崔舒穎

（遼寧省撫順?biāo)木?，遼寧 撫順 113008）

渾河流域是我國(guó)東北地區(qū)重要的工業(yè)基地和農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)基地之一，流域內(nèi)人口密度大且城鎮(zhèn)化率高，對(duì)推動(dòng)全省經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用。然而，受各種不利因素影響，渾河流域出現(xiàn)水生態(tài)環(huán)境不斷惡化、水體嚴(yán)重污染、水資源供給壓力大、水資源時(shí)空分布不均衡以及洪水災(zāi)害頻發(fā)等諸多問(wèn)題，對(duì)科學(xué)判斷和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)水資源變化趨勢(shì)及干旱洪澇等自然災(zāi)害造成較大壓力，不利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)與資源環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。因此，為揭示水資源演變規(guī)律，準(zhǔn)確識(shí)別關(guān)鍵性驅(qū)動(dòng)因子，全面掌握流域水文演化機(jī)制，切實(shí)提升洪澇災(zāi)害防御及預(yù)測(cè)能力，有必要量化計(jì)算和精準(zhǔn)識(shí)別水資源響應(yīng)變化趨勢(shì)及其驅(qū)動(dòng)因子。

目前，我國(guó)許多學(xué)者研究探討了流域洪澇災(zāi)害的致災(zāi)因子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致流域洪澇災(zāi)害發(fā)生概率增大的關(guān)鍵因素是氣候變暖引起降雨量增多，而改變流域水文水資源的主要因素是各類工程建設(shè)以及林草植被破壞等人類活動(dòng)[2]。鑒于此，文章結(jié)合現(xiàn)有研究成果以及流域內(nèi)實(shí)際情況，采用雙累積曲線法和敏感性系數(shù)法定量計(jì)算分析1985-2020 年間渾河流域水文水資源對(duì)人類活動(dòng)、氣候變化的響應(yīng)過(guò)程，并進(jìn)一步驗(yàn)證兩種方法的定量分析結(jié)果。

1 流域概況

渾河流域是全省水資源最豐富的內(nèi)河，也是獨(dú)立入海河流。渾河全長(zhǎng)415km，流域面積2.5 萬(wàn)km2，屬于不對(duì)稱水系。渾河主要流經(jīng)遼寧中部城市群，人口稠密，傳統(tǒng)重工業(yè)發(fā)達(dá)，隨著遼河徑流量的持續(xù)減少以及古源西遼河斷流干涸，渾河及其支流太子河承擔(dān)著中部城市群幾乎所有的供水任務(wù)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

水文循環(huán)參數(shù)的合理選擇是保證評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)準(zhǔn)確的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，文章結(jié)合營(yíng)口水文站的地貌形態(tài)特征及渾河流域水文資料選擇3 個(gè)代表性水文循環(huán)參數(shù)，即徑流量Q、蒸散發(fā)E0、降雨量P，深入探討關(guān)鍵性驅(qū)動(dòng)因子對(duì)改變水文水資源演化的作用機(jī)制。

蒸散發(fā)和降雨量數(shù)據(jù)來(lái)源于遼寧省氣象監(jiān)測(cè)站，采用反距離權(quán)重插值法計(jì)算流域內(nèi)各點(diǎn)的潛在蒸散發(fā)和降雨量，以平均值作為最終計(jì)算結(jié)果；流域內(nèi)的徑流量數(shù)據(jù)來(lái)源于營(yíng)口水文站相關(guān)監(jiān)測(cè)資料，年數(shù)據(jù)序列取1985-2020 年。首先，簡(jiǎn)要分析敏感性系數(shù)法和雙累積曲線法的計(jì)算過(guò)程及其基本原理，然后利用渾河流域的徑流序列、蒸散發(fā)以及降雨量等要素揭示其水文變化規(guī)律，并確定人類活動(dòng)作用下（變化期）與自然狀態(tài)下（基準(zhǔn)期）水資源改變分界點(diǎn)。

2.2 敏感性系數(shù)法

敏感性分析法主要是遵循水量平衡原則來(lái)計(jì)算不同氣候條件下的徑流量，從而反映徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)特征，水量平衡的數(shù)學(xué)計(jì)算式為：

式中：E、△S為流域的蒸散發(fā)量和蓄水量變化值，若時(shí)間序列較長(zhǎng)則蓄水量變化值可以取0。然后利用下式計(jì)算氣候變化所產(chǎn)生的蒸散發(fā)與降雨量之間的關(guān)系，即：

式中：ω為植被相關(guān)系數(shù)。

依據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)資料，在年徑流量變幅不超過(guò)50%的情況下，可以不考慮流量受其它因素的影響變化，采用蒸散發(fā)與降雨量的相對(duì)變化之差確定流域的徑流量變化值，具體計(jì)算方法為：

式中：Qclim為流域徑流量受氣候變化影響的變化值；△E0、△P為蒸散發(fā)和降雨量產(chǎn)生的徑流量相對(duì)變化值；γ、β為蒸散發(fā)和降雨量敏感性系數(shù)，可利用公式（4）計(jì)算確定：

式中：x為干燥系數(shù)，可利用E0/P計(jì)算確定。

2.3 雙累積曲線法

采用雙累積曲線的偏移特性可以反映水文序列的一致性特征，在不同因素作用下水文序列的變化情況可以用累積曲線形狀特征來(lái)描述，其主要原理就是利用相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立水文過(guò)程與人類活動(dòng)的相互作用關(guān)系，可利用下式表示各水文要素在基準(zhǔn)期的線性關(guān)系，即：

式中：∑Q、∑P為累積徑流量和降雨量；k、b為計(jì)算參數(shù)。

在各種人類活動(dòng)影響和自然狀態(tài)下，設(shè)定各演變期內(nèi)渾河流域的氣候變化步調(diào)相同，則通過(guò)計(jì)算實(shí)測(cè)與模擬徑流量的差值即可反映水文水資源徑流量對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)變化情況，其表達(dá)式為：

通過(guò)計(jì)算基準(zhǔn)期與變化期實(shí)測(cè)徑流量的差值即可反映渾河流域水資源徑流量對(duì)氣候變化、人類活動(dòng)共同作用下的響應(yīng)變化量，其表達(dá)式為：

式中： ?Qhuman、?Q為人類活動(dòng)及其與氣候變化共同作用下的徑流變化量；mean為計(jì)算平均值；Q2c、Q2m、Q1m為變化期流域模擬、實(shí)測(cè)徑流量和基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)徑流量。

3 結(jié)果與分析

3.1 水文序列變化

依據(jù)1985-2020 年水文序列統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究期間渾河流域的蒸散發(fā)、降雨量以及徑流量序列均呈明顯下降趨勢(shì)；結(jié)合徑流變化量計(jì)算結(jié)果，2013年之前渾河流域的蒸散發(fā)和徑流量呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的變化趨勢(shì)，而2013 年后逐漸表現(xiàn)出顯著下降趨勢(shì)，且降雨量變化規(guī)律不明顯[3]。采用敏感性系數(shù)法計(jì)算分析各水文要素的敏感性特征，如表1 所示。結(jié)果顯示水文序列期間蒸散發(fā)和降雨量均表現(xiàn)出減少趨勢(shì)，并且降雨量的規(guī)律性變化不明顯。

表1 蒸散發(fā)、降雨及徑流量序列敏感性

依據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，2008年渾河流域的徑流量、降雨量序列出現(xiàn)明顯改變，因此以2008 年作為渾河流域水文序列分界點(diǎn)，即1985-2007 年屬于該流域自然狀態(tài)的基準(zhǔn)期、2009-2020 年屬于人類活動(dòng)作用的變化期。人類活動(dòng)作用時(shí)期相較于自然狀態(tài)下渾河的蒸散發(fā)、降雨量、徑流量依次減小18%、12%、25%。

3.2 水文水資源響應(yīng)

采用敏感性系數(shù)法定量計(jì)算渾河流域各水文要素對(duì)人類活動(dòng)、氣候變化的響應(yīng)特征，如表2 所示。結(jié)果顯示，變化期相較于基準(zhǔn)期渾河流域的徑流量、蒸散發(fā)以及降雨量依次減少125.1mm、116.8mm、170.6mm；基準(zhǔn)期和變化期的流域干燥系數(shù)依次為0.52、0.46，降雨與蒸散發(fā)之間的比值依次為0.48、0.58，水文水資源干燥系數(shù)受氣候變化、人類活動(dòng)的共同影響減小11.5%，而降雨與蒸散發(fā)的比值提高20.8%。依據(jù)渾河流域地貌形態(tài)有關(guān)資料，以林草植被為主要覆蓋物，故植被相關(guān)系數(shù)ω 取2.1，計(jì)算敏感系數(shù)和貢獻(xiàn)率，如表2 所示。結(jié)果表明，受氣候變化、人類活動(dòng)影響渾河流域模擬徑流量減少75.0mm 和95.6mm，所對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率為44%和56%。

表2 蒸散發(fā)、降雨量及徑流量響應(yīng)變化量

采用雙累積曲線法計(jì)算基準(zhǔn)期、變化期流域的徑流量，如表3 所示。結(jié)果顯示，2008 年渾河流域的徑流與降雨量雙累積曲線出現(xiàn)明顯偏移，這與分界點(diǎn)計(jì)算結(jié)果保持較好一致性，然后將基準(zhǔn)期的降雨徑流關(guān)系系數(shù)0.9952 代入前文所述公式計(jì)算確定變化期模擬徑流量。結(jié)果顯示，模擬與實(shí)測(cè)徑流量之間的差距不斷增加，說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響作用逐漸減弱，氣候變化和人類活動(dòng)減少的徑流量為17.5mm、96.9mm，所對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率為35%、65%。

表3 雙累積曲線計(jì)算的徑流變化量

從表3 可以看出，基準(zhǔn)期和變化期渾河流域的徑流量變化值為17.5mm、96.9mm。為了保證計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度，進(jìn)一步減少變化期較基準(zhǔn)期的計(jì)算誤差，考慮將基準(zhǔn)期模擬徑流量減去平均誤差，即采用簡(jiǎn)單誤差傳遞法對(duì)模擬徑流量進(jìn)行調(diào)整，在此基礎(chǔ)上將基準(zhǔn)期誤差向變化期轉(zhuǎn)移。經(jīng)誤差處理，基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)與模擬流量雙累積曲線計(jì)算結(jié)果與之前基本一致，將雙累積曲線計(jì)算結(jié)果經(jīng)簡(jiǎn)單誤差法處理，如表4 所示。結(jié)果表明，經(jīng)簡(jiǎn)單誤差處理后人類活動(dòng)所減少的徑流量為86.2mm，氣候變化和人類活動(dòng)減少的徑流量貢獻(xiàn)率為39%、61%，較簡(jiǎn)單誤差處理前人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率下降4%，該計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符。

表4 經(jīng)誤差傳遞法處理的徑流變化量

4 結(jié) 論

1）水文序列時(shí)段內(nèi)渾河流域的蒸散發(fā)和降雨量表現(xiàn)出減少趨勢(shì)，并且降雨量變化規(guī)律不明顯，2008 年渾河流域的徑流量、降雨量序列出現(xiàn)明顯改變，故以2008 年作為渾河流域水文序列分界點(diǎn)。

2） 變化期相較于基準(zhǔn)期，渾河流域的徑流量、蒸散發(fā)以及降雨量有所減少，受氣候變化、人類活動(dòng)影響渾河流域徑流量逐漸減少，所對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率為44%和56%。將雙累積曲線計(jì)算結(jié)果利用簡(jiǎn)單誤差法進(jìn)行處理，結(jié)果顯示氣候變化和人類活動(dòng)減少的徑流量貢獻(xiàn)率為39%、61%，較簡(jiǎn)單誤差處理前人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率下降4%，這與實(shí)際情況更加符合。