張學(xué)知

(河北省衡水水文水資源勘測(cè)局，河北 衡水 053000)

0 引 言

近幾十年來(lái)，大多數(shù)河流水資源日益短缺，主要是由于人類活動(dòng)和氣候變化引起的。因此，對(duì)徑流變化的影響分析已成為研究的熱點(diǎn)。

氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水文的影響因地而異，因此通常在流域尺度范圍內(nèi)進(jìn)行研究。目前，許多方法被用來(lái)量化氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響程度。其中最常用的是長(zhǎng)時(shí)間序列資料的對(duì)比分析法、對(duì)比試驗(yàn)法、野外調(diào)查法和水文模擬法[1-2]。比較分析法需長(zhǎng)時(shí)間的水文氣象數(shù)據(jù)。對(duì)比試驗(yàn)方法通過(guò)人工改變?cè)囼?yàn)流域的自然地理?xiàng)l件(流域的一個(gè)或多個(gè)特征)來(lái)評(píng)估人類對(duì)徑流的影響。由于成本高，比較試驗(yàn)方法僅限于在較小的流域使用?？紤]到灌溉、工業(yè)和生活用水等人類活動(dòng)的影響以及大壩的調(diào)蓄作用，野外調(diào)查方法通過(guò)總結(jié)觀測(cè)徑流和人類主要用水類型，計(jì)算出“自然徑流”量。但其對(duì)人類活動(dòng)的詳細(xì)資料要求較高，限制了其應(yīng)用。水文模擬是分析各種驅(qū)動(dòng)因素引起的徑流變化最廣泛使用的方法。當(dāng)使用水文模擬方法時(shí)，需要以下步驟：首先，在沒(méi)有重大人類活動(dòng)的時(shí)期校準(zhǔn)水文模型，校準(zhǔn)的參數(shù)被認(rèn)為反映了自然水文狀況。其次，將擴(kuò)展期水文氣象數(shù)據(jù)輸入標(biāo)定模型，重建“自然徑流”。最后，通過(guò)比較自然徑流和觀測(cè)徑流，可以確定人類活動(dòng)引起的徑流變化[3-4]。在水文模擬法中，徑流形成的機(jī)理在有無(wú)人類活動(dòng)的時(shí)期是一致的。此外，不需要人類活動(dòng)的詳細(xì)資料。因此，本研究選擇水文模擬法。

目前，有關(guān)潴龍河流域的研究較少，現(xiàn)有研究很少側(cè)重于氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水文的長(zhǎng)期影響。因此，本研究的目的為：①探討潴龍河流域季節(jié)和年降水量、溫度和徑流的變化；②確定降雨徑流關(guān)系在過(guò)去50年中是否發(fā)生了變化；③定量評(píng)估氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響。

1 研究區(qū)概況

潴龍河位于河北省境內(nèi)，含沙量較大，其最大行洪能力為3 000 m3/s。近年來(lái)，隨著對(duì)白洋淀環(huán)境綜合整治的不斷加大及雄安新區(qū)的設(shè)立，潴龍河作為白洋淀主要的補(bǔ)水河流，河流水量得到充分的補(bǔ)給。

2 數(shù)據(jù)處理

為構(gòu)建SWAT模型，本文采用了14個(gè)雨量站的降水?dāng)?shù)據(jù)，以及1963-2015年6個(gè)氣象站的氣象數(shù)據(jù)。日氣象數(shù)據(jù)從中國(guó)氣象局下載[5-6]。本文采用紫荊關(guān)水文站 (1967-1975)、新蓋房水文站(1967-1975)和北郭村水文站(1966-2015)站的日徑流數(shù)據(jù)用于模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證。

本文高程數(shù)據(jù)采用90 m分辨率的STRM數(shù)據(jù)。本文采用1980年代的土地利用數(shù)據(jù)，其比例尺為1∶100 000，該數(shù)據(jù)來(lái)自UMD土地利用數(shù)據(jù)集。經(jīng)過(guò)土地利用重分類后，15種土地利用類型與SWAT數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。土壤數(shù)據(jù)采用HWSD數(shù)據(jù)庫(kù)[7]。研究區(qū)土壤類型共5種，分別為暗棕壤、草甸暗棕壤、白色土壤、草甸白色土壤和暗草甸土壤。本文建立了SWAT模型土壤數(shù)據(jù)庫(kù)，相關(guān)土壤屬性(如土壤深度、土壤質(zhì)地、土壤顆粒組成)從中國(guó)土壤地形學(xué)中獲得，部分土壤參數(shù)根據(jù)土壤質(zhì)地、有機(jī)物和礫石含量，采用土壤-植物-大氣-水模型(SPAW)中的土壤-水-特征模塊(SWCT)進(jìn)行計(jì)算。SWAT模型中難以獲得的土壤參數(shù)取自SWAT本地的土壤數(shù)據(jù)庫(kù)。本文采用3次樣條插值法將土壤粒徑由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。

3 研究方法

3.1 SWAT水文模型

SWAT模型是基于物理的分布式水文模型[8]。其主要輸入數(shù)據(jù)包括水流流向、水流路徑、池塘/水庫(kù)位置、侵蝕/沉積物位置、植物生長(zhǎng)屬性、營(yíng)養(yǎng)物含量、殺蟲(chóng)劑和土地管理方式等。日降雨量產(chǎn)生的地表徑流采用修正的SCS曲線計(jì)算，該方法根據(jù)當(dāng)?shù)赝恋乩?、土壤組成和前期土壤濕度估計(jì)徑流。本文SWAT模型采用Penman-Monteith公式估算裸地蒸發(fā)和蒸散量，并采用馬斯京根法進(jìn)行河道匯流驗(yàn)算。模型建立過(guò)程采用基于Arcgis軟件的ArcSWAT2012插件進(jìn)行建模。

3.2 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的分布評(píng)價(jià)

本研究中，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響包括人口增長(zhǎng)、農(nóng)業(yè)發(fā)展和工業(yè)發(fā)展導(dǎo)致的用水量增加、因人類活動(dòng)引起的土地利用/覆蓋變化(如水利工程建設(shè)、植被覆蓋變化、城市化和耕地面積變化)而增加或減少的徑流、跨流域調(diào)水引起的水量變化等。本文采用重建自然徑流法，將北郭村水文站1966-2015年的徑流量分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段為無(wú)重大人類活動(dòng)的基準(zhǔn)階段，第二個(gè)階段為受重大人類活動(dòng)影響的徑流突變階段。隨后，對(duì)水文模型參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，以反映基準(zhǔn)階段水循環(huán)的自然狀態(tài)。徑流變化期間的自然徑流通過(guò)僅改變氣象輸入而不改變?nèi)魏涡?zhǔn)參數(shù)和，并考慮當(dāng)?shù)厝祟惢顒?dòng)來(lái)構(gòu)建，這樣SWAT模型模擬的徑流幾乎不受氣候變化的驅(qū)動(dòng)。本文采用以下公式分離和量化氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響：

ΔRTOT=ROC-ROB

(1)

ΔRHUM=ROC-RRN

(2)

ΔRCLIM=RRN-ROB

(3)

ηHUM=RHUM/ΔRTOT×100%

(4)

ηCLIM=RCLIM/ΔRTOT×100%

(5)

式中：ΔRTOT為氣候變化和人類活動(dòng)引起的徑流變化，mm/年；ROC為徑流變化階段觀測(cè)徑流量的平均值，mm/年；ROB為基準(zhǔn)期觀測(cè)徑流量的平均值，mm/年；RRN為徑流變化階段在不考慮人類活動(dòng)影響下SWAT模型模擬的徑流量，mm/年；ΔRHUM為人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響，mm/年；ΔRCLIM為氣候變化對(duì)徑流的影響，mm/年；ηHUM為人類活動(dòng)對(duì)徑流變化影響占比；ηCLIM為氣候變化對(duì)徑流變化影響占比。

4 結(jié)果分析

4.1 降水、溫度和徑流變化的趨勢(shì)分析

研究氣象水文時(shí)間序列歷史的變化趨勢(shì)有助于分析氣候變化對(duì)水資源系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。在潴龍河流域，每年的1-5月份和10-12月份被認(rèn)為是旱季，7-9月份被認(rèn)為是澇及即汛期。在P=0.05顯著性水平下，本文采用非參數(shù)M-K檢驗(yàn)法[9]和t檢驗(yàn)法[10]分析了枯水期、豐水期和每年的(1966-2015)降水量、平均溫度、徑流深度和徑流系數(shù)的變化趨勢(shì)。趨勢(shì)大小由Sen斜率參數(shù)β計(jì)算。

表1給出斜率的計(jì)算結(jié)果。由表1可以看出，季尺度和年平均溫度均表現(xiàn)出顯著性增加趨勢(shì)，尤其是在旱季。在過(guò)去的50年內(nèi)，年降水量變化具有增加的趨勢(shì)，但并不顯著，其在季尺度上，旱季增加，澇季減少。與降水量相比，旱季徑流深度表現(xiàn)出顯著性下降趨勢(shì)。徑流系數(shù)是表征降水轉(zhuǎn)化為徑流能力的參數(shù)，除在汛期Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果外，其余檢驗(yàn)結(jié)果均呈顯著性下降趨勢(shì)。

上述研究結(jié)果表明，潴龍河流域的氣候變得越來(lái)越溫暖和干燥，年降水量有較少增加。年平均氣溫以0.037℃的速度上升，年徑流深度以每年1 mm的速度呈下降趨勢(shì)。徑流系數(shù)變化呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明在過(guò)去50年內(nèi)，該流域的產(chǎn)流能力變化呈下降趨勢(shì)。

表1 溫度、降水及徑流變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

4.2 基準(zhǔn)和徑流突變期的階段劃分

本文采用貝葉斯變點(diǎn)分析法和序聚類分析法對(duì)研究區(qū)北郭村水文站(1966-2015)年徑流量的突變點(diǎn)進(jìn)行了檢測(cè)。兩種方法的計(jì)算結(jié)果表明，徑流突變點(diǎn)發(fā)生在1974年。其中1966-1974年和1975-2015年的平均徑流系數(shù)分別為0.34和0.24。徑流的變化可能是由人類活動(dòng)和土地利用變化等因素引起的。中國(guó)人口普查局(1985年)和國(guó)家統(tǒng)計(jì)局(1990年)的調(diào)查報(bào)告顯示，1974年以前，中國(guó)人口數(shù)量較少，工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值增長(zhǎng)緩慢。潴龍河流域在20世紀(jì)60年代末和70年代初開(kāi)始關(guān)注農(nóng)業(yè)發(fā)展，并已建造大量的灌溉用水項(xiàng)目，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量獲得提高，受用水量增加等因素影響，流域徑流量受到嚴(yán)重影響。

根據(jù)突變點(diǎn)的分析結(jié)果和集水區(qū)的實(shí)際情況，在1966-1974年期間，人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響相對(duì)較弱，觀測(cè)到的徑流接近自然狀態(tài)。因此，本文將1966-1974年期間作為基準(zhǔn)期，1975-2015年期間作為徑流變化期。

4.3 SWAT模型的校準(zhǔn)和徑流重建

經(jīng)過(guò)參數(shù)敏感性分析，在1966-1969年間的北郭村水文站以及1967-1970年間的紫荊關(guān)水文站和新蓋房水文站本文采用SCU算法對(duì)水文模型參數(shù)進(jìn)行了率定。在校準(zhǔn)期間，Ens均大于0.76，R2均大于0.86，3個(gè)站每月的RE均小于10%。北郭村水文站年平均Ens，R2和RE分別為81.0%，90.2%和1.1%。本文采用1970-1974年間的北郭村水文站以及1971-1974年間的紫荊關(guān)水文站和新蓋房水文站驗(yàn)證了模型，在月尺度上，Ens值均大于0.76，R2值均大于0.88，RE均小于0.09。北郭村水文站的年平均Ens，R2和RE值分別為0.886、0.989和1.4 %。SWAT模型在校準(zhǔn)和驗(yàn)證期間對(duì)徑流模擬的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。本文對(duì)校準(zhǔn)和驗(yàn)證期間觀測(cè)和模擬的年平均徑流深也進(jìn)行了計(jì)算，可以看出其模擬效果較好，數(shù)值較為接近。但新蓋房水文站驗(yàn)證期模擬的徑流較差，可能是因?yàn)槠滢r(nóng)業(yè)發(fā)展較早，受人類活動(dòng)因素影響較大。新蓋房水文站的灌溉工程是在很早的時(shí)候開(kāi)發(fā)的。SWAT模型在基準(zhǔn)期校準(zhǔn)以及驗(yàn)證后，在不考慮當(dāng)?shù)厝祟惢顒?dòng)影響下，本文將徑流變化期的水文氣象數(shù)據(jù)用作模擬自然徑流。

表2 徑流模擬經(jīng)度的評(píng)價(jià)結(jié)果

4.4 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的評(píng)價(jià)

本文采用公式(1)-式(5)評(píng)估了1975-2015年4個(gè)時(shí)期氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，氣候變化對(duì)徑流的影響與降水量的變化具有相同的趨勢(shì)。在1976-1985，1986-1995和2006-2015年期間，徑流減少了-32.9，-59.5和-45.2 mm/年，但在1996-2005年期間，由于降水的異常增加，徑流增加了36.9 mm/年。在1975-1985，1986-1995，1996-2005和2006-2015年，人類活動(dòng)導(dǎo)致的徑流減少量(RHUM)分別為-32.9，-46.8，-67.8和-54.9 mm/年。在1975-1985，1986-1995，1996-2005和2006-2015年期間，人類活動(dòng)對(duì)年徑流的影響分別是氣候變化的0.9倍、0.8倍、1.8倍和1.2倍。從評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，1995年以前氣候變化對(duì)徑流的影響略大于人類活動(dòng)，而此后人類活動(dòng)的影響逐漸增加。兩者對(duì)潴龍河流域的徑流產(chǎn)生了不同程度的影響，在未來(lái)的水資源規(guī)劃和管理措施中這兩種影響因素均應(yīng)被考慮。

表3 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響評(píng)估結(jié)果

4.5 可能誘發(fā)徑流變化的驅(qū)動(dòng)因素分析

流域徑流受多種因素影響，氣候、土地利用/覆蓋和用水量等任何因素的變化都可能導(dǎo)致徑流的變化。

4.5.1 氣 候

區(qū)域氣候變化使氣溫顯著升高，降水量略有增加。由于流域蒸散量的增加，溫度升高可能會(huì)引起徑流量的減少。研究表明，溫度升高1.5℃將導(dǎo)致模擬的徑流量減少13 %，潛在蒸散量增加6.02 %?？偟膩?lái)說(shuō)，徑流應(yīng)隨降水量的增加而增加，但其也對(duì)降水量年內(nèi)分布的變化作出響應(yīng)(旱季增加，雨季減少)。從表2中還可以看出，當(dāng)下墊面相同時(shí)，汛期降水量的百分比越高，模擬的徑流量將越大。未來(lái)的研究應(yīng)詳細(xì)分析降水量的年內(nèi)分布變化對(duì)徑流量的影響。

4.5.2 人類活動(dòng)

土地利用是影響徑流的另一因素。潴龍河流域是河北省的主要農(nóng)業(yè)區(qū)之一，研究區(qū)的主要土地利用類型為森林/草地和農(nóng)田。由人類活動(dòng)引起的土地利用變化大約開(kāi)始于1978年。在河北省，由于糧價(jià)上漲，大面積的土地從天然林/草地變成了農(nóng)田。然而，在1990年代末，森林/草原后恢復(fù)的政策有助于加強(qiáng)林業(yè)保護(hù)和發(fā)展。20世紀(jì)80年代和2000年土地利用類型的比較結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 研究區(qū)主要土地利用類型的面積(1980和2000年) /hm2

由表4可以看出，林地和草地分別減少2.3%和1.3%，農(nóng)田(稻田和旱地)和居住區(qū)分別增加3.1%和0.1%。天然林/草地已被改造成農(nóng)田和住宅區(qū)。一些研究表明，森林通常比其他植物蒸發(fā)更多的水分，林地的減少增加了徑流。其他報(bào)告闡述了增加農(nóng)業(yè)用地和農(nóng)業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水(灌溉)增加和徑流減少。毫無(wú)疑問(wèn)，土地利用/覆蓋的綜合變化以非常復(fù)雜的方式影響著水資源。

4.5.3 不同降水量下人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響

為了分析人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響，本文將徑流變化期的降水量分為600 mm以下、600～700，700～800和800 mm以上4個(gè)時(shí)段。表5計(jì)算了各分區(qū)由人類活動(dòng)引起的平均徑流變化(RHUM)。由表5可以看出，當(dāng)降水量較大時(shí)，河流損失了更多的徑流量?？偟膩?lái)說(shuō)，人類在陸地表面的活動(dòng)和對(duì)河水的抽取對(duì)干旱年份的徑流的影響比濕潤(rùn)年份更大，因?yàn)樵诟珊的攴莨喔群推渌猛拘枰嗟挠盟?。而本文的研究結(jié)果恰恰相反，在潮濕年份徑流減少的更多。年平均ΔRHUM的絕對(duì)值從26.96 mm增加到70.39 mm，降水量從600 mm以下增加至800 mm以上，汛期和枯水期的平均ΔRHUM與年平均ΔRHUM具有相似的特征。當(dāng)年降水量低于600 mm/年時(shí)，人類活動(dòng)使枯水期徑流量增加了0.34 mm/年。

表5 不同降水量下ΔRHUM的平均值

5 結(jié) 論

降水量的變化趨勢(shì)并不顯著，氣溫的變化表現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)，徑流深度和徑流系數(shù)的變化表現(xiàn)出顯著性下降趨勢(shì)。近50年來(lái)，研究區(qū)降雨徑流關(guān)系發(fā)生了變化，產(chǎn)流能力變?nèi)?。氣候變化?duì)徑流的影響與降水具有相同的變化趨勢(shì)。徑流在1976-1985，1986-1995和2006-2015年期間分別減少36.7、59.5和45.2 mm/年，受氣候變化的影響，與基準(zhǔn)期相比，徑流在1996-2005年期間增加36.9 mm/年。在此時(shí)間段內(nèi)，人類活動(dòng)導(dǎo)致徑流分別減少了32.9，46.8，67.8和54.9 mm/年。受水利工程的調(diào)蓄影響，人類活動(dòng)對(duì)豐水年徑流減少的貢獻(xiàn)更大。本研究結(jié)果提高了對(duì)潴龍河利于氣候和人類活動(dòng)對(duì)流域徑流變化影響的認(rèn)識(shí)和理解，可為區(qū)域水資源管理提供參考。