程婭姍 王中根

摘要：潮河流域是北京市城市供水的重要水源地。受環(huán)境變化影響，潮河流域降雨徑流關(guān)系發(fā)生了顯著性變化，嚴(yán)重影響到北京城市供水安全。利用水文氣象長系列數(shù)據(jù)（1961-2014年）分析了潮河流域降雨徑流關(guān)系的變化，采用經(jīng)驗統(tǒng)計分析法定量分析氣候變化和人類活動對其徑流變化的影響，研究發(fā)現(xiàn)：近50年來在降雨波動且微弱下降趨勢下，其徑流呈現(xiàn)出較大幅度變化且具有顯著下降趨勢，尤其是2000年以后;潮河流域降雨徑流關(guān)系發(fā)生突變的年份為1979年、1998年。1979年以后徑流系數(shù)顯著減少，其中1979-1998年人類活動對徑流減少占主導(dǎo)地位，其影響貢獻(xiàn)率為-10975%，氣候變化對徑流影響為正效應(yīng)，影響貢獻(xiàn)率為975%;1999-2014年人類活動對徑流減少影響貢獻(xiàn)率為-8897%，氣候變化影響貢獻(xiàn)率為-1103%。

關(guān)鍵詞：潮河流域;降雨徑流;趨勢變化;突變點;影響因素

中圖分類號：TV122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

16721683（2018）02004506

Abstract：

Chaohe River Basin is an important water source of Beijing.Due to the environmental change，a significant variation occurred to the rainfallrunoff relationship of Chaohe River Basin，and this change affected the regional water supply seriously.We analyzed the variation of rainfallrunoff relationship with the longterm hydrometeorological data （from 1961 to 2014） of Chaohe River Basin，and established an empirical statistical analysis model to analyze quantitatively the impact of climate change and human activity on the runoff condition.The results showed that （1） the runoff changed drastically，and presented a marked dropping trend after 2000，whereas the precipitation showed an insignificant declining trend.（2） The relationship between rainfall and runoff changed abruptly in 1979 and 1998.（3） The runoff coefficient decreased significantly after 1979，and human activity kept a negative effect on runoff，and was always the more dominant factor as compared to climate change.（4） The contribution rate of human activity was -10975% during 1979 to 1998 and -8897% during 1999 to 2014，while the contribution rate of climate change was 975% during 1979 to 1998 and -1103% during 1999 to 2014.

Key words：

Chaohe River Basin;rainfallrunoff;trend change;abrupt change;influence factors

受氣候變化和人類活動的雙重影響，我國許多流域的降雨徑流關(guān)系發(fā)生了顯著的變化，嚴(yán)重影響到區(qū)域防洪與供水安全，尤其是北方缺水地區(qū)[13]。潮河流域是北京城市供水的重要水源地，其徑流演變關(guān)系到密云水庫來水量變化。近年來，密云水庫來水量不斷減少，特別是1999年以來，蓄水量逐年減少，供水壓力不斷增加，北京水資源短缺問題日益突出[4]。研究變化環(huán)境下潮河流域降雨徑流關(guān)系，對北京市水資源管理具有重要意義。

流域降雨徑流關(guān)系演變分析是當(dāng)前國際水文水資源領(lǐng)域研究的前沿與熱點之一。國內(nèi)外的學(xué)者們對世界不同地區(qū)流域的降雨徑流關(guān)系展開了廣泛研究，認(rèn)為氣候變化和人類活動是導(dǎo)致降雨徑流關(guān)系改變的主要原因[512]。潮河流域降雨徑流關(guān)系變化一直是學(xué)者們研究的熱點[1317]。李子君[13]等分析1961-2005年潮河流域降雨和人類活動對徑流的影響發(fā)現(xiàn)，降水量下降的趨勢不明顯，但徑流量下降的趨勢相當(dāng)明顯;進(jìn)一步計算發(fā)現(xiàn)，人類活動（修建蓄水工程、取用水、退耕還林、荒山造林和坡改梯等土地利用活動）和降雨變化對徑流的影響都是負(fù)效應(yīng)，且人類活動對徑流減少的影響遠(yuǎn)大于降水因素;郭軍庭[14]等人用SWAT模型研究潮河流域土地利用和氣候變化對徑流的影響發(fā)現(xiàn)，相對1981-1990年，1991-2000年氣候變化對徑流的影響為正效應(yīng)，土地利用變化為負(fù)效應(yīng)。楊默遠(yuǎn)[15]等分析1973-2010年潮河流域降雨年內(nèi)分配對降雨徑流關(guān)系的影響發(fā)現(xiàn)，1973-2010年降水集中度下降會引起產(chǎn)流減少，且徑流的變化與大雨日降水總和（P≥20）的變化有關(guān)。通過這些研究可知降水年際年內(nèi)變化以及人類活動都會對徑流的變化產(chǎn)生影響，然而隨著降雨徑流分析數(shù)據(jù)時間序列長度的變化，氣候變化對徑流的影響結(jié)論并不統(tǒng)一。

本文選用潮河流域1961-2014年長系列逐日降雨、徑流數(shù)據(jù)，通過MannKendall方法和降雨徑流雙累積曲線分析潮河流域降雨徑流關(guān)系的演變規(guī)律，從降雨的年際年內(nèi)變化以及人類活動等幾個方面進(jìn)一步探究降雨徑流關(guān)系變化的原因并定量計算它們的影響。研究成果可為區(qū)域水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

潮河位于北京東北（116°10′E-117°35′E，40°35′N-41°37′N），源于河北省豐寧縣曹碾溝南山，經(jīng)灤平縣到古北口入北京市密云縣境，在密云縣城西南河漕村東與白河匯流后，稱潮白河，流域具體位置見圖1，流域總面積4 835 km2。潮河流域處于半干旱半濕潤地區(qū)，屬于中緯度溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，干旱冷暖變化顯著。流域年均氣溫1114 ℃，年平均降雨量為487 mm，降雨量時空差異較大，降雨分布一般是從東南向西北遞減，從時間分布上來看，降雨多集中在 6月-9四個月份，占全年降水量的798%。流域內(nèi)以耕地、草地和林地為主，占總面積的95%以上。

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

收集整理了1961-2014年流域內(nèi)15個雨量站逐日實測降水?dāng)?shù)據(jù)和潮河流域出口下會水文站54年的逐日實測徑流數(shù)據(jù)，降水?dāng)?shù)據(jù)和徑流數(shù)據(jù)都來自海河流域水文年鑒。水文氣象站點的空間分布如圖1所示。以流域內(nèi)15個站點的實測逐日降雨量為基礎(chǔ)，采用泰森多邊形法得到流域面平均降雨量。

22研究方法

采用MannKendall（MK）方法[1819]分別對氣溫、降水和徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析和突變點檢驗，用降雨徑流雙累積曲線判斷降雨徑流關(guān)系的突變點。采用經(jīng)驗統(tǒng)計分析方法[13，2023]定量分析氣候變化和人類活動對徑流量的影響。

通過建立累積年徑流與累積年降雨量的經(jīng)驗統(tǒng)計模型，分析不同時期的降雨徑流響應(yīng)關(guān)系的變化，進(jìn)而計算得到人類活動和氣候變化對徑流變化的影響程度。經(jīng)驗統(tǒng)計模型[HJ1.97mm]的公式為：

∑R=a∑P+b[JY]（1）

式中：∑R為多年累積徑流深（mm）;∑P為多年累積降雨深（mm）;a、b為常數(shù)。

將降雨徑流關(guān)系突變前的時間稱為天然期，突變后的時間稱為變化期。將天然期的線性回歸方程代入變化期，以變化期的累計降水量∑P2，m得到計算的累計徑流深∑P2，c，此時得到的計算累計徑流深的下墊面條件和天然期一致。則變化期的實測平均徑流深R2，，m與計算平均徑流深R2，c的差值由人類活動引起，變化期的計算平均徑流深R2，c與天然期的實測平均徑流深R1，，m之差表示了氣候變化對徑流的影響。定義影響貢獻(xiàn)率為氣候因素或人類活動影響量與二者之和的比值。即

ΔRhum=R2，m-R2，c[JY]（2）

ΔRcli=R2，c-R1，m[JY]（3）

[HJ1.95mm]影響貢獻(xiàn)率=[SX（]ΔRhum或ΔRcli[]ΔRhum+ΔRcli[SX）]×100%[JY]（4）

式中：ΔRhum和ΔRcli分別表示在人類活動和氣候因素影響下的徑流深變化量（mm）。

3結(jié)果與分析

31 潮河流域降雨、徑流變化

流域年降雨量和徑流量隨時間的變化及其MK檢驗結(jié)果如圖2所示，從圖中可知：（1）1961-2014年潮河流域年降水量呈不顯著下降趨勢（Z=-015）;（2）1961-2014年流域徑流深呈現(xiàn)顯著下降趨勢（Z=-403），突變點發(fā)生在1998年;（3）1961-2014年間該流域徑流較降水存在明顯的下降趨勢，特別是1998年之后徑流一直處于較低水平。

為進(jìn)一步分析流域降雨徑流關(guān)系的變化，點繪了潮河流域1961-2014年的累積降水深和累積徑流深的關(guān)系以及潮河流域徑流系數(shù)隨時間的變化（如圖3）。從圖3（a）中可知，潮河流域的降雨徑流關(guān)系在1979年和1998年發(fā)生突變，并且雙累積曲線逐漸向右偏轉(zhuǎn);從圖3（b）中可知，潮河流域1961-1979年、1980-1998年、1999-2014年多年平均徑流系數(shù)分別為014，010，004，徑流系數(shù)整體呈明顯下降趨勢。降雨徑流雙累積曲線和徑流系數(shù)的變化都表明降雨對徑流的影響在逐漸減弱。

32降雨徑流關(guān)系變化影響因素分析

321氣象因素

流域產(chǎn)流與降水的總量、年內(nèi)分配和降水強度等有關(guān)。徑流量隨著降水總量的增減而增減。潮河流域1961-1979年、1980-1998年、1999-2014年多年平均降水量分別為49365 mm，50583 mm，45941 mm，流域多年平均徑流深分別為7271 mm， 5274 mm，1985 mm;1980-1998年流域多年平均降水量相比1961-1979年增加247%，徑流深減少2747%;1999-2014年流域多年平均降水量相比1961-1979年減少694%，徑流深減少7270%。1980-1998年降水量的增加能夠引起徑流的增加，而1999-2014年流域徑流深的減少與此時段降水量的減少有關(guān)，此外，連續(xù)的枯水年也引起了地下水位的連年下降，有效降雨大多補給地下水，這也導(dǎo)致了產(chǎn)流減少。

降水量的年內(nèi)分配也會影響流域產(chǎn)流。1964-2014年潮河流域汛期降水所占比例的MK檢驗結(jié)果Z值為-295，這說明54年來流域內(nèi)降水的年內(nèi)分配有坦化趨勢。1961-1979年、1980-1998年和1999-2014年多年平均汛期降水占比分別為8243%、8040%、7559%，隨著汛期降水占比的減少，流域徑流也會有所減少。

不同強度降雨的產(chǎn)流能力不同，隨著降雨強度的增加，流域產(chǎn)流能力增加，因此汛期內(nèi)降水在不同等級的分配也會對徑流產(chǎn)生影響。楊默遠(yuǎn)等的研究結(jié)果表明，潮河流域的徑流與20 mm以上降水有關(guān)，因此本文在考慮不同等級降雨對徑流影響時，將中雨進(jìn)一步分為大于等于20 mm和小于20 mm兩類。潮河流域汛期不同等級降雨量所占的比例見表1。從表1可知：（1）與1961-1979年相比，1980-1998年的小雨和大雨有所減少，中雨和暴雨有所增加，總體說來大于等于20 mm降水量有所增加，這有利于產(chǎn)流;（2）與1961-1979年相比，1999-2014年小雨和中雨增加，大雨和暴雨有所減少，總體說來大于等于20 mm降水量有所減少，降雨的年內(nèi)分配有向小雨集中的趨勢，這不利于產(chǎn)流。

通過對潮河流域1961-1979年、1980-1998年、1999-2014年降水總量、年內(nèi)分配和降水強度分析發(fā)現(xiàn)：相比于1961-1979年， 1980-1998年潮河流域年降水總量增加247%，汛期大于20m m的降水量增加164%，但汛期降雨所占比例減少203%，徑流深減少2747%;1999-2014年流域降水總量減少694%，汛期降雨占比減少684%，大于20 mm的降雨減少548%，而徑流深減少7270%。徑流深減少的速度遠(yuǎn)大于降水減少的速度。

與1961-1979年相比，1980-1998年在汛期降雨占比略微減少的情況下大于等于20 mm降水量有所增加，降雨的集中度增高，有利于產(chǎn)流，但是流域的徑流深卻大幅減少，這說明氣候因素并不是潮河流域降雨徑流關(guān)系在1979年產(chǎn)生突變的主要原因。

322人類活動

降水、徑流變化趨勢的不一致性表明，潮河流域徑流的變化還受人類活動的影響。將1961-1979年這一階段看作是天然狀態(tài)，稱為天然期（序列1），而將1980-2014年稱為變化期（序列2），其中1980-1998年稱作變化期的第一階段，1999-2014年稱作變化期的第二階段。人類活動和氣候因素對潮河流域的徑流影響計算結(jié)果如表2。

表2表明，人類活動的對潮河流域降雨徑流關(guān)系的影響在第一階段和第二階段都遠(yuǎn)大于氣候因素對潮河流域降雨徑流關(guān)系的影響，在變化期的第一和第二階段人類活動對徑流的影響都呈負(fù)效應(yīng)，其影響貢獻(xiàn)率分別為-10975%和-8897%，而氣象因素的變化使徑流在第一階段微上升而在第二階段略微下降，其影響貢獻(xiàn)率分別為975%和-1103%。因此可以略說人類活動是潮河流域降雨徑流關(guān)系在1979年和1998年發(fā)生突變的主要原因。

人類活動的影響主要體現(xiàn)在通過生產(chǎn)生活取用水直接改變徑流狀況和改變流域下墊面條件兩個方面。

20世紀(jì)70年代末期流域修建了一些塘壩和小水庫，總庫容約1 031萬m3，占流域多年平均徑流量的426%。除了汛期蓄水枯水期排水作用之外，水庫和塘壩還提供了部分人類生產(chǎn)生活用水，這也是造成流域徑流系數(shù)減少的原因之一。但是由于設(shè)計不合理又缺乏經(jīng)費支持，很多水庫在80年代中后期逐漸廢棄。水庫和塘壩的廢棄會導(dǎo)致徑流系數(shù)的回升，但是其作用大小尚待考察。

20世紀(jì)60年代以后，隨著社會發(fā)展，人們對水資源的需求越來越大，對地表水的引用呈現(xiàn)出明顯增大趨勢。1961-1979年，1980-1998年，1999-2010年，各時段人類多年平均取用水分別為021億m3，032億m3，055億m3[13]，換算成徑流深分別為434 mm，662 mm和1138 mm。結(jié)合表2的結(jié)果計算可知，人類活動對徑流的影響中，人類取用水的影響在1980-1998年占3197%，在1999-2014年占2471%。

人類取用水的影響所占比例約30%，因此認(rèn)為流域下墊面條件的改變?yōu)樵斐闪饔驈搅髅黠@減少的主要因素。根據(jù)郭軍庭[24]的研究，耕地、草地和林地占潮河流域總面積的95%以上。由于“退耕還林”政策的實施，1979-2009年潮河流域的土地利用情況發(fā)生了明顯變化。1979-1987年，潮河流域有29241 km2耕地轉(zhuǎn)化為草地，33952 km2草地轉(zhuǎn)化為林地;1987-1999年，潮河流域耕地轉(zhuǎn)化為草地和林地的面積分別為5863 km2和4811 km2，50088 km2草地轉(zhuǎn)化為林地;1999-2009年，潮河流域耕地轉(zhuǎn)化為草地和林地的面積分別為5905 km2和10649 km2，76351 km2草地轉(zhuǎn)化為林地。以上數(shù)據(jù)表明，林地占地面積迅速增加。根據(jù)已有的研究[2526]，在半濕潤半干旱及干旱地區(qū)，林地的蒸發(fā)和耗水量遠(yuǎn)高于其他土地利用類型，加上林地的調(diào)蓄作用，導(dǎo)致徑流明顯減少。

4結(jié)論

潮河流域是北京城市供水最重要水源地，本文基于近50年來逐日的降雨、徑流數(shù)據(jù)，分析其降雨徑流關(guān)系的變化及原因，結(jié)論如下。

[JP4]（1）1961-2014年潮河流域年降水量呈不顯著下降趨勢，徑流呈現(xiàn)顯著下降趨勢且在1998年發(fā)生突變。

（2）潮河流域的降雨徑流關(guān)系在1979年和1998年發(fā)生突變。相比于1961-1979年，1980-1998年潮河流域年降水總量增加247%，汛期大于20 mm的降水量增加164%，但汛期降雨所占比例減少203%，徑流深減少2747%;1999-2014年流域降水總量減少694%，汛期降雨占比減少684%，大于20 mm的降雨減少548%，而徑流深減少7270%。徑流深既受到降雨總量減少的影響，也受到年內(nèi)降雨坦化的影響，其減少的速度遠(yuǎn)大于降水減少的速度。

（3）人類活動對徑流變化的影響遠(yuǎn)大于氣候因素對徑流變化的影響，且是潮河流域降雨徑流關(guān)系在1979年和1998年發(fā)生突變的主要原因。在1980-1998年和1999-2014年人類活動對徑流的影響都呈負(fù)效應(yīng)，其影響貢獻(xiàn)率分別為-10975%和-8897%，而氣候因素變化使徑流在第一階段略微上升而在第二階段略微下降，其影響貢獻(xiàn)率分別為975%和-1103%。

（4）人類活動中，生產(chǎn)生活取用水對徑流減少的影響所占比例約為30%，這說明下墊面改變對徑流的影響約占70%，因此認(rèn)為下墊面改變是人類互動中對降雨徑流關(guān)系產(chǎn)生影響的主要因素。但土地利用類型的變化和水庫塘壩的調(diào)蓄作用哪個因素對流域降雨徑流關(guān)系的影響更大尚待進(jìn)一步計算。

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