氣候變化和人類活動對基流的影響
——以密云水庫上游潮河流域為例

王曼玉，蔡永茂，李春征，張志強?

(1.北京林業大學水土保持學院，100083，北京；2.北京市八達嶺林場，102112，北京；3.北京市共青林場，101300，北京)

基流作為河川徑流的重要組成部分，是水量平衡分析、水資源優化配置和水資源管理的重要內容，也是維護河流生態健康的重要基礎[1]。基流通常由地下水和其他延遲的水資源補給河川徑流的部分水量組成，氣候變化和人類活動對基流的影響已成為國內外學者研究的熱點。白樂等[2]發現人類活動是影響禿尾河流域基流變化的主要因素；王敬哲等[3]發現呼圖壁河基流主要受溫度影響；郭軍庭等[4]計算蔡家川流域基流指數，發現基流指數隨降水的增加而減少，且農地、灌叢、人工林對基流的影響為負效應；L. Ahiablame等[5]計算了降水和農業用地影響密蘇里河流域基流變化的彈性系數，結果發現降水的增加導致基流增加，而農業用地增加則會導致基流減少。由于流域基流量不能通過直接測定的方法獲得，目前廣泛應用的流域基流分割方法主要包括4大類：直接分割法、水量平衡法、同位素法和時間序列分割法[6]。其中，數字濾波法操作簡單，可以較好地模擬人工分割過程線，減少分割基流的主觀因素[7-8]。黃國如[9]通過對不同數字濾波法分割基流的結果進行對比，認為Chapman-Maxwell濾波法具有精確方便的優點。

潮河是北京市主要飲用水源密云水庫的主要支流之一，近50年來該流域徑流在氣候變化與土地利用變化的影響下呈現顯著的下降趨勢[10]。郭軍庭等[11]和Wang等[12]定量研究了氣候變化和土地利用變化對潮河流域徑流量減少的貢獻率。然而，人類活動和氣候變化對基流的影響還缺乏深入的研究，筆者基于Chapman-Maxwell濾波法分割基流，并采用統計學方法，研究潮河流域密云水庫上游人類活動和氣候變化對基流的影響，旨在為認識和評價水庫水資源變化、制定科學合理的水資源和流域管理方案提供科學依據。

1 研究區概況

潮河流域位于北京市與河北省的東部，E 116°7′～117°35′，N 40°19′～41°38′，發源于河北省豐寧縣，匯入北京市密云水庫。密云水庫上游流域總面積4 855.9 km2(圖1)。研究區氣候類型屬于溫帶季風大陸性半濕潤半干旱氣候，四季分明，干旱和冷暖變化明顯，多年平均氣溫為9.16 ℃，年平均降水量490 mm，汛期6—9月之間，汛期降水量占總降水量75%以上，且多以暴雨形式出現。

圖1 潮河流域地形圖及雨量站、氣象站、水文站分布圖Fig.1 Terrain, precipitation station, meteorological station and hydrological station in Chaohe watershed

2 數據來源及研究方法

2.1 數據收集整理

筆者選取密云水庫上游潮河流域內的4個雨量站、1個標準氣象站、1個水文站以及該流域周邊2個氣象站(圖1)的實測氣象數據、降水數據以及日徑流數據進行分析。這些數據由河北水文總站、北京市水文總站和海河流域水利委員會提供。流域降水量采用4個雨量站實測資料由泰森多邊形法計算得到，潛在蒸散發量(potential evapotranspiration，PET)采用Penman-Monteith法計算得到。由于潛在蒸發散空間變異不大，其值為根據3個氣象站資料分別計算得到的PET的均值。流域土地利用分別解譯自1987年、1999年、2009年3期分辨率為30 m的Landsat TM影像遙感數據。將經過地理坐標配準和幾何精度矯正的遙感數據與野外實測調查相結合，經過人機交互判讀和監督分類將土地利用類型分為有林地、灌木林地、草地、耕地、水域、居民區與建筑用地和未利用地等7類[13]。

2.2 研究方法

2.2.1 基流分割Chapman-Maxwell濾波法 濾波法是分割高頻信號和低頻信號的有效工具，流域快速響應的直接徑流與高頻信號相似，慢速響應的基流與低頻信號相似，該法被廣泛應用于基流分割中[14]。其濾波方程為

(1)

式中：Qi為i時刻的總徑流，mm；Qb,i為i時刻的基流，mm；k為退水系數，一般情況下k取0.95時，基流分割結果最為合理[9，15]。

2.2.2 趨勢和突變點的Mann-Kendall檢驗

1)趨勢檢驗。

Mann-Kendall(以下簡稱MK)檢驗被廣泛用于檢驗水文、氣象等時間序列的趨勢[5,10]，MK檢驗公式如下：

(2)

式中：e為樣本個數，Xn、Xm是連續時間序列上的值。當Xn-Xm>0時，sgn=1; 當Xn-Xm=0時，sgn=0；當Xn-Xm<0時，sgn=-1。假設時間序列沒有變化，則S均值為0，計算方差V(S)的公式為

(3)

MK統計量公式如下：

(4)

通常用標準Z檢驗表示數據變化的趨勢，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2,即時間序列在置信水平α上存在明顯的上升或下降趨勢。當Z值為正時，表示該時間序列上的值為增加趨勢，反之則為減小趨勢。

2)突變點分析。

設序列值為X1，X2…Xk，St表示第n個樣本Xn>Xm(1

(5)

在原時間序列獨立的假定下，St的均值和方差分別為：

(6)

(7)

將St標準化：

(8)

2.2.3 雙累積曲線法 雙累積曲線法可以建立降水-徑流間的年累積值回歸關系，因此被廣泛應用于計算降水與人類活動對年徑流量變化的相對貢獻率，筆者采用該方法分析將降水與人類活動對基流的影響程度[16]。步驟如下：

1)建立基準期年累積降水量與基準期年累積基流量的回歸方程

∑Qb=a∑P+b。

(9)

式中：Qb為基準期基流量，mm；P為基準期降水量，mm；a為回歸方程的相關系數，b為回歸方程截距。

2)根據基準期所得回歸方程，帶入研究期累積降水量求研究期累積基流值，再反推研究期的年基流值，則

r=Qb12-Qb1，

(10)

l=Qb2-Qb12。

(11)

式中：r為降水引起基流變化部分，mm；Qb12為利用基準期所得到的回歸方程推算得到的研究期計算年基流值，mm；Qb1為基準期分離基流，mm；l為人類活動引起基流變化部分，mm；Qb2為研究期分離基流，mm。

3 結果與分析

3.1 降水、PET、徑流和基流變化趨勢和突變點

潮河流域1963—2015年降水、PET、徑流和基流呈現不同的變化趨勢(表1)。流域多年平均降水量為486.8 mm，以平均每年0.5 mm的幅度下降，但這一趨勢并不顯著(P=0.24)(圖2a)，并于2008年發生突變(圖3a)。PET以平均每年0.9 mm的速度顯著上升(P=0.02)(圖2b)，年平均PET為1 185.8 mm，突變點發生在2007年(圖3b)。流域徑流以平均每年0.6 mm的速度極顯著下降(P<0.001)(圖2c)，多年平均徑流量為49.5 mm，突變點位于1999年(圖3c)。流域基流呈極顯著下降趨勢(P<0.001)(圖2d)，平均基流量為10.9 mm，平均每年減少0.1 mm，且于1999年發生突變(圖3d)。由此可見，潮河流域基流量與徑流量的變化趨勢相同，但徑流量變化幅度大于基流量的變化幅度。降水和PET均未在1999年發生突變，說明影響基流量突變的因素除了氣候因素外還有人類活動的影響。

表1潮河流域年降水、PET、徑流和基流量的MK趨勢檢驗及突變點分析

Tab.1MK trend analysis and change point of annual precipitation, PET, streamflow and baseflow in Chaohe watershed mm

圖2 潮河流域年降水量、年PET、年徑流量、年基流量線性變化趨勢Fig.2 Linear trend of annual precipitation, annual PET, annual streamflow and annual baseflow in Chaohe watershed

UFt為序列值；為反序列值；a為0.05顯著水平臨界值。UFt: Sequence value; Inverse sequence value; a significant horizontal threshold of 0.05. 圖3 潮河流域年降水、年PET、年徑流量和年基流量突變點分析結果Fig.3 Change points of annual precipitation, annual PET, annual streamflow and annual baseflow in Chaohe watershed

3.2 降水和PET對基流的影響

降水和PET是氣候變化中影響基流的2個主要因素。潮河流域基流與降水呈顯著正相關關系(P<0.01)，相關系數為0.64(圖4a)；基流與PET呈顯著負相關關系(P<0.01)，相關系數為0.27(圖4b)。1963—2015年，降水量的下降和PET的上升共同導致了基流量的減少，但降水對基流的影響比PET對基流的影響更大。基流突變點前后，年平均降水量減少16.4%(84.4 mm),年平均PET增加7.3%(84.4 mm)，年平均基流減少66.8%(9.2 mm)。從上述結果可知，PET在突變點前后的變化微小，可以忽略不計。從水文循環的角度看，基流的顯著變化不僅是由于氣候變化引起的，人類活動在其中起到了重要作用。

圖4 潮河流域降水-基流、PET-基流關系圖Fig.4 Precipitation- baseflow and PET- baseflow in Chaohe watershed

3.3 降水和人類活動對基流的影響

以突變點1999年為界，將潮河流域年降水與基流系列分為變化前的1963—1998年(基準期)和變化后的1999—2015年(變化期)進行對比分析。基準期年平均基流量為13.8 mm，變化期年平均基流量為4.6 mm，突變點前后基流量下降了66.8%(表2)。建立1963—2015年累積基流量與累積降水量回歸關系(P<0.001)(圖5)，1963—1998年2者相關性較高(R2=0.991 8)，因此可認為1963—1998年基流變化是受人類影響較小的時期。將此時期作為基準期，用來還原1999—2015年受人類影響較小時期的情況，若基流只受降水影響，雙累積曲線中的趨勢應與基準期的走勢保持一致，然而曲線于1999年發生向下偏轉，說明人類活動在很大程度上導致基流量減少。在不考慮其他氣候因素變化的情況下，人類活動對基流在突變點前后變化的最大可能貢獻率高達81.10%, 降水導致基流變化的貢獻率為18.90%(表2)。可見，人類活動是潮河流域突變點后基流減少的主導因素。

表2 降水和人類活動對潮河流域基流的影響Tab.2 Impacts of precipitation and human activities on baseflow in Chaohe watershed

圖5 潮河流域降水量-基流量雙累積曲線Fig.5 Double accumulative curve of precipitation-baseflow in Chaohe watershed

4 討論

4.1 氣候因素對流域基流的影響

在全球變暖的總體趨勢下，潮河流域PET呈現顯著上升趨勢，降水量呈現不顯著下降趨勢，從而導致徑流量和基流量呈現極顯著下降的趨勢。盡管PET上升的趨勢較降水下降的趨勢更為顯著，但降水對基流的影響更為劇烈，這與D. L. Ficklin等[17]的結論一致。王云琦等[18]也指出流域內降水量對產流量的影響大于蒸散量對產流量的影響。潮河流域基流量隨降水量的減小而減小，由于基流具有穩定性和滯后性，在長時間尺度下，降水會通過影響產流下墊面特征，進而對基流產生影響[19]。1999年以來，北京遭遇連續7年的干旱，降水量下降明顯，降水落地后先與土壤作用，待土壤飽和后轉換成徑流或被蒸發[20]；因此在降水量持續減少的時期，大多數降水都用來補給土壤，只有少部分形成徑流，徑流量下降，導致基流量減少，這是1999年基流發生突變的原因之一。當然，降水并不是影響基流突變的最主要因素(圖5)，降水對潮河流域1999—2015年基流下降的貢獻率只占18.90%(表2)。李子君等[21]通過分析潮河流域降水和徑流的變化關系得到，降水并不是影響徑流發生劇烈變化的主要原因。郭軍庭等[13]也證明降水不是影響潮河流域產流發生劇烈變化的最主要原因。然而 Li等[16]通過繪制基流與降水量之間的雙累積曲線計算氣候變化與人類活動對基流變化的貢獻率時，發現氣候變化對基流突變的影響占70.8%，降水是影響加拿大Similkameen河上游基流突變的主要原因；因此有必要對不同流域影響基流變化的因素進行研究，這有利于科學評價和利用水資源。

4.2 人類活動對基流的影響

影響流域基流動態變化的主要人為活動包括土地利用變化、大規模的造林綠化等生態修復工程、水利工程措施建設、流域取用水等。該流域蓄水工程大部分建于20世紀70年代末至80年代初，小型水庫蓄水減少了水庫下游的河川徑流量，基流也相應地減少。從20世紀80年代后，該流域迎來了大規模的水土保持綜合治理，1989年至2000年水利部將潮河流域列為國家級水土保持重點治理區，1998年國家林業局實施退耕還林工程，2001年后又開展一系列生態和治理項目[22]，這些工程項目的實施導致了潮河流域土地利用發生了重大變化。潮河流域主要土地利用類型為耕地、有林地、灌木林地和草地，其面積之和占研究區總面積97%以上。1987—2015年期間，潮河流域基流呈極顯著下降趨勢(P<0.001)，郭軍庭等[13]的研究顯示，同期流域有林地和灌木林面積分別增加了58.11%和26.90%，耕地和草地面積分別減少了27.75%和60.24%，比較突變點前后不同土地利用類型面積的變化率(圖6)，突變點后耕地和草地面積變化率分別比突變點前減少38.02%和19.41%，有林地和灌木林地面積變化率分別比突變點前增加4.40%、10.07%，水域、居民地和未利用地面積占比小，因此對流域基流的影響不做討論。一般而言，與草地和農田相比，林地水分蒸騰作用更強，單位面積的林地比農田和草地蒸發更多的水分，從而使地表徑流和基流減少[23]。Sun等[24]基于概念模型研究流域內草地轉化為林地后的變化，結果發現草地轉換為林地后流域的平均徑流量減少。劉柏君等[25]基于SWAT模型模擬流域不同土地利用條件下基流的百分比，發現全裸、全草、全耕、全林地4種條件下全耕地的基流量最大，這是由于耕地的下層土壤更為緊實，入滲率低，因此更容易產生基流。

潮河流域的突變點大約發生在造林后的20年左右，在這期間，大量草地和耕地轉換為林地，潮河流域植被覆蓋率提高，植被的截留量和蒸發量增加，植被的截留可以減少降水對土壤水和地下水的補給，蒸發量的提升減少了土壤向地下水的補給，使潮河流域基流減小[26]。密云水庫上游建有26座小型水庫，在一定程度上增加了蒸發損失和滲漏量。1999年以來，北京經歷7年大旱，密云水庫入庫量急劇減少，加劇了北京市人均供需水量的矛盾，潮河流域農業用水、工業用水以及生活用水約37.6%來自地下水[23]，這也是造成流域內基流減少的原因之一。雙累積曲線法求得的人類活動對基流的貢獻率為人類活動最大可能貢獻率，該法分離的是降水和非降水的水文要素，因而最終結果可能會低估氣候變化的貢獻率而高估人類活動的貢獻率。

圖6 潮河流域突變點前后土地利用面積變化率Fig.6 Change rate of landuse area before and after the abrupt change point of Chaohe watershed

5 結論

筆者通過潮河流域上游1963—2015年觀測數據，分析了降水、PET與基流的年際變化趨勢，從氣候變化和人類活動的角度，探究二者與基流變化的關系，并進一步發掘了影響基流變化的主導因素。研究結果表明：1963—2015年潮河流域上游降水呈現減少趨勢、PET顯著增加，基流顯著減少，并且在1999年發生突變；在氣候變化方面，降水對基流的影響程度大于PET，降水的減少會導致基流的減少，相反，PET的增加會導致基流的減少；與氣候變化相比，人類活動是影響基流突變的主導因素，其貢獻率為81.10%。