氣候變化和人類活動對潴龍河流域徑流量影響的定量評估

張學知

(河北省衡水水文水資源勘測局，河北 衡水 053000)

0 引 言

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

氣候變化和人類活動對水文的影響因地而異，因此通常在流域尺度范圍內(nèi)進行研究。目前，許多方法被用來量化氣候變化和人類活動對徑流的影響程度。其中最常用的是長時間序列資料的對比分析法、對比試驗法、野外調查法和水文模擬法[1-2]。比較分析法需長時間的水文氣象數(shù)據(jù)。對比試驗方法通過人工改變試驗流域的自然地理條件(流域的一個或多個特征)來評估人類對徑流的影響。由于成本高，比較試驗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的影響以及大壩的調蓄作用，野外調查方法通過總結觀測徑流和人類主要用水類型，計算出“自然徑流”量。但其對人類活動的詳細資料要求較高，限制了其應用。水文模擬是分析各種驅動因素引起的徑流變化最廣泛使用的方法。當使用水文模擬方法時，需要以下步驟：首先，在沒有重大人類活動的時期校準水文模型，校準的參數(shù)被認為反映了自然水文狀況。其次，將擴展期水文氣象數(shù)據(jù)輸入標定模型，重建“自然徑流”。最后，通過比較自然徑流和觀測徑流，可以確定人類活動引起的徑流變化[3-4]。在水文模擬法中，徑流形成的機理在有無人類活動的時期是一致的。此外，不需要人類活動的詳細資料。因此，本研究選擇水文模擬法。

目前，有關潴龍河流域的研究較少，現(xiàn)有研究很少側重于氣候變化和人類活動對水文的長期影響。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確定降雨徑流關系在過去50年中是否發(fā)生了變化；③定量評估氣候變化和人類活動對徑流的影響。

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，隨著對白洋淀環(huán)境綜合整治的不斷加大及雄安新區(qū)的設立，潴龍河作為白洋淀主要的補水河流，河流水量得到充分的補給。

2 數(shù)據(jù)處理

為構建SWAT模型，本文采用了14個雨量站的降水數(shù)據(jù)，以及1963-2015年6個氣象站的氣象數(shù)據(jù)。日氣象數(shù)據(jù)從中國氣象局下載[5-6]。本文采用紫荊關水文站 (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)用于模型校準和驗證。

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)來自UMD土地利用數(shù)據(jù)集。經(jīng)過土地利用重分類后，15種土地利用類型與SWAT數(shù)據(jù)庫進行了關聯(lián)。土壤數(shù)據(jù)采用HWSD數(shù)據(jù)庫[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，相關土壤屬性(如土壤深度、土壤質地、土壤顆粒組成)從中國土壤地形學中獲得，部分土壤參數(shù)根據(jù)土壤質地、有機物和礫石含量，采用土壤-植物-大氣-水模型(SPAW)中的土壤-水-特征模塊(SWCT)進行計算。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。本文采用3次樣條插值法將土壤粒徑由國際標準轉化為美國標準。

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/水庫位置、侵蝕/沉積物位置、植物生長屬性、營養(yǎng)物含量、殺蟲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曲線計算，該方法根據(jù)當?shù)赝恋乩?、土壤組成和前期土壤濕度估計徑流。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行河道匯流驗算。模型建立過程采用基于Arcgis軟件的ArcSWAT2012插件進行建模。

3.2 氣候變化和人類活動對徑流影響的分布評價

本研究中，人類活動對徑流變化的影響包括人口增長、農(nóng)業(yè)發(fā)展和工業(yè)發(fā)展導致的用水量增加、因人類活動引起的土地利用/覆蓋變化(如水利工程建設、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階段：第一個階段為無重大人類活動的基準階段，第二個階段為受重大人類活動影響的徑流突變階段。隨后，對水文模型參數(shù)進行校準，以反映基準階段水循環(huán)的自然狀態(tài)。徑流變化期間的自然徑流通過僅改變氣象輸入而不改變?nèi)魏涡蕝?shù)和，并考慮當?shù)厝祟惢顒觼順嫿?，這樣SWAT模型模擬的徑流幾乎不受氣候變化的驅動。本文采用以下公式分離和量化氣候變化和人類活動對徑流的影響：

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引起的徑流變化，mm/年；ROC為徑流變化階段觀測徑流量的平均值，mm/年；ROB為基準期觀測徑流量的平均值，mm/年；RRN為徑流變化階段在不考慮人類活動影響下SWAT模型模擬的徑流量，mm/年；ΔRHUM為人類活動對徑流的影響，mm/年；ΔRCLIM為氣候變化對徑流的影響，mm/年；ηHUM為人類活動對徑流變化影響占比；ηCLIM為氣候變化對徑流變化影響占比。

4 結果分析

4.1 降水、溫度和徑流變化的趨勢分析

研究氣象水文時間序列歷史的變化趨勢有助于分析氣候變化對水資源系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。在潴龍河流域，每年的1-5月份和10-12月份被認為是旱季，7-9月份被認為是澇及即汛期。在P=0.05顯著性水平下，本文采用非參數(shù)M-K檢驗法[9]和t檢驗法[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。趨勢大小由Sen斜率參數(shù)β計算。

表1給出斜率的計算結果。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，尤其是在旱季。在過去的50年內(nèi)，年降水量變化具有增加的趨勢，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。徑流系數(shù)是表征降水轉化為徑流能力的參數(shù)，除在汛期Mann-Kendall檢驗結果外，其余檢驗結果均呈顯著性下降趨勢。

上述研究結果表明，潴龍河流域的氣候變得越來越溫暖和干燥，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。徑流系數(shù)變化呈下降趨勢，說明在過去50年內(nèi)，該流域的產(chǎn)流能力變化呈下降趨勢。

表1 溫度、降水及徑流變化趨勢檢驗結果

4.2 基準和徑流突變期的階段劃分

本文采用貝葉斯變點分析法和序聚類分析法對研究區(qū)北郭村水文站(1966-2015)年徑流量的突變點進行了檢測。兩種方法的計算結果表明，徑流突變點發(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和土地利用變化等因素引起的。中國人口普查局(1985年)和國家統(tǒng)計局(1990年)的調查報告顯示，1974年以前，中國人口數(shù)量較少，工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值增長緩慢。潴龍河流域在20世紀60年代末和70年代初開始關注農(nóng)業(yè)發(fā)展，并已建造大量的灌溉用水項目，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量獲得提高，受用水量增加等因素影響，流域徑流量受到嚴重影響。

根據(jù)突變點的分析結果和集水區(qū)的實際情況，在1966-1974年期間，人類活動對徑流的影響相對較弱，觀測到的徑流接近自然狀態(tài)。因此，本文將1966-1974年期間作為基準期，1975-2015年期間作為徑流變化期。

4.3 SWAT模型的校準和徑流重建

經(jīng)過參數(shù)敏感性分析，在1966-1969年間的北郭村水文站以及1967-1970年間的紫荊關水文站和新蓋房水文站本文采用SCU算法對水文模型參數(shù)進行了率定。在校準期間，Ens均大于0.76，R2均大于0.86，3個站每月的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年間的紫荊關水文站和新蓋房水文站驗證了模型，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模型在校準和驗證期間對徑流模擬的評價結果見表2。本文對校準和驗證期間觀測和模擬的年平均徑流深也進行了計算，可以看出其模擬效果較好，數(shù)值較為接近。但新蓋房水文站驗證期模擬的徑流較差，可能是因為其農(nóng)業(yè)發(fā)展較早，受人類活動因素影響較大。新蓋房水文站的灌溉工程是在很早的時候開發(fā)的。SWAT模型在基準期校準以及驗證后，在不考慮當?shù)厝祟惢顒佑绊懴?，本文將徑流變化期的水文氣象?shù)據(jù)用作模擬自然徑流。

表2 徑流模擬經(jīng)度的評價結果

4.4 氣候變化和人類活動對徑流影響的評價

本文采用公式(1)-式(5)評估了1975-2015年4個時期氣候變化和人類活動對徑流的影響，評價結果見表3。由表3可以看出，氣候變化對徑流的影響與降水量的變化具有相同的趨勢。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，人類活動導致的徑流減少量(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，人類活動對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。從評價結果可以看出，1995年以前氣候變化對徑流的影響略大于人類活動，而此后人類活動的影響逐漸增加。兩者對潴龍河流域的徑流產(chǎn)生了不同程度的影響，在未來的水資源規(guī)劃和管理措施中這兩種影響因素均應被考慮。

表3 氣候變化和人類活動對徑流量的影響評估結果

4.5 可能誘發(fā)徑流變化的驅動因素分析

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，溫度升高可能會引起徑流量的減少。研究表明，溫度升高1.5℃將導致模擬的徑流量減少13 %，潛在蒸散量增加6.02 %。總的來說，徑流應隨降水量的增加而增加，但其也對降水量年內(nèi)分布的變化作出響應(旱季增加，雨季減少)。從表2中還可以看出，當下墊面相同時，汛期降水量的百分比越高，模擬的徑流量將越大。未來的研究應詳細分析降水量的年內(nèi)分布變化對徑流量的影響。

4.5.2 人類活動

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。由人類活動引起的土地利用變化大約開始于1978年。在河北省，由于糧價上漲，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/草原后恢復的政策有助于加強林業(yè)保護和發(fā)展。20世紀80年代和2000年土地利用類型的比較結果見表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。其他報告闡述了增加農(nóng)業(yè)用地和農(nóng)業(yè)活動導致農(nóng)業(yè)用水(灌溉)增加和徑流減少。毫無疑問，土地利用/覆蓋的綜合變化以非常復雜的方式影響著水資源。

4.5.3 不同降水量下人類活動對徑流的影響

為了分析人類活動對徑流的影響，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個時段。表5計算了各分區(qū)由人類活動引起的平均徑流變化(RHUM)。由表5可以看出，當降水量較大時，河流損失了更多的徑流量。總的來說，人類在陸地表面的活動和對河水的抽取對干旱年份的徑流的影響比濕潤年份更大，因為在干旱年份灌溉和其他用途需要更多的用水。而本文的研究結果恰恰相反，在潮濕年份徑流減少的更多。年平均ΔRHUM的絕對值從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。當年降水量低于600 mm/年時，人類活動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 論

降水量的變化趨勢并不顯著，氣溫的變化表現(xiàn)出顯著的上升趨勢，徑流深度和徑流系數(shù)的變化表現(xiàn)出顯著性下降趨勢。近50年來，研究區(qū)降雨徑流關系發(fā)生了變化，產(chǎn)流能力變?nèi)?。氣候變化對徑流的影響與降水具有相同的變化趨勢。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，與基準期相比，徑流在1996-2005年期間增加36.9 mm/年。在此時間段內(nèi)，人類活動導致徑流分別減少了32.9，46.8，67.8和54.9 mm/年。受水利工程的調蓄影響，人類活動對豐水年徑流減少的貢獻更大。本研究結果提高了對潴龍河利于氣候和人類活動對流域徑流變化影響的認識和理解，可為區(qū)域水資源管理提供參考。