降水和人類活動對北洛河徑流變化的定量化研究

赫曉慧, 鄭紫瑞, 高亞軍

(1.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 鄭州 450001; 2.黃河水利委員會 水文局, 鄭州 450004)

降水和人類活動對北洛河徑流變化的定量化研究

赫曉慧1, 鄭紫瑞1, 高亞軍2

(1.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 鄭州 450001; 2.黃河水利委員會 水文局, 鄭州 450004)

徑流變化是降水和人類活動綜合作用的結(jié)果，如何分離其單獨的水文效應(yīng)是水科學(xué)研究中的熱點問題。根據(jù)北洛河流域1954—2011年實測降水、徑流資料，采用M-K趨勢分析法確定了突變點。在此基礎(chǔ)上，分別利用雙累計曲線法和AWY(annual water yield)模型法分離出了由降水及人類活動引起的實測徑流變化量，并對其結(jié)果進行了分析。結(jié)果表明：北洛河流域?qū)崪y徑流呈減少趨勢，2004年為突變年份；人類活動是引起流域徑流減少的主要原因，其中雙曲線分析法中，人類活動的影響量為6.4 mm，貢獻率為56%；AWY模型法表明人類活動的影響量為7.6 mm，貢獻率為67%。

降水; 人類活動; 徑流; 雙曲線統(tǒng)計法; AWY模型法

20世紀90年代以來，黃河干流實際來水量較平均來水減少幅度達到20%～65%不等[1]。目前關(guān)于徑流減少的原因，大致分為兩類：氣候變化和人類活動[2]。一方面，降水是水文要素在時空上發(fā)生變化的重要影響因子，另一方面，人類活動對下墊面的改造也對流域水文過程產(chǎn)生深刻影響。然而，降水變化和人類活動對徑流的影響是綜合的，因此，定量區(qū)分人類活動和降水變化對水文過程的影響是當前水文學(xué)的研究熱點。

目前，定量分析的研究方法主要有統(tǒng)計分析法和水文模型法[3]。前者相對簡單，但對水文氣象觀測資料要求較高。如李志等[4]基于M-K和雙曲線累積法分離了黑河流域1972—2000年氣候變化和人類活動對徑流的影響，貢獻率分別為24%和76%；后者水文過程的物理概念清晰，但模型不確定性問題突出。如林凱榮等[5]運用改進的SCS月模型進行東江河流域3個子流域的徑流模擬，土地利用變化對徑流影響的貢獻率分別為19.4%，24.11%和29.94%。從以往的研究成果中可以看出，統(tǒng)計分析與模型相結(jié)合的研究較少，并且降水和人類活動對徑流的影響區(qū)域差異性很大，因此，在特定區(qū)域開展針對性研究對當?shù)厮Y源的合理配置具有重要意義。北洛河作為黃河二級支流，地處黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土高原溝壑區(qū)等多種水土流失類型區(qū)，且近年來徑流量呈明顯減小趨勢，因此定量分析降水和人類活動對該流域徑流變化的影響，對流域水資源的規(guī)劃具有重要意義。

綜上，本文以北洛河流域為研究對象，在確定突變年份的基礎(chǔ)上，分別利用雙累計曲線法和水文模型(AWY模型)法，定量分析降水和人類活動對徑流變化的影響，以期有效識別引起徑流變化的主要因子，為流域水資源管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

北洛河流域地處107°33′—110°10′E，34°39′—37°18′N，研究區(qū)(狀頭以上)總面積25 154 km2，處于我國東部季風(fēng)濕潤區(qū)與內(nèi)陸干旱區(qū)的過渡地帶，年平均降水量少且年內(nèi)時間上分布不均，6—9月降水量占全年的70%～80%，在空間上由南向北遞減，屬于典型的超滲產(chǎn)流地區(qū)，降水量時空分配的差異造成年徑流量的不同，且難以度量。

本文所需數(shù)據(jù)主要包括流域年徑流量、年實際蒸散發(fā)和潛在蒸散發(fā)、降水量和土地利用數(shù)據(jù)。其中，徑流數(shù)據(jù)以志丹、交口河、黃陵等7個水文站相應(yīng)的徑流深為依據(jù)，將北洛河流域分為7個子流域，分別進行統(tǒng)計計算；流域年降水數(shù)據(jù)采用定邊、吳旗、延安、榆林等9個國家氣象站數(shù)據(jù)，利用ArcGIS空間克里格插值法計算；年實際蒸散發(fā)和潛在蒸散發(fā)采用MODIS 16產(chǎn)品數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)主要包括2000年、2005年、2011年3期遙感影像數(shù)據(jù)，將流域土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、居民與工礦用地、水域和未利用地。

2 研究方法

2.1 降水、徑流序列分析及研究階段劃分

采用常用的線性回歸方法來研究流域降水和徑流的變化趨勢，利用M-K非參數(shù)檢驗法確定突變點發(fā)生的位置，并將發(fā)生突變前的年份設(shè)為基準期，將突變后的時期作為研究期。線性回歸方法和M-K檢測法比較常見，具體可參考相關(guān)文獻[6-7]。

2.2 雙累計曲線法分析降水和人類活動對徑流影響

雙累計曲線法即建立基準期降水—徑流年累計值的回歸關(guān)系[8]，然后按照該回歸關(guān)系，代入研究期降雨量累計值計算累計徑流值，然后再進行分離，具體為：

建立基準期年累計降水量(P)與年累計徑流量(Y)的回歸方程:

∑Y=k∑p+b

(1)

式中：Y基準期為徑流量值；k為回歸方程的相關(guān)系數(shù)；P為基準期降雨量值；b為回歸方程截距。

利用所建立的方程模擬研究期的徑流累計值，將基準期的回歸關(guān)系應(yīng)用到研究期得到研究期內(nèi)的累計徑流量，根據(jù)累計徑流量反推年徑流量Y12，則有：

c=Y12-Y1

(2)

r=Y2-Y12

(3)

式中：c為降水引起的徑流變化部分，為基準期實測徑流與研究期模擬徑流的差值；r為人類活動對徑流的影響，可以用研究期實測徑流與研究期模擬徑流的差值來表示，從而實現(xiàn)降水和人類活動對徑流影響的分割；Y12為利用基準期回歸關(guān)系模擬得到的研究期徑流值；Y1為基準期實測徑流；Y2為研究期實測徑流值。

2.3 AWY模型法分析降水和人類活動對徑流的影響

利用水文模型進行流域水文要素模擬，然后利用一定的方法分離降水和人類活動對徑流量的影響，是目前水文研究中定量分析常用的方法，該方法即為分離評判法，由Koster等[9]提出，具體方法如下。

2.3.1 AWY模型 AWY(annual water yield)模型，又稱流域產(chǎn)水量模型，在水量平衡的基礎(chǔ)上，結(jié)合流域年降水量、實際蒸散發(fā)、潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)對徑流變化過程進行模擬，并且該模型已在世界諸多流域進行了驗證[10]。簡單來說，AWY模型認為產(chǎn)流量可以看做是降水量與實際蒸散發(fā)之間的差值。流域年徑流(Y)的計算公式如下：

Y=P-AET

(4)

其中實際蒸散發(fā)可以根據(jù)Zhang等[10]提出的計算公式求得：

(5)

AET=∑(AETi·fi)

(6)

式中：P為流域年降水量；AET為流域?qū)嶋H年蒸散發(fā)；PET為流域潛在年蒸散發(fā)；W為某一種土地利用類型的用水系數(shù)；AETi為第i類土地利用類型的年蒸散發(fā)量；fi為第i類土地利用類型覆蓋率。此外，該模型與其他機理模型相比，具有模型參數(shù)易獲取、操作簡單等優(yōu)點，在國外已得到廣泛應(yīng)用，目前國內(nèi)應(yīng)用該模型的研究相對較少[11-12]。

2.3.2 分離評判法 該方法認為徑流的變化量由降水和人類活動兩部分原因引起，即研究期實測徑流與基準期實測徑流的差值為降水和人類活動兩部分影響量的總和。首先利用基準期的實測水文氣象資料率定AWY模型參數(shù)，保持模型參數(shù)不變，將研究期的氣候資料輸入模型，可以得出研究期還原的自然徑流量。那么降水變化引起的徑流變化部分等于研究期還原徑流值與基準期實測徑流的差，人類活動影響部分等于研究期實測徑流與還原徑流的差值。

3 結(jié)果與分析

3.1 北洛河流域年降水量變化特征

由圖1A可知，北洛河流域1954—2012年降水量呈下降趨勢，最大年降水量為781.3 mm(1964年)，最小年降水量為352.6 mm(1997年)，可見研究區(qū)內(nèi)最大和最小降水量的變化幅度較大。結(jié)合圖1B年降水量M-K非參數(shù)檢驗統(tǒng)計圖可以看出,降雨在1970年以前變化趨勢不明顯，UF曲線均在0.05顯著性水平區(qū)間內(nèi)；1970—2000年，UF曲線持續(xù)下降，表明降水在此段時間內(nèi)下降較明顯；2000年以后，降水量有明顯的上升趨勢。根據(jù)UF和UB交點的位置，確定北洛河流域年降水量在1970年發(fā)生突變。

圖1 北洛河流域降水量年際變化趨勢及突變點分析

3.2 北洛河流域徑流年際變化特征

流域年徑流變化結(jié)果如圖2A所示，可以看出流域徑流量呈下降趨勢，下降斜率為-0.032 3。另外徑流量的M-K檢驗統(tǒng)計量曲線(圖2B)表明1950—1962年徑流量在下降，然后徑流量呈現(xiàn)上升趨勢，直到2000年，而且在此段時間內(nèi)，UF曲線超過顯著性水平臨界線(1965—1970年)，說明上升趨勢明顯，對比圖1A可知，該段時間內(nèi)降雨量并不高，因此這可能與該段時間內(nèi)流域水土流失比較嚴重有關(guān)。2000年以后，徑流量呈現(xiàn)下降趨勢。根據(jù)UF和UB交點的位置，確定該流域徑流量在2004年發(fā)生突變(圖2B)。

圖2 北洛河流域徑流量年際變化趨勢及突變點分析

根據(jù)降水和徑流的變化特征及其趨勢分析，將1954—2004年作為基準期，將2005—2011年作為研究期。

3.3 雙累計曲線法及其定量分析

將水文要素分為1954—2004年(基準期)和2005—2011年(研究期)兩段。建立基準期累計降水和累計徑流深的回歸關(guān)系(圖3)，相關(guān)性很好(R2=0.9988)。

通過該回歸關(guān)系計算基準期和研究期的徑流量，結(jié)果見表1。依據(jù)該相關(guān)關(guān)系計算出的基準期徑流值為33.7 mm，與實測值誤差僅為2%，表明該算法的精度較高。研究期計算徑流值為28.1 mm，根據(jù)公式(2)和(3)可以計算出：人類活動導(dǎo)致徑流減少6.4 mm，貢獻率為56%，降水導(dǎo)致徑流減少5 mm，貢獻率為44%。

同時，為探討不同時期人類活動和降水對徑流的影響，采取傳統(tǒng)的基準期劃分方法，即將20世紀70年代之前的時期作為基準期[13]，因為大批水土保持措施和流域管理項目在20世紀60年代在黃河中游地區(qū)開始實施，到70年代開始發(fā)揮作用。結(jié)果見表2，可以看出不同時期內(nèi)降水和人類活動對徑流的貢獻率并不一致：降水對徑流量的影響均為負值，人類活動對徑流的影響較為復(fù)雜。在20年代末期，徑流受降水的影響大于人類活動。進入21世紀以來，在水土保持和退耕還林政策下，人類活動成為影響徑流的主導(dǎo)因素。

圖3 1954-2004年降水和徑流的累計曲線

時期實測徑流/mm計算徑流/mm變化量/mm降水影響c/mm人類影響r/mm1954—2004年33.133.7———2005—2011年21.728.1-11.4-5-6.4

3.4 AWY模型分析法及其定量分析

AWY模型采用志丹、劉家河等7個子流域2000年、2005年、2011年累計21期土地利用、年降水量、年徑流深、年蒸散發(fā)數(shù)據(jù)進行建模，其中2000年和2005年用來參數(shù)率定，2011年用來驗證。根據(jù)相關(guān)文獻確定的不同土地利用類型的用水系數(shù)范圍，采用C#語言，利用計算機解譯滿足各期氣象水文條件且誤差最小的W值。經(jīng)校準，耕地、林地、草地、居民和工礦用地以及未利用用地的用水系數(shù)分別為1.8，2.8，1.8，0，0，其中水域?qū)嶋H蒸散發(fā)為降水量與潛在蒸發(fā)量的較小值，由于流域多年降水量均小于潛在蒸散量，因此水域的實際蒸散發(fā)取降水量。根據(jù)校準后的W值計算各流域的實際蒸散發(fā)與MODIS 16的實際蒸散發(fā)比較，校準期相關(guān)系數(shù)為0.84，驗證期相關(guān)系數(shù)為0.87，說明該模型適用于該研究區(qū)。

根據(jù)各土地利用類型的用水參數(shù)W率定結(jié)果，保持基準期(2000年)土地利用不變，輸入研究期的氣象資料，可以得到研究期的還原徑流值(表3)。

表2 不同時期降雨和人類活動對北洛河徑流的影響

注：正值代表徑流增加量，負值代表減少量。

表3 研究期還原徑流值與實測徑流值

表1中，基準期與研究期實際徑流值總變化量為-11.4 mm，表3中，研究期還原徑流值為29.0 mm，相比基準期實測值(33.1 mm)減少4.1 mm，根據(jù)分離評判法，該部分即為徑流對降水變化的響應(yīng)，占36%；同時人類活動致使徑流減少7.3 mm，占總變化量的67%，可見，相比降水，人類活動是引起北洛河徑流變化的主要原因。

可以看出，本文中雙曲線累積法和AWY模型法所得出的結(jié)論稍有差異，顯然這與研究方法自身的不確定性有關(guān)。另外，AWY模型法相比統(tǒng)計分析法，人類活動對徑流的影響更加顯著，這可能是因為統(tǒng)計分析法中，人類活動也包含除降水以外的其他氣候因子，而本文中AWY模型法中人類活動更多的是下墊面的變化，雖然模型中所用到的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)與氣溫、風(fēng)速等因子關(guān)系甚大，但并未直接考慮這些氣候因子，如何分離細化各種因子對徑流的定量影響將是以后研究的重點。

4 結(jié) 論

(1) 1954—2011年北洛河流域?qū)崪y降水和徑流均呈現(xiàn)減少趨勢，M-K檢驗結(jié)果表明存在明顯突變，其中降水突變年份發(fā)生在1972年前后，徑流突變年份發(fā)生在2004年。(2) 以基準期降水徑流建立雙累計曲線關(guān)系，模擬精度較高，結(jié)果表明：降水對徑流的影響量為5 mm，貢獻率為44%，人類活動的影響量為6.4 mm，貢獻率為56%。(3) 建立研究區(qū)AWY模型，通過對降水和人類活動對徑流改變量的分離發(fā)現(xiàn)，降水和人類活動均引起流域徑流的減小，其中人類活動影響量為7.3 mm，貢獻率為67%，降水影響量為4.1 mm，貢獻率為36%。(4) 雖然不同的研究方法，結(jié)果略有差異，但雙累計曲線關(guān)系和AWY模型都顯示了人類活動的貢獻率較高，人類活動是引起徑流變化的主要因子，同時也表明北洛河流域內(nèi)受到退耕還林等水土保持措施的影響較大。

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QuantitativeResearchofPrecipitationandHumanActivitiesonChangesofRunoffinBeiluoRiverBasin

HE Xiaohui1, ZHENG Zirui1, GAO Yajun2

(1.SchoolofWaterConservancyandEnvironment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China; 2.HydrologicalBureauofYRCC,Zhengzhou450004,China)

Runoff can be affected by precipitation and human activities, and how to separate their individual hydrological effects of water is a hot issue. We found the change-point of Beiluo River Basin using the method of Mann-Kendall rank correlation, according to the measured data of precipitation and run-off from 1954 to 2011. On this basis, we used hyperbolic statistics and AWY (annual water yield) model methods to separate the measured runoff changes caused by rainfall and human activity, respectively. The results showed that the measured runoff presented the trend of decrease, and there was a mutation in 2004; human activity was the main cause of runoff reduction in the river basin, the influence quantity of human activity was 6.4 mm, the contribution rate was 56% according to hyperbolic statistics; the influence quantity of human activity was 7.6 mm, the contribution rate was 67% based on AWY model method.

precipitation; human activity; runoff; hyperbolic statistics; AWY model

2016-05-13

：2016-06-12

國家重點研發(fā)計劃水資源高效開發(fā)利用重點專項“黃河流域水沙變化機理與趨勢預(yù)測”(2016YFC0402402)；國家自然科學(xué)基金“水沙變化驅(qū)動下黃河下游河道橫向演變對濕地自然植被的影響研究——以黃河鄭州濕地自然保護區(qū)為例”(41101095)

赫曉慧(1978—),女,河南商丘人,博士,副教授,主要從事水文生態(tài)與環(huán)境遙感、智慧水務(wù)研究。E-mail:hexh@zzu.edu.cn

P333

：A

：1005-3409(2017)03-0125-05