氣候變化和人類活動對開都河上游徑流量的影響評價

魏光輝

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

文章編號：1006—2610(2015)05—0011—05

氣候變化和人類活動對開都河上游徑流量的影響評價

魏光輝

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

開都河是新疆焉耆盆地內的重要河流，對維持焉耆盆地水土生態平衡具有極其重要的作用。近年來，開都河流域的水資源問題已經引發了較為嚴重的生態環境問題。根據流域內1960—2011年水文氣象數據，采用小波分析法、累積距平法、累積量斜率變化率法，對開都河上游徑流量和氣候變化特征及趨勢進行了分析，并定量評估了氣候變化和人類活動對徑流量變化的影響。結果表明：年降水量、蒸散發量和徑流量總體均呈增加趨勢；徑流量的增加變幅為1.93億m3/(10 a)，具有16 a和28 a的準周期變化，且在1995年前后發生了突變；氣候變化對開都河上游徑流增加的貢獻率達100%，人類活動對徑流基本無擾動。

氣候變化；人類活動；徑流量；貢獻率；開都河；焉耆盆地

0 前 言

開都河位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內，河流發源于天山中部的依連哈比爾尕山南坡，流域面積18 827 km2，河長560 km，多年平均徑流量35.18億m3。開都河下游流經焉耆盆地，尾閭注入中國最大的內陸淡水湖——博斯騰湖[1]。焉耆盆地是新疆巴音郭楞蒙古自治州國民經濟發展的主導地區之一，同時也是主要的農業種植區。由于開都河流域地勢復雜，降水稀少、蒸散發大，且時空分布極不均勻，徑流主要由降水和冰雪融水混合補給。近幾十年來，隨著氣候變化和人類對水資源的大規模開發利用，流域下游出現了水資源貧乏、水質污染、水土流失嚴重等危機。在全球氣候變暖的背景下，受人類活動對水文徑流過程的影響，流域徑流變化已不是以往的隨氣候變化表現出有規律的時間變化特征，而在一定程度上疊加了人類活動的影響。因此，兩者對徑流量變化貢獻引起了學術界廣泛關注[2-4]，較為一致的看法是：徑流量變化是氣候與人類活動的疊加效應。然而，在進行了綜合分析后發現兩者貢獻率大小不但與研究流域有關，還與研究方法密切相關。目前，在流域尺度上，可以定量地分離出氣候變化和人類活動的水文影響的研究方法主要有水文模型法和定量評估法(氣候彈性系數法、敏感性分析法、降水-徑流雙累積曲線法等)[5-8]，前者具有較好的物理基礎，但參數敏感性存在一定的不確定性，若對模擬結果不進行驗證，很有可能使氣候變化對徑流影響偏大[9]；后者所需數據較少，但需要較長的數據序列，同時，長時間數據序列中噪聲會對評估結果造成干擾[10]。王隨繼等在2012年利用基準期和變異期累積降水量-年份線性方程和累積徑流深-年份線性方程的斜率計算的累積量斜率變化率比較法(SCRCQ)是一種新的分離方法[11]，可以有效地剔除噪聲，較方便地分離出氣候變化和人類活動對徑流的影響值[12-14]。 目前，學者對新疆開都河上游徑流的研究很少，僅有的研究側重于徑流模擬，而未對人類活動的影響作評估[15]，由此，本研究通過累積量斜率變化率比較法(SCRCQ)分析評估開都河上游氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻率，旨在為流域的水資源管理和生態環境的可持續發展提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文選取流域內代表站巴音布魯克氣象站(地理坐標43°02′N，84°09′E，海拔高程2 458.0 m)數據，來自中國氣象資料共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn/)，包括逐日水汽壓(kPa)、最高氣溫(℃)、最低氣溫(℃)、平均氣溫(℃)、相對濕度(%)、降水量(mm)、風速(m/s)與日照時數(h)，時間尺度為1960—2011年。徑流數據選取同時段開都河上游出山口控制站——大山口水文站(地理坐標42°13′N，85°44′E，海拔高程1 331.0 m)的年徑流量數據，該水文站特性能反映整個開都河上游的水文變化狀況，徑流量數據來自新疆巴州水文水資源勘測局。

1.2 研究方法

1.2.1 波譜分析法、累積距平法

小波分析法[16]能反映開都河年徑流量在不同時間尺度上的變化情況，小波方差反映了波動的能量隨尺度的分布，通過小波方差圖可以確定徑流序列存在的主要時間尺度(主周期)。累積距平法[17]可以較為直觀地反映徑流量在不同時代的階段變化，同時采用該方法來判斷降水量和徑流量突變年份，Ran研究得出這種確定突變年份的新方法可以避免由于近年來被廣泛采用的降水量-徑流量雙累積曲線方法在判斷突變年份上存在的缺陷，如當年降水和年徑流量均開始變小時，用后者判斷突變年份前后的數據可能會保持同一直線，因為該方法在確定突變年份時人為隨意性較大，而用前者判斷得出的突變年份清晰，突變前后雙累積量的線性關系擬合性較高[18]。然后以突變年份為界，將徑流量序列劃分為基準期和變異期[19]，變異期相對基準期徑流過程受氣候波動和人類活動的影響相對較大。

1.2.2 累積量斜率變化率分析方法(SCRCQ)

SCRCQ方法的理論創新點為：以年份做自變量比較客觀，因變量是各因子的累積量，而累積量的引入在一定程度上可以消除實測數據年際變化的影響，所得年份-累積量有較高的相關性，同時在降水量、蒸散發和徑流量變化比較小的情況下，利用累積量可以為進一步定量分析創造條件。采用降水累積量、蒸散發累積量和徑流量累積量與年份的相關關系式的斜率首先計算各參數累積變化量斜率的變化率，然后根據斜率變化率計算降水和蒸散發對徑流變化的貢獻率，最后用100減去降水和氣溫兩因子對徑流量變化的貢獻外即可得到人類活動對徑流量變化的貢獻。在此假設基準期和變異期的降水量為P，累積降水量-年份線性方程的斜率分別為KPa、KPb(mm/a)，斜率變化率為SP；蒸散發為E，累積蒸散發量-年份線性方程的斜率分別為KEa、KEb(mm/a)，斜率變化率為SE；徑流量為R，累積徑流量-年份線性方程的斜率分別為KRa、KRb(億m3/a)，斜率變化率為SR。則累積降水量斜率變化率SP為：

(1)

累積蒸散發斜率變化率SE為：

(2)

累積徑流量斜率變化率SR為：

(3)

根據以上算法，降水對徑流量變化貢獻率CP為：

(4)

蒸散發對徑流量變化的貢獻率CE為：

(5)

則人類活動對徑流量變化的貢獻率為：

CH=100-CP-CE

(6)

由于流域面積較大、氣象站點分布較為稀疏，因此要準確計算大范圍的實際蒸散發困難較大，Budyko水熱耦合平衡方程采用潛在蒸散發和降水作為輸入參數可以較好地模擬干旱半干旱地區實測數據較為缺乏地區的實際蒸散發[20]。故本文采用Budyko水熱耦合平衡方程模擬研究區逐年實際蒸散發，其公式如下：

(7)

式中：E為年實際蒸散發；ET0為年潛在蒸散發量；P為年降水量。潛在蒸散發ET0采用聯合國糧農組織推薦的Penman-Monteith公式[21]計算得到：

(8)

式中：ET0為潛在蒸散發量，mm/d；Δ為飽和水汽壓與溫度關系曲線的斜率,kPa/℃；T為環境平均溫度，℃；Rn為作物冠層表面凈輻射量,MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量,MJ/(m2·d)，逐日計算時G=0；γ為溫度表常數，kPa/℃；u為2 m高處的風速，m/s；es為空氣飽和水氣壓，kPa；ea為空氣實際水氣壓，kPa。

2 結果分析

2.1 年均徑流量與氣象要素年際變化趨勢

圖1給出了1960—2011年開都河上游徑流量及氣象要素的年際變化。年徑流量變化(見圖1a)、小波方差(見圖1b、1c)及年降水量和蒸散發變化特征(見圖1d)。由此可見，近52 a來開都河上游出山口年徑流量變化具有如下基本規律：

圖1 1960～2011年開都河徑流量及氣象要素的年際變化圖

(1) 近52 a來年徑流量變化率為1.927億m3/(10 a)，變化率趨勢線的相關系數r=0.458 8(r0.01=0.354 1)，說明年徑流量呈極顯著增加趨勢，且經歷了1995年之前的減少階段和之后的增加階段。

(2) 開都河年徑流量具有16、28 a的準周期，其中28 a左右的周期震蕩最強，是流域的第一主周期，對于徑流序列的方差貢獻最大?？傮w來看，在28 a時間尺度附近，小波系數呈上升趨勢，表明未來一段時間徑流量將進入一個豐水期，相反，在16 a時間尺度上，小波系數呈降低趨勢，徑流量將進入枯水期，由于研究時段共52 a，小時間尺度上的突變點更能很好地捕捉到徑流量變化的特征，而隨著時間尺度的增大，奇異點減少，小時間尺度上的一些突變態，在高層次上則是平常態，因此，在不同的時間尺度上，氣候變化和人類活動的不同變化組合對徑流的影響程度不同。

(3) 近52 a來降水量以9.72 mm/(10 a)速率呈顯著遞增趨勢(相關系數r=0.296 3，r0.05=0.273 2)，與年徑流量的年際變化規律較為相似，通過對四季降水量進一步分析可知，夏季降水量與年徑流量變化的相關性最高，持續性較好，通過了0.01的顯著性檢驗。年徑流量對秋季降水量變化最為敏感，具有一定滯后性，與滯后3 a相關性最高，通過了0.05的顯著性檢驗，而冬季開都河上游降水量較小，徑流量主要源自冰雪融水；蒸散發呈增加趨勢，變化率為5.08 mm/(10 a)，未通過顯著性檢驗。由以上可知徑流量對降水變化的敏感性強于蒸散發。

2.2 研究階段的劃分

從圖2開都河年徑流量累積距平變化可以看出，近52 a來開都河上游徑流量呈現出相對明顯的階段性變化特征，其中1961—1994年為顯著的枯水期，累積距平值總體呈現遞減趨勢；1995—2011年屬于豐水期，徑流量累積距平值總體呈現遞增趨勢，因此將1995年作為基準期和變異期的分界點，1961—1994年(Y1)為基準期，1995—2011年(Y2)為變異期。

圖2 1960—2011年開都河上游年徑流量累積距平變化圖

2.3 氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻率

根據基準期(1961—1994年)和變異期(1995—2011)的劃定，從圖3可以看出，累積徑流量、累積降水量、累積蒸散發量與年份的3個擬合方程相關系數很高，均大于0.99，且通過了0.01的顯著性檢驗，所建關系的擬合度較好。根據王隨繼的算法可知，在基準期人類活動相對較弱，開都河徑流量的變化主要受控氣候變化的影響，進入變異期，降水量和蒸散發增加，人類活動用水、農作物需水等多種用水方式大幅度增大，徑流量的變化受到二者的綜合影響。

表1 開都河流域累積量斜率及其變化表

研究時期累積徑流量的斜率/(億m3·a-1)累積降水量的斜率/mm累積蒸散發的斜率/mm徑流量/(億m3·a-1)降水量/mm蒸散發/mm基準期32．208259．57241．960．0320．360．61變異期41．438302．97269．780．0315．324．28變化量9．2343．427．82-0．0014．963．67變化率22．2714．3210．31-3．2393．2385．75

表1為開都河上游徑流量和氣候變化各要素的斜率及其變化率，由此可知，前后2個時期的KRa和KRb分別為32.208億m3/a和41.438億m3/a，與Y1時期相比，Y2時期徑流量R基本沒變，KR增加9.23億m3/a，SR為22.27%，表明徑流量在整個研究期呈增加狀態，與前面用小波分析研究得出的結論一致；Y1和Y2期內，KPa和KPb分別為259.57 mm/a和302.97 mm/a，P為0.36 mm和5.32 mm，SP為14.32%；KEa和KEb分別為241.96 mm/a和269.78 mm/a，E為0.61 mm和4.28 mm，E增加了3.67 mm，SE為85.75%，可見降水量的變化和蒸散發的變化的總和與徑流量的變化出現差異，表明研究區的水文循環變化在一定程度上還受到了非氣候因子的影響。根據式(4)～(6)，可計算得到降水量的增加對徑流量增加的貢獻為58.14%，蒸散發的增加對徑流量增加的貢獻為41.86%，人類活動對徑流量增加的貢獻為0(即人類活動對徑流基本無擾動)。

由開都河上游實際情況分析可知，研究區人煙稀少，主要為高山草原區，是新疆主要的牧區，近些年來由于國家“定居興牧”工程的實施，上游水源得到有效涵養與保護，故人類活動對徑流量的影響非常微弱，這也從側面印證了本文的分析結果是合理可信的。

3 討 論

本文采用王隨繼在2012年提出的累積量斜率變化率法評估氣候變化和人類活動對開都河上游徑流變化的貢獻率，結果表明徑流量主要受氣候變化影響，人類活動基本無擾動，這一研究結果與西北干旱地區的其他研究結果基本一致。何旭強等利用該方法在黑河上中游研究結果表明，上游徑流增加59.71%可歸因于氣候變化，40.29%歸因于人類活動，中游徑流減少的25.23%歸因于氣候變化，74.77%歸因于人類活動[12]。值得注意的是，在研究中采取的任何方法在情景模擬中均把人類活動和氣候變化假設成是相互獨立的2個事件。事實上，兩者并非完全獨立，氣溫升高、下墊面的變化與人類活動密切相關。在以后的研究中如何更科學合理地分離氣候變化和人類活動的影響是一個研究難點。

4 結 論

本文利用線性趨勢法、Mann-Kendall非參數檢驗法、累積量斜率變化率法對開都河上游徑流和氣候變化各要素時間序列的長期變化趨勢進了檢驗，并探討徑流量增加的主要原因，結果表明：

(1) 開都河上游近52 a來年徑流量總體呈增加趨勢，經歷了1960—1994年的減少階段和1995—2011年的增加階段2個變化階段，并具有16 a、28 a的準周期，目前16 a、28 a周期均有增加的趨勢，表明徑流量較前期有所增加。

(2) 開都河上游年徑流量在1995年前后發生了突變，在1960—1994年(基準期)徑流量以0.32億m3/(10 a)速率遞減，降水以3.63 mm/(10 a)速率遞減，蒸散發以6.11 mm/(10 a)速率遞減，而1995—2011年(變異期)徑流量以0.58億m3/(10 a)速率遞增，降水以5.32 mm/(10 a)速率遞增，蒸散發以4.28 mm/(10 a)速率遞增，根據這組變化速率說明徑流量的變化在基準期受氣候變化影響較大，在變異期研究區的水文循環變化還受到了非氣候因子的影響。

(3) 近52 a來開都河上游年徑流量的增加主要受降水增加和蒸散發增加減弱的影響，其中降水量增加的貢獻為58.14%，蒸散發增加減弱的貢獻為41.86%。

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Assessment on Influences by Climate Change and Human Activity on Upstream Runoff Volume of Kaidu River

WEI Guang-hui

(College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China)

The Kaidu River is an important one in the Yanqi basin. It plays an important role in maintaining the ecological balance of water and soil in the basin. In recent years, issues on the water resources in the Kaidu River catchment has caused quite serious ecological and environmental issues. Based on the hydrological and meteorological data of the catchment in 1960-2011, the runoff volume, the climate change features and trends at the upstream of the Kaidu River are analyzed by application of wavelet analysis method, cumulative anomaly method and change ratio of cumulative slope. And influences on the runoff by the climate change and human activities are assessed quantitatively as well. The study and analysis show that the annual precipitation, evaporation/dissipation and runoff generally is increasing in trend. The increase range of the runoff is 193 million m3/(10 a) with the paracycle variation of 16 a and 28 a. Furthermore, it abruptly changed around 1995. The contribution rate of the climate change to the runoff increase at the upstream of the Kaidu River is 100%. The human activities rarely disturbs the runoff. Key words:climate change; human activity; runoff volume; contribution ratio; Kaidu River; Yanqi basin

2014-12-04

魏光輝(1981- )男，新疆石河子市人，高級工程師，博士，主要從事干旱區水資源利用與工程建設管理工作.

新疆水文學及水資源重點學科資助(XJSWSZYZDXK2010-12-02).

TV121.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.004