張愛靜，王本德，曹明亮

（1.大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，遼寧大連116024；2.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都610072）

0 引 言

現(xiàn)狀的河川徑流發(fā)生了顯著的變化，這是氣候和人類活動(dòng)因子雙重作用的結(jié)果。人們?yōu)榱丝茖W(xué)合理地進(jìn)行流域水資源評(píng)價(jià)、管理、規(guī)劃、開發(fā)與利用，不可避免地需要考慮這兩種因子對(duì)河川徑流變化的影響程度。因此研究流域徑流變化的原因，從發(fā)生變異的水文要素中分離出兩種因子的貢獻(xiàn)量成為當(dāng)前流域水文研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。近年來，很多研究[2]從徑流變化驅(qū)動(dòng)因子分析、人類活動(dòng)的水文效應(yīng)、氣候變化的水文效應(yīng)、考慮人類活動(dòng)的水文模擬等角度研究了環(huán)境變化對(duì)河川徑流的影響。其中開展區(qū)分量化氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)河川徑流影響貢獻(xiàn)的研究以國內(nèi)學(xué)者為主，因此本文僅就國內(nèi)學(xué)者在此問題上的研究思路以及定量計(jì)算方法進(jìn)行歸納總結(jié)。

1 研究思路

河川徑流是氣候條件與流域下墊面綜合作用的產(chǎn)物。在水循環(huán)研究中，氣象因子主要能定量描述的是降水和蒸發(fā)，其受到溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速及下墊面狀態(tài)的約束。下墊面因素指流域自然地理特征，主要包括地形、地貌、植被、天然水體與沼澤等。人類活動(dòng)屬于水循環(huán)的下墊面范疇，包括人口增長、城市化水平發(fā)展、植被增減變化、硬覆蓋變化、水利設(shè)施對(duì)截留影響、流域內(nèi)水體小循環(huán)等，它與自然的下墊面共同影響水文的徑流和氣候的溫度、蒸發(fā)與降雨。因此徑流不僅對(duì)氣候波動(dòng)響應(yīng)敏感，而且受人類活動(dòng)強(qiáng)度影響顯著。定量分析河川徑流受氣候因子與人類活動(dòng)因子影響的強(qiáng)度不僅是環(huán)境變化影響研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問題，也是流域水循環(huán)研究中的難點(diǎn)問題。

氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)流域水資源影響量化的主要技術(shù)手段有：長序列資料對(duì)比分析、試驗(yàn)對(duì)比分析、分項(xiàng)組合及流域水文模擬等方法[5]。長序列資料對(duì)比分析方法通過對(duì)比分析相似氣象條件下的水文變化揭示人類活動(dòng)的影響，需要研究流域有較長的實(shí)測(cè)水文氣象資料。對(duì)比試驗(yàn)方法是在相同氣候區(qū)域內(nèi)選擇相似的試驗(yàn)流域，保持參考流域的狀況不變，在試驗(yàn)流域進(jìn)行人類活動(dòng)干擾，通過對(duì)比試驗(yàn)流域與參考流域的水文變量差異，分析人類活動(dòng)的水文影響。對(duì)比試驗(yàn)方法成本高，并且只適用于小流域。分項(xiàng)調(diào)查和水文模擬兩種方法都假定氣候變化和人類活動(dòng)是導(dǎo)致徑流變化的相互獨(dú)立的因子，將水文氣象序列按時(shí)序劃分為天然階段和受人類活動(dòng)影響階段，然后將人類活動(dòng)對(duì)流域顯著影響之前的時(shí)期作為基準(zhǔn)期，其后的時(shí)期作為人類活動(dòng)影響期，最后還原人類活動(dòng)影響期間的天然徑流量并根據(jù)水量平衡來計(jì)算兩個(gè)因子對(duì)徑流的貢獻(xiàn)量。

分項(xiàng)調(diào)查方法中，通過分項(xiàng)計(jì)算人類活動(dòng)影響期間的主要人類活動(dòng)用水量，然后與實(shí)測(cè)河川徑流量疊加，來還原天然徑流量[6]。其主要的思路是根據(jù)水量平衡方程將流域內(nèi)的各種用水量、引水量、分洪水量都計(jì)入到實(shí)測(cè)徑流中[7]。該方法需要大量具體的人類活動(dòng)資料及相應(yīng)的影響定額，難以全面考慮所有人類活動(dòng)對(duì)流域水文過程的擾動(dòng)，所以不能保證還原結(jié)果的可靠性[8]，而且對(duì)于多數(shù)流域而言，相對(duì)準(zhǔn)確詳細(xì)的“取-用-耗-排”水資料需求也很難滿足。

水文模擬方法利用無人類活動(dòng)影響或者人類活動(dòng)影響顯著前的實(shí)測(cè)水文氣象資料率定水文模型，并認(rèn)為這些參數(shù)基本上反映流域的天然產(chǎn)流狀況。然后保持模型參數(shù)不變，將人類活動(dòng)影響顯著期間的氣象要素輸入到水文模型，計(jì)算延展相應(yīng)時(shí)期的天然徑流量[9]。通過對(duì)比人類活動(dòng)影響期間的實(shí)測(cè)徑流量、還原的天然徑流量和基準(zhǔn)時(shí)期的實(shí)測(cè)天然徑流量分離人類活動(dòng)影響期間各因素對(duì)流域徑流的影響。該方法可以保證人類活動(dòng)影響期間的天然徑流量與基準(zhǔn)時(shí)期的實(shí)測(cè)天然徑流量在成因上具有一致性，并且不需要大量詳細(xì)具體的人類活動(dòng)資料[8]，成為目前區(qū)分量化氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)河川徑流影響貢獻(xiàn)的主要方法。

水文模擬方法中的關(guān)鍵研究問題主要包括：天然階段與人類活動(dòng)影響顯著階段的劃分、流域水文模擬、以及各因子對(duì)徑流影響的分離方法，本文重點(diǎn)分析這幾個(gè)關(guān)鍵問題的研究現(xiàn)狀。

2 天然階段與人類活動(dòng)影響顯著階段的劃分

受人類活動(dòng)或氣候變化顯著影響后，水文序列的天然平穩(wěn)性會(huì)遭到干擾或者破壞，在某種意義上水文序列異于原天然序列而呈現(xiàn)出階段性或趨勢(shì)性的變化[1]，表現(xiàn)為基本特征值的時(shí)空不對(duì)應(yīng)及其頻率的不一致。通常研究者根據(jù)這一規(guī)律，推估人類活動(dòng)影響下水文氣象序列的顯著轉(zhuǎn)折點(diǎn)（水文變異點(diǎn)），并以此點(diǎn)為界將研究時(shí)段劃分為天然階段和人類活動(dòng)影響階段。

在水文要素變異點(diǎn)識(shí)別方面有很多成果，主要包括統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和一些新的變異點(diǎn)檢測(cè)方法。常采用的統(tǒng)計(jì)分析方法有序列滑動(dòng)平均法、有序聚類法、時(shí)序累積值相關(guān)曲線法、Mann-Kendall突變點(diǎn)分析法等。例如，曹明亮[10]等利用有序聚類法推求了豐滿上游流域降雨徑流變化的最優(yōu)分割點(diǎn)；許炯心[11]等點(diǎn)繪了實(shí)測(cè)入海水量與年降水量之間的雙累積曲線來區(qū)分降水變化及人類活動(dòng)對(duì)入海徑流通量的影響階段性；孫寧[12]等以潮河密云水庫上游流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用雙累積曲線將1961—2005年期間年降水-徑流關(guān)系演變劃分為3個(gè)階段；姚治君、徐東霞[13]等利用應(yīng)用累積濾波器和肯德爾秩次相關(guān)法，分別對(duì)潮白河、嫩江的年徑流變化趨勢(shì)做了定性和定量分析；楊永輝[15]等利用Mann-Kendall突變點(diǎn)分析方法對(duì)海河8個(gè)子流域徑流序列的突變點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算，并分析了變化的驅(qū)動(dòng)原因；藺學(xué)東[16]等以拉薩水文站以上流域?yàn)檠芯繀^(qū)對(duì)年平均徑流序列以及各月平均徑流序列進(jìn)行Pettitt變點(diǎn)檢驗(yàn)，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果劃分研究時(shí)段。隨著對(duì)突變點(diǎn)問題認(rèn)識(shí)的逐漸深入，不斷有新的變異點(diǎn)檢測(cè)方法被應(yīng)用到水文序列變異檢驗(yàn)中，例如，李占玲[17]等采用Morlet小波分析方法對(duì)雅江流域1956—2000年徑流序列的時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行了研究和探討，認(rèn)為徑流序列發(fā)生突變的年份主要集中在1957，1967，1976，1983，1992 年；謝平等[18]在對(duì)多種方法進(jìn)行檢驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種水文時(shí)間變異的綜合診斷方法，并用該方法對(duì)潮白河流域水文序列的變異點(diǎn)進(jìn)行了識(shí)別與檢驗(yàn)。

水文序列的突變點(diǎn)只能從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度說明水文序列發(fā)生了變異，而天然階段和人類活動(dòng)影響階段的劃分還需要從物理成因角度綜合考慮流域的相關(guān)政策調(diào)整，區(qū)域人類活動(dòng)等信息，并結(jié)合水文資料的完整性進(jìn)行研究。例如，姚允龍等[19]考慮撓力河流域在建國以來經(jīng)歷了大規(guī)模的農(nóng)業(yè)開發(fā)，尤其是在20世紀(jì)80年代以來經(jīng)歷的兩次大農(nóng)業(yè)開發(fā)，將1956—2005年人為的劃分成2個(gè)研究時(shí)段；王國慶等[20]認(rèn)為地處黃土丘陵溝壑區(qū)和土石山區(qū)的汾河流域，在1970年之前，水土保持措施和水利工程相對(duì)較少，處于人類活動(dòng)影響輕微的天然狀態(tài)；王綱勝等[21]等為了反映人類活動(dòng)在不同時(shí)間段的影響，結(jié)合實(shí)際資料條件，將潮河、白河的徑流模擬過程劃分為3個(gè)研究階段。

天然階段與人類活動(dòng)影響顯著階段的劃分是量化氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)河川徑流的影響的先決條件，保證研究階段劃分的科學(xué)性，才能使還原得到的天然徑流量有現(xiàn)實(shí)意義。研究中，不能單純地根據(jù)突變點(diǎn)分析的結(jié)果來進(jìn)行研究階段的劃分，需要綜合考慮研究流域內(nèi)人類活動(dòng)的發(fā)展變化特點(diǎn)，并驗(yàn)證研究時(shí)段劃分的合理性。

3 流域水文模擬

利用水文模擬方法研究氣候變化和人類活動(dòng)與河川徑流變化的相關(guān)性，量化各階段氣候變化及人類活動(dòng)對(duì)流域產(chǎn)匯流的影響程度，一般先根據(jù)流域的地理及氣候條件選取適宜的水文模型。隨著流域水文模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，很多確定性和隨機(jī)性水文模型被應(yīng)用到環(huán)境變化的水文影響研究中?；貧w模型由于簡單實(shí)用、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，其原理和方法較早地被應(yīng)用到氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)河川徑流影響定量分析中：許炯心[22]等以1956—1980年作為人類活動(dòng)較弱的“基準(zhǔn)期”，而以1981-2000年為人類活動(dòng)較強(qiáng)的“措施期”，用多元回歸模型將人類活動(dòng)和降水變化對(duì)徑流的影響分開研究嘉陵江流域年徑流量的變化及其原因；劉登偉[23]等應(yīng)用回歸方程并結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，地理信息系統(tǒng)空間分析方法，定量分析了人口因素對(duì)不同時(shí)空尺度地表水資源的影響。也有學(xué)者應(yīng)用沒有物理意義輸入的數(shù)學(xué)模型對(duì)徑流演變驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了量化分析，例如羅先香[24]等利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)三江平原沼澤性河流的徑流演變驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了分析；劉德地[25]等利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型量化分析了氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)東江流域地表徑流的影響。隨著計(jì)算機(jī)，GIS和遙感技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究趨向于應(yīng)用具有物理意義的水文模型區(qū)分氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響。例如李志[26]等利用分布式水文模型SWAT及情景模式建立的方法，定量分析了氣候變化及覆被變化對(duì)黑河流域徑流變化的影響程度；賀瑞敏[27]等用澳大利亞水平衡模型，將人類活動(dòng)和降水變化對(duì)徑流的影響分開，分析了環(huán)境變化對(duì)黃河中游伊洛河流域徑流量的影響，指出氣候變化是伊洛河流域徑流減少的主要因素；陳利群[28]等利用分布式水文模型SWATS和VIC量化分析了黃河源區(qū)氣候波動(dòng)和土地覆被變化對(duì)徑流的影響的貢獻(xiàn)率；馬歡[29]等利用GBHM模型研究了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)密云水庫流域的影響。

流域水文模擬是量化氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)河川徑流影響的手段。已有研究，利用水文模型對(duì)天然階段和受人類活動(dòng)影響階段的水文過程分別進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果區(qū)分氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響；或者建立各種情景模式，在水文模型中固定部分影響因子，分離其他影響因子對(duì)徑流的影響程度。因此，相對(duì)準(zhǔn)確的流量過程與量化分析結(jié)果依賴于水文模擬結(jié)果的可靠性，因此水文模型的不確定性成為該研究中必須要考慮的問題。

4 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響貢獻(xiàn)量的計(jì)算

現(xiàn)有研究在計(jì)算氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)量時(shí)，一般以流域天然時(shí)段的實(shí)測(cè)徑流作為基準(zhǔn)值，并認(rèn)為人類活動(dòng)影響時(shí)段的實(shí)測(cè)徑流與基準(zhǔn)值的差值是由環(huán)境變化導(dǎo)致的[30]。這一差值包含兩部分：一部分為氣候變化影響的貢獻(xiàn)量，另一部分為人類活動(dòng)影響的貢獻(xiàn)量?，F(xiàn)有的大部分研究，采用以下兩種思路（兩組公式）計(jì)算人類活動(dòng)和氣候波動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)量。

第一組公式[1]為：

其中，△WT為徑流變化總量；△WH為人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響量；△WC為氣候變化對(duì)徑流的影響量；WB為天然時(shí)期的徑流量；WHR為人類活動(dòng)影響時(shí)期的觀測(cè)徑流量；WHN為人類活動(dòng)影響時(shí)期的天然徑流量；ηH，ηC分別為人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)徑流影響的百分比。該組公式認(rèn)為是人類活動(dòng)影響期間還原的天然徑流量與基準(zhǔn)期流量之間的差值是氣候變化影響的貢獻(xiàn)量，人類活動(dòng)影響期間還原的天然徑流量與相應(yīng)時(shí)期的觀測(cè)徑流量的差值是人類活動(dòng)影響的貢獻(xiàn)量。

第二組公式[31]為：

其中，RO是評(píng)價(jià)期觀測(cè)徑流量相對(duì)于基準(zhǔn)期觀測(cè)徑流量變化的比例（%）；Icc和Iha分別為氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化貢獻(xiàn)的比例（%）；Qi和Qbase分別為評(píng)價(jià)期的觀測(cè)徑流量和基準(zhǔn)期的觀測(cè)徑流量；Ri和Rbase分別為還原后評(píng)價(jià)期的天然徑流量和還原后基準(zhǔn)期的天然徑流量；RC為還原后評(píng)價(jià)期天然徑流量相對(duì)于基準(zhǔn)期天然徑流量變化的比例（%）；pCC和pHA分別為氣候變化和人類活動(dòng)在徑流變化影響中各自所占的比例。

兩組計(jì)算公式的區(qū)別在于考慮模型模擬誤差的方法不同，第二組公式用人類活動(dòng)影響期間還原的天然徑流量與基準(zhǔn)期模擬徑流量之間的差值代表氣候變化對(duì)徑流改變的貢獻(xiàn)量，用整體“1”減去氣候變化的貢獻(xiàn)量代表人類活動(dòng)影響的貢獻(xiàn)量。采用兩組計(jì)算公式進(jìn)行氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響貢獻(xiàn)量的計(jì)算，結(jié)果的差別不大。

5 研究成果

分離氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)流域水文要素影響的研究成果有很多，其中以黃河流域和海河流域的研究最多。對(duì)黃河源區(qū)的研究[28]表明氣候變化是徑流減少的主要原因，20世紀(jì)90年代以前，土地覆被變化對(duì)徑流影響很小，氣候變化對(duì)徑流的影響在95%以上。有關(guān)潮白河流域[32]的研究表明，人類活動(dòng)是引起潮白河流域徑流減少的主要因素，對(duì)水資源的過度開發(fā)利用，導(dǎo)致了斷流以及一系列的生態(tài)和環(huán)境問題。塔里木河流域[33]三大支流受人類活動(dòng)影響不大，但在塔里木河干流，人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響卻在不斷加大，越往下游，影響越大，人類活動(dòng)在1970，1980和1990年代對(duì)流域上中游地表徑流的影響量分別為41.59%，63.77%和75.15%[34]。與基準(zhǔn)期1961—1971年相比1972—1997年水土保持措施對(duì)無定河流域徑流減小的貢獻(xiàn)為87%，而降雨和潛在蒸發(fā)對(duì)徑流減小的貢獻(xiàn)量為13%[35]。對(duì)北方老哈河流域的研究[36]表明，1964年以來，流域徑流受氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響，其中人類活動(dòng)對(duì)徑流起減少作用。石羊河上游8個(gè)流域的研究[37]表明，降雨變化對(duì)徑流減小的貢獻(xiàn)率為64%。這些研究成果對(duì)研究流域水文特性，研究人類活動(dòng)影響下的區(qū)域水循環(huán)過程及科學(xué)合理地分析人類活動(dòng)對(duì)流域水循環(huán)規(guī)律的內(nèi)部影響具有參考價(jià)值。

6 目前研究中存在的問題與難點(diǎn)

客觀定量評(píng)價(jià)氣候變化和人類活動(dòng)在全國河川徑流變化中的作用有助于未來水資源的合理開發(fā)和可持續(xù)利用，對(duì)于適應(yīng)氣候變化的對(duì)策研究具有重要意義。雖然現(xiàn)有研究取得了一定的成果，但是仍有一些問題需要深入探討。

1）目前“階段劃分”的研究往往采用突變點(diǎn)分析方法，但是水文要素時(shí)間序列中的有些變點(diǎn)可能是隨機(jī)的突變，不是水文要素總體系列的突變點(diǎn)，有些可能處于一個(gè)周期的變化處，不是真正意義上的變異點(diǎn)，并且水文變異的原因也不一定是人類活動(dòng)的影響。如何找到和驗(yàn)證真正意義上的變異點(diǎn)，論證突變的客觀性與可靠性需要深入研究。

2）還原天然流量的方法，是建立在變點(diǎn)之前徑流沒有受到人類活動(dòng)影響或者受人類活動(dòng)影響很小這一假設(shè)基礎(chǔ)之上的。實(shí)際上，突變點(diǎn)之前人類影響是存在的，而是因水文資料的長度問題被研究者所忽略，如何得到真正意義上的天然流量這一問題遠(yuǎn)未解決，仍需要在延長歷史資料，論證資料代表性，分析突變點(diǎn)與人類活動(dòng)影響程度的關(guān)系等方面，進(jìn)行深入研究。

3）還原天然流量的方法，是假定導(dǎo)致徑流變化的氣候變化和人類活動(dòng)因子是相互獨(dú)立的。實(shí)際上人類活動(dòng)影響時(shí)期的實(shí)測(cè)徑流是氣候變化和人類活動(dòng)共同影響下的結(jié)果，輸入的氣候因子，本身又受到人類活動(dòng)影響。對(duì)于氣候因子中哪部分是人類活動(dòng)導(dǎo)致的，哪部分是天然的氣候波動(dòng)，區(qū)分起來顯得尤為困難。

4）進(jìn)行流域水文模擬時(shí)，水文模型參數(shù)一般由歷史資料率定，模擬的徑流包含了各種誤差，外延得到變化環(huán)境中天然狀態(tài)下的徑流具有一定的不確定性。如何考慮模型的適用性與不確定性，需要詳細(xì)考慮。

5）人類活動(dòng)因子對(duì)徑流演變產(chǎn)生影響已經(jīng)是一個(gè)不爭的事實(shí)。但是人類因素紛繁復(fù)雜，既包括引起流域下墊面顯著改變的水土保持措施、水利工程修建等對(duì)徑流產(chǎn)生直接影響的人類活動(dòng)，也包括經(jīng)濟(jì)社會(huì)結(jié)構(gòu)調(diào)整等對(duì)徑流產(chǎn)生間接影響的人類活動(dòng)。并且這些因素相互耦合，難以對(duì)每類人類驅(qū)動(dòng)因素一一量化，只能提出一個(gè)綜合的影響結(jié)果。目前，如何進(jìn)一步區(qū)別不同人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的作用仍然是研究者面臨的難題。

6）現(xiàn)階段針對(duì)該問題的研究基本上建立在代際或年時(shí)間尺度上，并沒有考慮到降水、氣溫等氣象因素的豐枯變化及季節(jié)變化可能帶來的徑流變化?；鶞?zhǔn)期的相對(duì)豐枯與氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)河川徑流影響貢獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果密切相關(guān)，不同的基準(zhǔn)期的選擇可能得到不一致的結(jié)果。同時(shí)降水總量相同，下墊面條件也相同時(shí)，不同降水時(shí)間分配會(huì)產(chǎn)生不同的徑流過程。如何考慮降水的豐枯變化及年內(nèi)分配變化對(duì)徑流的影響，需要深入剖析。

7）氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)河川徑流影響貢獻(xiàn)的定量分析結(jié)果具有很大的不確定性，目前尚沒有檢驗(yàn)分析結(jié)果的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如何驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性有待深入研究。

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