气候变化和人类活动对黄河重点区间径流的影响

王国庆，管晓祥，王乐扬，王 婕

（1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029；2.水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京210029；3.河海大学 水文水资源学院，江苏南京210098；4.南京信息工程大学 地理科学学院，江苏南京210044）

随着社会经济的快速发展，全球气候变化和日益加剧的人类活动对区域水资源产生了重要影响［1-2］。受气候变暖和区域耗水量大幅增加影响，在全球200条较大的河流中，有22%的河川径流量呈现显著减少趋势［3］。近50 a来，中国北方江河实测径流量锐减，给我国水资源的可持续利用带来了严峻挑战。科学进行径流变化归因分析是支撑变化环境下水资源有效管理的重要基础工作［4］。

基于科学调查和数学模拟等技术手段，国内外学者先后提出了“水保分析调查法”［5-6］、“水文模拟还原法”［7-8］等开展河川径流变化原因的科学分析。相比而言，基于分项调查的径流归因分析方法不仅需要花费大量的人力和物力资源，而且难以考虑不同影响因素相互作用对河川径流的影响，而基于水文模拟的径流还原方法仅需要收集流域内的水文气象资料，了解流域的基本概况，相对易于操作，因此基于数理统计和水文模拟技术的归因识别方法日益受到众多学者的青睐［9］。尽管已有成果为深入开展径流归因研究提供了良好的借鉴，然而，由于不同区域的地理差异和水资源变异的特点，因此在未来流域治理规划和水资源管理中，仍需要针对具体区域科学辨识不同驱动要素对河川径流的影响，为水资源可持续开发利用提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究流域概况

黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东九省（区），干流全长5 464 km，流域面积79.5万km2，是我国第二大河。流域位于东亚季风区，同时受青藏高原、黄土高原和华北平原三阶地形的影响，气候干旱，生态环境脆弱。综合考虑资料序列长度及空间分布等因素，在黄河流域内及临近周边选取了108个气象站，用来分析气候变化对河川径流的影响。受人类活动等环境变化影响，河川径流出现显著性减少，其中对古贤水库设计规划影响最大的是龙门、华县、河津和头4个水文站的水文过程，因此收集整理了1955—2015年的气温、降水和径流资料，以这4个水文站控制区域为研究对象，重点分析气候变化和人类活动对这4个水文站径流量的影响。黄河流域水系及4个水文站控制区域分布见图1。

1.2 有序聚类分析方法

环境变化的影响导致水文序列发生变化，序聚类分析法是诊断序列突变的有效方法［10-11］。以有序分类来推估最可能的突变点τ，其实质是寻求最优分割点，使同类之间的离差平方和较小而类与类之间的离差平方和较大。对于洪水序列x1，x2，…，xn，最优二分割法的要点如下。

设可能的突变点为τ，则突变前后的离差平方和分别为

式中：¯xτ、¯xn-τ分别为τ前后两部分的均值，¯xτ＝

总离差平方和为

最优二分割：当满足S＝ min2＜τ＜n-1［Sn（τ）］ 时，τ为最优二分割点，可推断为最可能的突变点。

1.3 可变下渗容量模型

可变下渗容量模型（Variable Infiltration Capacity，简称VIC模型）是华盛顿大学和普林斯顿大学共同研制开发的基于格点的大尺度水文模型［12-13］。模型将土壤分为3层（一般将第1～2层作为上层，第3层作为下层），依据不同的植被类型分别计算网格内土层之间的水分交换、蒸散发及产流过程。蒸发计算主要考虑植被冠层截留蒸发、植被蒸腾和裸地蒸发3种蒸发形式。

VIC模型将上层、下层的产流分开计算。上层土壤产生直接径流并下渗到下层土壤，下层土壤产生基流，下渗部分是土壤含水量和饱和水力传导度的函数。直接径流的计算公式为

式中：P为降水量；W0为初始土壤含水量；Wmax0为上层最大土壤含水量；β为形状参数；I0为初始下渗率；Im为最大下渗容量。

采用ARNO模型计算基流，计算公式为

式中：W为下层实际土壤含水量；d1为下层土壤含水量的线性出流系数；d2为基流非线性消退系数；WS为基流非线性消退时最大土壤含水量所占的比例系数；W2为下层土壤含水量；Wmax2为下层土壤最大含水量。

1.4 径流变化归因定量识别方法

基于水文模拟途径识别不同驱动因子对河川径流变化的影响。首先，利用天然时期的水文、气象资料率定模型参数；然后，保持模型参数不变，将非天然时期的气象资料输入模型，模拟还原人类活动影响时期的天然径流量过程；最后，根据基准值（天然时期径流量）、不同人类活动影响时期的实测径流量与天然径流量，综合分析气候要素变化和人类活动对河川径流的影响［9］。气候变化和人类活动对径流影响的定量分析如下。

式中：ΔWT为径流变化总量；ΔWH为人类活动对径流的影响量；ΔWC为气候变化对径流的影响量；WB为天然时期的径流量；WHR为人类活动影响时期的实测径流量；WHN为人类活动影响时期的天然径流量，由水文模型计算得出；ηH、ηC分别为人类活动和气候变化对径流影响的百分比。

2 结果与讨论

2.1 径流的阶段性变化

河川径流突变既可能是人类活动引起的，也可能是气候要素突变引起的，而径流系数的变化在一定程度上消弱了气候因素变化对水文过程的影响，更突出表现为人类活动对水文过程的影响。以龙门、华县、河津和头4个水文站的年径流系数为对象，采用有序聚类分析方法，诊断了水文过程的突变性。径流系数离差平方和的时序变化过程见图2。

由图2可以看出：不同区域径流系数突变发生的年份不同，汾河流域河津站和渭河流域华县站突变发生在20世纪60年代末期（1970年前后），龙门站和头站径流系数突变分别发生在20世纪80年代中期（1984年）和90年代中期（1995年）。由诊断结果可以推断：4个研究区域在20世纪70年代之前基本处于天然状态，实测径流资料反映了流域的天然产流过程，可以用于水文模型参数的率定和检验；龙门以上区域包括了位于青藏高原的上游地区和中游大部分的黄土高原区，面积接近50万km2，尽管20世纪70年代位于黄土高原的支流三川河、无定河等开展了大规模的水土保持工作，但可以看出人类活动并没有对龙门站水文过程产生较大影响，分析认为，这可能是龙门站径流主要来源于上游地区，而河龙区间（河口镇至龙门区间）产流对龙门站径流组成的贡献较小造成的。

将各站水文过程突变之前的实测径流量作为基准，表1给出了4个区域突变之后实测径流较前期的绝对变化（径流深变化量）和相对变化量。由表1可以看出：①渭河流域实测径流绝对减少量最大（-34.4 mm），其次为汾河流域（-29.1 mm）和龙门以上区域（-22.8 mm），头站实测径流的绝对减少量最小，约为-13.3 mm。径流量的绝对减少量一方面与人类活动的强度有很大关系，另一方面与区域产流量的多少有关，例如华县站基准期实测径流量约为88 mm，而北洛河头站基准期实测径流量只有31.7 mm。②径流量的相对变化更能体现环境因素变化对区域水文过程的影响，4个研究区域水文过程均受环境变化影响显著，后期径流量较前期减少均在30%以上，相比而言，汾河流域是受环境变化影响最大的区域，实测径流量减少超过60%，其余3个区域径流受环境变化的影响程度基本相当，实测径流量减少30%～40%。

表1 水文突变后实测径流量较突变前变化情况

2.2 模型率定及天然径流过程还原

由于20世纪70年代之前研究区人类活动较少，可视为天然状态，该时期的实测径流量可以代表流域天然状态下的径流过程，因此以1955—1969年的水文气象资料来率定VIC模型。河津、华县两个水文站实测与模拟径流量变化过程见图3、图4。由图3、图4可以看出，实测径流量与模拟径流量总体拟合良好。统计结果表明，VIC模型对水量平衡的控制较好，模拟径流量的平均相对误差在10%以内，模拟效率系数在70%以上，其中华县站的模拟效率系数超过85%，说明可以用VIC模型模拟还原研究流域的天然径流量变化过程。

保持模型参数不变，利用水文序列突变年份之后的气象资料驱动率定好的VIC模型，模拟人类活动影响期间流域的天然径流量变化过程。4个水文站1955—2015年实测与模拟的年径流量变化过程见图5。

由图5可以看出，各站在突变年份之前，实测年径流量与模拟年径流量总体吻合，说明VIC模型对黄河流域天然径流量具有较好的模拟效果；突变年份之后的模拟年径流量明显大于实测年径流量，说明受人类活动影响，各区域年径流量减少，其中进入21世纪以来，人类活动的影响更明显；模拟的天然年径流量变化过程呈现较大的丰枯交替变化态势，20世纪50、60年代水量较丰，90年代水量偏枯，进入21世纪以来，天然水资源量有增多趋势，这与最近十几年降水逐步增多有一定关系。

2.3 气候变化和人类活动对河川径流的影响

基于每个研究区域模拟的天然径流量和实测径流量，以突变之前的实测径流量为基准值，统计了人类活动和气候变化对不同区域径流量的影响，见表2。

（1）北洛河流域。1995—2015年，人类活动对径流量的影响为9.4 mm，占河川径流减少总量的70.7%，是影响北洛河流域径流减少的主要因素；气候变化引起的径流减少量约为3.9 mm，占径流减少总量的29.3%。人类活动对河川径流的影响具有增大趋势，2000年前后的两个时段，人类活动引起的径流减少量分别为5.3 mm和11.0 mm，其中，2001—2015年的影响量占该时期径流减少总量的86.6%。气候变化对北洛河流域径流的影响具有减小趋势，尽管在1995—2000年，气候要素变化引起的径流减少量为9.5 mm，但进入21世纪以来的影响量只有1.7 mm，这与最近一些年降水增加有明显关系。

（2）渭河流域。1970—2015年，人类活动对河川径流量的影响为27.5 mm，占河川径流减少总量的80%，是影响渭河流域径流减少的主要因素；气候变化引起的径流减少量约为6.9 mm，占径流减少总量的20%。人类活动对河川径流的影响具有增大趋势，1970—1991年、1992—2000年和 2001—2015年三个时段，人类活动引起的径流减少量分别为22.5、29.7、33.6 mm。气候变化在20世纪的最后一个年代对渭河流域径流的影响最大，气候变化引起的径流减少量为21.7 mm，近些年由于降水略增，气候因素对径流减少的贡献减小，因此进入21世纪以来的影响量只有6.5 mm。

（3）汾河流域。1971—2015年，人类活动对河川径流量的影响为21.6 mm，占河川径流减少总量的74.2%，是影响汾河流域径流减少的主要因素；气候变化引起的径流减少量约为7.5 mm，占径流减少总量的25.8%。1991—2000年，气候变化对河川径流减少的贡献最大，约为14.5 mm，主要与该时期降水偏少、气温较高有很大关系。2000年之后，受流域暖湿化趋势影响，气候变化对河川径流减少的贡献减小，约为6.4 mm，占该时期径流减少总量的19.3%。

表2 人类活动和气候变化对黄河不同区域径流量的影响

（4）黄河干流龙门站以上。1984—2015年，人类活动对龙门以上河川径流量的影响为19.0 mm，占河川径流减少总量的83.3%，是该区域径流减少的主要因素；气候变化引起的径流减少量约为3.8 mm，占径流减少总量的16.7%。气候变化因素对时段径流的影响有减小趋势，但相差不大，这与区域较大、区域降水变化不明显有很大关系。人类活动对河川径流的影响具有增大趋势，1984—2000年和2001—2015年，人类活动引起的径流减少量分别为16.6 mm和21.8 mm，凸显了人类活动对流域的影响有增大趋势。

2.4 讨 论

总的来看，人类活动是黄河流域径流减少的主要原因，人类活动对河川径流的影响占径流减少的70%以上。相比而言，人类活动对渭河华县站和黄河干流龙门站径流变化的影响更大，其贡献率超过径流减少总量的80%。上述结论与已有研究结论总体一致，均指出人类活动是黄河径流减少的主要原因，但就贡献率而言，存在一定差异［14-16］。例如，王登等分析认为，人类活动对汾河径流变化的影响占68%，而本研究认为人类活动贡献率为74%，这种差异是所选的基准期和对比时期不一样、所采用水文模型不同引起的［17］。

3 结 论

（1）受环境变化影响，黄河干支流水文站实测径流量出现阶段性突变，突变之后的实测径流量较前期明显减小，减小幅度超过30%。

（2）VIC模型能够较好模拟黄河流域在天然状态下的径流量过程，NSE模型效率系数超过70%，模拟误差不到5%，可以用来还原该流域天然径流量。

（3）人类活动对河川径流的影响量占黄河干支流径流总减少量的70%以上，是径流减少的主要原因，特别是进入21世纪以来，影响比例更大。

（4）气候变化的影响是径流减少的次要因素，由于近些年降水量增多，因此气候因素对径流减少的贡献有所降低。