氣候變化與人類活動對徑流影響貢獻的研究概況

張愛靜，王本德，曹明亮

（1.大連理工大學水利工程學院，遼寧大連116024；2.四川省水利水電勘測設計研究院，四川成都610072）

0 引 言

現狀的河川徑流發生了顯著的變化，這是氣候和人類活動因子雙重作用的結果。人們為了科學合理地進行流域水資源評價、管理、規劃、開發與利用，不可避免地需要考慮這兩種因子對河川徑流變化的影響程度。因此研究流域徑流變化的原因，從發生變異的水文要素中分離出兩種因子的貢獻量成為當前流域水文研究的熱點和難點[1]。近年來，很多研究[2]從徑流變化驅動因子分析、人類活動的水文效應、氣候變化的水文效應、考慮人類活動的水文模擬等角度研究了環境變化對河川徑流的影響。其中開展區分量化氣候變化和人類活動對河川徑流影響貢獻的研究以國內學者為主，因此本文僅就國內學者在此問題上的研究思路以及定量計算方法進行歸納總結。

1 研究思路

河川徑流是氣候條件與流域下墊面綜合作用的產物。在水循環研究中，氣象因子主要能定量描述的是降水和蒸發，其受到溫度、濕度、氣壓、風速及下墊面狀態的約束。下墊面因素指流域自然地理特征，主要包括地形、地貌、植被、天然水體與沼澤等。人類活動屬于水循環的下墊面范疇，包括人口增長、城市化水平發展、植被增減變化、硬覆蓋變化、水利設施對截留影響、流域內水體小循環等，它與自然的下墊面共同影響水文的徑流和氣候的溫度、蒸發與降雨。因此徑流不僅對氣候波動響應敏感，而且受人類活動強度影響顯著。定量分析河川徑流受氣候因子與人類活動因子影響的強度不僅是環境變化影響研究領域中的熱點問題，也是流域水循環研究中的難點問題。

氣候變化和人類活動對流域水資源影響量化的主要技術手段有：長序列資料對比分析、試驗對比分析、分項組合及流域水文模擬等方法[5]。長序列資料對比分析方法通過對比分析相似氣象條件下的水文變化揭示人類活動的影響，需要研究流域有較長的實測水文氣象資料。對比試驗方法是在相同氣候區域內選擇相似的試驗流域，保持參考流域的狀況不變，在試驗流域進行人類活動干擾，通過對比試驗流域與參考流域的水文變量差異，分析人類活動的水文影響。對比試驗方法成本高，并且只適用于小流域。分項調查和水文模擬兩種方法都假定氣候變化和人類活動是導致徑流變化的相互獨立的因子，將水文氣象序列按時序劃分為天然階段和受人類活動影響階段，然后將人類活動對流域顯著影響之前的時期作為基準期，其后的時期作為人類活動影響期，最后還原人類活動影響期間的天然徑流量并根據水量平衡來計算兩個因子對徑流的貢獻量。

分項調查方法中，通過分項計算人類活動影響期間的主要人類活動用水量，然后與實測河川徑流量疊加，來還原天然徑流量[6]。其主要的思路是根據水量平衡方程將流域內的各種用水量、引水量、分洪水量都計入到實測徑流中[7]。該方法需要大量具體的人類活動資料及相應的影響定額，難以全面考慮所有人類活動對流域水文過程的擾動，所以不能保證還原結果的可靠性[8]，而且對于多數流域而言，相對準確詳細的“取-用-耗-排”水資料需求也很難滿足。

水文模擬方法利用無人類活動影響或者人類活動影響顯著前的實測水文氣象資料率定水文模型，并認為這些參數基本上反映流域的天然產流狀況。然后保持模型參數不變，將人類活動影響顯著期間的氣象要素輸入到水文模型，計算延展相應時期的天然徑流量[9]。通過對比人類活動影響期間的實測徑流量、還原的天然徑流量和基準時期的實測天然徑流量分離人類活動影響期間各因素對流域徑流的影響。該方法可以保證人類活動影響期間的天然徑流量與基準時期的實測天然徑流量在成因上具有一致性，并且不需要大量詳細具體的人類活動資料[8]，成為目前區分量化氣候變化和人類活動對河川徑流影響貢獻的主要方法。

水文模擬方法中的關鍵研究問題主要包括：天然階段與人類活動影響顯著階段的劃分、流域水文模擬、以及各因子對徑流影響的分離方法，本文重點分析這幾個關鍵問題的研究現狀。

2 天然階段與人類活動影響顯著階段的劃分

受人類活動或氣候變化顯著影響后，水文序列的天然平穩性會遭到干擾或者破壞，在某種意義上水文序列異于原天然序列而呈現出階段性或趨勢性的變化[1]，表現為基本特征值的時空不對應及其頻率的不一致。通常研究者根據這一規律，推估人類活動影響下水文氣象序列的顯著轉折點（水文變異點），并以此點為界將研究時段劃分為天然階段和人類活動影響階段。

在水文要素變異點識別方面有很多成果，主要包括統計學方法和一些新的變異點檢測方法。常采用的統計分析方法有序列滑動平均法、有序聚類法、時序累積值相關曲線法、Mann-Kendall突變點分析法等。例如，曹明亮[10]等利用有序聚類法推求了豐滿上游流域降雨徑流變化的最優分割點；許炯心[11]等點繪了實測入海水量與年降水量之間的雙累積曲線來區分降水變化及人類活動對入海徑流通量的影響階段性；孫寧[12]等以潮河密云水庫上游流域為研究對象，利用雙累積曲線將1961—2005年期間年降水-徑流關系演變劃分為3個階段；姚治君、徐東霞[13]等利用應用累積濾波器和肯德爾秩次相關法，分別對潮白河、嫩江的年徑流變化趨勢做了定性和定量分析；楊永輝[15]等利用Mann-Kendall突變點分析方法對海河8個子流域徑流序列的突變點進行了計算，并分析了變化的驅動原因；藺學東[16]等以拉薩水文站以上流域為研究區對年平均徑流序列以及各月平均徑流序列進行Pettitt變點檢驗，并依據計算結果劃分研究時段。隨著對突變點問題認識的逐漸深入，不斷有新的變異點檢測方法被應用到水文序列變異檢驗中，例如，李占玲[17]等采用Morlet小波分析方法對雅江流域1956—2000年徑流序列的時空演變規律進行了研究和探討，認為徑流序列發生突變的年份主要集中在1957，1967，1976，1983，1992 年；謝平等[18]在對多種方法進行檢驗研究的基礎上，提出了一種水文時間變異的綜合診斷方法，并用該方法對潮白河流域水文序列的變異點進行了識別與檢驗。

水文序列的突變點只能從統計學角度說明水文序列發生了變異，而天然階段和人類活動影響階段的劃分還需要從物理成因角度綜合考慮流域的相關政策調整，區域人類活動等信息，并結合水文資料的完整性進行研究。例如，姚允龍等[19]考慮撓力河流域在建國以來經歷了大規模的農業開發，尤其是在20世紀80年代以來經歷的兩次大農業開發，將1956—2005年人為的劃分成2個研究時段；王國慶等[20]認為地處黃土丘陵溝壑區和土石山區的汾河流域，在1970年之前，水土保持措施和水利工程相對較少，處于人類活動影響輕微的天然狀態；王綱勝等[21]等為了反映人類活動在不同時間段的影響，結合實際資料條件，將潮河、白河的徑流模擬過程劃分為3個研究階段。

天然階段與人類活動影響顯著階段的劃分是量化氣候變化和人類活動對河川徑流的影響的先決條件，保證研究階段劃分的科學性，才能使還原得到的天然徑流量有現實意義。研究中，不能單純地根據突變點分析的結果來進行研究階段的劃分，需要綜合考慮研究流域內人類活動的發展變化特點，并驗證研究時段劃分的合理性。

3 流域水文模擬

利用水文模擬方法研究氣候變化和人類活動與河川徑流變化的相關性，量化各階段氣候變化及人類活動對流域產匯流的影響程度，一般先根據流域的地理及氣候條件選取適宜的水文模型。隨著流域水文模擬技術的不斷發展，很多確定性和隨機性水文模型被應用到環境變化的水文影響研究中。回歸模型由于簡單實用、易于實現的優點，其原理和方法較早地被應用到氣候變化與人類活動對河川徑流影響定量分析中：許炯心[22]等以1956—1980年作為人類活動較弱的“基準期”，而以1981-2000年為人類活動較強的“措施期”，用多元回歸模型將人類活動和降水變化對徑流的影響分開研究嘉陵江流域年徑流量的變化及其原因；劉登偉[23]等應用回歸方程并結合數理統計方法，地理信息系統空間分析方法，定量分析了人口因素對不同時空尺度地表水資源的影響。也有學者應用沒有物理意義輸入的數學模型對徑流演變驅動力進行了量化分析，例如羅先香[24]等利用人工神經網絡模型對三江平原沼澤性河流的徑流演變驅動力進行了分析；劉德地[25]等利用BP神經網絡模型量化分析了氣候變化與人類活動對東江流域地表徑流的影響。隨著計算機，GIS和遙感技術的發展，越來越多的研究趨向于應用具有物理意義的水文模型區分氣候變化與人類活動對徑流的影響。例如李志[26]等利用分布式水文模型SWAT及情景模式建立的方法，定量分析了氣候變化及覆被變化對黑河流域徑流變化的影響程度；賀瑞敏[27]等用澳大利亞水平衡模型，將人類活動和降水變化對徑流的影響分開，分析了環境變化對黃河中游伊洛河流域徑流量的影響，指出氣候變化是伊洛河流域徑流減少的主要因素；陳利群[28]等利用分布式水文模型SWATS和VIC量化分析了黃河源區氣候波動和土地覆被變化對徑流的影響的貢獻率；馬歡[29]等利用GBHM模型研究了氣候變化和人類活動對密云水庫流域的影響。

流域水文模擬是量化氣候變化和人類活動對河川徑流影響的手段。已有研究，利用水文模型對天然階段和受人類活動影響階段的水文過程分別進行模擬，根據模擬結果區分氣候變化與人類活動對徑流的影響；或者建立各種情景模式，在水文模型中固定部分影響因子，分離其他影響因子對徑流的影響程度。因此，相對準確的流量過程與量化分析結果依賴于水文模擬結果的可靠性，因此水文模型的不確定性成為該研究中必須要考慮的問題。

4 氣候變化和人類活動對徑流影響貢獻量的計算

現有研究在計算氣候變化與人類活動對徑流影響的貢獻量時，一般以流域天然時段的實測徑流作為基準值，并認為人類活動影響時段的實測徑流與基準值的差值是由環境變化導致的[30]。這一差值包含兩部分：一部分為氣候變化影響的貢獻量，另一部分為人類活動影響的貢獻量。現有的大部分研究，采用以下兩種思路（兩組公式）計算人類活動和氣候波動對徑流變化的貢獻量。

第一組公式[1]為：

其中，△WT為徑流變化總量；△WH為人類活動對徑流的影響量；△WC為氣候變化對徑流的影響量；WB為天然時期的徑流量；WHR為人類活動影響時期的觀測徑流量；WHN為人類活動影響時期的天然徑流量；ηH，ηC分別為人類活動和氣候變化對徑流影響的百分比。該組公式認為是人類活動影響期間還原的天然徑流量與基準期流量之間的差值是氣候變化影響的貢獻量，人類活動影響期間還原的天然徑流量與相應時期的觀測徑流量的差值是人類活動影響的貢獻量。

第二組公式[31]為：

其中，RO是評價期觀測徑流量相對于基準期觀測徑流量變化的比例（%）；Icc和Iha分別為氣候變化和人類活動對徑流變化貢獻的比例（%）；Qi和Qbase分別為評價期的觀測徑流量和基準期的觀測徑流量；Ri和Rbase分別為還原后評價期的天然徑流量和還原后基準期的天然徑流量；RC為還原后評價期天然徑流量相對于基準期天然徑流量變化的比例（%）；pCC和pHA分別為氣候變化和人類活動在徑流變化影響中各自所占的比例。

兩組計算公式的區別在于考慮模型模擬誤差的方法不同，第二組公式用人類活動影響期間還原的天然徑流量與基準期模擬徑流量之間的差值代表氣候變化對徑流改變的貢獻量，用整體“1”減去氣候變化的貢獻量代表人類活動影響的貢獻量。采用兩組計算公式進行氣候變化和人類活動對徑流影響貢獻量的計算，結果的差別不大。

5 研究成果

分離氣候變化和人類活動對流域水文要素影響的研究成果有很多，其中以黃河流域和海河流域的研究最多。對黃河源區的研究[28]表明氣候變化是徑流減少的主要原因，20世紀90年代以前，土地覆被變化對徑流影響很小，氣候變化對徑流的影響在95%以上。有關潮白河流域[32]的研究表明，人類活動是引起潮白河流域徑流減少的主要因素，對水資源的過度開發利用，導致了斷流以及一系列的生態和環境問題。塔里木河流域[33]三大支流受人類活動影響不大，但在塔里木河干流，人類活動對徑流的影響卻在不斷加大，越往下游，影響越大，人類活動在1970，1980和1990年代對流域上中游地表徑流的影響量分別為41.59%，63.77%和75.15%[34]。與基準期1961—1971年相比1972—1997年水土保持措施對無定河流域徑流減小的貢獻為87%，而降雨和潛在蒸發對徑流減小的貢獻量為13%[35]。對北方老哈河流域的研究[36]表明，1964年以來，流域徑流受氣候變化和人類活動雙重影響，其中人類活動對徑流起減少作用。石羊河上游8個流域的研究[37]表明，降雨變化對徑流減小的貢獻率為64%。這些研究成果對研究流域水文特性，研究人類活動影響下的區域水循環過程及科學合理地分析人類活動對流域水循環規律的內部影響具有參考價值。

6 目前研究中存在的問題與難點

客觀定量評價氣候變化和人類活動在全國河川徑流變化中的作用有助于未來水資源的合理開發和可持續利用，對于適應氣候變化的對策研究具有重要意義。雖然現有研究取得了一定的成果，但是仍有一些問題需要深入探討。

1）目前“階段劃分”的研究往往采用突變點分析方法，但是水文要素時間序列中的有些變點可能是隨機的突變，不是水文要素總體系列的突變點，有些可能處于一個周期的變化處，不是真正意義上的變異點，并且水文變異的原因也不一定是人類活動的影響。如何找到和驗證真正意義上的變異點，論證突變的客觀性與可靠性需要深入研究。

2）還原天然流量的方法，是建立在變點之前徑流沒有受到人類活動影響或者受人類活動影響很小這一假設基礎之上的。實際上，突變點之前人類影響是存在的，而是因水文資料的長度問題被研究者所忽略，如何得到真正意義上的天然流量這一問題遠未解決，仍需要在延長歷史資料，論證資料代表性，分析突變點與人類活動影響程度的關系等方面，進行深入研究。

3）還原天然流量的方法，是假定導致徑流變化的氣候變化和人類活動因子是相互獨立的。實際上人類活動影響時期的實測徑流是氣候變化和人類活動共同影響下的結果，輸入的氣候因子，本身又受到人類活動影響。對于氣候因子中哪部分是人類活動導致的，哪部分是天然的氣候波動，區分起來顯得尤為困難。

4）進行流域水文模擬時，水文模型參數一般由歷史資料率定，模擬的徑流包含了各種誤差，外延得到變化環境中天然狀態下的徑流具有一定的不確定性。如何考慮模型的適用性與不確定性，需要詳細考慮。

5）人類活動因子對徑流演變產生影響已經是一個不爭的事實。但是人類因素紛繁復雜，既包括引起流域下墊面顯著改變的水土保持措施、水利工程修建等對徑流產生直接影響的人類活動，也包括經濟社會結構調整等對徑流產生間接影響的人類活動。并且這些因素相互耦合，難以對每類人類驅動因素一一量化，只能提出一個綜合的影響結果。目前，如何進一步區別不同人類活動對徑流變化的作用仍然是研究者面臨的難題。

6）現階段針對該問題的研究基本上建立在代際或年時間尺度上，并沒有考慮到降水、氣溫等氣象因素的豐枯變化及季節變化可能帶來的徑流變化。基準期的相對豐枯與氣候變化與人類活動對河川徑流影響貢獻的計算結果密切相關，不同的基準期的選擇可能得到不一致的結果。同時降水總量相同，下墊面條件也相同時，不同降水時間分配會產生不同的徑流過程。如何考慮降水的豐枯變化及年內分配變化對徑流的影響，需要深入剖析。

7）氣候變化與人類活動對河川徑流影響貢獻的定量分析結果具有很大的不確定性，目前尚沒有檢驗分析結果的可靠性評價指標體系，如何驗證計算結果的合理性有待深入研究。

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