滹沱河上游徑流演變及其影響因素分析

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)

氣候變化和人類活動對水文水資源的影響一直是全球變化研究的重要課題之一，也是人類社會-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，全球幾乎所有地區(qū)都經(jīng)歷了升溫過程[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)過程，加劇極端水文事件的發(fā)生，引起水資源在不同時空尺度的重新分配，并對降水、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].隨著社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人為因素對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活動雙驅(qū)動力的作用形成“二元水循環(huán)”系統(tǒng)[8-9].陸地生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)過程的變化會對水資源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而給人類的水資源開發(fā)與利用帶來重大挑戰(zhàn)[10-13].因此，定量分析氣候變化和人類活動對水文水資源的影響范圍和程度，不僅對水文生態(tài)環(huán)境影響研究具有重要的科學(xué)價值，也對區(qū)域水資源的合理開發(fā)利用、社會經(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，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，太行山區(qū)(尤其是滹沱河流域)地表水資源劇減問題十分突出，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(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.同時段內(nèi)流域年降水量也呈現(xiàn)顯著減少趨勢，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活動，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%歸因于人類活動.而Xu[17]認(rèn)為由于非汛期過度農(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為研究區(qū)，利用流域周邊1957～2017年的水文氣象數(shù)據(jù)，基于Mann-Kendall趨勢和突變檢測、流量歷時曲線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，從氣候變化和人類活動兩個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)恒山與五臺山之間，至界河折向東流.本研究關(guān)注的滹沱河上游流域為小覺水文站以上的區(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、陽武河、云中河、牧馬河和清水河等.流域地處溫帶半濕潤半干旱季風(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12座)[18].

1.2 數(shù)據(jù)來源

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)來源于太原、平定、石家莊、原平、蔚縣、太谷、代縣、靈丘、朔州、五臺山和五寨共11個國家氣象站，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(小覺站)1957～2013年的月徑流數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國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)來源于中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測資料，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趨勢和突變檢測法 滹沱河上游流域水文氣象年際變化序列的趨勢及突變點診斷采用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，計算簡便，是世界氣象組織推薦并廣泛應(yīng)用的一種非參數(shù)趨勢及突變檢測方法[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為實際蒸散發(fā)量，Q為徑流量，ΔS為流域儲水量變化(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)兩個氣象因子控制，其變化會直接引起年徑流量(ΔQclimate)變化[22-23].三者關(guān)系可由下式表示[24]：

ΔQclimate=βΔP+γΔE0

式中，β為徑流對降水的敏感性系數(shù)，γ為徑流對潛在蒸散發(fā)的敏感性系數(shù).敏感性系數(shù)可由下式計算[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和突變狀況見圖2.基于Mann-Kendall趨勢檢驗方法，1957～2017年，流域氣溫的年際變化呈現(xiàn)顯著的上升趨勢，增溫幅度為0.39 ℃/10 a；而降水的下降趨勢不顯著，減少幅度僅為1.67 mm/10 a.同時，從1957年以來，流域徑流呈現(xiàn)顯著的減少趨勢，平均減少量為0.15×108m3/a.Mann-Kendall突變檢驗的結(jié)果表明，氣溫(UF和UB線的交點位于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，而年徑流序列在1979年發(fā)生突變.除1959年外，徑流突變檢驗的統(tǒng)計量UF均小于0，突變發(fā)生后，UF在1981年迅速超過了95%的顯著性水平，其后在1984年超過了99%的顯著性水平，說明徑流的持續(xù)減少趨勢十分顯著.分析突變前后滹沱河年徑流量的變化趨勢發(fā)現(xiàn)，兩個時段內(nèi)徑流量均呈減少趨勢，突變前減少量達(dá)到0.21×108m3/a；而突變后減少趨勢有所減緩，減少量僅有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，其中氣溫主要通過影響蒸散發(fā)起到間接作用，而降水作為徑流最重要的補給來源直接影響徑流變化.對比1979年前后流域氣溫和降水的年際變化趨勢發(fā)現(xiàn)，1979年之前氣溫呈極微弱的上升趨勢(0.06 ℃/10 a)，而降水呈減少趨勢(-7.45 mm/10 a)，說明降水減少很可能是造成這一時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(0.56 ℃/10 a)，而降水也呈增加趨勢(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徑流量的補給，加之人類活動的影響逐漸加大，因此這一時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.從徑流的絕對減少量來看，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%.從徑流的相對減少率來看，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)，絕對量介于-17.7～14.0 mm之間，而相對變化率介于-32.7%～27.9%之間.

流量歷時曲線(FDC)用于描述特定流域某一時段內(nèi)徑流量發(fā)生頻次與流量之間的關(guān)系，反映了超過某一徑流量發(fā)生的時間百分比[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個時段來對比流量歷時曲線和徑流的相對變化率(圖4).與突變前時段相比，突變后滹沱河流域FDC存在顯著下移，說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減少率來看，除極高流量部分外(頻率<5%)，各頻率對應(yīng)的月徑流相對減少率呈線性減少趨勢(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研究時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 突變前后流量歷時曲線對比Figure 4 Changes of flow duration curves before and after abrupt change year

表1 不同時段流量歷時曲線特征值指標(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)而計算得出徑流對降水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)實測徑流數(shù)據(jù)，突變前后徑流實際減少量為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%歸因于人類活動.

3 討論

3.1 氣候變化對徑流減少的影響

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.在突變前后的兩個時段內(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，與潛在蒸發(fā)相比，降水與徑流的相關(guān)性更強，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.一方面再次驗證了降水極可能是控制突變前時段徑流變化的關(guān)鍵自然因素；另一方面說明突變后時段氣候變化對徑流的影響程度逐漸減弱.對比突變前后徑流與降水的線性趨勢線(圖5-B)，2條直線的斜率非常接近，幾近平移關(guān)系，說明在同等量級的降水條件下，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型為草地、耕地和林地，合計覆蓋面積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)移矩陣見表2.由表2可見，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，流域水資源的開發(fā)利用程度進(jìn)入高峰，持續(xù)超過40%的國際公認(rèn)警戒線，甚至在2000年后的個別年份超過80%[28].建設(shè)用地的面積凈增加最多，達(dá)到67.5 km2，主要來源于新增耕地的轉(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，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.與1957～1979年相比，1980年之后徑流的減少趨勢有所減緩，僅為之前的38%，而多年平均徑流的減少量超過50%.同時流量歷時曲線存在明顯下移，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，即人類活動的影響.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%歸因于人類活動.

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