雍 斌朱 磊任立良劉 蝶陳 波

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學地球科學與工程學院,江蘇南京 210098)

人類活動對老哈河流域近50年徑流變化影響的定量評估

雍 斌1,2,朱 磊1,2,任立良1,劉 蝶2,陳 波2

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學地球科學與工程學院,江蘇南京 210098)

以中國北方典型的半干旱區(qū)老哈河流域為研究區(qū),基于分布在流域內(nèi)的53個雨量站、10個徑流站和4個氣象站數(shù)據(jù)研究老哈河10個子流域近50年來關鍵水文要素的時空變化規(guī)律。利用MK檢驗及Pettitt突變點檢驗,分析降水與徑流的變化趨勢和顯著性水平,并計算其突變點。采用半分布式可變下滲能力(variable infiltration capacity,VIC)模型對10個子流域基準期的降雨徑流過程進行模擬。基于率定后的模型參數(shù),對變化期自然徑流進行重建,從而定量分割出氣候變化和人類活動對該流域徑流急劇下降的影響。結果表明:自1980年以來,老哈河流域90%的徑流下降是由人類活動引起的,而僅有10%歸因于氣候變化;就人類活動而言,特別是中下游地區(qū)大面積的農(nóng)業(yè)灌溉用水是整個老哈河流域地表徑流急劇下降的根本原因。此外,研究還發(fā)現(xiàn)人類活動對徑流下降的貢獻率隨流域干濕變化而不同,在枯水年人類活動影響所占比重較大,而在豐水年人類活動的影響相對較小。

氣候變化;人類活動;徑流;降水;半干旱地區(qū);老哈河流域

水資源是生命存在和社會經(jīng)濟發(fā)展的重要資源[1],水資源量的多少及其時空分布特性與人類生產(chǎn)和生活息息相關。過去半個世紀里,由于人口增長和經(jīng)濟發(fā)展,使得人類對水資源的需求不斷增強,我國很多流域的地表水和地下水遭到過度使用和開采,從而導致某些地區(qū)的地表徑流明顯減少[2],這一現(xiàn)象在我國北方半干旱地區(qū)尤為突出。自20世紀80年代以來,我國北方半干旱地區(qū)的氣候和環(huán)境具有明顯的干旱化趨勢[3],流域水資源問題日益嚴重,水資源短缺已成為制約我國北方大多數(shù)地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的主要因素[4]。

符淙斌等[5-6]、葉篤正等[7]對我國東北榆林、赤峰等地進行了長期調查和研究,結果顯示:不合理的人類活動對水文循環(huán)和生態(tài)環(huán)境的破壞是加劇我國北方干旱化的一個關鍵因素,未來資源性缺水和工程性缺水在這些半干旱區(qū)域已成定局;王順德等[8]在分析塔里木河流域人類活動及氣候變化對水文過程影響的研究中指出:塔里木河干流上中游區(qū)間耗水量嚴重,主要是因為河流源區(qū)人類活動的強烈影響;Ma等[9]基于降水和潛在蒸散發(fā)的定量估算,分析了氣候變化與人類活動對石羊河流域過去50年徑流變化的影響,結果表明:氣候因素中的降水量是影響徑流變化的主導因素;胡珊珊等[10]在白洋淀上游水源區(qū)的水量分析表明:氣候變化部分影響了流域的產(chǎn)水量,但是人類活動是源區(qū)水源缺乏的根本原因。郝璐等[11]對老哈河紅山水庫壩址處的月徑流進行分析,發(fā)現(xiàn)近40年間老哈河徑流在月尺度上表現(xiàn)為負趨勢變化,并對四季的變化進行了分析。由此可見:氣候變化和人類活動是影響中國北方干旱、半干旱流域地表徑流變化的兩個主要因素,而在不同地區(qū)這兩種因素的貢獻率各不相同。

人類活動的影響較大程度上決定了流域徑流的變化,本研究以我國東北半干旱的老哈河流域為研究對象,采用VIC-3L模型定量分析人類活動和氣候變化對該流域過去50年地表徑流顯著下降的影響。老哈河屬于半干旱資源型缺水區(qū)域,水資源的保護與利用決定了流域內(nèi)城市的發(fā)展,研究結果以期對當?shù)厮Y源管理和決策提供科學依據(jù),以制定更合理的水資源管理政策。

1 研究區(qū)概況

作為西遼河的源頭,老哈河流域地處河北、遼寧兩省和內(nèi)蒙古自治區(qū)交界,是我國重要的重工業(yè)、能源和商品糧生產(chǎn)基地。該流域形狀呈不對稱扇形,介于41°N～43°N、117°E～120°E之間,流域內(nèi)地形復雜,地勢西高東低起伏較大,海拔427～2017 m。老哈河流域屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候,多年平均氣溫為7℃,平均降水量為430mm。降水量時空分布不均,豐枯變化大,5—10月為雨季,11月至翌年4月為旱季,暴雨集中在夏秋兩季,暴雨中心多出現(xiàn)在中上游。上游多為林地覆蓋,植被良好,土壤侵蝕較輕;中下游則大部分為黃土丘陵區(qū),植被覆蓋率較低,水土流失較嚴重。流域主要支流有黑里河、英金河、崩河、羊腸子河、錫伯河、西路嘎河、召蘇河及半支箭河等(圖1)。

圖1 老哈河流域雨量站、徑流站及子流域劃分示意圖Fig.1 Sketch map of rain gauge stations,runoff stations, and sub-basins in Laohahe Basin

本文以10個徑流站作為出口站點來劃分流域,其中7個為上游源頭流域,2個為中部出口流域(8號流域出口點在赤峰市區(qū)內(nèi))以及以興隆坡為流域出口的老哈河流域。表1提供了10個子流域的站點、經(jīng)緯度、面積、高程、水文氣象等特征信息。

2 數(shù)據(jù)資料和研究方法

2.1 資料收集

用于實驗的水文氣象觀測數(shù)據(jù)來自內(nèi)蒙古水文局提供的1964—2009年水文日資料以及國家氣象局提供的基準站氣象數(shù)據(jù),具體包括:(a)流域內(nèi)53個雨量站日降水資料;(b)10個子流域出口水文站逐日徑流量資料;(c)流域內(nèi)9個蒸發(fā)站所提供的日蒸發(fā)資料;(d)4個國家氣象基準站所提供的日最高溫、最低溫和平均溫度,以及10 m日平均風速、大氣濕度等數(shù)據(jù);(e)地形DEM數(shù)據(jù)為美國地質調查局提供的USGS標準格式全球1 km精度的GTOPO30數(shù)據(jù)。其中各個流域的降水量是由流域內(nèi)所有雨量站的觀測值通過泰森多邊形法計算得到的。

表1 老哈河流域10個徑流站的特征信息Table1 Feature information of ten runoff stations in Laohahe Basin

2.2 研究方法

本研究使用MK檢驗[12]和Pettitt突變點檢驗[13]來判斷流域在長時間序列下是否發(fā)生了突變。它們可以判斷一個隨機序列是否發(fā)生了顯著性變化,并定量計算出該序列的變化趨勢,是水文、氣象序列研究最常采用的方法。降雨徑流雙累積曲線用來輔助檢驗MK檢驗法及Pettitt突變點檢驗的結果。同時使用VIC (variable infiltration capacity,可變下滲能力)模型進行水文過程模擬。國內(nèi)部分學者利用該模型在淮河[14-15]、渭河[15-16]、海河[17]等流域進行水文過程模擬,都取得了較好的效果。

此外,本文提供了一個可用于定量分割氣候變化和人類活動對徑流變化影響的評估框架。該框架的前提假設是:對于某一特定流域,徑流的變化主要來自于氣候變化和人類活動這2個因素[18],其中,相對于全球或區(qū)域的氣候變化而言,流域內(nèi)的人類活動是相對獨立的[19],因此流域徑流的變化實際上是由氣候變化和人類活動引起的兩種徑流變量之和:

其中ΔQtot和ΔQclim還可以表示為

則人類活動引起的徑流變化量為

這樣,氣候變化和人類活動對徑流變化的影響可定量分割為

式中:ΔQtot——總的徑流變化量;ΔQclim——由氣候變化引起的徑流變化量;ΔQhum——由人類活動引起的徑流變化量;ˉQ2,obs——變化期的流域年平均觀測徑流量;ˉQ1,obs——基準期的流域年平均觀測徑流量;ˉQ2,sim——變化期的流域年平均模擬徑流量;ˉQ1,sim——基準期的流域年平均模擬徑流量;Iclim——由氣候變化引起徑流量變化的百分比;Ihum——由人類活動引起徑流量變化的百分比。

3 結果與分析

3.1 流域內(nèi)的降雨徑流變化

表2為10個子流域運用MK檢驗法得到的結果,可以看出:在降水無明顯變化的情況下,10個子流域內(nèi)有6個流域的徑流下降趨勢顯著。通過突變點檢驗,可以發(fā)現(xiàn)這6個子流域都存在2個突變點,其中新井的突變點為1967年和1998年,初頭朗的突變點為1974年和1998年,甸子、赤峰、太平莊、興隆坡這4個子流域的突變點都為1979年和1998年。統(tǒng)計出有突變點的6個子流域的降雨徑流累積曲線(見圖2),得到與表2結果相同的變化趨勢。

圖2 過去50年6個子流域的降雨徑流累積曲線Fig.2 Cumulative curves of precipitation and runoff in six sub-basins over past 50 years

3.2 氣候變化和人類活動對徑流的影響

運用VIC-3L模型分別對徑流下降顯著的3個子流域進行水文模擬,以流域的第一個突變年份為界限,之前作為基準期,之后作為變化期。以確定性系數(shù)(NSCE)和偏差(BIAS)最小為指標,對VIC-3L模型進行參數(shù)率定;然后保持率定參數(shù)不變,利用變化期的降水驅動模型對變化期的自然徑流進行重建,得到3個子流域的模擬徑流。

表2 10個子流域趨勢檢驗及變點檢驗的結果Table2 Results of trend test and change point test in ten sub-basins

表3 在整個變化期年平均徑流量人類活動及氣候變化的影響Table3 Effects of climate change and human activities on annual average runoff over whole variation period

為了評估人類活動和氣候變化對地表徑流下降的影響,在3個子流域內(nèi)采用式(1)～(6)計算整個變化期由人類活動和氣候變化引起的年均徑流變化量以及各自所占的比重(表3)。從表3可以看出在這3個子流域中,人類活動是影響徑流下降的主要原因,所占比例從 77.96%到90.94%。其中,8號、10號流域由人類活動引起的徑流變化量為-911.63萬m3和-1846.19萬m3,占總徑流下降的90.94%和89.53%。位于8號流域的赤峰市歷年經(jīng)濟數(shù)據(jù)(圖3)顯示:隨著人口數(shù)量的不斷增加(過去50年人口增加了約200萬),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模及國內(nèi)生產(chǎn)總值不斷擴大,如農(nóng)作物產(chǎn)量在變化期的年均增長率為3.26%,遠高于基準期的1.94%。特別是耗水量極大的灌溉農(nóng)田面積已從1987年的2083 km2增加到2005年的3840 km2,水庫、塘壩等水利工程支持下的農(nóng)業(yè)灌溉成為人類活動對老哈河流域徑流量影響的最主要因素。

圖3 赤峰市經(jīng)濟數(shù)據(jù)Fig.3 Economic data of Chifeng City

為進一步分析人類活動和氣候變化在年代間對徑流變化的影響,將變化期劃分為1980年前、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年共4個時期,同樣采用式(1)～(6)計算上述流域徑流量的變化。表4顯示:在降水偏少的20世紀80年代,受人類活動和氣候變化雙重影響,整體徑流普遍呈下降趨勢,且人類活動的影響高于氣候變化,是徑流下降的主要原因;而降水相對較多的20世紀90年代,氣候變化促進了徑流增加,致使部分流域的氣候變化影響高于人類活動;到了2000年以后,人類對流域水資源過度利用,中大型水庫的修建,人類活動的影響遠高于氣候變化,部分流域甚至出現(xiàn)了斷流的情況。

表4 每10年變化期年平均徑流量人類活動及氣候變化的影響Table4 Effects of climate change and human activities on annual average runoff with decadal variations

4 結 語

分析老哈河10個不同子流域降水和徑流過去50年的變化趨勢,并采用VIC-3L模型定量評估了氣候變化和人類活動對流域地表徑流急劇下降的影響,主要結論如下:

a.10個子流域的MK檢驗、Pettitt突變點檢驗以及降雨徑流累積曲線的結果表明:自1980年以來,由于農(nóng)業(yè)灌溉及經(jīng)濟發(fā)展對地表水和地下水過度開采,使得老哈河6個子流域的地表徑流顯著下降,其中8號子流域(即赤峰站控制的北部子流域)的徑流受人類活動影響最劇烈,徑流下降的顯著性水平最高,近年來甚至在雨季都出現(xiàn)了斷流的情況;而老哈河源頭中部3～6號子流域,由于流域內(nèi)植被覆蓋較好,水土流失不嚴重,人類活動影響較少,流域的自然水文循環(huán)過程保持良好,地表徑流變化不顯著。

b.基于VIC-3L模型,對地表徑流有顯著下降特性的3個子流域的人類活動和氣候變化定量分析結果表明:由于人類活動的劇烈影響,這3個子流域的地表徑流從20世紀80年代開始出現(xiàn)明顯的下降趨勢,而且,人類活動對徑流下降的貢獻率隨流域干濕變化而不同。在枯水年由于降水較少,人類對水的需求是導致徑流下降的主要原因;而在豐水年由于雨量充足,氣候變化在一定程度上促進了徑流回升,人類活動的影響相對較小。就整個流域而言,近90%的徑流下降是人類活動所引起的,而僅有10%歸因于氣候變化的影響。

[1]OKI T,KANAE S.Global hydrological cycles and world water resources[J].Science,2006,313:1068-1072.

[2]VOROSMARTY C J,GREEN P,SALISBURY J,et al.Global water resources:vulnerability from climate change and population growth[J].Scince,2000,289:284-288.

[3]馬柱國,符淙斌.1951—2004年中國北方干旱化的基本事實[J].科學通報,2006(20):2429-2439.(MA Zhuguo,FUCongbin.The basic fact of the drought in northern China from 1951 to 2004[J].Chinese Science Bulletin,2006(20):2429-2439.(in Chinese))

[4]閆百興,宋新山,閆敏華,等.遼河流域水資源演化趨勢分析[J].水土保持通報,2000(6):1-5.(YAN Baixing,SONG Xinshan,YAN Minhua,et al.Evolutional trend of water resource in Liaohe River Catchment[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2000(6):1-5.(in Chinese))

[5]符淙斌,安芷生,郭維棟.我國生存環(huán)境演變和北方干旱化趨勢預測研究(Ⅰ):主要研究成果[J].地球科學進展,2005 (11):5-15.(FU Congbin,AN Zhisheng,GUO Weidong.Evolution of life-supporting environment in our nation and the predictive study of aridification in northern China(Ⅰ):mainscientific issues and achievements[J].Advances in Earth Science, 2005(11):5-15.(in Chinese))

[6]符淙斌,安芷生.我國北方干旱化研究:面向國家需求的全球變化科學問題[J].地學前緣,2002(2):271-275.(FU Congbin,AN Zhisheng.Study of aridification in northern China:a global change issue facing directly the demand of nation[J].Earth Science Frontiers,2002(2):271-275.(in Chinese))

[7]葉篤正,符淙斌,董文杰.全球變化科學進展與未來趨勢[J].地球科學進展,2002(4):467-469.(YE Duzheng,FU Congbin,DONG Wenjie.Advances in global change science and future trends[J].Advances in Earth Science,2002(4):467-469.(in Chinese))

[8]王順德,王彥國,王進,等.塔里木河流域近40 a來氣候、水文變化及其影響[J].冰川凍土,2003(3):315-320.(WANG Shunde,WANG Yanguo,WANG Jin,et al.Change of climate and hydrology in the Tarim River Basin during past 40 years and their impact[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2003(3):315-320.(in Chinese))

[9]MA Zhenmei,KANG Shaozhong,ZHANG Lu,et al.Analysis of impacts of climate variability and human activity on streamflow for a river basin in arid region of northwest China[J].Journal of Hydrology,2008,352:239-249.

[10]胡珊珊,鄭紅星,劉昌明,等.氣候變化和人類活動對白洋淀上游水源區(qū)徑流的影響[J].地理學報,2012(1):62-70.(HU Shanshan,ZHENG Hongxing,LIU Changming,et al.Assessing the impacts of climate variability and human activities on streamflow in the water source area of Baiyangdian Lake[J].Acta Geographica Sinica,2012(1):62-70.(in Chinese))

[11]郝璐,王靜愛,高路,等.老哈河流域近40年徑流變化趨勢分析[J].北京師范大學學報:自然科學版,2008,44(6):629-634.(HAO Lu,WANG Jing'ai,GAO Lu,et al.On the runoff in Laohahe River Basin in the last 40 years[J].Journal of Beijing Normal University:Natural Science,2008,44(6):629-634.(in Chinese))

[12]MANN H B.Nonparametric tests against trend[J].Econometrica:Journal of the Econometric Society,1945,13(3):245-259.

[13]PETTITT A N.A non-parametric approach to the change point problem[J].Applied Statistics,1979,28:126-135.

[14]林建,謝正輝,陳鋒,等.2006年汛期VIC水文模型模擬結果分析[J].氣象,2008(3):69-77.(LIN Jian,XIE Zhenghui, CHEN Feng,et al.Simulation of VIC hydrologic model during 2006 flood season[J].Meteorological Monthly,2008(3):69-77.(in Chinese))

[15]蘇鳳閣,謝正輝.氣候變化對中國徑流影響評估模型研究[J].自然科學進展,2003(5):56-61.(SU Fengge,XIE Zhenghui.Impact assessment model for climate change on the runoff of China[J].Advance in Natural Science,2003(5):56-61.(in Chinese))

[16]謝正輝,劉謙,袁飛,等.基于全國50 km×50 km網(wǎng)格的大尺度陸面水文模型框架[J].水利學報,2004,35(5):76-82.(XIE Zhenghui,LIU Qian,YUAN Fei,et al.Macro-scale land hydrological model based on 50 km×50 km grids system[J].Journal of Hydraulic Engineering,2004,35(5):76-82.(in Chinese))

[17]袁飛,謝正輝,任立良,等.氣候變化對海河流域水文特性的影響[J].水利學報,2005,36(3):274-279.(YUAN Fei, XIE Zhenghui,REN Liliang,et al.Hydrological variation in Haihe River Basin due to climate change[J].Journal of Hydraulic Engineering,2005,36(3):274-279.(in Chinese))

[18]WANG Jiahu,HONG Y,GOURLEY J,et al.Quantitative assessment of climate change and human impacts on long-term hydrologic response:a case study in a sub-basin of the Yellow River,China[J].International Journal of Climatology,2010,30 (14):2130-2137.

[19]江善虎,任立良,雍斌,等.老哈河流域降水變化特征分析[J].水電能源科學,2009,27(1):1-4.(JIANG Shanhu,REN Liliang,YONG Bin,et al.Analysis of precipitation change in characteristic Laoha River Basin[J].Water Resourses and Power, 2009,27(1):1-4.(in Chinese))

Quantitative evaluation of effects of human activities on runoff variation over past 50 years in Laohahe Basin

YONG Bin1,2,ZHU Lei1,2,REN Liliang1,LIU Die2,CHEN Bo2
(1.Sate Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University, Nanjing 210098,China; 2.School of Earth Sciences and Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Based on data from 53 rain gauge stations,ten runoff stations,and four meteorological stations in the Laohahe Basin,a typical semi-arid area in northern China,we studied the temporal and spatial variations of key hydrological factors in ten sub-basins of the Laohahe Basin over the past 50 years.We employed the rank-based Mann-Kendall trend test and Pettitt change-point test to analyze the change trends and significance levels of precipitation and runoff in the basin and calculate the change point.Then,we adopted a semi-distributed variable infiltration capacity(VIC)model to simulate the rainfall-runoff processes of the ten sub-basins during the baseline period.Based on calibrated parameters of the model,we reconstructed natural runoff during the variation period,so as to quantitatively separate the effects of climate change and human activities on the abrupt reduction of the runoff in the basin.The results show that since 1980,90%of the runoff reduction in the basin has been caused by human activities,and 10%of the runoff reduction has been caused by climate change.In terms of human activities, widespread agricultural irrigation especially in the middle and lower reaches,was the essential reason for the abrupt reduction of runoff in the Laohahe Basin.Furthermore,the impact of human activities on runoff reduction varied with dryness and wetness changes across the basin,with greater impact in dry years than in wet years.

climate change;human activities;runoff;precipitation;semi-arid area;Laohahe Basin

P339

:A

:1000-1980(2014)02-0101-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.02.002

2013-02 17

武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室開放基金(2012B091);國家自然科學基金(51190091);高等學校學科創(chuàng)新引智計劃(B08048);科技部科技基礎性專項課題(2011IM011000)

雍斌(1975—),男,安徽馬鞍山人,教授,主要從事流域水文過程模擬研究。E-mail:yongbin-hhu@126.com