人类活动和气候变化对白龙江径流的影响研究

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(1.甘肃省水文水资源局, 甘肃 兰州 730000；2.甘肃省陇南水文水资源勘测局，甘肃 陇南 742500)

近年来，在全球气候变化的背景下，与河流密切相关的降水等因素进一步发生变化，从而引起不同河流径流的变化，并且随着地方经济社会的快速发展，水利工程、水土保持措施建设大力推进，人类活动不断加剧。水文科学宏观研究将径流发生变化归因于气候变化和人类活动两个方面。气候变化主要包括降水、气温、蒸发、日照、辐射等气候要素的客观变化，人类活动则包括水土保持、雨水集蓄、土地利用等改变了流域下垫面、使产流机制发生变化的人类主观活动。从水文学角度，对于正常的水文年份，如果不受外界的影响，每年的降水量虽然有丰枯变化，径流量会有所波动，但不会出现系统偏离。然而如果受到外界人类活动如水保措施实施、水电开发等影响，径流量就会发生明显的系统偏离，由此来判断其是否受人类活动影响。鉴于白龙江径流量持续减少的态势，开展对白龙江流域内气候变化、人类活动影响对径流影响研究具有重要的现实意义。本文通过加法模型和乘法模型，定量分析了气候变化和人类活动对白龙江径流的影响及贡献大小，其结论可为白龙江引水工程实施、河流健康修复、流域水土流失治理等提供一定科学参考。

1 研究区概况

白龙江为嘉陵江一级支流，地处甘肃省东南部，位于东经102°30′～105°40′，北纬32°20′～34°10′之间，由西北至东南呈狭长梭形，干流全长576 km，流域面积32 850 km2，跨甘肃省迭部、舟曲、武都、文县和四川省九寨沟、青川、昭化等县，省内长475 km，流域面积27 391 km2。区内地势西高东低，山高谷深，峰锐坡陡，落差2 783 m，水力蕴量丰富，已建水电站204座，总装机容量1 105万 kw。气候从上游到下游跨高寒阴湿、温带半湿润和亚热带湿润3个气候区，且呈明显垂直变化趋势，高山寒冷多雨，河谷温暖少雨，冷暖空气交换剧烈[1]。根据甘肃省第一水利普查成果，白龙江支流众多，一级支流40条、二级支流49条、三级支流15条，其中自上而下流域面积在200 km2以上的支流有：白水江、岷河、拱坝河、多儿沟、让水河、腊子沟、达拉沟、大团鱼河、洋汤河、五库河、北峪河、角弓沟、安子沟等[2]。白龙江径流基本靠降水补给，多年平均流量389 m3/s，年径流量122.68亿 m3，水量丰沛，径流年际变化稳定。沿江两岸滑坡、泥石流、等地质灾害十分发育，在中游舟曲至临江段长约150 km的沿江两岸密布上千条泥石流沟道，大小沟道无不暴发泥石流，规模之大，暴发次数之多[3]，危害程度之严重，在我国均属罕见，2010年舟曲特大山洪泥石流震惊中外[4]。

2 研究资料和方法

2.1 研究资料

受水土保持、雨水集蓄、土地利用等资料收集的限制，本文研究资料主要采用白龙江干流白云、舟曲、武都、碧口水文站及其支流拱坝河黄鹿坝水文站、岷河宕昌水文站、白水江文县水文站的实测降水、径流整编资料。数据均由地方气象、水文部门提供，并签订保密协议。

2.2 研究方法

流域降水是地表产流的动力条件，其时间、强度、历时等时空分布对流域产流有直接影响。以降水为主要因子的气候变化和人类活动是导致流域水量变化的根本和直接原因。为了消除气候变化即降水的影响，令

E=R/P

式中：E称为径流系数(或产水系数)，m3/mm；R为径流量，m3；P为降水量，mm。径流系数表明降水中有多少变成了径流，它反映的主要是流域内下垫面因素对降水-径流关系的影响。

径流深可以用径流系数和降水量的乘积表示，即

R=E×P

为了量化气候变化和人类活动对径流的影响，分别从两种角度出发，进行推导、演算。

1)加法模型[5]。定义基准期为径流未经人类活动影响的时段，变化期为基准期以后的时段，即径流受人类活动影响的时段。基准期可根据突变分析确定。令基准期平均径流深为R1、降水量P1、径流系数E1，变化期平均径流深为R2、降水量P2及径流系数E2。对径流深R=E×P取全微分，并以差分形式表示为：

2)乘法模型[6]。已知径流系数和降水量的乘积表示径流深，同理可用径流系数和降水量的乘积的变量表示径流深的变化，即

3 应用实例

3.1 单站分析

取白云水文站径流、降水资料根据模型分别进行演算(见表1、表2)。

表1 白云水文站气候变化和人类活动对 径流影响分析加法模型计算成果表

从表1中可知，除2000年以来气候变化对径流影响较为显著外，自20世纪60年代以来的各年代均表现为人类活动对径流影响持续增长，说明白云水文站以上流域径流变化主要受人类活动影响。

表2 白云水文站气候变化和人类活动对 径流影响分析乘法模型计算成果表

从表2中可知，除20世纪70年代气候变化对径流影响较为显著外，其余各年代径流显著表现为受人类活动影响，且自20世纪80年代以来人类活动影响逐渐减小，趋于稳定，但持续保持在60%以上，说明近40年来，人类活动影响对白云水文站以上流域径流持续显著影响。

综上所述，除21世纪初两个模型计算结果不一致外，其余各年代结论一致，即白云水文站以上流域自20世纪80年代以前径流显著受气候变化影响，之后径流显著受人类活动影响，20世纪70年代气候变化对径流影响乘法模型较加法模型更为显著。

3.2 全流域分析

取白龙江干流舟曲、武都、碧口水文站及其支流拱坝河黄鹿坝水文站、岷河宕昌水文站、白水江文县水文站径流、降水资料分别计算白云～舟曲段、岷江小流域、拱坝河小流域、舟曲～武都段、白水江小流域、武都～碧口段径流受人类活动和气候变化的影响大小(见表3、表4)。

从表3中可知，白云～舟曲段径流变化自20世纪70年代开始就受人类活动显著影响，90年代以来则表现为气候变化影响，2010年以来又表现为人类活动影响；岷河小流域径流变化则表现为20世纪90年代以来受人类活动显著影响；拱坝河小流域径流变化自20世纪70年代开始就受人类活动显著影响，2010年以来则表现为气候变化影响；舟曲～武都段径流变化则表现为20世纪80年代以前气候变化影响显著，之后受人类活动显著影响；白水江小流域径流变化表现为21世纪初十年间受人类活动显著影响，其余年代表现为气候变化影响显著；武都～碧口段径流变化除20世纪70年代和2010年以来受气候变影响显著外，其余时段人类活动影响显著。

从表4中可知，白云～舟曲段径流变化除2010年以来受人类活动显著影响外，其余年代受气候变化显著；岷河小流域径流变化则表现为20世纪70年代以来受人类活动显著影响；拱坝河小流域径流变化自20世纪80年代开始就受人类活动显著影响，90年代气候变化影响，2000年以来则表现为人类活动影响；舟曲～武都段径流变化除20世纪80年代和2010年以来受气候变影响显著外，其余时段人类活动影响显著；白水江小流域径流变化表现为20世纪90年代以前气候变化影响显著，之后受人类活动显著影响；武都～碧口段径流变化除20世纪60年代和90年代受气候变影响显著外，其余时段人类活动影响显著。

3.3 综合分析

白龙江白云水文站以上区间、白云～舟曲段、岷江小流域的径流自20世纪80年代以来主要受人类活动影响，也可以看出20世纪70年代以前人类对这一区域开发利用程度不高，径流产生主要以降水等气候因子为主。

拱坝河小流域的径流理论上应该与前述三个地区一致，主要以人类活动影响为主，但20世纪90年代资料系列发生突变，径流以气候变化为主，说明这段时间发生了极端气候事件，从而导致径流结果的变化。

舟曲～武都段的径流变化说明早在20世纪60年代人类活动就深刻的影响着这个区域，80年代资料系列发生突变，说明这段时间极有可能发生了极端气候事件，2010年舟曲特大泥石流灾害的发生导致径流结果发生了相应的变化。

白水江小流域的径流变化说明该流域生态保护较好，较少的受到人类活动影响，2000年以来受水电开发等水利工程影响径流发生了变化，但长期以来的良好生态环境尚未对径流产生深刻影响。

表3 白龙江流域气候变化和人类活动对径流影响分析加法模型计算成果表

表4 白龙江流域气候变化和人类活动对径流影响分析乘法模型计算成果表

武都～碧口段的径流变化说明人类活动就深刻的影响着以碧口为中心的区域，同时该区域径流变化受白水江小流域和舟曲—武都段影响较为显著，有同步变化趋势。

进一步分析白龙江流域径流受人类活动和气候变化的综合影响大小(见表5)。从表5可知，白龙江流域在20世纪70年代以前受人类活动影响较小。从80年代开始人类活动加剧，对径流产生深刻影响。自2010年以来，径流变化开始受气候变化影响，但目前尚未有足够证据说明2010年以来径流的变化主要是由于气候变化影响导致的，有待系列资料进一步积累、分析。总体上来说，20世纪80年代以来，气候变化和人类活动对径流影响程度相当，这一结论比张晓晓等的研究结论基本一致[7-8]。

表5 白龙江流域气候变化和人类活动 对径流综合影响分析成果表

4 结语

(1)本文以降水量作为气候变化的主要因素、水电开发作为人类活动的主要因素，量化气候变化和人类活动对白龙江径流的影响及贡献大小，其结论可为白龙江引水工程实施、河流健康修复、流域水土流失治理等提供一定的科学参考。

(2)白龙江全流域气候变化和人类活动对径流综合影响表现为1960-1970年代以气候变化影响为主导因素，比重占70%；1980-2000年代以人类活动影响为主导因素，比重占约55%；2010年以来气候变化和人类活动对径流影响程度相当，以气候变化影响为主导因素，比重占51%。

(3)两个模型的计算方法结果出现趋势变化不一致的情况，可进一步收集流域水利工程、水土保持等建设情况和极端气候事件，分析流域突变情形，计算径流受人类活动和气候变化的影响程度，从而确定影响因素。