氣候變化與人類活動對大凌河流域水文水資源影響研究

孫 毅

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

大凌河流域是我國重要的農業糧食生產基地和關鍵性重工業基地之一，該流域城鎮化覆蓋率高，人口密度大，是我國東北部地區經濟發展的重要區域[1- 2]。然而，在多種影響因素的綜合作用下，該流域逐漸表現出洪水災害頻繁、水資源空間結構分布不均勻、水資源供應緊張、水體污染嚴重以及水文生態環境急劇惡化等特性。大凌河水文資源循環演化規律日益復雜化，對干旱洪澇等自然災害以及未來水資源變化趨勢的準確預測和科學判斷帶來了巨大的壓力，不利于水資源可持續利用。為了準確把握演化規律，探討驅動水資源循環演化的關鍵性因素，深入了解水文變化的機理，并提高人們對洪澇自然災害的預測和防御能力，對影響水文變化過程的關鍵性因素進行準確識別和量化計算具有十分重要意義[3]。

目前許多水文學者對大凌河洪澇災害的影響因素進行了研究，結果表明：氣候變暖所引起的降雨量增多可導致該流域發生洪水災害的可能性增大；植被林地破壞以及各類工程活動的建設等人類活動是引起大凌河流域水文資源發生改變的主要和關鍵因素。本文在借鑒水文專家學者相關研究成果的基礎之上，利用雙累計曲線法和敏感性系數法分別對氣候變化和人類活動引起的大凌河流域水文水資源變化影響作出定量的分析判斷，同時對兩種定量分析結果進行交叉驗證[5- 7]。

1 研究區域概況

大凌河流域位于我國的遼寧省西部，流域大小支干交錯，全長398km，所占面積約為2.35萬km2，是遼寧省重要的生活用水及工農業用水的主要來源之一。資料顯示：每年的7、8和9月是該流域的降雨旺季，約占全年降雨量的62.7%，年降水量約為450～600mm，徑流量約為16.67億m3，屬于大陸性季風氣候區，年平均溫度為8.5～12.7℃。本文以朝陽水文監測站為流域出口，該水文監測站多年平均水流徑流深度為538.6mm。

選定科學合理的水文循環參數是影響水文評價結果精確性的關鍵性因素，故本文結合大凌河水文資料，并考慮朝陽水文站的地形地貌特征，選擇具有代表性的降雨量P、蒸散發E0以及徑流量Q為水文循環參數，對引起的水文水資源演化發生改變的關鍵性因素進行分析。根據遼寧省氣象監測站現有降雨和蒸散發數據利用反距離權重插值計算法，對研究區域內各點的降雨和潛在蒸散發進行計算，并取計算結果的平均值；采用朝陽水文站的河流監測數據為研究區域的徑流量，并以1980～2015年期間為研究的年數據序列[8]。

2 研究方法

2.1 水文序列趨勢分析法

首先對雙累計曲線法和敏感性系數法的基本原理和計算過程進行探討，然后利用降雨、蒸散發以及徑流序列等水文要素進行大凌河流域的水文變化規律性分析，并計算自然狀態的水資源變化期(基準期)和人類活動影響作用下(變化期)的水資源改變的分界點。

2.2 雙累積曲線法

水文序列的一致性分析可通過雙累積曲線偏移特性進行表征，累積曲線形狀特征的變化代表著水文序列在不同影響條件下引起的改變情況，其基本原理是利用水文要素之間的統計數據建立人類活動與水文過程之間的影響關系[9]。基準期各水文各要素之間的線性關系可用下式表示：

∑Q=k∑P+b

(1)

式中，∑Q—累積徑流量；∑P—累積降雨量；k、b—計算參數。

設定大凌河在各種自然狀態和人類活動影響下，各演變時期的氣候變化情況保持同步，則人類活動影響對水文資源的徑流量變化情況可通過變化期模擬徑流量與實測徑流量的差值計算所得，計算公式如下：

ΔQhuman=mean(Q2c)-mean(Q2m)

(2)

在人類活動和氣候變化的共同作用下所引起的大凌河水資源徑流變化量可通過變化期實測徑流量和基準期實測徑流量的差值計算所得，計算公式如下：

ΔQ=mean(Q2m)-mean(Q1m)

(3)

式中，ΔQ—共同影響作用下的徑流變化量；ΔQhuman—人類活動引起的徑流變化量；mean—計算結果的平均值；Q1m—流域基準期徑流量的實測值；Q2m—流域變化期徑流量的實測值；Q2c—流域變化期徑流量的模擬值。

2.3 敏感性系數法

敏感性分析法是以水量平衡為基本原則，通過計算河流在不同氣候條件下的流域徑流量，對氣候變化引起的徑流影響進行表征，水量平衡計算公式如下：

P=E+Q+ΔS

(4)

式中，E—河流的蒸散發量；ΔS—流域儲蓄量變化值，如所考慮的研究時期較長，則流域蓄水量變化值可視為0。

因氣候變化引起的降雨量與蒸散發之間的關系可用下式進行計算：

(5)

式中，ω—植被相關性系數。

根據相關資料和計算經驗可知，在研究流域內年平均徑流量變化幅度小于50%時，可不考慮因其他因素所造成的流量變化，流域的徑流量變化值可由降雨和蒸散發的相對變化之差求得，計算公式如下：

ΔQclim=βΔP+γΔE0

(6)

式中，Qclim—氣候變化引起的河流徑流量變化值；ΔP、ΔE0—降雨和蒸散發引起的徑流量相對變化值；β、γ—降雨和蒸散發的敏感性系數。敏感性系數β、γ可通過以下方程計算：

(7)

式中，x—干燥系數，x可通過E0/P求得。

3 結果與討論

3.1 水文序列變化確實及分界點

對水文序列的研究結果表明：在1980～2015年大凌河流域的徑流、降雨以及蒸散發序列均表現出明顯的減少趨勢；而對于雙累積曲線法的計算結果表明：在2008年以前的徑流和蒸散發表現出逐漸上升的趨勢，在2008年以后則開始出現明顯的下降趨勢，且各水文序列的降雨變化情況無明顯的規律性。對大凌河流域水文要素進行的敏感性分析的計算結果見表1。由表1可知，降雨和蒸散發在水文序列期間均呈現出下降趨勢，且降雨量變化情況無明顯的規律性。

表1 大凌河流域在1980～2015年的徑流、降雨及蒸散發序列的敏感性分析

注：※為置信水平達95%時的檢驗能力，h代表變化趨勢，slop代表曲線變化傾斜率，tau代表統計量值。

通過上述統計和分析，得出大凌河在2005年的降雨和徑流序列發生顯著改變，因此大凌河流域的水文序列分界點為2005年，該流域自然狀態下水文變化期(基準期)為1980～2004年；人類活動作用下的水文變化期(變化期)為2006～2015年。在人類活動作用時期的大凌河徑流量、降雨量和蒸散發比自然狀態下分別降低了28%、15%和20%。

3.2 氣候變化與人類活動對水文水資源的影響

大凌河在變化期的降雨量、蒸散發以及徑流量比基準期分別降低了126.4mm、118.0mm和172.5mm。在基準期的河流干燥系數x為0.51，降雨與蒸散發的比值為0.48，；而在變化期河流的干燥系數x為0.45，降雨與蒸散發的比值為0.60。受人類活動和氣候環境變化影響，水文水資源的干燥系數降低了6%，而降雨與蒸散發的比值增大了20%[10]。根據大凌河的地質地貌資料，該流域植被覆蓋物是以林草為主，故可取2.1，運用敏感性系數法的計算結果見表2。由表2可知大凌河流域受氣候變化影響，河流徑流量減少了77.6mm，權重比例為45%；因人類活動造成的徑流量減少了94.9mm，權重比例為55%。

表2 利用敏感系數法進行氣候變化和人類活動對大凌河水文要素的影響變化定量分析

根據敏感性系數法計算結果，大凌河流域降雨與徑流的雙累積曲線是從2005年開始發生明顯的偏移，從而進一步證明了分界點計算結果的可靠性；且基準期的降雨徑流的關系系數為0.9986，將此系數代入文中介紹的相關公式可進行變化期的模擬徑流量。雙累積曲線定量分析計算結果見表3，計算值和實測值之間的差距逐漸增大，即徑流量受人類活動影響正在不斷的減少，人類活動對徑流量的減少量為97.5mm，權重比例系數為66%，而氣候變化引起的徑流減少權重系數為34%。

表3 雙累積曲線定量分析計算結果

由表3計算結果可知，基準期的徑流量變化值為18.3mm，而對于變化期的徑流量變化值為97.5mm。為了降低計算誤差的影響，提高變化期相對于基準期的徑流變化的準確性，本文采用簡單誤差傳遞法即對于基準期的模擬徑流量分別減去平均誤差得到調整后的模擬徑流量，然后將基準期的誤差值轉移至變化期。經過誤差處理的雙累積曲線其基準期實測徑流量和模擬流量與之前的計算結果保持了一致，表4為采用簡單誤差法計算的雙累積曲線定量分析計算結果。由表4可知，經過簡單的誤差處理后，人類活動所引起的徑流量減少了79.2mm，人類活動和氣候變化對徑流量減少的權重系數分別為62%和38%，經過誤差處理后的雙累積曲線計算結果人類活動影響權重系數降低了4%，其結算結果更加符合實際情況。

表4 采用誤差傳遞法的雙累積曲線定量分析計算結果

4 結論

(1)降雨和蒸散發在水文序列期間均呈現出下降趨勢，且降雨量變化情況無明顯的規律性；大凌河在2005年的降雨和徑流序列發生顯著改變。

(2)在變化期的降雨量、蒸散發以及徑流量相對于基準期有所降低；凌河流域受氣候變化影響，河流徑流量有所減少，權重比例為45%；因人類活動造成的徑流量有所減少，權重比例為55%。

(3)采用簡單誤差法計算的雙累積曲線定量分析計算結果表明：人類活動和氣候變化對徑流量減少的權重系數分別為62%和38%，這一結果更加符合實際情況。

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