錫林河流域徑流變化規律及氣候波動和人類活動影響的定量分析

王威娜, 高瑞忠, 王喜喜, 劉廷璽, 白 勇

(1.內蒙古農業大學 水利與土木工程學院, 呼和浩特 010018; 2.美國歐道明大學, 諾福克 弗吉尼亞州 23529)

內蒙古中部高原內陸河流域是我國北方重要的能源基地，一直以來都發揮著生態屏障的作用。錫林郭勒盟是我國重要的能源接續地，位于錫林郭勒盟的內陸河對其經濟的發展產生了重要的推動作用。近年來，高原內陸河草原流域水資源短缺，生態環境日趨惡化，由于氣候變化和人類活動的影響，許多子流域(諸如錫林河流域)的水文過程均發生了不容忽視的變化[1-5]。

流域徑流量發生變化歸因于氣候和人類活動綜合作用的結果[6-7]，因此，定量分析氣候變化和人類活動對徑流的影響，已經成為當前水文水資源科學家研究的焦點[8-10]。眾多學者對于徑流的變化進行了一系列定性定量研究，馬龍等[1]對遼河流域1957—2010年的徑流量變化進行研究發現，徑流量多年來呈現減少的趨勢，與降水呈正相關，而與平均氣溫呈負相關；劉貴花等[2]對鄱陽湖流域贛江徑流影響的定量分析研究指出，降水是影響贛江流域徑流變化的主要因素；張利平等[3]對灤河流域徑流變化的定量影響分析后指出，氣候波動和人類活動對徑流減少的影響量呈增加趨勢，且人類活動一直是徑流減少的主要影響因素；胡珊珊等[4]利用白洋淀上游水文站1960—2008年的水文氣象數據分析氣候波動和人類活動對研究區徑流量的影響，發現年徑流量呈顯著下降趨勢，而人類活動對徑流量的減少起主導作用；林凱榮等[5]對東江流域徑流影響的貢獻分解研究發現，不同子流域土地利用及氣候波動對徑流的改變作用各不相同，均分別起到增加和減少徑流作用；劉劍宇等[6]對鄱陽湖流域徑流過程影響的定量分析后指出，氣候波動是流域徑流增加的主導因素，而人類活動是徑流增加的主要因素，是撫河徑流減少的主要原因。

可以看出，雖有很多學者在氣候變化和人類活動對流域徑流的影響方面做了大量研究[11-15]，但是對于內蒙古高原內陸河草原流域生態水文變化原因的定量分析研究卻少有文獻報道，鑒于此，本文以錫林河流域作為內蒙古高原內陸河草原流域的典型研究對象，基于水文、氣象和社會經濟等數據，利用累積距平法、雙累積曲線法、改進的M-K趨勢檢驗法和累積量斜率變化率比較法等方法進行錫林河流域徑流演變規律的分析，定量計算氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻，旨在探討高原內陸河草原地區社會經濟發展中的流域水文效應，對于認識變化環境下內陸河流域水文循環及其演變過程具有重要的現實意義。

1　材料與方法

1.1　研究區概況

錫林河流域(115°32′—117°16′E，43°26′—44°39′N)位于內蒙古錫林郭勒盟中東部，流域面積約11 000 km2，主要分布于錫林浩特市，少部分位于阿巴嘎旗和赤峰市的克什克騰旗，流域高程變化811～1 604 m。錫林河發源于赤峰市克什克騰旗境內，干流全長175 km，為我國典型的高原草原型內陸河(圖1)。錫林河流域春季干燥，夏季炎熱，雨水集中在6—9月，秋季涼爽，冬季漫長干冷，屬半干旱大陸性季風氣候。流域多年平均降水量為284 mm，主要為6—9月的降雨和10月—次年1月的降雪，多年平均蒸發量為1 864 mm。

圖1錫林河流域地理位置及水文氣象站點分布

錫林河流域屬于我國北方重要煤電基地——錫林郭勒煤電基地的重要組成部分，著名的草原露天煤田——勝利煤田就在其中。錫林浩特市經濟快速發展，不斷汲取利用水資源，加之過度放牧和超載養畜等，導致流域徑流量呈顯著減少趨勢，對于經濟社會發展和生態環境均產生了不利的影響[16-17]。

1.2　數據來源

本文主要使用了錫林河流域的氣候、水文和社會經濟等數據。氣候數據來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)，主要為錫林浩特氣象站1963—2015年的日數據，其中包括氣溫、相對濕度、降水量、風速、日照時數、蒸發量等，又鑒于研究區具有長序列實測數據的氣象站較少，因此，本文又以1963—2015年國家氣象信息中心氣象資料實驗室建立的0.5°×0.5°降水格點的月值數據[18]作為補充，以分析區域面降水分布規律，經檢驗，氣候數據沒有隨機變化和明顯的突變點，可以代表該流域的氣候狀況。水文數據來源于內蒙古自治區水文總局，為1963—2015年錫林浩特站的日徑流數據和磚瓦廠站的日雨量數據，水文資料時間序列完整，數據可靠。社會經濟數據來源于錫林浩特市統計年鑒(1986—2015年)，包括人口、國內生產總值、第一產業產值(PIP)、第二產業產值(SIP)、第三產業產值(TIP)和牲畜數目等。研究區水系、氣候站點及水文站點分布見圖1。

1.3　研究方法

1.3.1降水—徑流關系分析在年、季時間尺度上，利用徑流—時間、降水—時間曲線、降水—徑流相關圖和年代均值來辨識研究區流域降水和徑流隨時間的變化關系和整體趨勢。利用降水—徑流雙累積曲線來分析整個時段年尺度降水—徑流關系是否一致，降水—徑流雙累積曲線理論上斜率應該恒定，雙累積曲線的拐點可以認為是分界點，在分界點處降水—徑流關系改變，可歸因于流域特性或氣候波動的影響。

1.3.2趨勢的檢測Mann-Kendall檢測技術已廣泛用于水文氣象時間序列的趨勢分析中，但為了解決因時間序列的正相關性增加趨勢顯著性的機率而導致趨勢誤檢測的問題，Hamed等[19]提出了一種考慮時間序列滯后自相關性的改進Mann-Kendall趨勢檢測技術并在實踐中證明了有效性，本文采用該方法來檢測研究區徑流和降水序列在顯著水平α=0.05時的趨勢性。改進Mann-Kendall法的計算流程詳見文獻[19]和[20]。

1.3.3降水和徑流序列的突變分析對于突變點的劃分有眾多的方法，常用的有累積距平法、有序聚類分析法等。本文采用累積距平法[21]來劃分降水、徑流的突變點。累積距平法可以通過觀察徑流和降水序列差積曲線的變化來判斷數據點的離散程度和變化趨勢，計算公式為：

(1)

1.3.4影響徑流變化的貢獻率計算對于氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻率分析，采用累積量斜率變化率比較法[22]，計算公式如下：

RSR=100×(SRa-SRb)/SRb=100×(SRa/SRb-1)

(2)

RSP=100×(SPa-SPb)/SPb=100×(SPa/SPb-1)

(3)

CP=100×(RSP/RSR)=100×(SPa/SPb-1)/(SRa/SRb-1)

(4)

式中：RSR和RSP為累積徑流量斜率變化率和累積降水量斜率變化率；SRb和SRa為累積徑流量表示年份線性關系式的斜率在拐點前后兩個時期的徑流量；SPb和SPa為累積降水量表示年份線性關系式的斜率在拐點前后兩個時期的降水量；CP計算為降水量變化對徑流量變化的貢獻率。

2　結果與分析

2.1　徑流和降水的時間變化

錫林河流域年徑流量多年來呈現減少趨勢(圖2)，而降水的整體變化趨勢不明顯(圖3)。在年時間尺度上，流域的徑流量多年來呈現顯著減少的趨勢，但是2012年徑流量卻達到最大值，枯水季徑流量明顯高于豐水季徑流量，具有最大降水量的年份沒有最大徑流量，而具有最小降水量的年份具有最小的徑流量。最大降水量512.2 mm發生在1974年，而最大徑流量10.084 mm出現在2012年。從年代變化角度看，流域年徑流在20世紀90年代最大，在21世紀初最小，除在20世紀90年代和21世紀10年代有所增加以外，其余年代均為減少，尤其是21世紀初相對于20世紀90年代減少了54.90%；豐水季徑流在20世紀90年代達到最大，除了20世紀70年代和20世紀90年代增加以外，其余年代均為減少，21世紀初相對于20世紀90年代減少了67.97%；而枯水季的徑流變化類似年徑流的變化趨勢。流域年降水量在20世紀90年代達到最大，除了20世紀80年代和21世紀初有所減少以外，其余年代均小幅度增加；豐水季降水也是在20世紀90年代達到最大，其變化類似于年降水量變化；而枯水季降水量在21世紀10年代達到最大，除了20世紀80年代和21世紀初減少以外，其余年代均為增加。在季時間尺度上，豐水季的徑流量明顯小于枯水季的徑流量，這可能是流域融雪和河網的儲冰解凍形成春汛使流域徑流增大引起的，而且豐水季的降水遠大于枯水季的降水(表1)。

圖2　不同時間尺度下徑流量變化及5 a滑動序列、年代均值序列變化

對于錫林河流域水文站的徑流量及降水量的變化趨勢用Mann-Kendal秩次相關法進行檢驗，由檢驗結果可知：年徑流量(p=0.018)及枯水季的徑流量(p=0.005)下降趨勢顯著，說明流域的徑流整體上呈明顯下降的趨勢。年降水的整體下降趨勢不太明顯(p=0.795)，同時豐水季的下降趨勢也不明顯(p=0.215)，但是枯水季降水的上升趨勢比較顯著(p=0.044)(表2)。然而，無論降水波動趨勢如何，徑流總體呈下降趨勢，在1998年之后呈現比之前更加顯著的下降趨勢。降水—徑流雙累積曲線(圖4)在1998年出現拐點，說明1998年之前的降水—徑流關系與1998年之后的降水—徑流關系呈現不同，也就是說，研究區的降水—徑流關系可能在1998年左右改變。在相同的降水量條件下，變化期(1999—2015年)產生的徑流量顯然比基準期(1963—1998年)產生的徑流量大(圖5)，達到36.4%(表3)。對于豐水季，變化期(1999—2015年)的年平均徑流量比基準期(1963—1998年)的年平均徑流量少30%以上(表3)，這與年尺度變化(36.4%)相符。因此，這種變化意味著自1998年以來流域天然徑流特征發生改變。

圖3　不同時間尺度下降水量變化及5 a滑動序列、年代均值序列變化

時間項目絕對量/mm全年豐水季枯水季相對變化率/%全年豐水季枯水季1963—1969年徑流4．9261．8443．082———降水274．671215．42959．243———1970—1979年徑流4．9152．0182．897-0．2309．441-6．015降水305．110241．15063．96011．08211．9407．9621980—1989年徑流3．8801．1142．767-21．046-44．815-4．489降水245．740200．71045．030-19．459-16．770-29．5971990—1999年徑流6．3072．9473．36062．535164．66221．432降水314．840247．60067．24028．11923．36249．3232000—2009年徑流2．8440．9441．900-54．903-67．972-43．439降水225．720163．57062．150-28．306-33．938-7．5702010—2015年徑流3．5510．7242．82724．844-23．33448．774降水312．267225．40086．86738．34237．80039．769

注：*為在顯著性水平α=0.05下趨勢顯著；↓為下降趨勢，下表同。

表3　1963-1998年與1999-2015年年季尺度平均徑流量對比

無論年、季尺度，1999—2015年的平均降水量與1963—1998年相當，但1999—2015年的年平均徑流量顯著小于1963—1998年(圖3，圖5)。

圖4　錫林河流域徑流量和降水量雙累積曲線

氣候波動對于研究區徑流的影響是客觀存在的，流域徑流量隨著氣候因子的變化體現出相應的變化，這對于沒有人類活動參與的階段來說是明確的，但若有人類活動的參與，人類活動會對徑流變化幅度產生一定的貢獻，這就需要對徑流時段進行劃分，區分單純的氣候波動影響階段及氣候和人類活動雙重影響階段。

圖5　錫林河流域徑流量和降水量散點及線性回歸

圖6　錫林河流域徑流、降水累積距平變化曲線

2.2　徑流和降水序列的突變年份分析

累積距平法可以較為直觀地反映徑流量在不同時代的階段變化，本文采用該方法來判斷降水量和徑流量突變年份。初步判斷徑流突變點在1979年、1985年、1998年，但是研究區站點在1998年前后徑流和降水均表現出顯著的增大—減小過程(圖6)，從流域徑流、降水雙累積曲線中的拐點可以進一步確定錫林河流域徑流量發生突變的年份是1998年(圖4)，又由于干旱半干旱區氣候因子中，降水對徑流的作用占相對較大的比重，因此，確定研究區徑流突變點為1998年。

在1998年之前的階段可以看作是基準期，徑流主要受到氣候波動的影響，而在1998年之后的階段可以看做是變化期，徑流可以看作是受氣候波動和人類活動的雙重影響。該階段氣候波動和人類活動對徑流變化量的貢獻率，是需要定量解決的問題。

2.3　氣候波動和人類活動對徑流量變化的貢獻

變化期(1999—2015年)與基準期(1963—1998年)時段相比流域累積徑流量—年份關系式斜率減少694.82億m3/a，減少率為37.76%。而累積降水量—年份關系式斜率減少32.68 mm/a，減少率為11.45 %(圖7A—7B，表4)。變化期與基準期相比，流域氣候波動對于徑流減少的貢獻率為30.34%，而人類活動對徑流減少的貢獻率為69.66%，見公式(2)—(4)。因此，人類活動是導致錫林河流域徑流量減少的主要驅動因素。

表4　錫林河流域累積徑流量、降水量斜率及其變化率

圖7　錫林河流域累積徑流量、累積降水量與年份的關系曲線

2.4　氣候的波動要素影響分析

流域徑流受到氣候、流域特征和人類活動等因素的影響，這里分析了降水、風速、相對濕度、日照時數、蒸發和溫度等氣候要素的趨勢變化，結果顯示相對濕度、日照時數、風速和降水等要素在顯著性水平α=0.05時呈現不顯著的減少或增加趨勢，而蒸發和溫度卻呈現顯著的增加趨勢(表5)，基準期與變化期溫度平均值差異達40%以上，其他氣候要素在突變點前后兩段時期內的差異均小于20%，說明在全球氣候變暖的形勢下，氣溫和蒸發對于研究區徑流產生一定的影響。

2.5　人類活動驅動因素分析

人類活動是錫林河流域徑流減少的主要原因之一，流域主要分布在錫林郭勒盟錫林浩特市，因此選用錫林浩特市的社會經濟指標進行人類活動對于徑流影響的分析。社會經濟指標包括地區生產總值(GDP)、人口數量、第一產業產值(PIP)、第二產業產值(SIP)、第三產業產值(TIP)和牲畜數量。

表5　氣候要素趨勢的改進Mann-Kendall檢驗結果

自1986—2015年，地區生產總值及其組成部分、人口數目呈現連續的增長趨勢(圖8A，8B)。除人口和牲畜數目以外，其他社會經濟指標1999—2015年的平均值是1986—1998年的6倍以上，尤其SIP和TIP增加了10倍以上，表明錫林河流域在1998年后人類活動頻繁，分析原因為錫林河流域煤炭資源豐富，以煤炭為主導的工業迅速發展，帶動了區域社會經濟的發展。對比而言，人口增長相對較小，約20%以上，說明在經濟發展過程中，生產方式不斷轉變，不再是以勞動力為主的發展模式。

圖8　錫林河流域主要經濟指標、人口年變化

圖9　錫林河流域大牲畜、羊數量的年變化

自1986—1998年以來，流域范圍內牲畜總量呈增長的趨勢，實際載畜量遠大于正常水平，超過天然草場的承載能力，草原生態環境逐漸惡化，1998年以后，國家及地方出臺系列政策來保護草原生態，流域內養畜總量顯著減少并波動變化(圖9)。變化期(1999—2015年)與基準期(1986—1998年)相比，大牲畜數量的平均值減少了35.28%，羊數量的平均值減少了5.41%。在基準期由于流域內過度放牧和超載養畜等諸多不合理的人類活動導致植被不斷退化，水土流失現象日趨嚴重，進而導致流域的下墊面特征發生改變，徑流量發生變化。在變化期，盡管2000年開始，錫林郭勒盟實施了一系列如“圍封轉移”“禁牧輪牧”等生態保護措施，在一定程度上減輕了人類活動對于錫林河流域徑流量的影響，但是錫林浩特市第二產業和第三產業的快速發展，不斷汲取利用地表水和地下水，導致錫林河流域徑流逐年不斷減少。

2.6　討 論

錫林河流域的徑流量多年來呈現顯著減少的趨勢，而各氣候要素的波動變化趨勢不明顯。徑流量并沒有隨著降水量的變化表現出相應的變化，說明降水與徑流之間存在復雜的關系，這與地理緯度接近的遼河流域徑流變化規律[23]具有一致性。降水—徑流雙累積曲線在1998年出現拐點，說明1998年之前的降水—徑流關系與1998年后降水—徑流關系呈現不同，也就是說，研究區的降水—徑流關系在1998年出現改變。在相同的降水量條件下，基準期(1963—1998年)產生的徑流量顯然比變化期(1999—2015年)產生的徑流量大，這種變化是由于1998年后流域天然徑流特征發生改變所導致的結果，這與焦瑋等[16]研究結果基本一致。

通過累積距平法確認的突變年份與楊力哲等[17]關于錫林河流域的研究結果相近，但是楊力哲等僅判斷出累積徑流量發生拐點的年代，沒有查明突變年份，只是定性地分析了氣候波動及人類活動對徑流的影響。這里確認1998年為錫林河流域徑流顯著突變點，與Wang等[20]關于巴拉格爾河草原流域的突變年份(1994年)劃分不一致，究其原因一是研究所采用的時間序列長短不一致，二是相似流域人類活動程度不同而產生徑流影響不同。

錫林河流域存在多種社會生產活動對于徑流變化的影響，各種因素之間的相互作用較為復雜，因此，定量區分各驅動因素對徑流的影響有待進一步深入地研究。對于突變年份的劃分，應該探尋細劃出潛存的多個階段的突變點，以便更細致地分析各階段的變化情況[24-25]。

3　結 論

(1) 從年代尺度看，流域年徑流在20世紀90年代最大，在21世紀初最小，尤其是21世紀初相對于20世紀90年代減少了54.90%。在年時間尺度上，流域的徑流量多年來呈現顯著減少的趨勢，2012年徑流量達到最大值，在具有最大降水量的年份沒有最大徑流量，而具有最小降水量的年份具有最小的徑流量。在季時間尺度上，豐水季的徑流量明顯小于枯水季的徑流量，但豐水季的降水遠大于枯水季的降水，這可能是流域融雪和河網的儲冰解凍形成春汛使流域徑流增大引起的。總體來看，在變化環境下，無論時間尺度如何，錫林河流域徑流在1963—2015年呈現顯著的下降趨勢；

(2) 累積距平分析和降水—徑流雙累積曲線分析表明錫林河徑流在1998年出現拐點，研究區的降水—徑流關系在1998年左右發生改變。在1998年之前徑流主要受到氣候波動的影響，在1998年之后徑流受氣候波動和人類活動的雙重影響。在相同的降水量條件下，基準期(1963—1998年)產生的徑流量顯然比變化期(1999—2015年)產生的徑流量大，達到36.4%。因此，這種變化意味著自1998年以來由于人類活動進程的加劇改變了天然徑流發生的機制和變化規律；

(3) 錫林河流域徑流減少的主要原因為人類活動，它對徑流減少的貢獻率為69.66%，人口增加、畜牧業及工業發展等社會經濟因素共同影響著流域的徑流。氣候波動對于徑流減少的貢獻率為30.34%，對于研究流域徑流的減少趨勢貢獻相對較小。

研究成果可以作為我國北方半干旱高原草原流域在氣候變化和人類活動對流域徑流影響下的水資源保護與利用的參考依據。

參考文獻：

[1]馬龍,劉廷璽,馬麗,等.氣候變化和人類活動對遼河中上游徑流變化的貢獻[J].冰川凍土,2015,37(2):470-479.

[2]劉貴花,齊述華,熊夢雅,等.氣候變化和人類活動對鄱陽湖流域贛江徑流影響的定量分析[J].湖泊科學,2016,28(3):682-690.

[3]張利平,李凌程,夏軍,等.氣候波動和人類活動對灤河流域徑流變化的定量影響分析[J].自然資源學報,2015,30(4):664-672.

[4]胡珊珊,鄭紅星,劉昌明,等.氣候變化和人類活動對白洋淀上游水源區徑流的影響[J].地理學報,2012,67(1):62-70.

[5]林凱榮,何艷虎,陳曉宏,等.氣候變化及人類活動對東江流域徑流影響的貢獻分解研究[J].水利學報,2012,43(11):1312-1321.

[6]劉劍宇,張強,鄧曉宇,等.氣候變化和人類活動對鄱陽湖流域徑流過程影響的定量分析[J].湖泊科學,2016,28(2):432-443.

[7]姜曄,畢曉麗,黃建輝,等.內蒙古錫林河流域植被退化的格局及驅動力分析[J].植被生態學報,2010,34(10):1132-1141.

[8]Xu J X. Sediment flux to the sea as influenced by changing human activities and precipitation: example of the Yellow River, China[J].Environmental Management,2003,31(3):328-341.

[9]陳劍霞,黃維東.祖厲河流域年徑流趨勢預測分析[J].水利科技與經濟,2007,13(12):920-921.

[10]鄧振鏞,張強,王潤元,等.河西內陸河徑流對氣候變化的響應及其流域適應性水資源管理研究[J].冰川凍土,2013,35(5):1267-1275.

[11]牛最榮,趙文智,劉進琪,等.甘肅渭河流域氣溫、降水和徑流變化特征及趨勢研究[J].水文,2012,32(2):78-84.

[12]張利平,于松延,段堯彬,等.氣候變化和人類活動對永定河流域徑流變化影響定量研究[J].氣候變化研究進展,2013,9(6):391-397.

[13]Zhang Q, Singh V P, Peng J, et al. Spatial-temporal changes of precipitation structure across the Pearl River basin, China[J]. Journal of Hydrology, 2012,440/441(3):113-122.

[14]武金慧,李占斌,沈中原.甘肅省近50年降水量及氣候變化趨勢研究[J].干旱區資源與環境,2008,22(11):24-29.

[15]李占玲,徐宗學.甘肅省40年來氣溫和降水時空變化[J].資源科學,2011,33(10):1877-1882.

[16]焦瑋,朱仲元,宋小園,等.近50年氣候和人類活動對錫林河流域徑流的影響[J].中國水土保持科學,2015,13(6):904-909.

[17]楊立哲,錢虹,郝璐.錫林河近50年徑流變化特征及其影響因素分析[J].草業科學,2015,32(3):303-310.

[18]趙煜飛,朱江,許艷.近50 a中國降水格點數據集的建立及質量評估[J].氣象科學,2014,34(4):414-420.

[19]Hamed K H, Rao A R. A modified Mann-Kendall trend test for autocorrelated data[J]. Journal of Hydrology, 1998,204(1/4):182-196.

[20]Wang X, Yang X, Liu T, et al. Trend and extreme occurrence of precipitation in a mid-latitude Eurasian steppe watershed at various time scales[J]. Hydrological Processes,2015,28(22):5547-5560.

[21]王亮,高瑞忠,劉玉才,等.氣候變化和人類活動對灤河流域內蒙段河川徑流的影響分析[J].水文,2014,34(3):70-79.

[22]王剛,嚴登華,黃站峰,等.皇甫川流域降水和人類活動對徑流量變化的貢獻率分析:累積量斜率變化率比較方法的提出及應用[J].地理學報,2012,67(3):388-397.

[23]王國慶,金菊良,王金星,等.遼河流域徑流對氣候變化的響應研究[J].水土保持研究,2013,20(2):433-440.

[24]夏軍,劉春蓁,任國玉.氣候變化對我國水資源影響研究面臨的機遇與挑戰[J].地球科學進展,2011,26(1):1-12.

[25]Wang L, Chen X W. Simulation of hydrological effects on vegetation restoration of degraded mountain ecosystem with SWAT model[J]. Journal of Mountain Science,2008,26(1):71-75.