任 政, 盛 東, 張 麗

(1.河北工程大學(xué) 水電學(xué)院, 河北 邯鄲 056038; 2.湖南省水利水電科學(xué)研究所 水資源管理研究中心, 長沙 410007)

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環(huán)境變化對湘江湘潭站徑流的影響研究

任 政1, 盛 東2, 張 麗1

(1.河北工程大學(xué) 水電學(xué)院, 河北 邯鄲 056038; 2.湖南省水利水電科學(xué)研究所 水資源管理研究中心, 長沙 410007)

環(huán)境變化引起河川徑流的顯著變化，為水文水資源管理帶來新的挑戰(zhàn)，如何區(qū)分氣候變化和人類活動對徑流的影響是水文科學(xué)研究的熱點和難點?；赟TARS和Pettitt方法，綜合檢驗徑流時間序列的突變點，構(gòu)建天然期徑流過程模擬的水文模型，將人類活動期的徑流過程還原到天然狀態(tài)，并從不同年代和不同水平年的角度探討環(huán)境變化對人類活動期的徑流影響。結(jié)果表明：1992年為湘潭站1957—2014年徑流時間序列的突變點，新安江模型對湘潭站天然期徑流過程具有較好的模擬效果，人類活動和氣候變化引起人類活動期徑流增加的貢獻(xiàn)率分別為68.24%和31.76%，氣候變化影響最大的時間為2011—2014年，人類活動影響最大的時間為2001—2010年，尤以豐水年影響最大。

環(huán)境變化; 突變點; 新安江模型; 徑流

環(huán)境變化主要包括氣候變化和人類活動。氣候變化已成為國家政治外交的重要議題,在20世紀(jì)的100年中,全球平均氣溫上升了0.14～0.16℃,降水也發(fā)生了顯著的變化[1]。工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、公鐵路交通、跨流域水利工程等建設(shè)和發(fā)展,導(dǎo)致下墊面受到人類活動影響越來越突出。在氣候變化和人類活動的雙重作用下,水文過程也發(fā)生了顯著變化,從而增加了水資源管理的復(fù)雜性[2]。因此,環(huán)境變化對徑流的影響已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。

綜合國內(nèi)外已有研究[3-6],量化環(huán)境變化對徑流影響的方法主要包括彈性系數(shù)法和水文模型模擬法。水文模型模擬法的關(guān)鍵是如何合理劃分天然期和人類活動期,主要包括實地調(diào)查法和數(shù)理統(tǒng)計法。實地調(diào)查往往需要研究區(qū)大量的工程數(shù)據(jù),工作繁雜,而當(dāng)研究區(qū)面積較大時,眾多大型工程的連續(xù)修建,可能導(dǎo)致天然期劃分不清晰。統(tǒng)計方法僅用徑流序列分析突變點,以此劃分天然期和人類活動期的依據(jù),該方法顯得更為簡單,然而僅依靠某一種評價人類活動期徑流相對天然基準(zhǔn)期的變化,存在很大的不確定性。因此,本文選擇適合濕潤地區(qū)水文過程模擬的新安江水文模型,采用STARS檢驗和Pettitt檢驗綜合分析徑流時間序列的突變點,量化環(huán)境變化對湘江湘潭站徑流變化的影響。

在20世紀(jì)90年代前后,湘潭流域人類活動頻繁,林草植被破壞嚴(yán)重。由于流域內(nèi)易蝕母質(zhì)發(fā)育的土壤比例大,造成湘潭流域下墊面發(fā)生巨大變化,導(dǎo)致21世紀(jì)初期徑流量顯著增加。因此,定量分析湘潭站徑流量變化原因是湘江流域水資源科學(xué)管理與合理開發(fā)利用的基礎(chǔ)。

1 水文時間序列突變點分析方法

時間序列變異是指序列分布或參數(shù)在時程上具有顯著變化,即序列不再具有相同物理成因。目前,識別時間序列突變的方法主要包括Lee-Heghinian法，Brown-Forsythe,Mann-Kendall,Pettitt檢驗，STARS檢驗，R/S 檢驗等[7]。本文采用STARS檢驗[8]和Pettitt檢驗[3,9]綜合分析水文時間序列的突變點。

1.1 STARS均值檢驗

Step2:計算相鄰兩個狀態(tài)均值的離差系數(shù)diff。

(1)

(2)

(3)

式中:Sgn為符號標(biāo)志。

Step4:判斷當(dāng)前點xtcur是否存為突變點。計算狀態(tài)突變指數(shù)RSI(Regime Shift Index)。

(4)

對于檢驗期tcur到tcur+l-1。當(dāng)Sgn=1時RSI<0或者Sgn=-1時RSI>0,當(dāng)前點tcur不是突變點;否則xtcur為突變點。

1.2 Pettitt檢驗

(5)

2 新安江水文模型

新安江模型是1973年趙人俊提出的一個概念性水文模型,主要適用于濕潤與半濕潤地區(qū),在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。本文采用新安江日模型的三層蒸發(fā)模式,蓄滿產(chǎn)流理論,水箱概念模型的三水源劃分和線性水庫匯流計算。

新安江日模型輸入為日降水量和日蒸發(fā)量,輸出為日徑流量,待率定參數(shù)13個,其物理意義和取值范圍見表1。

3 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)資料

湘江為長江的七大支流之一,發(fā)源于廣西臨桂縣海洋山,沿途接納湖南省14條之流進(jìn)入洞庭湖,全長856km,流域面積94 660km2。湘潭水文站是湘江流域內(nèi)一個重要國家水文站,集水面積81 638km2,多年平均降水量為1 510mm,氣溫為17℃,徑流系數(shù)為0.524,屬典型的濕潤流域。

表1 新安江模型參數(shù)及其取值范圍

研究區(qū)分布8個國家氣象站,除南岳外,海拔范圍在100～200 m,水文氣象數(shù)據(jù)的時段為1957年1月1日—2014年12月31日,共58 a。氣象站點的日降水和平均氣溫數(shù)據(jù)來源《中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)》,湘潭水文站日徑流數(shù)據(jù)來源《湖南水文公眾信息網(wǎng)》。經(jīng)分析,各站點的年降水和年氣溫的離均系數(shù)分別為0.065～0.067,0.012～0.018。因此,采用算術(shù)平均法計算研究區(qū)域面平均降水和面平均氣溫。

由于研究區(qū)缺乏蒸發(fā)數(shù)據(jù),而蒸發(fā)量主要由水體表面接受的輻射決定,氣溫是輻射大小綜合反映,采用McCloud計算流域蒸發(fā)能力[10],即:

E0=K·W1.8T

(6)

式中：T為日平均氣溫；E0為流域蒸發(fā)能力；K和W為待求參數(shù)。根據(jù)長沙氣象站的日平均氣溫和蒸發(fā)資料,率定式(4)的參數(shù),如圖1所示。

圖1 長沙站水面蒸發(fā)與氣溫的關(guān)系

從圖1中可以看出,結(jié)合式(6),流域蒸發(fā)能力計算公式為:

(7)

式中的符號同(6)式。

4 結(jié)果與分析

4.1 湘潭站徑流時間序列的天然期劃分

4.2 湘潭站天然期徑流模擬

采用Nash_sutcliffe模型效率系數(shù)R2為目標(biāo)函數(shù)[5],SCE-UA優(yōu)化算法[11]率定新安江模型參數(shù),1959—1986年湘江湘潭站逐月徑流實測與模擬過程, 如圖2所示。

圖2 湘江湘潭站天然期逐月徑流實測與模擬過程

從圖2可以看出,月徑流的實測值與模擬值基本吻合。統(tǒng)計分析,率定期和驗證期月徑流模擬的R2分別為0.875 9,0.838 3,實測值和模擬值的總體相對誤差分別為-5.12%和-6.85%,模擬值略微高估實測值。年徑流的模擬值與實測值較為接近,率定期R2為0.856 9,最大相對誤差為-19.13%,平均相對誤差為-7.64%。因此,新安江模型還原人類活動期的徑流過程具有較高的可信度。

4.3 環(huán)境變化對徑流影響分析

根據(jù)上述構(gòu)建的水文模型,結(jié)合湘潭流域1992年以后的氣象數(shù)據(jù),模擬人類活動期逐月徑流過程,如圖3所示。

將人類活動期依年代劃分為三個時段,即1992—2000年、2000—2010年和2010—2014年。按照式(8)-(12)計算環(huán)境變化對人類活動期徑流的影響。

ΔWT=WHR-WB

(8)

ΔWH=WHR-WHN

(9)

ΔWC=WHN-WB

(10)

ηH=ΔWH/ΔWT

(11)

ηC=ΔWC/ΔWT

(12)

式中：ΔWT為徑流變量總量;WHR為人類活動期實測徑流量;WB為天然期實測徑流量;ΔWH為人類活動對徑流的影響量;WHN為人類活動期徑流還原值;ΔWC為氣候變化對徑流的影響量。ηH和ηC分別為人類活動和氣候變化對徑流的影響百分比。

圖3 湘江湘潭站人類活動期逐月徑流實測與模擬過程

從表2中可以看出:(1) 與天然期相比,人類活動期實測徑流增加,在90年代達(dá)到最大,而后呈現(xiàn)減小的趨勢,增幅分別為天然期的24.03%,5.79%和-5.76%;(2) 實測降水過程呈現(xiàn)與徑流相一致的變化趨勢,而最大降水深度為2002年的2 101 mm,人類活動期年降水分別為天然期的108%,99%和93%,氣溫在整體上出現(xiàn)一個遞增趨勢,而近幾年略有減小的跡象,人類活動期多年平均氣溫增幅分別為天然期的2.68%,5.89%和4.88%;(3) 人類活動對徑流影響的絕對量均為正值,且呈現(xiàn)遞減趨勢,表明人類活動引起下墊面改變增大了產(chǎn)流能力,這與20世紀(jì)90年代末湖南省水土流失嚴(yán)重相一致[12];(4) 氣候變化對徑流影響的絕對值與徑流變化是相一致的,呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,表明湘潭徑流變化主要受控于降水;(5) 環(huán)境變化對徑流影響的相對程度而言,徑流增加的主要因素為人類活動,從各階段看來氣候變化對徑流影響最大的階段為2011-2014年,人類活動對徑流影響最大的階段為2001-2010年。

根據(jù)人類活動期的降水時間序列,按頻率10%,50%和90%分別選擇豐、平和枯水年的典型代表年,采用還原徑流分析人類活動對不同水平年徑流的影響,見表3。

表3 人類活動對不同水平年徑流的影響分析 mm

從表3可以看出,人類活動對不同水平年的徑流影響是不相同的。人類活動對豐水年的徑流影響最大,枯水年次之,平水年最小。平水年和枯水年人類活動相對影響量較小,其絕對值分別為2.29%和3.33%,且均小于年徑流模擬的平均相對誤差的絕對值。為避免水文模型模擬誤差的影響,采用天然期不同水平年徑流模擬的誤差修正人類活動期對應(yīng)水平年的還原徑流。按天然期降水序列,選擇三個頻率的代表年,見表4。

從表4中可以看出,在天然期模擬相對誤差在高水位小,而在低水位最大,這與率定水文模型的目標(biāo)函數(shù)是一致的。用天然期不同水平年徑流模擬的相對誤差對表3中人類活動期的還原徑流進(jìn)行修正,見表5。

表4 天然期不同水平年徑流模擬的誤差分析1 mm

表5 人類活動對不同水平年徑流的影響分析2 mm

注:**用表4中不同水平年的模擬誤差對表3中的還原徑流進(jìn)行修正后的徑流。

從表5可以看出,人類活動對不同水平年均為正影響,其中豐水年影響最大、枯水年次之、平水年最小。與表3對比,盡管人類活動對不同水平年徑流影響的評價在數(shù)量上不同,但在定性上評價是相一致的:在人類活動期,人類活動對豐水年徑流影響最大,而平水年影響最小。究其原因表現(xiàn)在流域內(nèi)城市化加快、道路交通建設(shè)的快速發(fā)展等:一方面導(dǎo)致植被破壞,水土流失加劇,流域涵養(yǎng)水源的能力降低;另一方面流域內(nèi)硬化地面的比例增加,提高了降水的產(chǎn)流效率,致使天然期和人類活動期在相同的氣候條件下,流域的徑流量增加。

5 結(jié) 論

(1) 湘潭站1957—2014年的徑流序列,STARS均值檢驗存在1992年和2007年兩個突變點,Pettitt檢驗存在1992年的突變點。因此,將徑流時間序列1992年以前劃分為天然期。

(2) 天然期月徑流模擬率定期和驗證期的效率系數(shù)分別為0.875 9,0.838 3,年徑流的模擬值與實測值接近,率定的水文模型還原人類活動期徑流模擬具有較高的可信度。

(3) 氣候變化和人類活動對人類活動期徑流影響不同。從整個人類活動期來看,人類活動和氣候變化引起徑流增加貢獻(xiàn)分別為68.24%和31.76%;從各時段來看,人類活動引起徑流變化最大為2001—2010年的94.18%,氣候變化對徑流影響最大為2011—2014年的159.64%;從不同水平年來看,人類活動對徑流影響最大的為豐水年,枯水年次之,平水年最小。

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Impact of Environmental Change on the Runoff of Xiangtan Hydrological Station in Xiangjiang Basin

REN Zheng1, SHENG Dong2, ZHANG Li1

(1.CollegeofWaterConservancyandHydropower,HebeiUniversityofEngineering,Handan，Heibei056038,China; 2.WaterResourcesManagementResearchCenter,HunanWaterResourcesandHydropowerResearchInstitute,Changsha410007,China)

The significant runoff changes forced by environment changes have brought new challenges for hydrology and water resources management. How to identify impacts of climate change and human activities to runoff change is a hot and difficult topic in hydrological science research. Firstly, the abrupt point of annual runoff time series is identified by comprehensive analysis based on STARS and Pettitt method and divided into natural and human activity period. Secondly, the hydrological model is built to simulate runoff process of natural period. Thirdly, the runoff processes of human activity period are simulated by the hydrological model. Lastly, the impact of environmental change on runoff change during human activity period is discussed under every decade and different year of precipitation frequency. The results show that the abrupt point from 1957 to 2014 is in 1992 for annual runoff time series of Xiangtan station in Xiangjiang Basin, there is very good agreement between measurements and calculations for natural runoff process based on Xinanjiang hydrological model, and the contribution rates of human activities and climate change to runoff change during human activity period are 68.24% and 31.76%, respectively, when the biggest times of climate change impact are in 2011—2014 but of human activity is in 2001—2010 especially at high precipitation year.

environmental change; abrupt point; Xinanjiang model; runoff

2015-11-17

2015-11-28

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目(ZD2016027);河北省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃(15967663D-1);湖南省水利科技項目([2013]243-17;[2013]170-19;[2015]13-34)

任政(1975—),男,四川蓬溪人,博士,研究方向為水文物理規(guī)律及徑流模擬。E-mail:hdrenzheng@126.com

盛東(1979—),男,湖南衡南人,博士,高級工程師,研究方向水文水環(huán)境。E-mail:shengdong1979@126.com

P333.4

A

1005-3409(2016)06-0145-05