崔花瑞，郭春梅，曹瑞仙，王 偉，張延平

（1.河南省安陽水文水資源勘測局，455000，安陽；2.河南省開封市城區(qū)水利局，475000，開封；3.河南省安陽市水利局，455000，安陽）

一、流域概況

安陽河（洹河）位于河南省安陽市境內(nèi)，是衛(wèi)河的一大支流，河流全長162km2，流域面積為 1920km2，平原面積所占比例為35%，山區(qū)面積為47%。

安陽河上游比降大，進(jìn)入平原后由于過渡帶短，河道比降明顯變緩。河道的行洪能力上游大下游小，市區(qū)以上河道流速為 4 000～2 400 m3/s，到入衛(wèi)口處流速約為600～300 m3/s。在洪水期間，由于衛(wèi)河水位高，下游洪水因受衛(wèi)河洪水影響，導(dǎo)致不能夠及時排出，在市區(qū)以下5km處左岸崔家橋一帶形成了自然滯洪區(qū)。

二、研究方法

1.天然水文序列劃分方法

流域的徑流量變化主要受兩個因素的影響：一為降水強(qiáng)度與其空間分布，二為流域內(nèi)區(qū)域的人為活動強(qiáng)度。由于人為活動對流域徑流的影響具有顯著的時空差異，因此流域水文過程具有趨勢性、階段性的特點(diǎn)。將本研究的研究對象設(shè)定為年徑流系數(shù)序列，是為了減少由降水強(qiáng)度差異引起的流域徑流變化，分析人為活動引起的流域年徑流變化的階段性。本研究采用的分析方法為：有序聚類法、序列滑動平均法等。

由于人為活動影響的水文序列與天然序列存在差異，因此可將兩者作為兩類水文序列。本研究基于流域水文模型，采用有序聚類分析方法，判定人為活動影響的水文序列與天然序列之間的突變點(diǎn)。運(yùn)用有序聚類分析方法判定水文序列的顯著突變點(diǎn)，其實(shí)質(zhì)就是判定最優(yōu)分割點(diǎn)。最優(yōu)點(diǎn)分割的方法為：

總離差平方和為：

最優(yōu)分割使 Sn?（r）=min[Sn（r）]，滿足該條件的r為最優(yōu)分割點(diǎn)。

一般來說，如果水文序列出現(xiàn)了兩個顯著的階段性過程，Sn（r）的時序變化出現(xiàn)單谷底；如果出現(xiàn)兩個或以上的顯著階段性過程，則Sn（r）的時序變化出現(xiàn)兩個或以上谷底，因此根據(jù)谷底發(fā)生的時間來劃分水文序列變化的階段是合理可信的。

綜合考慮尺度、水文、氣候、區(qū)位和下墊面等因素，采用有序聚類分析方法，計算流域的年徑流系數(shù)與變化過程。安陽河流域的計算結(jié)果表明，因?yàn)槟陱搅飨禂?shù)與變化過程出現(xiàn)單谷底變化，所以把1981年作為安陽河流域天然時期與非天然時期的分界點(diǎn)，見圖1。從20世紀(jì)80年代以來，流域內(nèi)降水量呈現(xiàn)上升趨勢；而在80年代以后流域內(nèi)的人為活動強(qiáng)度增加。鑒于此，把1981年作為流域天然時期與非天然時期的分界點(diǎn)是合理的。

2.人類活動和氣候變化對徑流影響的分離方法

安陽河流域上游山區(qū)段界線分明，產(chǎn)匯流過程簡單，人為活動強(qiáng)度小，因此把1981年前后安陽河水文站的實(shí)測徑流深的差值作為氣候變化對流域徑流量的影響量?；诖?，本研究采用了董雯提出的人為活動和氣候變化對流域年徑流量影響的分離方法。背景值為流域天然時期的實(shí)測徑流深，則1981年后實(shí)測徑流深與背景值之間的差值作為人為活動和氣候變化對流域年徑流量的影響量。氣候變化與人為活動對流域年徑流量影響的分割方法為：

圖1 安陽河流域年徑流系數(shù)的離差平方和變化過程

圖2 1990—1994年NAM模型模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較

式中，WT為流域中下游年徑流變化的總量；WH為人為活動對流域中下游年徑流變化的影響量；WC為氣候變化對流域上游年徑流變化的影響量；WN為背景值，W入河為流域入河徑流量；W山口為流域水文站的實(shí)測年徑流深；WHN為流域水文站的模擬值或預(yù)測值；ηH為人為活動對流域中下游徑流變化影響的百分比；ηC為氣候變化對流域中下游徑流變化影響的百分比。

三、研究結(jié)果

根據(jù)此前校準(zhǔn)好的NAM模型參數(shù)，以及1981年以后的氣象數(shù)據(jù)（實(shí)測與校核），考慮了安陽河流域的地形、土壤、植被等影響因素，運(yùn)用NAM模型模擬了強(qiáng)人為干擾時期安陽河流域的徑流量，探討了人為活動和氣候變化對安陽河流域徑流變化的影響。

1.人類活動影響時期流域徑流量的模擬

根據(jù)NAM模型的模擬結(jié)果，運(yùn)用1990—1994年的實(shí)測數(shù)據(jù)校準(zhǔn)NAM模型，圖2給出了安陽河水文站1990—1994年日徑流深的實(shí)測值和模擬值?；诖耍\(yùn)用NAM模型來模擬強(qiáng)人為干擾時期的流域徑流量是合理可信的。

NAM模型模擬的安陽站日徑流過程的精度比較結(jié)果詳見表1。NAM模型模擬的日徑流過程，在率定期內(nèi)，確定性系數(shù)大于0.9，等級屬于甲等的有2年;確定性系數(shù)大于等于0.7小于等于0.9，等級屬于乙等的有5年。在驗(yàn)證期內(nèi)，確定性系數(shù)都在大于等于0.7小于等于0.9的范圍內(nèi)，等級都屬于乙等。徑流深相對誤差，在率定期內(nèi)，5年都合格，合格率為100%；驗(yàn)證期內(nèi)，3年都合格，合格率為100%。

基于校準(zhǔn)的模型參數(shù)以及流域強(qiáng)人為干擾時期的氣象資料，運(yùn)用NAM模型模擬了1981—2008年的流域徑流深，模擬值見表2。

2.人類活動和氣候變化對流域年徑流量的影響

根據(jù)安陽河流域年徑流的背景值、模擬值和實(shí)測值，采用分離法計算了人為活動和氣候變化對安陽河流域中下游年徑流量變化的影響（表1）。安陽河流域年徑流變化主要受人為活動和氣候變化兩方面影響。在安陽河流域上游主要為山區(qū)，除水庫外基本沒有人為活動影響。因此把1981年前后安陽河水文站的實(shí)測徑流深的差值作為氣候變化對流域上游徑流量的影響量。

分析結(jié)果表明：①從20世紀(jì)80年代以來，流域的降水量減少，六七十年代多年平均年降水量為574 mm，而80年代以后的多年平均年降水量約551 mm，年均降水量減少4%；②受流域環(huán)境變化影響，流域中下游徑流量逐漸減少，尤其是在80年代和近10年流域徑流量的顯著減少，這主要是由于人為活動的強(qiáng)度增大；③氣候變化和人為活動對安陽河流域中下游年徑流量的影響存在時間差異。在80年代和2000年以后，人為活動對安陽河流域中下游徑流的影響占徑流減少總量的85%以上；在90年代，氣候變化對安陽河流域中下游徑流量的影響占徑流減少總量的10%；④氣候變化和人為活動對安陽河流域中下游年徑流量的影響存在空間差異。在安陽河流域上游即山區(qū)，氣候變化是導(dǎo)致徑流量減少的主因，而在流域中下游區(qū)，人為活動是影響流域徑流量減少的主因。此外，由于流域氣溫上升，導(dǎo)致蒸發(fā)量增加，使得流域平均年徑流量減少。

表1 NAM模型模擬的安陽站日徑流過程的精度比較

表2 安陽河安陽站天然徑流量

表3 人為活動和氣候變化對流域年徑流量的影響預(yù)測

3.人類活動和氣候變化對流域年徑流量的影響預(yù)測

基于上述研究結(jié)果，利用校準(zhǔn)的模型參數(shù)，結(jié)合區(qū)域氣象預(yù)報，預(yù)測了未來10年強(qiáng)人為干擾條件下流域徑流量的變化趨勢。根據(jù)流域徑流量的背景值和預(yù)測值，分別分析并預(yù)測了氣候變化和人為活動對安陽河流域中下游徑流量變化的影響（表3）。

分析結(jié)果表明：①在2009—2018年期間，流域平均降水量減少8%。②2014—2018年間流域中下游人為活動的影響程度比2009—2013年間增強(qiáng)，說明人為活動對安陽河流域中下游年徑流量的影響增大。③從2000年以來，氣候變化對安陽河流域中下游年徑流量的影響逐漸上升，這主要與全球氣候變暖有關(guān)。④從安陽河流域徑流量變化的空間分布來看，上游山區(qū)氣候變化是主因，中下游平原區(qū)人為活動是主因。預(yù)測結(jié)果表明：安陽河流域在2009—2018年間平均年徑流量已低于1.5億m3。據(jù)專家考證，如果要維持安陽河的生態(tài)功能，必須保證年徑流量不低于2億m3，因此安陽河地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的水資源短缺，僅依靠流域內(nèi)節(jié)約用水、調(diào)整工農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和技術(shù)改造等措施已經(jīng)不能扭轉(zhuǎn)這種局面，所以對流域?qū)嵤┛缌饔蛏鷳B(tài)調(diào)水十分必要。

[1]黃錫荃.水文學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1993.

[2]丁晶.隨機(jī)水文學(xué)[M].成都：成都科技大學(xué)出版社，1988.