氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)開都河上游徑流量的影響評(píng)價(jià)

魏光輝

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)05—0011—05

氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)開都河上游徑流量的影響評(píng)價(jià)

魏光輝

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

開都河是新疆焉耆盆地內(nèi)的重要河流，對(duì)維持焉耆盆地水土生態(tài)平衡具有極其重要的作用。近年來，開都河流域的水資源問題已經(jīng)引發(fā)了較為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。根據(jù)流域內(nèi)1960—2011年水文氣象數(shù)據(jù)，采用小波分析法、累積距平法、累積量斜率變化率法，對(duì)開都河上游徑流量和氣候變化特征及趨勢(shì)進(jìn)行了分析，并定量評(píng)估了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的影響。結(jié)果表明：年降水量、蒸散發(fā)量和徑流量總體均呈增加趨勢(shì)；徑流量的增加變幅為1.93億m3/(10 a)，具有16 a和28 a的準(zhǔn)周期變化，且在1995年前后發(fā)生了突變；氣候變化對(duì)開都河上游徑流增加的貢獻(xiàn)率達(dá)100%，人類活動(dòng)對(duì)徑流基本無擾動(dòng)。

氣候變化；人類活動(dòng)；徑流量；貢獻(xiàn)率；開都河；焉耆盆地

0 前 言

開都河位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)，河流發(fā)源于天山中部的依連哈比爾尕山南坡，流域面積18 827 km2，河長(zhǎng)560 km，多年平均徑流量35.18億m3。開都河下游流經(jīng)焉耆盆地，尾閭注入中國(guó)最大的內(nèi)陸淡水湖——博斯騰湖[1]。焉耆盆地是新疆巴音郭楞蒙古自治州國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主導(dǎo)地區(qū)之一，同時(shí)也是主要的農(nóng)業(yè)種植區(qū)。由于開都河流域地勢(shì)復(fù)雜，降水稀少、蒸散發(fā)大，且時(shí)空分布極不均勻，徑流主要由降水和冰雪融水混合補(bǔ)給。近幾十年來，隨著氣候變化和人類對(duì)水資源的大規(guī)模開發(fā)利用，流域下游出現(xiàn)了水資源貧乏、水質(zhì)污染、水土流失嚴(yán)重等危機(jī)。在全球氣候變暖的背景下，受人類活動(dòng)對(duì)水文徑流過程的影響，流域徑流變化已不是以往的隨氣候變化表現(xiàn)出有規(guī)律的時(shí)間變化特征，而在一定程度上疊加了人類活動(dòng)的影響。因此，兩者對(duì)徑流量變化貢獻(xiàn)引起了學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注[2-4]，較為一致的看法是：徑流量變化是氣候與人類活動(dòng)的疊加效應(yīng)。然而，在進(jìn)行了綜合分析后發(fā)現(xiàn)兩者貢獻(xiàn)率大小不但與研究流域有關(guān)，還與研究方法密切相關(guān)。目前，在流域尺度上，可以定量地分離出氣候變化和人類活動(dòng)的水文影響的研究方法主要有水文模型法和定量評(píng)估法(氣候彈性系數(shù)法、敏感性分析法、降水-徑流雙累積曲線法等)[5-8]，前者具有較好的物理基礎(chǔ)，但參數(shù)敏感性存在一定的不確定性，若對(duì)模擬結(jié)果不進(jìn)行驗(yàn)證，很有可能使氣候變化對(duì)徑流影響偏大[9]；后者所需數(shù)據(jù)較少，但需要較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)序列，同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)序列中噪聲會(huì)對(duì)評(píng)估結(jié)果造成干擾[10]。王隨繼等在2012年利用基準(zhǔn)期和變異期累積降水量-年份線性方程和累積徑流深-年份線性方程的斜率計(jì)算的累積量斜率變化率比較法(SCRCQ)是一種新的分離方法[11]，可以有效地剔除噪聲，較方便地分離出氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響值[12-14]。 目前，學(xué)者對(duì)新疆開都河上游徑流的研究很少，僅有的研究側(cè)重于徑流模擬，而未對(duì)人類活動(dòng)的影響作評(píng)估[15]，由此，本研究通過累積量斜率變化率比較法(SCRCQ)分析評(píng)估開都河上游氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率，旨在為流域的水資源管理和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取流域內(nèi)代表站巴音布魯克氣象站(地理坐標(biāo)43°02′N，84°09′E，海拔高程2 458.0 m)數(shù)據(jù)，來自中國(guó)氣象資料共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/)，包括逐日水汽壓(kPa)、最高氣溫(℃)、最低氣溫(℃)、平均氣溫(℃)、相對(duì)濕度(%)、降水量(mm)、風(fēng)速(m/s)與日照時(shí)數(shù)(h)，時(shí)間尺度為1960—2011年。徑流數(shù)據(jù)選取同時(shí)段開都河上游出山口控制站——大山口水文站(地理坐標(biāo)42°13′N，85°44′E，海拔高程1 331.0 m)的年徑流量數(shù)據(jù)，該水文站特性能反映整個(gè)開都河上游的水文變化狀況，徑流量數(shù)據(jù)來自新疆巴州水文水資源勘測(cè)局。

1.2 研究方法

1.2.1 波譜分析法、累積距平法

小波分析法[16]能反映開都河年徑流量在不同時(shí)間尺度上的變化情況，小波方差反映了波動(dòng)的能量隨尺度的分布，通過小波方差圖可以確定徑流序列存在的主要時(shí)間尺度(主周期)。累積距平法[17]可以較為直觀地反映徑流量在不同時(shí)代的階段變化，同時(shí)采用該方法來判斷降水量和徑流量突變年份，Ran研究得出這種確定突變年份的新方法可以避免由于近年來被廣泛采用的降水量-徑流量雙累積曲線方法在判斷突變年份上存在的缺陷，如當(dāng)年降水和年徑流量均開始變小時(shí)，用后者判斷突變年份前后的數(shù)據(jù)可能會(huì)保持同一直線，因?yàn)樵摲椒ㄔ诖_定突變年份時(shí)人為隨意性較大，而用前者判斷得出的突變年份清晰，突變前后雙累積量的線性關(guān)系擬合性較高[18]。然后以突變年份為界，將徑流量序列劃分為基準(zhǔn)期和變異期[19]，變異期相對(duì)基準(zhǔn)期徑流過程受氣候波動(dòng)和人類活動(dòng)的影響相對(duì)較大。

1.2.2 累積量斜率變化率分析方法(SCRCQ)

SCRCQ方法的理論創(chuàng)新點(diǎn)為：以年份做自變量比較客觀，因變量是各因子的累積量，而累積量的引入在一定程度上可以消除實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)年際變化的影響，所得年份-累積量有較高的相關(guān)性，同時(shí)在降水量、蒸散發(fā)和徑流量變化比較小的情況下，利用累積量可以為進(jìn)一步定量分析創(chuàng)造條件。采用降水累積量、蒸散發(fā)累積量和徑流量累積量與年份的相關(guān)關(guān)系式的斜率首先計(jì)算各參數(shù)累積變化量斜率的變化率，然后根據(jù)斜率變化率計(jì)算降水和蒸散發(fā)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率，最后用100減去降水和氣溫兩因子對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)外即可得到人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)。在此假設(shè)基準(zhǔn)期和變異期的降水量為P，累積降水量-年份線性方程的斜率分別為KPa、KPb(mm/a)，斜率變化率為SP；蒸散發(fā)為E，累積蒸散發(fā)量-年份線性方程的斜率分別為KEa、KEb(mm/a)，斜率變化率為SE；徑流量為R，累積徑流量-年份線性方程的斜率分別為KRa、KRb(億m3/a)，斜率變化率為SR。則累積降水量斜率變化率SP為：

(1)

累積蒸散發(fā)斜率變化率SE為：

(2)

累積徑流量斜率變化率SR為：

(3)

根據(jù)以上算法，降水對(duì)徑流量變化貢獻(xiàn)率CP為：

(4)

蒸散發(fā)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率CE為：

(5)

則人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率為：

CH=100-CP-CE

(6)

由于流域面積較大、氣象站點(diǎn)分布較為稀疏，因此要準(zhǔn)確計(jì)算大范圍的實(shí)際蒸散發(fā)困難較大，Budyko水熱耦合平衡方程采用潛在蒸散發(fā)和降水作為輸入?yún)?shù)可以較好地模擬干旱半干旱地區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為缺乏地區(qū)的實(shí)際蒸散發(fā)[20]。故本文采用Budyko水熱耦合平衡方程模擬研究區(qū)逐年實(shí)際蒸散發(fā)，其公式如下：

(7)

式中：E為年實(shí)際蒸散發(fā)；ET0為年潛在蒸散發(fā)量；P為年降水量。潛在蒸散發(fā)ET0采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式[21]計(jì)算得到：

(8)

式中：ET0為潛在蒸散發(fā)量，mm/d；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率,kPa/℃；T為環(huán)境平均溫度，℃；Rn為作物冠層表面凈輻射量,MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量,MJ/(m2·d)，逐日計(jì)算時(shí)G=0；γ為溫度表常數(shù)，kPa/℃；u為2 m高處的風(fēng)速，m/s；es為空氣飽和水氣壓，kPa；ea為空氣實(shí)際水氣壓，kPa。

2 結(jié)果分析

2.1 年均徑流量與氣象要素年際變化趨勢(shì)

圖1給出了1960—2011年開都河上游徑流量及氣象要素的年際變化。年徑流量變化(見圖1a)、小波方差(見圖1b、1c)及年降水量和蒸散發(fā)變化特征(見圖1d)。由此可見，近52 a來開都河上游出山口年徑流量變化具有如下基本規(guī)律：

圖1 1960～2011年開都河徑流量及氣象要素的年際變化圖

(1) 近52 a來年徑流量變化率為1.927億m3/(10 a)，變化率趨勢(shì)線的相關(guān)系數(shù)r=0.458 8(r0.01=0.354 1)，說明年徑流量呈極顯著增加趨勢(shì)，且經(jīng)歷了1995年之前的減少階段和之后的增加階段。

(2) 開都河年徑流量具有16、28 a的準(zhǔn)周期，其中28 a左右的周期震蕩最強(qiáng)，是流域的第一主周期，對(duì)于徑流序列的方差貢獻(xiàn)最大?？傮w來看，在28 a時(shí)間尺度附近，小波系數(shù)呈上升趨勢(shì)，表明未來一段時(shí)間徑流量將進(jìn)入一個(gè)豐水期，相反，在16 a時(shí)間尺度上，小波系數(shù)呈降低趨勢(shì)，徑流量將進(jìn)入枯水期，由于研究時(shí)段共52 a，小時(shí)間尺度上的突變點(diǎn)更能很好地捕捉到徑流量變化的特征，而隨著時(shí)間尺度的增大，奇異點(diǎn)減少，小時(shí)間尺度上的一些突變態(tài)，在高層次上則是平常態(tài)，因此，在不同的時(shí)間尺度上，氣候變化和人類活動(dòng)的不同變化組合對(duì)徑流的影響程度不同。

(3) 近52 a來降水量以9.72 mm/(10 a)速率呈顯著遞增趨勢(shì)(相關(guān)系數(shù)r=0.296 3，r0.05=0.273 2)，與年徑流量的年際變化規(guī)律較為相似，通過對(duì)四季降水量進(jìn)一步分析可知，夏季降水量與年徑流量變化的相關(guān)性最高，持續(xù)性較好，通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。年徑流量對(duì)秋季降水量變化最為敏感，具有一定滯后性，與滯后3 a相關(guān)性最高，通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，而冬季開都河上游降水量較小，徑流量主要源自冰雪融水；蒸散發(fā)呈增加趨勢(shì)，變化率為5.08 mm/(10 a)，未通過顯著性檢驗(yàn)。由以上可知徑流量對(duì)降水變化的敏感性強(qiáng)于蒸散發(fā)。

2.2 研究階段的劃分

從圖2開都河年徑流量累積距平變化可以看出，近52 a來開都河上游徑流量呈現(xiàn)出相對(duì)明顯的階段性變化特征，其中1961—1994年為顯著的枯水期，累積距平值總體呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)；1995—2011年屬于豐水期，徑流量累積距平值總體呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，因此將1995年作為基準(zhǔn)期和變異期的分界點(diǎn)，1961—1994年(Y1)為基準(zhǔn)期，1995—2011年(Y2)為變異期。

圖2 1960—2011年開都河上游年徑流量累積距平變化圖

2.3 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率

根據(jù)基準(zhǔn)期(1961—1994年)和變異期(1995—2011)的劃定，從圖3可以看出，累積徑流量、累積降水量、累積蒸散發(fā)量與年份的3個(gè)擬合方程相關(guān)系數(shù)很高，均大于0.99，且通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，所建關(guān)系的擬合度較好。根據(jù)王隨繼的算法可知，在基準(zhǔn)期人類活動(dòng)相對(duì)較弱，開都河徑流量的變化主要受控氣候變化的影響，進(jìn)入變異期，降水量和蒸散發(fā)增加，人類活動(dòng)用水、農(nóng)作物需水等多種用水方式大幅度增大，徑流量的變化受到二者的綜合影響。

表1 開都河流域累積量斜率及其變化表

研究時(shí)期累積徑流量的斜率/(億m3·a-1)累積降水量的斜率/mm累積蒸散發(fā)的斜率/mm徑流量/(億m3·a-1)降水量/mm蒸散發(fā)/mm基準(zhǔn)期32．208259．57241．960．0320．360．61變異期41．438302．97269．780．0315．324．28變化量9．2343．427．82-0．0014．963．67變化率22．2714．3210．31-3．2393．2385．75

表1為開都河上游徑流量和氣候變化各要素的斜率及其變化率，由此可知，前后2個(gè)時(shí)期的KRa和KRb分別為32.208億m3/a和41.438億m3/a，與Y1時(shí)期相比，Y2時(shí)期徑流量R基本沒變，KR增加9.23億m3/a，SR為22.27%，表明徑流量在整個(gè)研究期呈增加狀態(tài)，與前面用小波分析研究得出的結(jié)論一致；Y1和Y2期內(nèi)，KPa和KPb分別為259.57 mm/a和302.97 mm/a，P為0.36 mm和5.32 mm，SP為14.32%；KEa和KEb分別為241.96 mm/a和269.78 mm/a，E為0.61 mm和4.28 mm，E增加了3.67 mm，SE為85.75%，可見降水量的變化和蒸散發(fā)的變化的總和與徑流量的變化出現(xiàn)差異，表明研究區(qū)的水文循環(huán)變化在一定程度上還受到了非氣候因子的影響。根據(jù)式(4)～(6)，可計(jì)算得到降水量的增加對(duì)徑流量增加的貢獻(xiàn)為58.14%，蒸散發(fā)的增加對(duì)徑流量增加的貢獻(xiàn)為41.86%，人類活動(dòng)對(duì)徑流量增加的貢獻(xiàn)為0(即人類活動(dòng)對(duì)徑流基本無擾動(dòng))。

由開都河上游實(shí)際情況分析可知，研究區(qū)人煙稀少，主要為高山草原區(qū)，是新疆主要的牧區(qū)，近些年來由于國(guó)家“定居興牧”工程的實(shí)施，上游水源得到有效涵養(yǎng)與保護(hù)，故人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響非常微弱，這也從側(cè)面印證了本文的分析結(jié)果是合理可信的。

3 討 論

本文采用王隨繼在2012年提出的累積量斜率變化率法評(píng)估氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)開都河上游徑流變化的貢獻(xiàn)率，結(jié)果表明徑流量主要受氣候變化影響，人類活動(dòng)基本無擾動(dòng)，這一研究結(jié)果與西北干旱地區(qū)的其他研究結(jié)果基本一致。何旭強(qiáng)等利用該方法在黑河上中游研究結(jié)果表明，上游徑流增加59.71%可歸因于氣候變化，40.29%歸因于人類活動(dòng)，中游徑流減少的25.23%歸因于氣候變化，74.77%歸因于人類活動(dòng)[12]。值得注意的是，在研究中采取的任何方法在情景模擬中均把人類活動(dòng)和氣候變化假設(shè)成是相互獨(dú)立的2個(gè)事件。事實(shí)上，兩者并非完全獨(dú)立，氣溫升高、下墊面的變化與人類活動(dòng)密切相關(guān)。在以后的研究中如何更科學(xué)合理地分離氣候變化和人類活動(dòng)的影響是一個(gè)研究難點(diǎn)。

4 結(jié) 論

本文利用線性趨勢(shì)法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法、累積量斜率變化率法對(duì)開都河上游徑流和氣候變化各要素時(shí)間序列的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)進(jìn)了檢驗(yàn)，并探討徑流量增加的主要原因，結(jié)果表明：

(1) 開都河上游近52 a來年徑流量總體呈增加趨勢(shì)，經(jīng)歷了1960—1994年的減少階段和1995—2011年的增加階段2個(gè)變化階段，并具有16 a、28 a的準(zhǔn)周期，目前16 a、28 a周期均有增加的趨勢(shì)，表明徑流量較前期有所增加。

(2) 開都河上游年徑流量在1995年前后發(fā)生了突變，在1960—1994年(基準(zhǔn)期)徑流量以0.32億m3/(10 a)速率遞減，降水以3.63 mm/(10 a)速率遞減，蒸散發(fā)以6.11 mm/(10 a)速率遞減，而1995—2011年(變異期)徑流量以0.58億m3/(10 a)速率遞增，降水以5.32 mm/(10 a)速率遞增，蒸散發(fā)以4.28 mm/(10 a)速率遞增，根據(jù)這組變化速率說明徑流量的變化在基準(zhǔn)期受氣候變化影響較大，在變異期研究區(qū)的水文循環(huán)變化還受到了非氣候因子的影響。

(3) 近52 a來開都河上游年徑流量的增加主要受降水增加和蒸散發(fā)增加減弱的影響，其中降水量增加的貢獻(xiàn)為58.14%，蒸散發(fā)增加減弱的貢獻(xiàn)為41.86%。

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Assessment on Influences by Climate Change and Human Activity on Upstream Runoff Volume of Kaidu River

WEI Guang-hui

(College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China)

The Kaidu River is an important one in the Yanqi basin. It plays an important role in maintaining the ecological balance of water and soil in the basin. In recent years, issues on the water resources in the Kaidu River catchment has caused quite serious ecological and environmental issues. Based on the hydrological and meteorological data of the catchment in 1960-2011, the runoff volume, the climate change features and trends at the upstream of the Kaidu River are analyzed by application of wavelet analysis method, cumulative anomaly method and change ratio of cumulative slope. And influences on the runoff by the climate change and human activities are assessed quantitatively as well. The study and analysis show that the annual precipitation, evaporation/dissipation and runoff generally is increasing in trend. The increase range of the runoff is 193 million m3/(10 a) with the paracycle variation of 16 a and 28 a. Furthermore, it abruptly changed around 1995. The contribution rate of the climate change to the runoff increase at the upstream of the Kaidu River is 100%. The human activities rarely disturbs the runoff. Key words:climate change; human activity; runoff volume; contribution ratio; Kaidu River; Yanqi basin

2014-12-04

魏光輝(1981- )男，新疆石河子市人，高級(jí)工程師，博士，主要從事干旱區(qū)水資源利用與工程建設(shè)管理工作.

新疆水文學(xué)及水資源重點(diǎn)學(xué)科資助(XJSWSZYZDXK2010-12-02).

TV121.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.004