近60年來遼河流域徑流量變化及其主控因素分析

田 蕾, 王隨繼

(1.中國科學院 地理科學與資源研究所 中國科學院 陸地水循環及地表過程重點實驗室,北京 100101; 2.中國科學院大學 資源與環境學院, 北京 100049)

伴隨著人類起源遷移以及文化的發展，河流對于人類歷史的文明發展有著深遠的影響。隨著近代工業進程的邁進，河流不單單是自然流域，與生態環境和經濟發展緊密聯系，流域所代表的區域逐漸成為一個結合自然、社會和經濟的復合生態系統[1]。建國以來隨著人類活動的加劇以及氣候變化，一些河流流域的徑流和泥沙過程發生了顯著改變、水土流失加重、生態失衡、洪澇災害頻發[2]。

近50 a中國年降水量變化趨勢不顯著，但年代際波動較大，中國東北南部等地區年降水量出現減少趨勢，干旱趨重，中緯度大陸內部特別是中國東北地區是氣候變化的敏感地區之一[3]。自然因素是天然狀況下流域徑流量的主要影響因素，隨著人類改造自然的強度增加以及時間的持續，人類活動對流域水文的影響顯著，破壞了水文序列的一致性[4]。河流徑流來源于降水，有蒸發等自然因素和人類活動造成的人為因素，河流徑流量在自然和人為因素的共同影響下變化，變化特征趨向復雜[5]。一個地區的持續發展水資源至關重要，掌握河川徑流的變化特征、趨勢以及影響因素，可以為科學合理構建可持續的開發、治理戰略和決策提供理論依據[6]。本文擬根據實測水文數據對遼河流域的徑流量變化特征進行分析，進而求得氣候和人類活動等影響因素對徑流量變化的相對貢獻率，從而揭示該流域徑流變化對于氣候和人類活動的響應特征，為流域的科學治理及水資源的可持續利用提供理論依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

遼河是我國的七大江河之一，被譽為遼寧人民的母親河，位于我國東北地區的西南部，涵蓋遼河、渾太河兩大水系，流域面積21.9萬km2[7]。七老圖山脈光頭山是遼河的發源地，沿老哈河向東北流，在西拉木倫河匯入后轉為向東流，在木倫河匯入后向東南流，在福德店匯入東遼河，向南流納入左側支流柴河、泛河、招蘇臺河、清河和右側支流養息牧河、秀水河、柳河等，在六間房分為兩股河流：西南行，盤山納繞陽河后入渤海，稱雙臺子河；南行，在三岔河和渾河、太子河匯合，在營口入渤海，后稱大遼河又稱外遼河[8]。

遼河流域屬溫帶季風氣候區，氣溫一月最低而七月最高，四季溫差明顯[9]。降水云系主要來自南方的海洋，其次是鄂霍茨克海，降水隨著遠離海洋而逐次減少。流域內多年平均降水量，西遼河流域為300～350 mm，東遼河為800～950 mm[10]。降水易以暴雨形式出現，汛期5—10月徑流量占全年80%以上，其中7月，8兩個月占年徑流量的50%。冬季受大陸冷氣團控制，降水較少，年際變化大。最大年降水量是最小年降水量的2.8倍以上，常見連續多年多雨或少雨現象，流域徑流量和降水量變化一致，只有受水庫阻攔、引水調水人為因素活動的影響才會出現不一致的變化。流域內多年平均蒸發量自東向西逐漸增大。水沙特征在該流域不同區段差別明顯(表1)。

遼河流域遼寧省境內是經濟較為發達的工業集聚區和都市密集區，建立了以石化、冶金、裝備制造業為核心的產業集群，工業種類齊全，是我國重要的原材料工業和裝備制造業基地，建有北方最大的石油工業基地，國家級精化工和催化劑生產基地[11]。

表1 遼河流域不同區段徑流特征

1.2 數據來源

本研究涉及遼河興隆坡、鐵嶺和六間房/朱家房等水文站，水文數據來自遼河流域水文資料、吉林統計年鑒、遼寧水利年鑒、內蒙古統計年鑒(中華人民共和國水利部水文局)。其中興隆坡、鐵嶺水文站自建站以來的觀測數據完整，六間房水文站在從1969年7月到1986年6月停測，該時期的徑流量數據本文以朱家房水文站相應年份的觀測數據來替代，因為朱家房水文站位于六間房水文站上游20 km處，其間流域面積相差僅145 km2，且無較大支流入匯，故其徑流數據可互為代替。

涉及流域內外38個氣象站點的數據來自中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)。其中蒸發數據自2002以來觀測儀器與之前的不同，故該年以后的實測數據均經過矯正。利用ArcGIS 10.3克里格(Kriging)插值方法對流域內興隆坡以上、興隆坡至鐵嶺、鐵嶺以上、六間房以上四個不同區域的年均降水量和年均蒸發量進行計算求取。本文用到的其他數據來自《吉林統計年鑒》、《遼寧水利年鑒》、《內蒙古統計年鑒》和中華人民共和國國家統計局(http:∥www.stats.gov.cn/tjsj/)。

1.3 研究方法

由于2002年起，蒸發量測量器皿由20 cm直徑變為60 cm的，其觀測值出現明顯下降，使得蒸發數據難以對比。為了消除不可對比性，利用新民、黑山、錦州、鞍山和沈陽五個氣象站在測量器皿變更前后各五年的蒸發數據計算其各自的年均蒸發值，進而得到前五年與后五年上述各站年平均蒸發量的比值為1.533，故此認為由于測量儀器變化而引起的數據變化比為1.533，將上述38個氣象站在2002年及其以后年份的實測蒸發量乘以該比值則可得到矯正蒸發量，可視為消除了由于觀測儀器變化帶來的影響，使得前后數據具有觀測標準的一致性從而可以進行對比，為計算各影響因素對遼河徑流量變化的影響提供了可能。

應用累積距平法分析不同區段徑流量的變化趨勢，識別徑流量時間序列的突變點[12]，這是劃分流域內不同區間徑流量變化階段性的主要依據。

采用累積量斜率變化率分析方法[12-14]，可以定量分析流域及其不同區段徑流量變化過程中氣候變化和人類活動的影響程度，計算各影響因素對徑流量變化的相對貢獻率。

累積量斜率變化率分析方法的原理有關文獻已有說明[12-15]。其核心是將變量所有的影響因素的總和大小定義為1，根據各影響因素隨時間累積的斜率變化率占同期徑流累積斜率變化率的比值，來推算對變量的相對影響程度。

假定在累積徑流量變化的某個拐點年份前后給定時期內，年份與累積徑流量之間線性擬合方程的斜率分別是SR2和SR1(單位是108m3/a)、年份與累積降水量之間線性擬合方程的斜率分別是SP2和SP1(單位是mm/a)、年份與累積蒸發量之間線性擬合方程的斜率分別為SE2和SE1(單位為mm/a)，則降水量和蒸發量對徑流量變化的貢獻率(%)分別可表示為(1) 和(2) 式：

CP=100×((SPa-SPb)/|SPb|)/((SRa-SRb)/|SRb|)

(1)

CE=-100×((SEa-SEb)/|SEb|)/((SRa-SRb)/|SRb|)

(2)

基于水量平衡原理且不計地下水的影響，人類活動對徑流量變化的貢獻率(單位%)為：

CH=100-CP-CE-CG

(3)

2 結果與分析

2.1 區段徑流量年際變化特征

根據遼河多年觀測水文站的區域分布，將該流域分為興隆坡以上、興隆坡—鐵嶺、鐵嶺以上和六間房以上幾個區域來分析不同區間徑流量或者區間凈產流變化特征。由圖1可見，興隆坡以上流域的凈產流較少，年產流在大多數年份小于10億m3，自1990年代中期以來呈現明顯減小趨勢。在興隆坡—鐵嶺區間的凈產流呈現階段性大幅波動現象，自1960年代至1980年代初呈現減小趨勢，此后3 a內劇增至年際最大值，自1986—2001年則呈現波動性減小趨勢，然后又呈現波動性增大趨勢。鐵嶺以上及六間房以上兩個區間由于匯水面積差值不大，故其區間總產流量比較接近，其年際變化趨勢彼此相似，也與興隆坡—鐵嶺區間的變化趨勢基本一致。

圖1 遼河流域區間產流量年際變化特征

2.2 各區間徑流量突變分析及階段劃分

為了揭示各區間凈產徑流量的階段性變化特征，對各區間凈產徑流量進行距平分析，并繪制累積距平見圖2。4個區間凈產徑流量累積距平的變化過程各有不同，但都出現2～3個不同的突變點，這些突變點就是各個區間凈產徑流量的階段性變化的突變年份，而以突變年份為界則會得出各區間凈產徑流量的同類型(增加或者減小)變化時期。遼河流域興隆坡以上的突變年份為1979年、1989年和1998年；興隆坡—鐵嶺的突變年份是1984年和1995年；鐵嶺以上區間的突變年份為1964年、1984年和1995年；六間房以上區間的突變年份是1984年、1998年和2009年(圖2)。根據這些突變年份，可以將上述不同區間年凈產流同趨勢變化時段可分別劃分為2～4段，具體時段見表2。

2.3 降水量及蒸發量計算

根據研究區內及周邊38個氣象站在1955—2015年的年降水量數據進行空間差值分析，可以得到上述各區間內的年均降水量。根據遼河流域內及周邊38個氣象站在1955—2001年的蒸發量實測值及2002—2015年實測并經過矯正的蒸發量數值進行空間差值分析，可以得到上述四個不同區間的年均蒸發量數據。不同區間內這些年均降水量數據及年均蒸發量數據是后文根據累積量斜率變化率方法計算各相關影響因素對徑流量變化貢獻率的基礎數據。

圖2 遼河流域不同區段標準化年徑流序列累積距平曲線

時期興隆坡以上興隆坡—鐵嶺鐵嶺以上六間房上T11965—19791966—19841954—19641965—1984T21980—19891985—19951965—19841985—1998T31990—19981996—20151985—19951999—2009T41999—20151996—20152010—2015

2.4 主控因素影響程度計算

為了定量區分降水量和人類活動對徑流量變化的影響程度，將第一個時期(T1)遼河流域徑流量作為受控于氣候因素的階段，此后為受氣候和人類活動共同影響的階段。因為自20世紀50年代開始，遼河流域的人口不斷增加，各類不同的水土保持活動大幅度開展起來。利用徑流量的突變年份為界，分別對各區間年份與累積徑流量、年份與累積降水量，以及年份與累積蒸散量在四個(三個)不同時期進行擬合分析。年份與累積降水量變化特征及在不同時段的擬合關系見圖3，所有擬合公式的決定系數都在0.99以上(圖3)，表明二者之間具有非常好的線性相關性。年份與累積蒸發量變化特征及在不同時段的擬合關系見圖4，所有擬合公式的決定系數都在0.999以上(圖4)，表明二者之間具有極好的線性相關性。

遼河流域上述四個區間年份與累積徑流量關系見圖5，所有擬合公式的決定系數都在0.92以上(圖5)，表明二者之間具有很好的線性相關性。從上述各個區間各時段內年份與累積量的擬合式中提取其擬合直線的斜率，由此可以求得同一時段中累積降水量、累積蒸發量和累積徑流量的變化量和變化率(表3)。

2.5 徑流量變化中影響因素貢獻率

興隆坡以上區間 該區間的基準期為1965—1979年。與基準期相比，1980—1989年徑流量增大，降水量、蒸發量和人類活動對該期徑流量變化的貢獻率分別為0.6%，-4.6%和104%。1990—1998年，該區間徑流量與基準期相比顯著減小，上述三類影響因素對徑流量變化的貢獻率分別為-19.2%，1.5%和117.7%；1999—2015年，該區間徑流量與基準期相比進一步減小，上述三類影響因素對徑流量變化的貢獻率分別為6.3%，-7.4%和101.1%(表3)。

興隆坡—鐵嶺區間 該區間的基準期為1965—1984年。與基準期相比，1985—1995年徑流量顯著增大，降水量、蒸發量和人類活動對該期徑流量變化的貢獻率分別為4.9%，-5.9%和101%。1996—2015年，該區間徑流量與基準期相比略有增加(僅為1.5億m3)，上述三類影響因素對徑流量變化的貢獻率分別為-59.7%，81.9%和77.8%(表3)。

鐵嶺以上區間 該區間的基準期為1955—1965年。與基準期相比，1965—1984年，1985—1994年，1995—2015年該區間年徑流量分別減小57.2%，26.4%和61.9%，降水量對徑流量變化的貢獻率為20.3%，14.2%和27.4%，蒸發量的貢獻率分別為-0.4%，18.8%和-14.0%，而人類活動的貢獻率為80.1%，67.1%和86.6%(表3)。

六間房以上區間 該區間的基準期為1965—1984年。與基準期相比，1985—1998年，該區間徑流量增大47.8%，降水量、蒸發量和人類活動對該期徑流量變化的貢獻率分別為7.4%，-11.4%和104%。1999—2009年，該區間年徑流量減小52%，上述三類影響因素對徑流量變化的貢獻率分別為20.9%，-22%和101.1%。2010—2015年，該區間年徑流量增大27.7%，上述三類影響因素對徑流量變化的貢獻率分別為84%，-0.83%和16.83%(表3)。

圖3 遼河流域不同區間年份與累積降水量關系

圖4 遼河流域不同區間年份與累積蒸發量關系

3 討 論

3.1 氣候變化對徑流量變化的影響

降水量及蒸發量變化是氣候變化的結果，也是流域內徑流量變化的直接影響因素。中國東北及內蒙古東部地區是我國氣候變化最敏感的地區之一[16]，氣候變化總體上呈暖干化取向，西遼河、科爾沁沙地及其周邊地區更為明顯[17]。遼河流域興隆坡以上以及興隆坡—鐵嶺區段位于東北平原內蒙古高原過渡地帶，在氣候變化方面具有明顯過渡性[18]。受此影響，流域內部降水量在周期變化中有減少的趨勢，尤其是20世紀80年代的多年平均降水量僅為50年代后期的81%，減少了78.94 mm[19]，這是遼河流域徑流量總體上減小的影響因素之一。但是，遼河流域的降水量在1980年代末至1990年代顯著增加，這也是同時期遼河流域不同區間徑流量增大的直接原因。氣溫的變化直接影響到蒸發量的大小，通過對遼河流域內各氣象站資料分析，1951—1999年，平均氣溫以每0.34℃/10 a的速度升高，特別是80年代以來，升溫速度加快，1981—1999年，平均氣溫以每0.78℃/10 a的速度升高，這就會導致蒸發量的相對升高，從而會引發流域徑流量的減小。如果僅考慮氣候變化對流域徑流量變化的影響，則流域徑流量的增大必然是降水量增加和蒸發量的減小的綜合結果，或者與徑流量增加量大于蒸發量減小量相一致，反之亦然。從研究結果看見，遼河流域降水量變化與蒸發量變化有時呈現一致增減、有時呈現相反變化，而其對徑流量變化的影響則呈現出多樣組合關系。總體上，遼河流域降水量和蒸發量對該流域不同區間徑流量變化的綜合影響程度小于20%。

表3 不同區間累積徑流量、累積降水量、累積蒸發量斜率及其變化量

注：其中ΔR，ΔP，ΔET為各時期與基準期徑流、降水、參考作物蒸散的年平均值之差；S為坡度，Δ為變化量。

圖5 遼河流域不同區間年份與累積徑流量關系

3.2 人類活動對徑流量變化的影響

由于農業生產中的蓄水引水和城鄉居民生活用水和工業用水等，使得干旱半干旱區河流徑流量的變化在近幾十年來顯著受到人類活動的影響。遼河流域作為我國東北的主要農業生產區之一，水庫塘壩蓄水和農業灌溉用水等是流域內不同區間年徑流量減小的主要影響因素，尤其是在降水量相對減小或者蒸發量相對增大的干旱年份中更為明顯。在遼河流域中上游部分人類活動的影響較之其他地區較大[20]，這是因為遼河上游的徑流量總值較小，其變化量也較小，但是這些小量的變化量如果受到人類活動的干預則人類活動的影響程度則很大，如本文的計算結果表明，興隆坡以上區間人類活動對徑流量變化的相對貢獻率達101%～108%，顯然是其徑流量變化的主要影響因素，這里人類活動的主要影響方式是農業灌溉[21]。遼河流域集中分布著一些工業發達、人口密集的大、中城市，人口密集水資源需求量大，引起徑流量減少，加重遼河流域水資源的承載力[22]。西遼河平原是國家和內蒙古自治區的重要商品糧基地，2000年農業用水占國民經濟各行業用水量的80%[23]。西遼河流域取用水量不斷增強，導致流域徑流量日益減少，河段斷流的現象頻繁發生，林木變矮，草場退化嚴重，許多濕生植物被耐寒植物代替等環境問題。使之全流域出現徑流量變化和人類活動貢獻率正相關關系[24]。顯然，人類活動是遼河流域徑流量變化的重要影響因素，本文的計算結果表明，其對遼河流域各區間徑流量變化的相對影響超過了80%。為了改善遼河流域生態環境和達到可持續發展的目的，需要制定有效措施來制約人類對地表水資源的掠奪性利用。

4 結 論

(1) 自20世紀50年代以來，遼河流域徑流量呈現明顯的階段性變化特征，每個區間可劃分為3～4個不同的變化時段，相對于第一個基準時期，徑流量總體上以減小為主，但在1990年代徑流量則顯著增加。

(2) 對于遼河流域不同區段，除了個別時段外，其徑流量的變化主要受到人類活動的影響，而人類活動對徑流量變化的貢獻率總體上超過了80%，降水量和蒸發量這兩個氣候因子的綜合貢獻率基本小于20%。

(3) 我國北方干旱半干旱地區其他河流的徑流量變化受到人類活動的影響在近年來有減小趨勢，但是遼河流域徑流量變化受到人類活動的影響并未明顯減小。因此，需要制定相關措施以減小人類活動對遼河流域徑流量變化的干預。

參考文獻:

[1] 楊新,延軍平,劉寶元.無定河年徑流量變化特征及人為驅動力分析[J].地球科學進展,2005,20(6):637-642.

[2] 何毅.黃河干流徑流量和輸沙量階段性分析[J].地下水,2011(6):142-144.

[3] 劉德坤,王軍邦,齊述華.基于濕潤指數的近35年青海省干濕狀況變化分析[J].水土保持研究,2014,21(2):246-250.

[4] 胡蓮美,符太有,郭嘉麗.人類活動對水文影響淺析[J].科技創新導報,2011(8):230.

[5] 陶潔,左其亭,薛會露,等.最嚴格水資源管理制度“三條紅線”控制指標及確定方法[J].節水灌溉,2012(4):64-67.

[6] 毛翠翠,左其亭.新密市氣候變化特征及人為驅動力分析[J].南水北調與水利科技,2013,11(3):21-26.

[7] 張小光.遼河流域生態環境綜合評價[J].中國科技信息,2011(9):45-46.

[8] 左海洋.遼河流域防汛減災體系建設[J].中國防汛抗旱,2009,5(10):108-116.

[9] 孫鳳華,李麗光,梁紅,等.1961—2009年遼河流域氣候變化特征及其對水資源的影響[J].氣象,2012,28(5)：8-13.

[10] 何俊仕.遼河流域遼寧區域水資源承載力分析[J].沈陽農業大學學報:社會科學版,2011,13(4):403-407.

[11] 郭巧玲,黃葵,楊琳潔.黑河干流中游水量分配研究[J].人民黃河,2013(1):36-38.

[12] Wang S, Yan M, Yan Y, et al. Contributions of climate change and human activities to the changes in runoff increment in different sections of the Yellow River. Quaternary International, 2012,282(0):66-77.

[13] 王隨繼,李玲,顏明.氣候和人類活動對黃河中游區間產流量變化的貢獻率[J].地理研究,2013,32(3):395-402.

[14] 王隨繼,閆云霞,顏明,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.

[15] 劉艷紅.基于水資源減少背景下內蒙古西遼河平原農業可持續發展問題研究[D].呼和浩特:內蒙古師范大學,2011.

[16] 王西琴,李力.西遼河斷流問題及解決對策[J].干旱區資源與環境,2008(6):79-83.

[17] 孫鳳華,李麗光,梁紅,等.1961—2009年遼河流域氣候變化特征及其對水資源的影響[J].氣象與環境學報,2012,28(5):8-13.

[18] 孫小舟,封志明,楊艷昭.西遼河流域1952年～2007年參考作物蒸散量的變化趨勢[J].資源科學, 2009,31(3):479-484.

[19] 楊恒山,劉江,梁懷宇.西遼河平原氣候及水資源變化特征[J].應用生態學報,2009,20(1):84-90.

[20] Sun F, Yang S, Chen P. Climatic warming-drying trend in Northeastern China during the last 44 years and its effects[J]. Chinese Journal of Ecology, 2005,24(7):751-755.

[21] 田迅,楊允菲.西遼河平原不同生境草蘆種群分株生長的可塑性[J].草地學報,2004,12(1):17-20.

[22] Yang H S, Liu J, Liang H Y. Change characteristics of climate and water resources in west Liaohe River Plain[J]. The Journal of Applied Ecology, 2009,20(1): 84-90.

[23] 趙錫鋼,何川,趙源媛.遼河水問題及對策研究[C].中國水利學會第二屆青年科技論壇論文集,2005:33-37.

[24] 王霞.流域水資源優化配置理論與應用研究[D].南京:河海大學,2006.