孫 毅

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

大凌河流域是我國重要的農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)基地和關(guān)鍵性重工業(yè)基地之一，該流域城鎮(zhèn)化覆蓋率高，人口密度大，是我國東北部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要區(qū)域[1- 2]。然而，在多種影響因素的綜合作用下，該流域逐漸表現(xiàn)出洪水災(zāi)害頻繁、水資源空間結(jié)構(gòu)分布不均勻、水資源供應(yīng)緊張、水體污染嚴(yán)重以及水文生態(tài)環(huán)境急劇惡化等特性。大凌河水文資源循環(huán)演化規(guī)律日益復(fù)雜化，對干旱洪澇等自然災(zāi)害以及未來水資源變化趨勢的準(zhǔn)確預(yù)測和科學(xué)判斷帶來了巨大的壓力，不利于水資源可持續(xù)利用。為了準(zhǔn)確把握演化規(guī)律，探討驅(qū)動水資源循環(huán)演化的關(guān)鍵性因素，深入了解水文變化的機(jī)理，并提高人們對洪澇自然災(zāi)害的預(yù)測和防御能力，對影響水文變化過程的關(guān)鍵性因素進(jìn)行準(zhǔn)確識別和量化計算具有十分重要意義[3]。

目前許多水文學(xué)者對大凌河洪澇災(zāi)害的影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：氣候變暖所引起的降雨量增多可導(dǎo)致該流域發(fā)生洪水災(zāi)害的可能性增大；植被林地破壞以及各類工程活動的建設(shè)等人類活動是引起大凌河流域水文資源發(fā)生改變的主要和關(guān)鍵因素。本文在借鑒水文專家學(xué)者相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)之上，利用雙累計曲線法和敏感性系數(shù)法分別對氣候變化和人類活動引起的大凌河流域水文水資源變化影響作出定量的分析判斷，同時對兩種定量分析結(jié)果進(jìn)行交叉驗證[5- 7]。

1 研究區(qū)域概況

大凌河流域位于我國的遼寧省西部，流域大小支干交錯，全長398km，所占面積約為2.35萬km2，是遼寧省重要的生活用水及工農(nóng)業(yè)用水的主要來源之一。資料顯示：每年的7、8和9月是該流域的降雨旺季，約占全年降雨量的62.7%，年降水量約為450～600mm，徑流量約為16.67億m3，屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均溫度為8.5～12.7℃。本文以朝陽水文監(jiān)測站為流域出口，該水文監(jiān)測站多年平均水流徑流深度為538.6mm。

選定科學(xué)合理的水文循環(huán)參數(shù)是影響水文評價結(jié)果精確性的關(guān)鍵性因素，故本文結(jié)合大凌河水文資料，并考慮朝陽水文站的地形地貌特征，選擇具有代表性的降雨量P、蒸散發(fā)E0以及徑流量Q為水文循環(huán)參數(shù)，對引起的水文水資源演化發(fā)生改變的關(guān)鍵性因素進(jìn)行分析。根據(jù)遼寧省氣象監(jiān)測站現(xiàn)有降雨和蒸散發(fā)數(shù)據(jù)利用反距離權(quán)重插值計算法，對研究區(qū)域內(nèi)各點的降雨和潛在蒸散發(fā)進(jìn)行計算，并取計算結(jié)果的平均值；采用朝陽水文站的河流監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究區(qū)域的徑流量，并以1980～2015年期間為研究的年數(shù)據(jù)序列[8]。

2 研究方法

2.1 水文序列趨勢分析法

首先對雙累計曲線法和敏感性系數(shù)法的基本原理和計算過程進(jìn)行探討，然后利用降雨、蒸散發(fā)以及徑流序列等水文要素進(jìn)行大凌河流域的水文變化規(guī)律性分析，并計算自然狀態(tài)的水資源變化期(基準(zhǔn)期)和人類活動影響作用下(變化期)的水資源改變的分界點。

2.2 雙累積曲線法

水文序列的一致性分析可通過雙累積曲線偏移特性進(jìn)行表征，累積曲線形狀特征的變化代表著水文序列在不同影響條件下引起的改變情況，其基本原理是利用水文要素之間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立人類活動與水文過程之間的影響關(guān)系[9]?；鶞?zhǔn)期各水文各要素之間的線性關(guān)系可用下式表示：

∑Q=k∑P+b

(1)

式中，∑Q—累積徑流量；∑P—累積降雨量；k、b—計算參數(shù)。

設(shè)定大凌河在各種自然狀態(tài)和人類活動影響下，各演變時期的氣候變化情況保持同步，則人類活動影響對水文資源的徑流量變化情況可通過變化期模擬徑流量與實測徑流量的差值計算所得，計算公式如下：

ΔQhuman=mean(Q2c)-mean(Q2m)

(2)

在人類活動和氣候變化的共同作用下所引起的大凌河水資源徑流變化量可通過變化期實測徑流量和基準(zhǔn)期實測徑流量的差值計算所得，計算公式如下：

ΔQ=mean(Q2m)-mean(Q1m)

(3)

式中，ΔQ—共同影響作用下的徑流變化量；ΔQhuman—人類活動引起的徑流變化量；mean—計算結(jié)果的平均值；Q1m—流域基準(zhǔn)期徑流量的實測值；Q2m—流域變化期徑流量的實測值；Q2c—流域變化期徑流量的模擬值。

2.3 敏感性系數(shù)法

敏感性分析法是以水量平衡為基本原則，通過計算河流在不同氣候條件下的流域徑流量，對氣候變化引起的徑流影響進(jìn)行表征，水量平衡計算公式如下：

P=E+Q+ΔS

(4)

式中，E—河流的蒸散發(fā)量；ΔS—流域儲蓄量變化值，如所考慮的研究時期較長，則流域蓄水量變化值可視為0。

因氣候變化引起的降雨量與蒸散發(fā)之間的關(guān)系可用下式進(jìn)行計算：

(5)

式中，ω—植被相關(guān)性系數(shù)。

根據(jù)相關(guān)資料和計算經(jīng)驗可知，在研究流域內(nèi)年平均徑流量變化幅度小于50%時，可不考慮因其他因素所造成的流量變化，流域的徑流量變化值可由降雨和蒸散發(fā)的相對變化之差求得，計算公式如下：

ΔQclim=βΔP+γΔE0

(6)

式中，Qclim—氣候變化引起的河流徑流量變化值；ΔP、ΔE0—降雨和蒸散發(fā)引起的徑流量相對變化值；β、γ—降雨和蒸散發(fā)的敏感性系數(shù)。敏感性系數(shù)β、γ可通過以下方程計算：

(7)

式中，x—干燥系數(shù)，x可通過E0/P求得。

3 結(jié)果與討論

3.1 水文序列變化確實及分界點

對水文序列的研究結(jié)果表明：在1980～2015年大凌河流域的徑流、降雨以及蒸散發(fā)序列均表現(xiàn)出明顯的減少趨勢；而對于雙累積曲線法的計算結(jié)果表明：在2008年以前的徑流和蒸散發(fā)表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，在2008年以后則開始出現(xiàn)明顯的下降趨勢，且各水文序列的降雨變化情況無明顯的規(guī)律性。對大凌河流域水文要素進(jìn)行的敏感性分析的計算結(jié)果見表1。由表1可知，降雨和蒸散發(fā)在水文序列期間均呈現(xiàn)出下降趨勢，且降雨量變化情況無明顯的規(guī)律性。

表1 大凌河流域在1980～2015年的徑流、降雨及蒸散發(fā)序列的敏感性分析

注：※為置信水平達(dá)95%時的檢驗?zāi)芰?，h代表變化趨勢，slop代表曲線變化傾斜率，tau代表統(tǒng)計量值。

通過上述統(tǒng)計和分析，得出大凌河在2005年的降雨和徑流序列發(fā)生顯著改變，因此大凌河流域的水文序列分界點為2005年，該流域自然狀態(tài)下水文變化期(基準(zhǔn)期)為1980～2004年；人類活動作用下的水文變化期(變化期)為2006～2015年。在人類活動作用時期的大凌河徑流量、降雨量和蒸散發(fā)比自然狀態(tài)下分別降低了28%、15%和20%。

3.2 氣候變化與人類活動對水文水資源的影響

大凌河在變化期的降雨量、蒸散發(fā)以及徑流量比基準(zhǔn)期分別降低了126.4mm、118.0mm和172.5mm。在基準(zhǔn)期的河流干燥系數(shù)x為0.51，降雨與蒸散發(fā)的比值為0.48，；而在變化期河流的干燥系數(shù)x為0.45，降雨與蒸散發(fā)的比值為0.60。受人類活動和氣候環(huán)境變化影響，水文水資源的干燥系數(shù)降低了6%，而降雨與蒸散發(fā)的比值增大了20%[10]。根據(jù)大凌河的地質(zhì)地貌資料，該流域植被覆蓋物是以林草為主，故可取2.1，運用敏感性系數(shù)法的計算結(jié)果見表2。由表2可知大凌河流域受氣候變化影響，河流徑流量減少了77.6mm，權(quán)重比例為45%；因人類活動造成的徑流量減少了94.9mm，權(quán)重比例為55%。

表2 利用敏感系數(shù)法進(jìn)行氣候變化和人類活動對大凌河水文要素的影響變化定量分析

根據(jù)敏感性系數(shù)法計算結(jié)果，大凌河流域降雨與徑流的雙累積曲線是從2005年開始發(fā)生明顯的偏移，從而進(jìn)一步證明了分界點計算結(jié)果的可靠性；且基準(zhǔn)期的降雨徑流的關(guān)系系數(shù)為0.9986，將此系數(shù)代入文中介紹的相關(guān)公式可進(jìn)行變化期的模擬徑流量。雙累積曲線定量分析計算結(jié)果見表3，計算值和實測值之間的差距逐漸增大，即徑流量受人類活動影響正在不斷的減少，人類活動對徑流量的減少量為97.5mm，權(quán)重比例系數(shù)為66%，而氣候變化引起的徑流減少權(quán)重系數(shù)為34%。

表3 雙累積曲線定量分析計算結(jié)果

由表3計算結(jié)果可知，基準(zhǔn)期的徑流量變化值為18.3mm，而對于變化期的徑流量變化值為97.5mm。為了降低計算誤差的影響，提高變化期相對于基準(zhǔn)期的徑流變化的準(zhǔn)確性，本文采用簡單誤差傳遞法即對于基準(zhǔn)期的模擬徑流量分別減去平均誤差得到調(diào)整后的模擬徑流量，然后將基準(zhǔn)期的誤差值轉(zhuǎn)移至變化期。經(jīng)過誤差處理的雙累積曲線其基準(zhǔn)期實測徑流量和模擬流量與之前的計算結(jié)果保持了一致，表4為采用簡單誤差法計算的雙累積曲線定量分析計算結(jié)果。由表4可知，經(jīng)過簡單的誤差處理后，人類活動所引起的徑流量減少了79.2mm，人類活動和氣候變化對徑流量減少的權(quán)重系數(shù)分別為62%和38%，經(jīng)過誤差處理后的雙累積曲線計算結(jié)果人類活動影響權(quán)重系數(shù)降低了4%，其結(jié)算結(jié)果更加符合實際情況。

表4 采用誤差傳遞法的雙累積曲線定量分析計算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)降雨和蒸散發(fā)在水文序列期間均呈現(xiàn)出下降趨勢，且降雨量變化情況無明顯的規(guī)律性；大凌河在2005年的降雨和徑流序列發(fā)生顯著改變。

(2)在變化期的降雨量、蒸散發(fā)以及徑流量相對于基準(zhǔn)期有所降低；凌河流域受氣候變化影響，河流徑流量有所減少，權(quán)重比例為45%；因人類活動造成的徑流量有所減少，權(quán)重比例為55%。

(3)采用簡單誤差法計算的雙累積曲線定量分析計算結(jié)果表明：人類活動和氣候變化對徑流量減少的權(quán)重系數(shù)分別為62%和38%，這一結(jié)果更加符合實際情況。

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