個(gè)隨機(jī)序列是否發(fā)生了顯著性變化,并定量計(jì)算出該序列的變化趨勢(shì),是水文、氣象序列研究最常采用的方法。降雨徑流雙累積曲線(xiàn)用來(lái)輔助檢驗(yàn)MK檢驗(yàn)法及Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn)的結(jié)果。同時(shí)使用VIC (variable infiltration capacity,可變下滲能力)模型進(jìn)行水文過(guò)程模擬。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者利用該模型在淮河[14-15]、渭河[15-16]、海河[17]等流域進(jìn)行水文過(guò)程模擬,都取得了較好的效果。

此外,本文提供了一個(gè)可用于定量分割氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流變化影響的評(píng)估框架。該框架的前提假設(shè)是:對(duì)于某一特定流域,徑流的變化主要來(lái)自于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)這2個(gè)因素[18],其中,相對(duì)于全球或區(qū)域的氣候變化而言,流域內(nèi)的人類(lèi)活動(dòng)是相對(duì)獨(dú)立的[19],因此流域徑流的變化實(shí)際上是由氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)引起的兩種徑流變量之和:

其中ΔQtot和ΔQclim還可以表示為

則人類(lèi)活動(dòng)引起的徑流變化量為

這樣,氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響可定量分割為

式中:ΔQtot——總的徑流變化量;ΔQclim——由氣候變化引起的徑流變化量;ΔQhum——由人類(lèi)活動(dòng)引起的徑流變化量;ˉQ2,obs——變化期的流域年平均觀(guān)測(cè)徑流量;ˉQ1,obs——基準(zhǔn)期的流域年平均觀(guān)測(cè)徑流量;ˉQ2,sim——變化期的流域年平均模擬徑流量;ˉQ1,sim——基準(zhǔn)期的流域年平均模擬徑流量;Iclim——由氣候變化引起徑流量變化的百分比;Ihum——由人類(lèi)活動(dòng)引起徑流量變化的百分比。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域內(nèi)的降雨徑流變化

表2為10個(gè)子流域運(yùn)用MK檢驗(yàn)法得到的結(jié)果,可以看出:在降水無(wú)明顯變化的情況下,10個(gè)子流域內(nèi)有6個(gè)流域的徑流下降趨勢(shì)顯著。通過(guò)突變點(diǎn)檢驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn)這6個(gè)子流域都存在2個(gè)突變點(diǎn),其中新井的突變點(diǎn)為1967年和1998年,初頭朗的突變點(diǎn)為1974年和1998年,甸子、赤峰、太平莊、興隆坡這4個(gè)子流域的突變點(diǎn)都為1979年和1998年。統(tǒng)計(jì)出有突變點(diǎn)的6個(gè)子流域的降雨徑流累積曲線(xiàn)(見(jiàn)圖2),得到與表2結(jié)果相同的變化趨勢(shì)。

圖2 過(guò)去50年6個(gè)子流域的降雨徑流累積曲線(xiàn)Fig.2 Cumulative curves of precipitation and runoff in six sub-basins over past 50 years

3.2 氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流的影響

運(yùn)用VIC-3L模型分別對(duì)徑流下降顯著的3個(gè)子流域進(jìn)行水文模擬,以流域的第一個(gè)突變年份為界限,之前作為基準(zhǔn)期,之后作為變化期。以確定性系數(shù)(NSCE)和偏差(BIAS)最小為指標(biāo),對(duì)VIC-3L模型進(jìn)行參數(shù)率定;然后保持率定參數(shù)不變,利用變化期的降水驅(qū)動(dòng)模型對(duì)變化期的自然徑流進(jìn)行重建,得到3個(gè)子流域的模擬徑流。

表2 10個(gè)子流域趨勢(shì)檢驗(yàn)及變點(diǎn)檢驗(yàn)的結(jié)果Table2 Results of trend test and change point test in ten sub-basins

表3 在整個(gè)變化期年平均徑流量人類(lèi)活動(dòng)及氣候變化的影響Table3 Effects of climate change and human activities on annual average runoff over whole variation period

為了評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化對(duì)地表徑流下降的影響,在3個(gè)子流域內(nèi)采用式(1)～(6)計(jì)算整個(gè)變化期由人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化引起的年均徑流變化量以及各自所占的比重(表3)。從表3可以看出在這3個(gè)子流域中,人類(lèi)活動(dòng)是影響徑流下降的主要原因,所占比例從 77.96%到90.94%。其中,8號(hào)、10號(hào)流域由人類(lèi)活動(dòng)引起的徑流變化量為-911.63萬(wàn)m3和-1846.19萬(wàn)m3,占總徑流下降的90.94%和89.53%。位于8號(hào)流域的赤峰市歷年經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)(圖3)顯示:隨著人口數(shù)量的不斷增加(過(guò)去50年人口增加了約200萬(wàn)),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模及國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值不斷擴(kuò)大,如農(nóng)作物產(chǎn)量在變化期的年均增長(zhǎng)率為3.26%,遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)期的1.94%。特別是耗水量極大的灌溉農(nóng)田面積已從1987年的2083 km2增加到2005年的3840 km2,水庫(kù)、塘壩等水利工程支持下的農(nóng)業(yè)灌溉成為人類(lèi)活動(dòng)對(duì)老哈河流域徑流量影響的最主要因素。

圖3 赤峰市經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)Fig.3 Economic data of Chifeng City

為進(jìn)一步分析人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化在年代間對(duì)徑流變化的影響,將變化期劃分為1980年前、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年共4個(gè)時(shí)期,同樣采用式(1)～(6)計(jì)算上述流域徑流量的變化。表4顯示:在降水偏少的20世紀(jì)80年代,受人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化雙重影響,整體徑流普遍呈下降趨勢(shì),且人類(lèi)活動(dòng)的影響高于氣候變化,是徑流下降的主要原因;而降水相對(duì)較多的20世紀(jì)90年代,氣候變化促進(jìn)了徑流增加,致使部分流域的氣候變化影響高于人類(lèi)活動(dòng);到了2000年以后,人類(lèi)對(duì)流域水資源過(guò)度利用,中大型水庫(kù)的修建,人類(lèi)活動(dòng)的影響遠(yuǎn)高于氣候變化,部分流域甚至出現(xiàn)了斷流的情況。

表4 每10年變化期年平均徑流量人類(lèi)活動(dòng)及氣候變化的影響Table4 Effects of climate change and human activities on annual average runoff with decadal variations

4 結(jié) 語(yǔ)

分析老哈河10個(gè)不同子流域降水和徑流過(guò)去50年的變化趨勢(shì),并采用VIC-3L模型定量評(píng)估了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域地表徑流急劇下降的影響,主要結(jié)論如下:

a.10個(gè)子流域的MK檢驗(yàn)、Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn)以及降雨徑流累積曲線(xiàn)的結(jié)果表明:自1980年以來(lái),由于農(nóng)業(yè)灌溉及經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)地表水和地下水過(guò)度開(kāi)采,使得老哈河6個(gè)子流域的地表徑流顯著下降,其中8號(hào)子流域(即赤峰站控制的北部子流域)的徑流受人類(lèi)活動(dòng)影響最劇烈,徑流下降的顯著性水平最高,近年來(lái)甚至在雨季都出現(xiàn)了斷流的情況;而老哈河源頭中部3～6號(hào)子流域,由于流域內(nèi)植被覆蓋較好,水土流失不嚴(yán)重,人類(lèi)活動(dòng)影響較少,流域的自然水文循環(huán)過(guò)程保持良好,地表徑流變化不顯著。

b.基于VIC-3L模型,對(duì)地表徑流有顯著下降特性的3個(gè)子流域的人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化定量分析結(jié)果表明:由于人類(lèi)活動(dòng)的劇烈影響,這3個(gè)子流域的地表徑流從20世紀(jì)80年代開(kāi)始出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì),而且,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流下降的貢獻(xiàn)率隨流域干濕變化而不同。在枯水年由于降水較少,人類(lèi)對(duì)水的需求是導(dǎo)致徑流下降的主要原因;而在豐水年由于雨量充足,氣候變化在一定程度上促進(jìn)了徑流回升,人類(lèi)活動(dòng)的影響相對(duì)較小。就整個(gè)流域而言,近90%的徑流下降是人類(lèi)活動(dòng)所引起的,而僅有10%歸因于氣候變化的影響。

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Quantitative evaluation of effects of human activities on runoff variation over past 50 years in Laohahe Basin

YONG Bin1,2,ZHU Lei1,2,REN Liliang1,LIU Die2,CHEN Bo2
(1.Sate Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University, Nanjing 210098,China; 2.School of Earth Sciences and Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Based on data from 53 rain gauge stations,ten runoff stations,and four meteorological stations in the Laohahe Basin,a typical semi-arid area in northern China,we studied the temporal and spatial variations of key hydrological factors in ten sub-basins of the Laohahe Basin over the past 50 years.We employed the rank-based Mann-Kendall trend test and Pettitt change-point test to analyze the change trends and significance levels of precipitation and runoff in the basin and calculate the change point.Then,we adopted a semi-distributed variable infiltration capacity(VIC)model to simulate the rainfall-runoff processes of the ten sub-basins during the baseline period.Based on calibrated parameters of the model,we reconstructed natural runoff during the variation period,so as to quantitatively separate the effects of climate change and human activities on the abrupt reduction of the runoff in the basin.The results show that since 1980,90%of the runoff reduction in the basin has been caused by human activities,and 10%of the runoff reduction has been caused by climate change.In terms of human activities, widespread agricultural irrigation especially in the middle and lower reaches,was the essential reason for the abrupt reduction of runoff in the Laohahe Basin.Furthermore,the impact of human activities on runoff reduction varied with dryness and wetness changes across the basin,with greater impact in dry years than in wet years.

climate change;human activities;runoff;precipitation;semi-arid area;Laohahe Basin

P339

:A

:1000-1980(2014)02-0101-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.02.002

2013-02 17

武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2012B091);國(guó)家自然科學(xué)基金(51190091);高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃(B08048);科技部科技基礎(chǔ)性專(zhuān)項(xiàng)課題(2011IM011000)

雍斌(1975—),男,安徽馬鞍山人,教授,主要從事流域水文過(guò)程模擬研究。E-mail:yongbin-hhu@126.com