氣候變化和人類活動對黃河重點區間徑流的影響

王國慶，管曉祥，王樂揚，王 婕

（1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210029；2.水利部應對氣候變化研究中心，江蘇 南京210029；3.河海大學 水文水資源學院，江蘇南京210098；4.南京信息工程大學 地理科學學院，江蘇南京210044）

隨著社會經濟的快速發展，全球氣候變化和日益加劇的人類活動對區域水資源產生了重要影響［1-2］。受氣候變暖和區域耗水量大幅增加影響，在全球200條較大的河流中，有22%的河川徑流量呈現顯著減少趨勢［3］。近50 a來，中國北方江河實測徑流量銳減，給我國水資源的可持續利用帶來了嚴峻挑戰?？茖W進行徑流變化歸因分析是支撐變化環境下水資源有效管理的重要基礎工作［4］。

基于科學調查和數學模擬等技術手段，國內外學者先后提出了“水保分析調查法”［5-6］、“水文模擬還原法”［7-8］等開展河川徑流變化原因的科學分析。相比而言，基于分項調查的徑流歸因分析方法不僅需要花費大量的人力和物力資源，而且難以考慮不同影響因素相互作用對河川徑流的影響，而基于水文模擬的徑流還原方法僅需要收集流域內的水文氣象資料，了解流域的基本概況，相對易于操作，因此基于數理統計和水文模擬技術的歸因識別方法日益受到眾多學者的青睞［9］。盡管已有成果為深入開展徑流歸因研究提供了良好的借鑒，然而，由于不同區域的地理差異和水資源變異的特點，因此在未來流域治理規劃和水資源管理中，仍需要針對具體區域科學辨識不同驅動要素對河川徑流的影響，為水資源可持續開發利用提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究流域概況

黃河發源于青藏高原巴顏喀拉山北麓，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東九?。▍^），干流全長5 464 km，流域面積79.5萬km2，是我國第二大河。流域位于東亞季風區，同時受青藏高原、黃土高原和華北平原三階地形的影響，氣候干旱，生態環境脆弱。綜合考慮資料序列長度及空間分布等因素，在黃河流域內及臨近周邊選取了108個氣象站，用來分析氣候變化對河川徑流的影響。受人類活動等環境變化影響，河川徑流出現顯著性減少，其中對古賢水庫設計規劃影響最大的是龍門、華縣、河津和頭4個水文站的水文過程，因此收集整理了1955—2015年的氣溫、降水和徑流資料，以這4個水文站控制區域為研究對象，重點分析氣候變化和人類活動對這4個水文站徑流量的影響。黃河流域水系及4個水文站控制區域分布見圖1。

1.2 有序聚類分析方法

環境變化的影響導致水文序列發生變化，序聚類分析法是診斷序列突變的有效方法［10-11］。以有序分類來推估最可能的突變點τ，其實質是尋求最優分割點，使同類之間的離差平方和較小而類與類之間的離差平方和較大。對于洪水序列x1，x2，…，xn，最優二分割法的要點如下。

設可能的突變點為τ，則突變前后的離差平方和分別為

式中：ˉxτ、ˉxn-τ分別為τ前后兩部分的均值，ˉxτ＝

總離差平方和為

最優二分割：當滿足S＝ min2＜τ＜n-1［Sn（τ）］ 時，τ為最優二分割點，可推斷為最可能的突變點。

1.3 可變下滲容量模型

可變下滲容量模型（Variable Infiltration Capacity，簡稱VIC模型）是華盛頓大學和普林斯頓大學共同研制開發的基于格點的大尺度水文模型［12-13］。模型將土壤分為3層（一般將第1～2層作為上層，第3層作為下層），依據不同的植被類型分別計算網格內土層之間的水分交換、蒸散發及產流過程。蒸發計算主要考慮植被冠層截留蒸發、植被蒸騰和裸地蒸發3種蒸發形式。

VIC模型將上層、下層的產流分開計算。上層土壤產生直接徑流并下滲到下層土壤，下層土壤產生基流，下滲部分是土壤含水量和飽和水力傳導度的函數。直接徑流的計算公式為

式中：P為降水量；W0為初始土壤含水量；Wmax0為上層最大土壤含水量；β為形狀參數；I0為初始下滲率；Im為最大下滲容量。

采用ARNO模型計算基流，計算公式為

式中：W為下層實際土壤含水量；d1為下層土壤含水量的線性出流系數；d2為基流非線性消退系數；WS為基流非線性消退時最大土壤含水量所占的比例系數；W2為下層土壤含水量；Wmax2為下層土壤最大含水量。

1.4 徑流變化歸因定量識別方法

基于水文模擬途徑識別不同驅動因子對河川徑流變化的影響。首先，利用天然時期的水文、氣象資料率定模型參數；然后，保持模型參數不變，將非天然時期的氣象資料輸入模型，模擬還原人類活動影響時期的天然徑流量過程；最后，根據基準值（天然時期徑流量）、不同人類活動影響時期的實測徑流量與天然徑流量，綜合分析氣候要素變化和人類活動對河川徑流的影響［9］。氣候變化和人類活動對徑流影響的定量分析如下。

式中：ΔWT為徑流變化總量；ΔWH為人類活動對徑流的影響量；ΔWC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實測徑流量；WHN為人類活動影響時期的天然徑流量，由水文模型計算得出；ηH、ηC分別為人類活動和氣候變化對徑流影響的百分比。

2 結果與討論

2.1 徑流的階段性變化

河川徑流突變既可能是人類活動引起的，也可能是氣候要素突變引起的，而徑流系數的變化在一定程度上消弱了氣候因素變化對水文過程的影響，更突出表現為人類活動對水文過程的影響。以龍門、華縣、河津和頭4個水文站的年徑流系數為對象，采用有序聚類分析方法，診斷了水文過程的突變性。徑流系數離差平方和的時序變化過程見圖2。

由圖2可以看出：不同區域徑流系數突變發生的年份不同，汾河流域河津站和渭河流域華縣站突變發生在20世紀60年代末期（1970年前后），龍門站和頭站徑流系數突變分別發生在20世紀80年代中期（1984年）和90年代中期（1995年）。由診斷結果可以推斷：4個研究區域在20世紀70年代之前基本處于天然狀態，實測徑流資料反映了流域的天然產流過程，可以用于水文模型參數的率定和檢驗；龍門以上區域包括了位于青藏高原的上游地區和中游大部分的黃土高原區，面積接近50萬km2，盡管20世紀70年代位于黃土高原的支流三川河、無定河等開展了大規模的水土保持工作，但可以看出人類活動并沒有對龍門站水文過程產生較大影響，分析認為，這可能是龍門站徑流主要來源于上游地區，而河龍區間（河口鎮至龍門區間）產流對龍門站徑流組成的貢獻較小造成的。

將各站水文過程突變之前的實測徑流量作為基準，表1給出了4個區域突變之后實測徑流較前期的絕對變化（徑流深變化量）和相對變化量。由表1可以看出：①渭河流域實測徑流絕對減少量最大（-34.4 mm），其次為汾河流域（-29.1 mm）和龍門以上區域（-22.8 mm），頭站實測徑流的絕對減少量最小，約為-13.3 mm。徑流量的絕對減少量一方面與人類活動的強度有很大關系，另一方面與區域產流量的多少有關，例如華縣站基準期實測徑流量約為88 mm，而北洛河頭站基準期實測徑流量只有31.7 mm。②徑流量的相對變化更能體現環境因素變化對區域水文過程的影響，4個研究區域水文過程均受環境變化影響顯著，后期徑流量較前期減少均在30%以上，相比而言，汾河流域是受環境變化影響最大的區域，實測徑流量減少超過60%，其余3個區域徑流受環境變化的影響程度基本相當，實測徑流量減少30%～40%。

表1 水文突變后實測徑流量較突變前變化情況

2.2 模型率定及天然徑流過程還原

由于20世紀70年代之前研究區人類活動較少，可視為天然狀態，該時期的實測徑流量可以代表流域天然狀態下的徑流過程，因此以1955—1969年的水文氣象資料來率定VIC模型。河津、華縣兩個水文站實測與模擬徑流量變化過程見圖3、圖4。由圖3、圖4可以看出，實測徑流量與模擬徑流量總體擬合良好。統計結果表明，VIC模型對水量平衡的控制較好，模擬徑流量的平均相對誤差在10%以內，模擬效率系數在70%以上，其中華縣站的模擬效率系數超過85%，說明可以用VIC模型模擬還原研究流域的天然徑流量變化過程。

保持模型參數不變，利用水文序列突變年份之后的氣象資料驅動率定好的VIC模型，模擬人類活動影響期間流域的天然徑流量變化過程。4個水文站1955—2015年實測與模擬的年徑流量變化過程見圖5。

由圖5可以看出，各站在突變年份之前，實測年徑流量與模擬年徑流量總體吻合，說明VIC模型對黃河流域天然徑流量具有較好的模擬效果；突變年份之后的模擬年徑流量明顯大于實測年徑流量，說明受人類活動影響，各區域年徑流量減少，其中進入21世紀以來，人類活動的影響更明顯；模擬的天然年徑流量變化過程呈現較大的豐枯交替變化態勢，20世紀50、60年代水量較豐，90年代水量偏枯，進入21世紀以來，天然水資源量有增多趨勢，這與最近十幾年降水逐步增多有一定關系。

2.3 氣候變化和人類活動對河川徑流的影響

基于每個研究區域模擬的天然徑流量和實測徑流量，以突變之前的實測徑流量為基準值，統計了人類活動和氣候變化對不同區域徑流量的影響，見表2。

（1）北洛河流域。1995—2015年，人類活動對徑流量的影響為9.4 mm，占河川徑流減少總量的70.7%，是影響北洛河流域徑流減少的主要因素；氣候變化引起的徑流減少量約為3.9 mm，占徑流減少總量的29.3%。人類活動對河川徑流的影響具有增大趨勢，2000年前后的兩個時段，人類活動引起的徑流減少量分別為5.3 mm和11.0 mm，其中，2001—2015年的影響量占該時期徑流減少總量的86.6%。氣候變化對北洛河流域徑流的影響具有減小趨勢，盡管在1995—2000年，氣候要素變化引起的徑流減少量為9.5 mm，但進入21世紀以來的影響量只有1.7 mm，這與最近一些年降水增加有明顯關系。

（2）渭河流域。1970—2015年，人類活動對河川徑流量的影響為27.5 mm，占河川徑流減少總量的80%，是影響渭河流域徑流減少的主要因素；氣候變化引起的徑流減少量約為6.9 mm，占徑流減少總量的20%。人類活動對河川徑流的影響具有增大趨勢，1970—1991年、1992—2000年和 2001—2015年三個時段，人類活動引起的徑流減少量分別為22.5、29.7、33.6 mm。氣候變化在20世紀的最后一個年代對渭河流域徑流的影響最大，氣候變化引起的徑流減少量為21.7 mm，近些年由于降水略增，氣候因素對徑流減少的貢獻減小，因此進入21世紀以來的影響量只有6.5 mm。

（3）汾河流域。1971—2015年，人類活動對河川徑流量的影響為21.6 mm，占河川徑流減少總量的74.2%，是影響汾河流域徑流減少的主要因素；氣候變化引起的徑流減少量約為7.5 mm，占徑流減少總量的25.8%。1991—2000年，氣候變化對河川徑流減少的貢獻最大，約為14.5 mm，主要與該時期降水偏少、氣溫較高有很大關系。2000年之后，受流域暖濕化趨勢影響，氣候變化對河川徑流減少的貢獻減小，約為6.4 mm，占該時期徑流減少總量的19.3%。

表2 人類活動和氣候變化對黃河不同區域徑流量的影響

（4）黃河干流龍門站以上。1984—2015年，人類活動對龍門以上河川徑流量的影響為19.0 mm，占河川徑流減少總量的83.3%，是該區域徑流減少的主要因素；氣候變化引起的徑流減少量約為3.8 mm，占徑流減少總量的16.7%。氣候變化因素對時段徑流的影響有減小趨勢，但相差不大，這與區域較大、區域降水變化不明顯有很大關系。人類活動對河川徑流的影響具有增大趨勢，1984—2000年和2001—2015年，人類活動引起的徑流減少量分別為16.6 mm和21.8 mm，凸顯了人類活動對流域的影響有增大趨勢。

2.4 討 論

總的來看，人類活動是黃河流域徑流減少的主要原因，人類活動對河川徑流的影響占徑流減少的70%以上。相比而言，人類活動對渭河華縣站和黃河干流龍門站徑流變化的影響更大，其貢獻率超過徑流減少總量的80%。上述結論與已有研究結論總體一致，均指出人類活動是黃河徑流減少的主要原因，但就貢獻率而言，存在一定差異［14-16］。例如，王登等分析認為，人類活動對汾河徑流變化的影響占68%，而本研究認為人類活動貢獻率為74%，這種差異是所選的基準期和對比時期不一樣、所采用水文模型不同引起的［17］。

3 結 論

（1）受環境變化影響，黃河干支流水文站實測徑流量出現階段性突變，突變之后的實測徑流量較前期明顯減小，減小幅度超過30%。

（2）VIC模型能夠較好模擬黃河流域在天然狀態下的徑流量過程，NSE模型效率系數超過70%，模擬誤差不到5%，可以用來還原該流域天然徑流量。

（3）人類活動對河川徑流的影響量占黃河干支流徑流總減少量的70%以上，是徑流減少的主要原因，特別是進入21世紀以來，影響比例更大。

（4）氣候變化的影響是徑流減少的次要因素，由于近些年降水量增多，因此氣候因素對徑流減少的貢獻有所降低。