气候变化和人类活动对潴龙河流域径流量影响的定量评估

张学知

(河北省衡水水文水资源勘测局，河北 衡水 053000)

0 引 言

近几十年来，大多数河流水资源日益短缺，主要是由于人类活动和气候变化引起的。因此，对径流变化的影响分析已成为研究的热点。

气候变化和人类活动对水文的影响因地而异，因此通常在流域尺度范围内进行研究。目前，许多方法被用来量化气候变化和人类活动对径流的影响程度。其中最常用的是长时间序列资料的对比分析法、对比试验法、野外调查法和水文模拟法[1-2]。比较分析法需长时间的水文气象数据。对比试验方法通过人工改变试验流域的自然地理条件(流域的一个或多个特征)来评估人类对径流的影响。由于成本高，比较试验方法仅限于在较小的流域使用。考虑到灌溉、工业和生活用水等人类活动的影响以及大坝的调蓄作用，野外调查方法通过总结观测径流和人类主要用水类型，计算出“自然径流”量。但其对人类活动的详细资料要求较高，限制了其应用。水文模拟是分析各种驱动因素引起的径流变化最广泛使用的方法。当使用水文模拟方法时，需要以下步骤：首先，在没有重大人类活动的时期校准水文模型，校准的参数被认为反映了自然水文状况。其次，将扩展期水文气象数据输入标定模型，重建“自然径流”。最后，通过比较自然径流和观测径流，可以确定人类活动引起的径流变化[3-4]。在水文模拟法中，径流形成的机理在有无人类活动的时期是一致的。此外，不需要人类活动的详细资料。因此，本研究选择水文模拟法。

目前，有关潴龙河流域的研究较少，现有研究很少侧重于气候变化和人类活动对水文的长期影响。因此，本研究的目的为：①探讨潴龙河流域季节和年降水量、温度和径流的变化；②确定降雨径流关系在过去50年中是否发生了变化；③定量评估气候变化和人类活动对径流的影响。

1 研究区概况

潴龙河位于河北省境内，含沙量较大，其最大行洪能力为3 000 m3/s。近年来，随着对白洋淀环境综合整治的不断加大及雄安新区的设立，潴龙河作为白洋淀主要的补水河流，河流水量得到充分的补给。

2 数据处理

为构建SWAT模型，本文采用了14个雨量站的降水数据，以及1963-2015年6个气象站的气象数据。日气象数据从中国气象局下载[5-6]。本文采用紫荆关水文站 (1967-1975)、新盖房水文站(1967-1975)和北郭村水文站(1966-2015)站的日径流数据用于模型校准和验证。

本文高程数据采用90 m分辨率的STRM数据。本文采用1980年代的土地利用数据，其比例尺为1∶100 000，该数据来自UMD土地利用数据集。经过土地利用重分类后，15种土地利用类型与SWAT数据库进行了关联。土壤数据采用HWSD数据库[7]。研究区土壤类型共5种，分别为暗棕壤、草甸暗棕壤、白色土壤、草甸白色土壤和暗草甸土壤。本文建立了SWAT模型土壤数据库，相关土壤属性(如土壤深度、土壤质地、土壤颗粒组成)从中国土壤地形学中获得，部分土壤参数根据土壤质地、有机物和砾石含量，采用土壤-植物-大气-水模型(SPAW)中的土壤-水-特征模块(SWCT)进行计算。SWAT模型中难以获得的土壤参数取自SWAT本地的土壤数据库。本文采用3次样条插值法将土壤粒径由国际标准转化为美国标准。

3 研究方法

3.1 SWAT水文模型

SWAT模型是基于物理的分布式水文模型[8]。其主要输入数据包括水流流向、水流路径、池塘/水库位置、侵蚀/沉积物位置、植物生长属性、营养物含量、杀虫剂和土地管理方式等。日降雨量产生的地表径流采用修正的SCS曲线计算，该方法根据当地土地利用、土壤组成和前期土壤湿度估计径流。本文SWAT模型采用Penman-Monteith公式估算裸地蒸发和蒸散量，并采用马斯京根法进行河道汇流验算。模型建立过程采用基于Arcgis软件的ArcSWAT2012插件进行建模。

3.2 气候变化和人类活动对径流影响的分布评价

本研究中，人类活动对径流变化的影响包括人口增长、农业发展和工业发展导致的用水量增加、因人类活动引起的土地利用/覆盖变化(如水利工程建设、植被覆盖变化、城市化和耕地面积变化)而增加或减少的径流、跨流域调水引起的水量变化等。本文采用重建自然径流法，将北郭村水文站1966-2015年的径流量分为两个阶段：第一个阶段为无重大人类活动的基准阶段，第二个阶段为受重大人类活动影响的径流突变阶段。随后，对水文模型参数进行校准，以反映基准阶段水循环的自然状态。径流变化期间的自然径流通过仅改变气象输入而不改变任何校准参数和，并考虑当地人类活动来构建，这样SWAT模型模拟的径流几乎不受气候变化的驱动。本文采用以下公式分离和量化气候变化和人类活动对径流的影响：

ΔRTOT=ROC-ROB

(1)

ΔRHUM=ROC-RRN

(2)

ΔRCLIM=RRN-ROB

(3)

ηHUM=RHUM/ΔRTOT×100%

(4)

ηCLIM=RCLIM/ΔRTOT×100%

(5)

式中：ΔRTOT为气候变化和人类活动引起的径流变化，mm/年；ROC为径流变化阶段观测径流量的平均值，mm/年；ROB为基准期观测径流量的平均值，mm/年；RRN为径流变化阶段在不考虑人类活动影响下SWAT模型模拟的径流量，mm/年；ΔRHUM为人类活动对径流的影响，mm/年；ΔRCLIM为气候变化对径流的影响，mm/年；ηHUM为人类活动对径流变化影响占比；ηCLIM为气候变化对径流变化影响占比。

4 结果分析

4.1 降水、温度和径流变化的趋势分析

研究气象水文时间序列历史的变化趋势有助于分析气候变化对水资源系统产生的影响。在潴龙河流域，每年的1-5月份和10-12月份被认为是旱季，7-9月份被认为是涝及即汛期。在P=0.05显著性水平下，本文采用非参数M-K检验法[9]和t检验法[10]分析了枯水期、丰水期和每年的(1966-2015)降水量、平均温度、径流深度和径流系数的变化趋势。趋势大小由Sen斜率参数β计算。

表1给出斜率的计算结果。由表1可以看出，季尺度和年平均温度均表现出显著性增加趋势，尤其是在旱季。在过去的50年内，年降水量变化具有增加的趋势，但并不显著，其在季尺度上，旱季增加，涝季减少。与降水量相比，旱季径流深度表现出显著性下降趋势。径流系数是表征降水转化为径流能力的参数，除在汛期Mann-Kendall检验结果外，其余检验结果均呈显著性下降趋势。

上述研究结果表明，潴龙河流域的气候变得越来越温暖和干燥，年降水量有较少增加。年平均气温以0.037℃的速度上升，年径流深度以每年1 mm的速度呈下降趋势。径流系数变化呈下降趋势，说明在过去50年内，该流域的产流能力变化呈下降趋势。

表1 温度、降水及径流变化趋势检验结果

4.2 基准和径流突变期的阶段划分

本文采用贝叶斯变点分析法和序聚类分析法对研究区北郭村水文站(1966-2015)年径流量的突变点进行了检测。两种方法的计算结果表明，径流突变点发生在1974年。其中1966-1974年和1975-2015年的平均径流系数分别为0.34和0.24。径流的变化可能是由人类活动和土地利用变化等因素引起的。中国人口普查局(1985年)和国家统计局(1990年)的调查报告显示，1974年以前，中国人口数量较少，工农业总产值增长缓慢。潴龙河流域在20世纪60年代末和70年代初开始关注农业发展，并已建造大量的灌溉用水项目，农业产量获得提高，受用水量增加等因素影响，流域径流量受到严重影响。

根据突变点的分析结果和集水区的实际情况，在1966-1974年期间，人类活动对径流的影响相对较弱，观测到的径流接近自然状态。因此，本文将1966-1974年期间作为基准期，1975-2015年期间作为径流变化期。

4.3 SWAT模型的校准和径流重建

经过参数敏感性分析，在1966-1969年间的北郭村水文站以及1967-1970年间的紫荆关水文站和新盖房水文站本文采用SCU算法对水文模型参数进行了率定。在校准期间，Ens均大于0.76，R2均大于0.86，3个站每月的RE均小于10%。北郭村水文站年平均Ens，R2和RE分别为81.0%，90.2%和1.1%。本文采用1970-1974年间的北郭村水文站以及1971-1974年间的紫荆关水文站和新盖房水文站验证了模型，在月尺度上，Ens值均大于0.76，R2值均大于0.88，RE均小于0.09。北郭村水文站的年平均Ens，R2和RE值分别为0.886、0.989和1.4 %。SWAT模型在校准和验证期间对径流模拟的评价结果见表2。本文对校准和验证期间观测和模拟的年平均径流深也进行了计算，可以看出其模拟效果较好，数值较为接近。但新盖房水文站验证期模拟的径流较差，可能是因为其农业发展较早，受人类活动因素影响较大。新盖房水文站的灌溉工程是在很早的时候开发的。SWAT模型在基准期校准以及验证后，在不考虑当地人类活动影响下，本文将径流变化期的水文气象数据用作模拟自然径流。

表2 径流模拟经度的评价结果

4.4 气候变化和人类活动对径流影响的评价

本文采用公式(1)-式(5)评估了1975-2015年4个时期气候变化和人类活动对径流的影响，评价结果见表3。由表3可以看出，气候变化对径流的影响与降水量的变化具有相同的趋势。在1976-1985，1986-1995和2006-2015年期间，径流减少了-32.9，-59.5和-45.2 mm/年，但在1996-2005年期间，由于降水的异常增加，径流增加了36.9 mm/年。在1975-1985，1986-1995，1996-2005和2006-2015年，人类活动导致的径流减少量(RHUM)分别为-32.9，-46.8，-67.8和-54.9 mm/年。在1975-1985，1986-1995，1996-2005和2006-2015年期间，人类活动对年径流的影响分别是气候变化的0.9倍、0.8倍、1.8倍和1.2倍。从评价结果可以看出，1995年以前气候变化对径流的影响略大于人类活动，而此后人类活动的影响逐渐增加。两者对潴龙河流域的径流产生了不同程度的影响，在未来的水资源规划和管理措施中这两种影响因素均应被考虑。

表3 气候变化和人类活动对径流量的影响评估结果

4.5 可能诱发径流变化的驱动因素分析

流域径流受多种因素影响，气候、土地利用/覆盖和用水量等任何因素的变化都可能导致径流的变化。

4.5.1 气 候

区域气候变化使气温显著升高，降水量略有增加。由于流域蒸散量的增加，温度升高可能会引起径流量的减少。研究表明，温度升高1.5℃将导致模拟的径流量减少13 %，潜在蒸散量增加6.02 %。总的来说，径流应随降水量的增加而增加，但其也对降水量年内分布的变化作出响应(旱季增加，雨季减少)。从表2中还可以看出，当下垫面相同时，汛期降水量的百分比越高，模拟的径流量将越大。未来的研究应详细分析降水量的年内分布变化对径流量的影响。

4.5.2 人类活动

土地利用是影响径流的另一因素。潴龙河流域是河北省的主要农业区之一，研究区的主要土地利用类型为森林/草地和农田。由人类活动引起的土地利用变化大约开始于1978年。在河北省，由于粮价上涨，大面积的土地从天然林/草地变成了农田。然而，在1990年代末，森林/草原后恢复的政策有助于加强林业保护和发展。20世纪80年代和2000年土地利用类型的比较结果见表5。

表4 研究区主要土地利用类型的面积(1980和2000年) /hm2

由表4可以看出，林地和草地分别减少2.3%和1.3%，农田(稻田和旱地)和居住区分别增加3.1%和0.1%。天然林/草地已被改造成农田和住宅区。一些研究表明，森林通常比其他植物蒸发更多的水分，林地的减少增加了径流。其他报告阐述了增加农业用地和农业活动导致农业用水(灌溉)增加和径流减少。毫无疑问，土地利用/覆盖的综合变化以非常复杂的方式影响着水资源。

4.5.3 不同降水量下人类活动对径流的影响

为了分析人类活动对径流的影响，本文将径流变化期的降水量分为600 mm以下、600～700，700～800和800 mm以上4个时段。表5计算了各分区由人类活动引起的平均径流变化(RHUM)。由表5可以看出，当降水量较大时，河流损失了更多的径流量。总的来说，人类在陆地表面的活动和对河水的抽取对干旱年份的径流的影响比湿润年份更大，因为在干旱年份灌溉和其他用途需要更多的用水。而本文的研究结果恰恰相反，在潮湿年份径流减少的更多。年平均ΔRHUM的绝对值从26.96 mm增加到70.39 mm，降水量从600 mm以下增加至800 mm以上，汛期和枯水期的平均ΔRHUM与年平均ΔRHUM具有相似的特征。当年降水量低于600 mm/年时，人类活动使枯水期径流量增加了0.34 mm/年。

表5 不同降水量下ΔRHUM的平均值

5 结 论

降水量的变化趋势并不显著，气温的变化表现出显著的上升趋势，径流深度和径流系数的变化表现出显著性下降趋势。近50年来，研究区降雨径流关系发生了变化，产流能力变弱。气候变化对径流的影响与降水具有相同的变化趋势。径流在1976-1985，1986-1995和2006-2015年期间分别减少36.7、59.5和45.2 mm/年，受气候变化的影响，与基准期相比，径流在1996-2005年期间增加36.9 mm/年。在此时间段内，人类活动导致径流分别减少了32.9，46.8，67.8和54.9 mm/年。受水利工程的调蓄影响，人类活动对丰水年径流减少的贡献更大。本研究结果提高了对潴龙河利于气候和人类活动对流域径流变化影响的认识和理解，可为区域水资源管理提供参考。