王盛，李文靜，王金鳳

(山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000)

氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水文水資源的影響一直是全球變化研究的重要課題之一，也是人類(lèi)社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn).IPCC AR5指出，20世紀(jì)中葉以來(lái)，全球幾乎所有地區(qū)都經(jīng)歷了升溫過(guò)程[1]，而北半球中緯度地區(qū)的變暖幅度最顯著[2].氣候變化將改變?nèi)颥F(xiàn)有的水文循環(huán)過(guò)程，加劇極端水文事件的發(fā)生，引起水資源在不同時(shí)空尺度的重新分配，并對(duì)降水、蒸散發(fā)、徑流形成以及土壤濕度等造成直接且不容忽視的影響[3-7].隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人為因素對(duì)流域水資源和水循環(huán)的干擾日益加劇，自然系統(tǒng)水循環(huán)原有的規(guī)律和平衡被打破，水循環(huán)和徑流演變規(guī)律受自然變化和人類(lèi)活動(dòng)雙驅(qū)動(dòng)力的作用形成“二元水循環(huán)”系統(tǒng)[8-9].陸地生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)過(guò)程的變化會(huì)對(duì)水資源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而給人類(lèi)的水資源開(kāi)發(fā)與利用帶來(lái)重大挑戰(zhàn)[10-13].因此，定量分析氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水文水資源的影響范圍和程度，不僅對(duì)水文生態(tài)環(huán)境影響研究具有重要的科學(xué)價(jià)值，也對(duì)區(qū)域水資源的合理開(kāi)發(fā)利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展以及制定變化環(huán)境下水資源的適應(yīng)性對(duì)策等具有重要意義.

太行山是海河流域的主要發(fā)源地和產(chǎn)流區(qū)，發(fā)育了桑干河、滹沱河和漳河等河流，素有“華北水塔”之稱(chēng)，每年為京津地區(qū)提供20億m3水資源，供水占比高達(dá)70%.近年來(lái)，太行山區(qū)(尤其是滹沱河流域)地表水資源劇減問(wèn)題十分突出，嚴(yán)重威脅中下游地區(qū)的水資源安全[14].1957～2000年，滹沱河徑流量呈現(xiàn)顯著的減少趨勢(shì)(減少速率為1.20 mm/a)，其中1960s～1990s的平均減少速率為0.97 mm/a.同時(shí)段內(nèi)流域年降水量也呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì)，平均減少速率為5.17 mm/a[15-16].滹沱河地表徑流的減少主要原因是氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)，Wang等[16]借助集總式水文模型、水文敏感性分析和氣候彈性系數(shù)法，估算得出1957～2000年滹沱河流域徑流減少70%歸因于氣候變化，30%歸因于人類(lèi)活動(dòng).而Xu[17]認(rèn)為由于非汛期過(guò)度農(nóng)業(yè)灌溉等用水需求的加劇，造成滹沱河已由常年河流變?yōu)榱思竟?jié)性河流.

目前，對(duì)于滹沱河徑流演變規(guī)律的相關(guān)研究，多側(cè)重于徑流或降水等單要素，而對(duì)引起徑流變化的歸因分析多集中于2000年之前，持續(xù)性關(guān)注不足.因此，本研究以滹沱河上游流域?yàn)檠芯繀^(qū)，利用流域周邊1957～2017年的水文氣象數(shù)據(jù)，基于Mann-Kendall趨勢(shì)和突變檢測(cè)、流量歷時(shí)曲線(xiàn)和水文敏感性分析等方法，分析滹沱河流域的水文氣象變化特征，從氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)兩個(gè)方面定量探討徑流變化的影響因素，以期為流域水資源的優(yōu)化管理、規(guī)劃和決策提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

滹沱河屬海河流域子牙河水系，發(fā)源于山西省繁峙縣泰戲山孤山村一帶，向西南流經(jīng)恒山與五臺(tái)山之間，至界河折向東流.本研究關(guān)注的滹沱河上游流域?yàn)樾∮X(jué)水文站以上的區(qū)域(N 38°～40°，E 112°～114°30′，圖1)，大部位于山西省境內(nèi)，流域面積14 631 km2，主要支流包括峨河、陽(yáng)武河、云中河、牧馬河和清水河等.流域地處溫帶半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，屬溫帶大陸性季風(fēng)性氣候.流域多年平均氣溫8.2 ℃，年降水量471.3 mm，潛在蒸發(fā)量1 584.4 mm.地表徑流主要由降水補(bǔ)給，年均徑流量6.13×108m3.流域天然植被覆蓋度很高，草地和林地面積超過(guò)流域總面積的70%.區(qū)內(nèi)水利工程眾多，資料顯示地表水供水工程共有3 472處，其中中型供水工程19處(包括中型水庫(kù)12座)[18].

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究涉及的數(shù)據(jù)主要包括流域內(nèi)部及其周邊的氣象、水文和遙感數(shù)據(jù).氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于太原、平定、石家莊、原平、蔚縣、太谷、代縣、靈丘、朔州、五臺(tái)山和五寨共11個(gè)國(guó)家氣象站，主要采用1955～2017年的月尺度氣溫、降水和潛在蒸發(fā)量資料.水文數(shù)據(jù)采用流域出口水文站(小覺(jué)站)1957～2013年的月徑流數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來(lái)源于中華人民共和國(guó)水文年鑒海河流域水文資料.遙感數(shù)據(jù)包括覆蓋流域的土地利用/覆被變化(LUCC)和數(shù)字高程模型(DEM).其中，LUCC數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)資料，主要用于獲取流域土地利用現(xiàn)狀及變化狀況.共采用了1990年和2010年兩期資料，為空間分辨率100 m×100 m的柵格數(shù)據(jù).DEM采用SRTM90數(shù)據(jù)，主要用于提取流域邊界和地形信息.

圖1 滹沱河流域概況Figure 1 Location of the Hutuo River Basin

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall趨勢(shì)和突變檢測(cè)法 滹沱河上游流域水文氣象年際變化序列的趨勢(shì)及突變點(diǎn)診斷采用Mann-Kendall方法，該方法診斷樣本不需要遵從一定的分布特征，也不受少數(shù)異常值的干擾，計(jì)算簡(jiǎn)便，是世界氣象組織推薦并廣泛應(yīng)用的一種非參數(shù)趨勢(shì)及突變檢測(cè)方法[19-20].

1.3.2 水文敏感性分析法 水文敏感性可以描述為年均徑流量的變化率隨降水和潛在蒸發(fā)的變化.水量平衡方程為：

P=E+Q+ΔS

式中，P為降水量，E為實(shí)際蒸散發(fā)量，Q為徑流量，ΔS為流域儲(chǔ)水量變化(多年平均尺度上，ΔS可忽略).

可用的能量和水是決定蒸發(fā)速率的主要因素，這為估算實(shí)際蒸散發(fā)量提供了理論框架.基于此，多年平均蒸散發(fā)量的計(jì)算公式為[21]：

式中，ω為植被可利用水系數(shù)，E0為潛在蒸散發(fā)量.

年水量平衡主要由降水(P)和潛在蒸散發(fā)(E0)兩個(gè)氣象因子控制，其變化會(huì)直接引起年徑流量(ΔQclimate)變化[22-23].三者關(guān)系可由下式表示[24]：

ΔQclimate=βΔP+γΔE0

式中，β為徑流對(duì)降水的敏感性系數(shù)，γ為徑流對(duì)潛在蒸散發(fā)的敏感性系數(shù).敏感性系數(shù)可由下式計(jì)算[25]：

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫、降水和徑流的年際變化及突變分析

滹沱河上游流域氣溫、降水和徑流的年際變化趨勢(shì)和突變狀況見(jiàn)圖2.基于Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)方法，1957～2017年，流域氣溫的年際變化呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，增溫幅度為0.39 ℃/10 a；而降水的下降趨勢(shì)不顯著，減少幅度僅為1.67 mm/10 a.同時(shí)，從1957年以來(lái)，流域徑流呈現(xiàn)顯著的減少趨勢(shì)，平均減少量為0.15×108m3/a.Mann-Kendall突變檢驗(yàn)的結(jié)果表明，氣溫(UF和UB線(xiàn)的交點(diǎn)位于95%的置信區(qū)間外)和降水的年際變化序列未出現(xiàn)突變點(diǎn)，而年徑流序列在1979年發(fā)生突變.除1959年外，徑流突變檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量UF均小于0，突變發(fā)生后，UF在1981年迅速超過(guò)了95%的顯著性水平，其后在1984年超過(guò)了99%的顯著性水平，說(shuō)明徑流的持續(xù)減少趨勢(shì)十分顯著.分析突變前后滹沱河年徑流量的變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)時(shí)段內(nèi)徑流量均呈減少趨勢(shì)，突變前減少量達(dá)到0.21×108m3/a；而突變后減少趨勢(shì)有所減緩，減少量?jī)H有0.08×108m3/a.除1988年和1994～1996年是較豐水的年份外，流域徑流已降低至較低水平.此外，流域多年平均徑流量由突變前的8.94×108m3減少至突變后4.23×108m3，減少量超過(guò)50%.氣候因素是引起徑流變化的最基本條件，其中氣溫主要通過(guò)影響蒸散發(fā)起到間接作用，而降水作為徑流最重要的補(bǔ)給來(lái)源直接影響徑流變化.對(duì)比1979年前后流域氣溫和降水的年際變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，1979年之前氣溫呈極微弱的上升趨勢(shì)(0.06 ℃/10 a)，而降水呈減少趨勢(shì)(-7.45 mm/10 a)，說(shuō)明降水減少很可能是造成這一時(shí)期徑流顯著減少的關(guān)鍵自然因素；而1980年之后氣溫呈顯著的上升趨勢(shì)(0.56 ℃/10 a)，而降水也呈增加趨勢(shì)(15.55 mm/10 a)，氣溫上升引起蒸散發(fā)的增加抵消了降水增加對(duì)徑流量的補(bǔ)給，加之人類(lèi)活動(dòng)的影響逐漸加大，因此這一時(shí)期徑流變化的原因較為復(fù)雜.

圖2 滹沱河流域徑流(A)、氣溫(B)和降水(C)的年際變化及突變分析Figure 2 Interannual variation of runoff (A)，air temperature (B)，precipitation (C) and the abrupt change analysis in the Hutuohe River Basin

2.2 年內(nèi)徑流格局的變化特征

滹沱河徑流量的年內(nèi)分配不均，集中于汛期(6～10月).汛期多年平均徑流量為4.07×108m3，占全年的66.4%.圖3-A顯示了突變前后月平均徑流的變化情況，整體上突變前后各月徑流均出現(xiàn)不同程度的減少.1957～1979年，除在夏季存在峰值外，月徑流在3月份也存在一個(gè)極小的峰值，這可能是積雪消融引起的，但1980年之后此峰值消失.從徑流的絕對(duì)減少量來(lái)看，徑流減少集中于汛期(尤其是夏季)，6～10月徑流減少量為3.16×108m3，占全年的70%.從徑流的相對(duì)減少率來(lái)看，除5～6月以外，月徑流減少均在47.7%(8月)以上，最高達(dá)65.2%(7月).分析引起月徑流變化的氣候因素(圖3-B～C)發(fā)現(xiàn)，各月氣溫均有所升高，其中冬季升溫幅度最大，夏季最小.3月增溫率為全年最大，高達(dá)81.3%，氣溫對(duì)徑流的負(fù)反饋可能是造成3月小峰值消失的主要原因.突變前后的月平均降水總體上變化不大(圖3-C)，絕對(duì)量介于-17.7～14.0 mm之間，而相對(duì)變化率介于-32.7%～27.9%之間.

流量歷時(shí)曲線(xiàn)(FDC)用于描述特定流域某一時(shí)段內(nèi)徑流量發(fā)生頻次與流量之間的關(guān)系，反映了超過(guò)某一徑流量發(fā)生的時(shí)間百分比[26-27].根據(jù)突變年份，將月徑流序列分為1957～1979年和1980～2013年2個(gè)時(shí)段來(lái)對(duì)比流量歷時(shí)曲線(xiàn)和徑流的相對(duì)變化率(圖4).與突變前時(shí)段相比，突變后滹沱河流域FDC存在顯著下移，說(shuō)明在任何流量頻次的河流徑流量均有所減少.從突變前后徑流在各頻次的相對(duì)減少率來(lái)看，除極高流量部分外(頻率<5%)，各頻率對(duì)應(yīng)的月徑流相對(duì)減少率呈線(xiàn)性減少趨勢(shì)(決定系數(shù)R2=0.82)，從70%持續(xù)減少至30%.流域徑流量的變化差異可以使用流量特征指標(biāo)表示，該指標(biāo)描述為特征頻次下的流量與50%頻次下的流量(Q50)之比，其比值越接近1說(shuō)明徑流的年內(nèi)分配越均衡[26-27].根據(jù)滹沱河的水文特征，選擇1%(Q1)和5%(Q5)頻次下的流量代表高流量，90%(Q90)和95%(Q95)頻次下的流量代表低流量.表1展示了突變前后及整個(gè)研究時(shí)段的高流量和低流量特征指標(biāo)，與1957～1979年相比，1980～2013年兩個(gè)低流量特征指標(biāo)都有所增大，而高流量特征指標(biāo)(Q5/Q50)有所減小，極高流量特征指標(biāo)(Q1/Q50)有所增大.目前，流域徑流量顯著減少，處于較低水平.在此背景下，流域徑流的年內(nèi)分配更加趨于均勻，季節(jié)變化的差異減小.

圖3 突變前后流域月平均徑流(A)、氣溫(B)和降水(C)的變化對(duì)比Figure 3 The comparison among average monthly runoff (A)，air temperature (B) and precipitation (C) before and after the abrupt change year

圖4 突變前后流量歷時(shí)曲線(xiàn)對(duì)比Figure 4 Changes of flow duration curves before and after abrupt change year

表1 不同時(shí)段流量歷時(shí)曲線(xiàn)特征值指標(biāo)

2.3 徑流變化影響因素的定量分析

基于多年平均尺度上的流域水量平衡方程，1957～1979年流域多年平均實(shí)際蒸散發(fā)量E(423.8 mm)為降水量P(484.8 mm)與徑流深Q(61 mm)之差，而年平均潛在蒸散發(fā)E0為1 560.6 mm.通過(guò)多年平均蒸散發(fā)量公式反推，得出流域平均植被可利用水系數(shù)ω為0.36；進(jìn)而計(jì)算得出徑流對(duì)降水β和潛在蒸散發(fā)γ的敏感性系數(shù)分別為1.07和0.42.基于水文敏感性分析法的模型原理，突變前后降水減少量ΔP和潛在蒸散發(fā)的增加量ΔE0分別為28.1和51.6 mm，最終得到1980～2013年氣候變化引起的徑流深減少量ΔQclimate為8.6 mm.根據(jù)實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)，突變前后徑流實(shí)際減少量為32.2 mm，因此，與1957～1979年相比，1980～2013年的徑流減少有26.7%歸因于氣候變化，而有73.3%歸因于人類(lèi)活動(dòng).

3 討論

3.1 氣候變化對(duì)徑流減少的影響

突變前后流域徑流與潛在蒸發(fā)(A)和降水(B)的關(guān)系見(jiàn)圖5所示.整體上年徑流與潛在蒸發(fā)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與降水呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系.在突變前后的兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，年徑流與潛在蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)R2由0.19變化至0.11，而與降水的相關(guān)系數(shù)R2由0.58下降至0.35.由此可見(jiàn)，與潛在蒸發(fā)相比，降水與徑流的相關(guān)性更強(qiáng)，突變前后，徑流與潛在蒸發(fā)和降水的相關(guān)性均明顯降低.一方面再次驗(yàn)證了降水極可能是控制突變前時(shí)段徑流變化的關(guān)鍵自然因素；另一方面說(shuō)明突變后時(shí)段氣候變化對(duì)徑流的影響程度逐漸減弱.對(duì)比突變前后徑流與降水的線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)(圖5-B)，2條直線(xiàn)的斜率非常接近，幾近平移關(guān)系，說(shuō)明在同等量級(jí)的降水條件下，突變前后產(chǎn)生的徑流存在顯著差異，徑流深約減少了22 mm，而平均徑流系數(shù)(徑流量/降水量)由0.13下降至0.06，流域地表產(chǎn)流能力明顯下降.

圖5 1979年前后流域徑流與潛在蒸發(fā)(A)和降水(B)的關(guān)系Figure 5 Relationship between runoff and potential evaporation (A) or precipitation (B) before and after 1979

3.2 土地利用/覆被變化對(duì)徑流減少的影響

從滹沱河流域2010年土地利用圖(圖6)可以看出，流域最主要的土地類(lèi)型為草地、耕地和林地，合計(jì)覆蓋面積14 062.7 km2(96.1%)，其中耕地多分布在山間河谷地帶.1990～2010年土地利用面積變化的轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表2.由表2可見(jiàn)，1990～2010年林地面積的凈減少最多(87.4 km2)，水域次之(31.1 km2).林地主要轉(zhuǎn)換為草地和建設(shè)用地，其中建設(shè)用地的凈轉(zhuǎn)化面積達(dá)到12.6 km2.水域面積的減少主要是天然河道的萎縮，其次是河谷開(kāi)辟為耕地.河道萎縮受到天然年徑流減少和上游用水量增加的雙重影響.1980年以來(lái)，流域水資源的開(kāi)發(fā)利用程度進(jìn)入高峰，持續(xù)超過(guò)40%的國(guó)際公認(rèn)警戒線(xiàn)，甚至在2000年后的個(gè)別年份超過(guò)80%[28].建設(shè)用地的面積凈增加最多，達(dá)到67.5 km2，主要來(lái)源于新增耕地的轉(zhuǎn)換，這也間接造成耕地面積的增加僅有11.2 km2.建設(shè)用地的激增直接體現(xiàn)了1990年以來(lái)流域內(nèi)主要縣市工農(nóng)業(yè)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速推進(jìn).這些地區(qū)工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)消耗水量很大，如2000年流域內(nèi)部及其周邊的定襄縣、忻州市和原平市取水量已達(dá)當(dāng)?shù)厮Y源總量的95.3%、81.5%和54.5%[29].同時(shí)地下水消耗量巨大，間接影響地表水資源的變化，如2004年流域內(nèi)部的忻州盆地地下水開(kāi)采已占總排泄量的56%[30].

4 結(jié)論

1957～2013年，滹沱河上游徑流呈顯著的減少趨勢(shì)，減少速率為0.15×108m3/a.徑流的年際變化序列在1979年發(fā)生突變，突變前后年徑流均呈減少趨勢(shì).與1957～1979年相比，1980年之后徑流的減少趨勢(shì)有所減緩，僅為之前的38%，而多年平均徑流的減少量超過(guò)50%.同時(shí)流量歷時(shí)曲線(xiàn)存在明顯下移，徑流的年內(nèi)分配更加趨于均勻，季節(jié)變化的差異減小.在突變前時(shí)段，降水減少可能是引起徑流迅速減少的主要原因；而在突變后時(shí)段徑流減少的主因轉(zhuǎn)變?yōu)楣まr(nóng)業(yè)耗水和城鎮(zhèn)生活用水的激增，即人類(lèi)活動(dòng)的影響.基于水文敏感性分析法，近期滹沱河上游流域徑流減少26.7%歸因于氣候變化，而73.3%歸因于人類(lèi)活動(dòng).

圖6 滹沱河流域2010年土地利用圖Figure 6 Landuse of Hutuo River Basin in 2010

表2 1990～2010年滹沱河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣