氣候變化和人類活動對流域徑流的影響分析
——以沙潁河為例

戴韻秋 石 朋，2 胡健偉 瞿思敏 肖紫薇 陳穎冰 陳星宇 王建金

(1. 河海大學 水文水資源學院， 南京 210098； 2. 河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 南京 210098； 3. 水利部水文局，北京 100053)

近年來，全球氣溫呈上升趨勢，歸結原因為氣候因素發生較大變化，這不僅會使水循環現狀發生改變，也將導致水資源在時間與空間上進行重新分配，可能會造成洪澇、干旱等極端水文現象的頻發[1-3]．除氣候變化外，人類活動也會參與水循環的過程，如工農業用水的增加和水利工程的攔蓄作用改變了原有的徑流方式，土地利用方式的改變導致下墊面的變化，進而破壞了流域內原來的產匯流條件等[4-5]．因此，在氣候變化和人類活動綜合影響下，流域的水文情勢發生了改變，如何定量評價二者對徑流造成的影響已成為水文工作者面臨的主要問題，也為以后在變化環境下如何進行水資源規劃利用相關工作提供了一定的方向．

目前，根據不同情形下氣候變化以及人類活動對流域內徑流的影響情況，量化分析的主要途徑有時間序列分析、試驗對比分析以及流域水文模型模擬等方法[6-7]．眾多研究學者針對不同流域采用不同的方法對影響流域徑流的因素進行了量化分析[4-10]，不同區域間人類活動以及氣候變化對徑流的影響程度不盡相同，因而針對具體區域的定量研究是必要的．對于淮河流域的相關研究相對較少，本文選取淮河上游的沙潁河流域，對降雨徑流的變化特征進行了統計分析，基于時間序列分析法量化了人類活動以及氣候變化對徑流所造成的影響．

1 流域概況

沙穎河水系為淮河最大的支流，發源于河南省外方山，流向自西北方向東南方延伸，中間流經河南省中部地區，最終流入淮河[11]．研究區域位于沙潁河上游區，東經111°57′～114°02′，北緯33°04′～34°25′，研究區域圖見圖1．整個流域屬于大陸性季風氣候．流域面積達12 150 km2，山區面積約占75%，暴雨中心一般在此，是沙潁河區域洪水暴發的主要起源地．流域年降水量為650～1 400 mm，年際變化較大，年內分配很不均勻，主要集中在汛期．區域內溫差變化甚大，在西部山區年平均氣溫10.7～12.9℃，而在東部平原區年平均氣溫14.5～14.9℃．已在沙潁河上游建造昭平臺、白龜山和孤石灘三座大型水庫，控制面積分別為1 430 km2、1 310 km2和2 286 km2，3座水庫總防洪庫容達到11億m3，能夠抵御流域內中小型洪水．

本文收集了研究區域內38個雨量站1951～2010年的降雨數據，基于算術平均法計算出流域面平均降雨量，以流域出口處漯河水文站1951～2010年的日流量數據進而得到流域的年徑流深．研究所采用的降雨數據及流量數據均摘錄自水文年鑒，數據來源可靠．

圖1 沙潁河上游區地理位置與流域內站點分布圖

2 研究方法

2.1 趨勢系數法

為了研究水文要素整體的變化趨勢，可對其進行統計檢驗，計算其趨勢系數Rxt．

(1)

2.2 Mann-Kendall突變檢驗

Mann-Kendall (M-K) 突變檢驗[6，14]可用于尋求時間序列的突變年份．對于時間序列x1，x2，…，xn，設某一元素xi大于前面元素xj(j=1，2，…，i)的累積數為ri，則總累積數為：

(2)

假定時間序列都隨機且相互獨立，計算統計量：

(3)

2.3 人類活動以及氣候變化對流域徑流影響的分離方法

在氣候變化以及人類活動二者的綜合影響下，水文序列的變化情況相對于原先天然狀態下已經發生了變化，為進行影響因素的量化分析，需要將水文序列分為天然時期和人類活動影響時期，然后利用天然狀態下的降雨徑流關系計算獲得人類活動影響下的徑流量．氣候變化以及人類活動影響的定量分析方法公式如下所示[6，8]：

ΔWT=WHR-WB

(4)

ΔWH=WHR-WHN

(5)

ΔWC=WHN-WB

(6)

ηH=(ΔWH/ΔWT)×100%

(7)

ηC=(ΔWC/ΔWT)×100%

(8)

式中，ΔWT為流域徑流變化總量，ΔWH、ΔWC分別為人類活動以及氣候變化對徑流的影響量，WB為天然時期(基準期)的徑流量，WHR為受到人類活動影響時期的徑流量，WHN為人類活動影響時期通過計算所得的天然徑流量，ηH、ηC分別為人類活動以及氣候變化對流域徑流造成影響所占百分比．

3 降雨徑流變化特征

3.1 年際變化

氣候變化因子中，降雨因子對徑流變化的影響最大[5-6，9]．統計沙潁河上游區1951～2010年間年降水量以及年徑流深的基本特征值，見表1．

表1 沙潁河上游區1951～2010年水文要素年序列的統計特征值

由結果可以看出，徑流變差系數值遠大于降雨變差系數值，說明徑流年際變化較大．由降雨徑流的距平百分比(如圖2所示)，可以看出流域內降雨變化相對平穩，正負距平交替出現，最大的正距平為63.12%(1964年)，最小的負距平為-43.08%(1966年)；徑流深的變化規律與降雨變化類似，但變化較劇烈，1965年之后多為負距平，正負距平的極值分別為245.37%(1964年)和84.76%(1966年)．二者的正負距平最值出現時間一致且變化趨勢基本一致，可見降雨變化在一定程度上導致徑流變化；但由于徑流變化程度明顯高于降雨的變化，部分年份降雨徑流距平變化相反(如1953、1965、1971、1979、1989年等)，說明徑流同時還受到其他因素的影響．

圖2 沙潁河上游區多年降水量以及徑流深距平百分比

3.2 趨勢變化

對年降雨量和徑流深進行一元線性回歸分析并且計算二者各自的趨勢系數．由相關系數顯著性檢驗表可知，當α=0.05時，60個樣本序列對應的相關系數臨界值為0.254．由降雨徑流的年際變化趨勢過程線如圖3、圖4所示．

圖3 沙潁河上游區年降水量趨勢變化

圖4 沙潁河上游區年徑流深趨勢變化

可以看出流域內降雨量的變化趨勢線表現的較為平緩，其變化傾向率為0.425 mm/10a，趨勢系數R為0.004，遠低于臨界值，因此年降雨上升趨勢沒有那么明顯；而年徑流深的變化趨勢較為明顯，傾向率為-18.505 mm/10a，趨勢系數R為-0.261，其絕對值大于臨界值(0.254)，可知流域年徑流深表現出顯著的下降趨勢．降雨變化微弱而徑流變化顯著，進一步說明了流域內徑流的變化受其他因素(如人類活動)的影響．

3.3 突變點檢驗

水文統計分析工作中有一重要環節，即對水文要素進行突變檢驗，找出序列樣本的突變點，可將樣本系列分為兩部分，從而對比分析兩個時期水文要素的特征和差異[10]．

圖5 沙潁河上游區年徑流深突變檢驗

利用MK突變檢驗對具有顯著下降趨勢的年徑流深進行突變分析，結果如圖5所示，UF線和UB線相交于1965年，說明徑流深在1965年發生了突變，與上述距平分析結果一致．

4 人類活動以及氣候變化對流域徑流影響的量化分析

以徑流深突變年1965年作為臨界點對徑流系列進行分割．近似認為1965年以前人類活動影響較小，為天然時期(基準期)，利用1951～1964年的降雨量(x)和徑流深(y)數據建立回歸方程：

y=0.753 8x-389.31

(9)

R2為0.884 7，相關系數R為0.941，大于臨界值0.623(α=0.01，樣本數為14)，相關性達顯著性水平，說明可用于將1965年以后受人類活動影響的徑流還原到天然狀態的情況．按公式(9)計算1965～2010年相應時段內氣候變化以及人類活動對于徑流深的影響量，結果見表2．由表2可知，在1965年以后人類活動影響時期(1965～2010年)，降雨量相對于基準期減少了52.53 mm，徑流深相對于基準期減少了111.68 mm，其中氣候變化(降雨因素)對徑流變化的影響占35.45%，人類活動的影響對徑流變化的影響占64.55%，可見人類活動是造成沙潁河流域徑流深減少的主要原因．對比不同時間徑流深變化和氣候變化以及人類活動各自的影響貢獻率可以看出，在人類活動的影響初期(1965～1969年)，氣候變化的影響仍占主要地位，為82.08%，而人類活動的影響僅為17.92%；20世紀七八十年代，人類活動影響顯著，達到62%以上；20世紀九十年代，由于降水量的減少，人類活動影響也相對變小，為53.99%，但仍占主要地位；21世紀初，降雨量相對于基準期有所增加，導致徑流量也有所增加，而人類活動導致徑流減少達到108.18%，人類活動仍是導致徑流變化的主要因素．

表2 氣候變化以及人類活動對流域內年徑流深影響的量化分析

5 結論與討論

1)沙潁河上游區年降水序列比較平穩，變化趨勢不明顯；而徑流深年際變化劇烈，1965年后年徑流深多低于平均值，存在顯著的下降趨勢，傾向率達-18.505 mm/10a，對年徑流深序列進行突變檢驗發現，1965年為其突變年份．

2)人類活動以及氣候變化二者共同影響著徑流的變化．降水量對徑流有著一定的影響，在降水量相對于基準期減少的階段，徑流也會相應減少，而在降水量相對基準期增加的時段(21世紀初)，徑流量也會有所增加；除去在人類活動影響的初期(1965-1969年)，氣候變化因素的影響較大外，其余人類活動影響時期，人類活動是造成流域徑流減少的主要原因．

3)本文僅僅分析了降水量變化對流域徑流所造成的影響，而并沒有考慮氣溫、蒸發等其他因素．人類活動影響分析也是一個相對廣義的概念，包括下墊面變化、水利工程建設以及工農業用水等的影響，未來可以對量化不同人類活動對流域徑流影響進行研究．另外，使用時間序列分析法進行了氣候變化以及人類活動影響的量化分析，方法容易，操作簡便．而分布式水文模型可以模擬流域水文狀況，在今后的研究中可借助水文模型進行對比研究．

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