付博超

(河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066000)

0 引 言

受氣候、流域特征和人類活動的影響，流域水文循環(huán)是一個復雜的過程。水量短缺以及水災害發(fā)生頻率越來越高[1]。在過去的幾十年里，許多河流的年徑流量顯著減少，帶來了一些水資源問題，特別是在干旱和半干旱地區(qū)，河流徑流受到氣候變化和人類活動的強烈影響，導致產(chǎn)徑流量發(fā)生顯著變化[2]。河流徑流變化的驅(qū)動因素因河而異，并隨著時間而變化[3]。為了更有效地管理水資源，有必要了解在變化環(huán)境下徑流的產(chǎn)生和變化。此外，定量評價不同因素對徑流的相對影響對區(qū)域水資源評價和開采具有重要意義。

氣候是徑流變化的主要驅(qū)動因素，同時包括降水、溫度、蒸散發(fā)以及人類活動[4]。人類活動對中國北方徑流的影響通常是通過計算它們對水量平衡方程各組成部分的影響來評估的。因供水和用水條件復雜且變化迅速，所以該種分析方法較為困難。其他分析方法如回歸分析、敏感性分析和水文模型模擬法最近被用來解決這個問題。敏感性分析[5]是一個廣泛采用的方法，其用于評估年徑流對降水量和蒸散量變化的響應。灤河作為中國河北地區(qū)的一條大河，其為1億人口提供淡水。灤河流域的經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)相對發(fā)達，由于土壤的高肥力，被稱為中國國家農(nóng)林生產(chǎn)基地[6-7]。目前，對小流域徑流變化的研究只是簡單地分析支流和整個流域年徑流趨勢的變化，很少有研究介紹季節(jié)性和月徑流的變化以及徑流的其他特征，如高徑流量(Q5)、低徑流量(Q95)和中徑流量(Q50)的變化。因此，鑒于流域內(nèi)人類活動影響的加劇，有必要量化氣候變化和人類活動對徑流變化的相對影響，以便更好地管理水資源。

本文以灤河流域為研究區(qū)，采用1953-2011年間近59年的徑流資料，研究目的如下:①研究年、季、月尺度上徑流的變化；②確定年徑流變化的轉(zhuǎn)折點(即突變點)，將整個徑流時期劃分為基準參考期(自然期)和人類影響期，通過比較人類影響期和自然期的結(jié)果，采用水文敏感性分析方法量化降水、蒸散和人類活動對徑流變化的相對影響；探討人類活動對徑流變化的主要影響方式。本文的研究結(jié)果可為未來灤河流域水資源管理提供重要參考。

1 研究區(qū)概況

灤河位于海河流域北部，是天津、唐山和承德市最重要的水源地。灤河發(fā)源于河北省和內(nèi)蒙古交界處，全長888 km，在樂亭縣與渤海匯合，有8條主要支流流入該河，其年平均徑流量為2.45×109m3。灤河流域的土地利用類型主要包括森林、農(nóng)業(yè)、草原和城區(qū)。潘家口和大黑汀水庫是天津和唐山的主要飲用水源地[8]。

2 數(shù)據(jù)處理和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

本文采用灤河流域內(nèi)及附近均勻分布的11個氣象站以及6個水文站，時間長度為1953-2011年，數(shù)據(jù)來自國家氣象局氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)[9]。為了確保數(shù)據(jù)準確，首先將數(shù)據(jù)中的異常值去掉；其次，當數(shù)據(jù)中存在大于5年的數(shù)據(jù)缺失時，該站點的數(shù)據(jù)將被去除。當數(shù)據(jù)存在缺失時，采用距離該站點最近且數(shù)據(jù)的相關(guān)性R2較好的站點向其插值。研究區(qū)的平均降水量、平均溫度、平均潛在蒸散發(fā)量(E0)采用泰森多邊形法計算[10]。流域內(nèi)年劃分為4個時期：1-3月、4-6月、7-9月、10-12月份。日徑流量的長度為1953-2011年。各站之間數(shù)據(jù)的相關(guān)性均大于0.6，表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。1980、2000和2010年的土地利用數(shù)據(jù)以及NDVI數(shù)據(jù)來自AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer)[11]，NDVI數(shù)據(jù)長度為1982-2011年，數(shù)據(jù)從地理科學數(shù)據(jù)云平臺獲得。本文采用Arcgis對NDVI處理上述數(shù)據(jù)。河北省的統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括人口、GDP、農(nóng)田灌溉面積、糧食產(chǎn)量，數(shù)據(jù)長度為1953-2011年，來自國家統(tǒng)計局。

2.2 研究方法

為了分析年徑流量和季節(jié)徑流量，本文采用以下統(tǒng)計變量:①平均徑流量；②徑流量百分位閾值:Q5、Q50和Q95；③低徑流量和高徑流量之間的變化率為:Q95:Q50和Q5:Q50，其中Q50表示年或季度徑流量的中位數(shù)。

2.2.1 趨勢分析

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗[12-14]被廣泛用于檢測氣象要素時間序列的趨勢變化及是否發(fā)生顯著性變化。其計算方法如下：

定義統(tǒng)計量S：

(1)

(2)

趨勢計算公式為：

(3)

(4)

Z值被用于判斷時間序列的變化趨勢，當Z大于0時，表明序列具有增加趨勢；當Z小于0時，表明序列具有減少趨勢。在顯著性水平α下，當|Z|≥Z1-α/2時，表明時間序列存在顯著性變化趨勢。本文趨勢Z的大小即斜率采用Sen法[15]計算。該方法對趨勢變化幅度的估計較為可靠，已被廣泛用于識別水文和氣候時間序列中趨勢線的斜率。其計算方法如下：

(5)

式中：1

2.2.2 突變點分析

突變點分析采用Pettitt檢驗[16]，對于待檢驗樣本x1,…,xt和xt+1,…,xN，統(tǒng)計量P的計算方法如下：

(6)

當(Xt-Xj)>0, sgn(Xt-Xj)=1

當(Xt-Xj)=0 , sgn(Xt-Xj)=0

當(Xt-Xj)<0 , sgn(Xt-Xj)=-1

(7)

KN=max1≤t≤N|Ut,N|

(8)

P?2*exp{-6(KN)2/(N3+N2)}

(9)

2.2.3 水文敏感性分析方法

對于一個給定的流域，假設(shè)其年徑流變化的計算公式為：

(10)

考慮氣候變化和其他因素影響下，年徑流變化總量的計算公式如下：

(11)

(12)

φP=(1+2x+3ωx)/(1+x+wx2)2

(13)

φE0=(1+2ωx)/(1+x+wx2)2

(14)

式中：ΔP，ΔE0為降水和潛在蒸散發(fā)量的變化，E0采用FAP推薦的Penman-Monteith公式計算；φP，φE0為徑流對于P和E0的敏感性系數(shù)；x為干燥指數(shù)，其為E0和P的擬合函數(shù)；ω為0.39。

(15)

(16)

3 結(jié)果分析

3.1 徑流年內(nèi)和年際間變化

圖1給出不同時間尺度灤河流域徑流量的M-K趨勢Z和Sen斜率求解結(jié)果。由圖1可知，在1953-2011年，年徑流量表現(xiàn)出顯著性下降趨勢(P<0.001)，其斜率為-1.458 m3·s-1/年，Z值為-3.54，徑流的最大值和最小值出現(xiàn)在1954和2003年，其數(shù)值分別為294.7和11.3 m3/s。除了1-3月份，其他季度的徑流量均表現(xiàn)出顯著性下降的趨勢(P<0.001)，其斜率的最大值出現(xiàn)在7-9月份，為-3.998 m3·s-1/年，對應的Z值為-3.53。季度徑流量的最大值出現(xiàn)在50年代，其最小值出現(xiàn)在1980-1985年和2000-2005年。1-3月份表現(xiàn)出現(xiàn)出下降趨勢，其斜率值最小為-0.051 m3·s-1/年，其Z值為-1.15 m3/s。

圖1 1953-2011年灤河流域徑流量的M-K和Sen斜率值

圖2給出灤河流域不同時間尺度Pettitt突變點統(tǒng)計量KN值的結(jié)果，水平線代表不同的顯著性水平，當KN的最大值和最小值出現(xiàn)在水平線包圍的范圍以外時，表明該點為顯著性突變點。由圖2可以看出，各時間尺度均無顯著性突變點，其年徑流量的突變點和累積距平曲線保持一致，其在1964、1984和1998年以后分別表現(xiàn)出下降、增加和減小的趨勢。因此，這個年徑流量可以分為4個時期：1953-1964、1965-1984、1985-1998和1999-2011。在1953-1964年，年徑流量的平均值最大為159.6 m3/s，在1965-1984、1985-1998和1999-2011年，年徑流量的平均值分別為55.9，119.2和51.2 m3/s，均小于1953-1964年。4個時段內(nèi)徑流在年際間的變化較為相似。不同季度年徑流量的突變點分別為1964、1985和1998。在4-6月份其第一個突變點即1964年表現(xiàn)不顯著，因此其只存在兩個突變點。

對于月徑流量，1、2和5月份表現(xiàn)出上升的趨勢，其Z值分別為0.58、0.93和3.31，斜率分別為0.015、0.020和1.039，只有5月份表現(xiàn)出顯著性變化。其他月份均表現(xiàn)出減小的趨勢，大部分月份均達到顯著性水平，斜率的最大值和最小值出現(xiàn)在8和12月份，其斜率分別為-4.139 m3·s-1/年(P<0.01)和-0.127 m3·s-1/年(P<0.05)。

3.2 徑流量變化特點

表1給出自然期和人類活動影響期年徑流和月徑流的特征比較結(jié)果，其中1953-1964為基準期或自然期，其他時間段為人類活動影響期。由表1可以看出，1953-1964年間的Q5、Q50和Q95大于人類活動影響期中的1965-1984年和1999-2011年。1953-1964和1965-1984相比，Q5在年和季節(jié)尺度上均表現(xiàn)出顯著性減小，其變化范圍為-55.6%～-77.9%，在年尺度上其最大減小比例為-77.9%。除4-6月份，Q95也表現(xiàn)出減小的趨勢，其在7-9月份的下降比列最大為-74.6%。除7-9月份，Q5/Q95在年和季尺度上均表現(xiàn)出減小的趨勢，最大下降比例為-59.3%。相反，Q95/Q50在不同時期均沒有表現(xiàn)出明顯的變化。1953-1964和1985-1998年相比，Q5表現(xiàn)出減小的趨勢，其在年和季尺度上的減小比列分別為-1.3%和-51.4%，最大下降速率出現(xiàn)在1-3月份。除7-9月份，Q95表現(xiàn)出增加的趨勢，在年尺度上其最大增加比例為75.8%。Q5/Q50在7-9月份表現(xiàn)出增加趨勢，其增加比例為114.6%，在其他月份均表現(xiàn)出減小的趨勢。

圖2 Pettitt突變點及其顯著性檢驗結(jié)果

表1 自然期和人類活動影響期年徑流和月徑流的特征比較 /m3·s-1

續(xù)表1

3.3 氣候和非氣候因素對徑流變化的影響

3.3.1 氣候變化對徑流變化的影響

本文采用水文敏感性分析方法定量分析氣候和人類活動對徑流變化的影響，其結(jié)果見表2。由表2可以看出，氣候變化和人類活動的相對貢獻率在1965-1984年期間分別為43.4%和55.6%，在1985-1998年期間分別為28.3%和128.3%，在1999-2011年期間分別為24.1%和75.9%。在人類活動期間包括溫度、降水和E0在內(nèi)的氣候變量的變化見圖3。1953-2011年期間的年平均氣溫表現(xiàn)出顯著的上升趨勢，年平均氣溫的上升斜率為0.026℃/年(P<0.001)。最高和最低氣溫分別出現(xiàn)在1969和2007年，分別為5.5℃和8.8℃。在過去幾十年中，年降水量表現(xiàn)出劇烈的變化和顯著的下降趨勢(P<0.05)，Sen斜率值為1.428 mm/年。與1953-1964年年平均降水量相比，1965-1984和1999-2011年間觀測到的降水量分別減少51.8和97.2 mm。同時，1965-1982和1999-2011年期間的年E0分別比基準期上漲57.2和91.6 mm，這加劇了徑流下降。在1985-1998年期間，徑流表現(xiàn)出增加的趨勢，與基準期相比，E0減少37.0 mm，其降雨量略有增加，增加了5.2 mm。

4個時期降雨量和徑流深度的比較結(jié)果可知，K1953-1964(為0.29)>K1999-2011(為0.14)>K1985-1998(為0.13)>K1965-1984( 為0.03 )，表明流域的產(chǎn)流能力在基準期(1953-1964年)最大，在人類活動影響期(1965-1984年)最弱。

3.3.2 土地利用對徑流變化的影響

1980-2010年間灤河流域土地利用變化量見表3。由表3可以看出，林地面積減少4.5%，耕地面積減少3.9%，草地面積增加3.8%，城市面積增加2.8%。這些變化主要原因是開墾和城市化快速建設(shè)導致林地和農(nóng)田向草地和城市地區(qū)轉(zhuǎn)化造成的。自20世紀80年代初以來，大規(guī)模的城市建設(shè)占用了林地和農(nóng)田，導致林地退化并轉(zhuǎn)化為草地。2000-2010年期間，草地(0.8%)和城市(0.9%)的土地利用略有變化，而其他土地利用類型的面積保持穩(wěn)定。自1999年退耕還林工程開始以來，林地和草地得到保護，因此在2000-2010年期間，這些類型沒有發(fā)生明顯變化。城市面積略有增加，主要與大城市和郊區(qū)建設(shè)有關(guān)。

表2 1965-2011年氣候變化和人類活動對徑流深變化的貢獻率

圖3 1953-2011年年平均溫度、年降水量和年潛在蒸散量的M-K及Sen斜率計算結(jié)果

表3 1980-2010年灤河流域土地利用變化

4 結(jié) 論

本文分析了灤河流域近59年的徑流變化特點，主要結(jié)論如下：

1) 在過去的59年中，年平均徑流量和季節(jié)平均徑流量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，尤其在7-9月份。就月平均徑流量而言，1、2和5月份表現(xiàn)出上升的趨勢，而其他月份的徑流量呈下降趨勢，大多數(shù)趨勢達到顯著性水平。

2) 1964、1984和1998年被確定為徑流變化的轉(zhuǎn)折點?；鶞势诨蜃匀黄诘腝5、Q95和Q50的徑流量高于兩個人類活動影響期1965-1984和1999-2011年。

3) 降水和蒸散發(fā)對整個流域徑流變化的影響分別為3.8%～28.0%和7.4%～24.5%，而人類活動的影響為56.6%～128.3%，表明與氣候變化相比，人類活動對徑流量控制方面起主導作用。在1985-1998年期間，人類活動影響最大。