降水和下墊面對流域徑流量影響的定量研究

王少麗， 臧 敏， 王亞娟， 王材源， 管孝艷

(1.中國水利水電科學研究院 水利研究所， 北京 100048； 2.北京市水文總站， 北京 100089)

1 研究背景

氣候變化和人類活動是影響流域水文循環過程和水資源演變規律的驅動因素，其帶來的水文效應受到各國學者的廣泛關注[1-4]。氣候變化導致降水、氣溫等氣象因子發生變化，統計分析表明，1965-2014年華東地區降水明顯增多，西南、華北地區降水減少[5]。同時，人類活動影響的加劇，使流域下墊面條件發生明顯變化，土地利用方式的變化，改變了流域下滲、蒸散發、徑流等水文過程的特征[6-8]。流域地表徑流是水文循環的重要環節和水均衡的基本要素，是人類可利用水資源的重要組成部分，研究表明地表徑流是氣候條件與人類活動綜合作用的產物[9-10]。在氣候較為干燥的地區，徑流對氣候和下墊面變化均較為敏感，在氣候較為濕潤的地區，徑流對氣候和下墊面變化均不敏感[11], 量化氣候變化與人類活動對徑流變化的貢獻率對水資源管理具有重大意義[12]。

近年來，圍繞地表徑流演變特征及驅動因素、氣候變化和人類活動對地表徑流的影響開展了較多的工作，莫崇勛等[13]根據永定河流域1957-2010年降水徑流資料，基于彈性系數法分析得出該流域降水量和徑流量呈現遞減趨勢，氣候變化和人類活動引起的徑流量變化率分別為28%和72%。夏偉等[14]以灃河流域為研究對象，采用累積量斜率變化率比較法分析表明，以1965-1987年為基準期，1988-1996和1997-2016年兩個時期降水量和人類活動對徑流量減小的相對貢獻率為37.69%和62.31%及-11.92%和111.92%。Ashofteh等[15]采用IHACRES模型模擬氣候變化和人類活動對伊朗Aidoghmoush流域徑流的影響表明，氣候變化和人類活動對該流域徑流量減少的貢獻率分別為79%和21%。李彤等[16]采用雙累積曲線法對資水流域降水量及人類活動對徑流量的影響分析表明，人類活動的貢獻率大幅增加并逐步成為徑流量變化的主要驅動因素。

基于1956-2000年系列北京市開展了第二次水資源調查評價[17]，之后的十幾年間北京市的水資源狀況較之前發生了很大的變化，如連年干旱、人口快速增長、城市規模擴大、極端天氣等，均在很大程度上影響了北京市水資源的時空分布格局。北京市山區面積大，占全市國土面積的62%[18]，近年來山區集水區來水量的急劇減少，造成下游水資源日趨緊張，本文以北京市漫水河流域為研究對象，基于1956-2016降水徑流長系列數據，定量分析降水量和下墊面對徑流量的影響，可為北京地區的水資源可持續利用和管理提供依據。

2 研究區概況

研究區漫水河流域面積653 km2，主河道長77 km，縱坡1.4‰，流域自西向東傾斜成樹葉狀，為封閉小流域，控制站為漫水河水文站,始建于1951年，位于北京市房山區河北鎮磁家務村[19]，東經115°59′，北緯39°48′，漫水河水文站控制流域圖見圖1。漫水河水文站是大石河上游控制站，大石河是海河流域大清河水系北支的一條支流，發源于北京市房山區境內，東部和北部與永定河相鄰，西部和南部與拒馬河相鄰，屬拒馬河支流。漫水河站以上流域全部為山區，上游森林密布，水土保持較好，中下游植被較差，個別地區水土流失嚴重。流域上游雖然建成幾座小型水庫和攔河壩，但尚無控制性水利工程。

圖1 漫水河水文站控制流域圖(單位：cm)

該流域屬于溫帶大陸性季風氣候區，季節性差別較大，冬夏兩季氣溫變化大，冷暖氣團交匯頻繁，夏季時有暴雨發生，是北京市暴雨頻發地之一。1956-2016年年平均降水量為590.8 mm，降水量年內變化極不均勻，全年80%以上降水量集中在6-9月份。

3 數據來源與研究方法

漫水河流域1956-2016年年降水量、實測徑流量、天然徑流量系列來源于全國第三次水資源調查評價結果。天然徑流是降水和下墊面條件(人類活動間接影響)共同作用的產物，人類活動間接影響主要表現為水土保持工程、城市化、道路硬化、森林砍伐、土地墾殖等改變流域產匯流條件的下墊面變化；而實測徑流還受人類活動的直接影響，主要表現為人為從河道內取水或引水到河道外減少下游斷面的徑流量，或跨流域調水增加下斷面徑流量，利用水利工程調蓄改變下斷面徑流過程。因此，將人類活動中的耗水量進行還原，即由實測徑流量加上耗水量，還原后的徑流量認為是天然徑流量。徑流還原量考慮了漫水河站上游農業灌溉用水量和工業及生活用水量、鴿子臺水庫蓄水變量、萬佛堂泉水量。農業灌溉和工業、生活用水量來源于統計月報，2001年以后無泉水量，計算不再還原。

采用Mann-Kendall(MK)方法對降水量、天然徑流進行趨勢變化和突變性檢驗分析，識別降水和徑流量時間序列的突變點，以徑流量變異點前作為受人類活動影響較小的基礎期，采用雙累積曲線建立徑流量變異前累積天然徑流深與累積降水量關系式，并用人類活動影響顯著時期(變異期)累積降水量計算得到變異期的模擬累積天然徑流深，認為模擬徑流深與基準期下墊面條件近似相同，對比人類活動影響顯著時期與基礎期的實測徑流量、天然徑流量、模擬計算徑流量等變化，分析不同時期降水量和下墊面對徑流量影響的貢獻率。

4 年降水量和天然徑流量變化特征

漫水河流域1956-2016年降水量、天然徑流深年際變化趨勢如圖2所示。由圖2可以看出，降水量和徑流深隨時間變化均呈遞減趨勢，且徑流深的減小趨勢更為顯著，特別是2000年以來徑流深減小明顯。流域降水量年際間變化大，存在豐水年與枯水年交替現象，M-K統計量Z為-1.81，其絕對值小于顯著水平0.05的正態分布臨界值1.96，說明降水量序列呈下降趨勢但不顯著。隨降水量的年際波動，徑流量也呈現波動變化，M-K統計量Z為-3.94，其絕對值大于顯著水平0.01的正態分布臨界值2.32，表明徑流量在過去的1956-2016年間呈極顯著下降趨勢。

受氣候變化和人類活動顯著影響后，水文序列的天然平穩性會受到干擾或破壞，某種程度上水文序列不同于天然序列而呈現出階段性或趨勢性變化，據此估計水文序列的顯著轉折點。采用M-K方法對年降水量和徑流量的突變檢驗結果見圖3。圖3表明，從1956年至今，降水量UF統計量均小于0，表明降水量總體呈下降趨勢，UF曲線在20世紀70年代中后期到80年代末、2000年左右至今有兩個急劇的下降趨勢，表明在這兩個時期內降水量處于由多到少的變化趨勢。20世紀90年代UF曲線有較明顯的上升趨勢，表明該期間降水量處于由少到多的變化趨勢，并且近10年UF統計量接近0.05顯著水平下限，說明近期降水量下降趨勢顯著。降水量的兩條時間序列線在20世紀60年代存在一個突變點、70年代存在5個突變點，分別是1965、1970、1971、1972、1974和1976年，20世紀70年代降水情況處于波動頻繁狀態。

圖2 1956-2016年漫水河流域年降水深和天然徑流深年際變化

圖3 1956-2016年漫水河流域年降水量和徑流量M-K突變檢驗

徑流量M-K檢驗中的UF曲線走勢表明，與降水量一樣，從1956年至今UF統計量均小于0，表明徑流量總體呈下降趨勢，從1956年到20世紀70年代初期，徑流量下降趨勢明顯。20世紀70年代UF曲線有較明顯的上升趨勢，這期間也是降水波動頻繁時期，1979年開始UF曲線急劇下降，這期間也是降水量減小時期，之后變化較為平穩，但UF統計量均超出0.05顯著水平下限，2000年以后UF曲線下降趨勢顯著，UF統計量遠超出0.05顯著水平下限，表明徑流量下降趨勢顯著。徑流量的兩條時間序列線，在信度線范圍內的1980年有一個突變點。

5 降水量和下墊面對徑流量影響的定量表征

國內許多學者經研究發現，人類活動導致下墊面的變化一般發生在20世紀80年代以后，根據突變檢驗分析也可看到，漫水河流域徑流量在1980年有1個突變點，因此，近似假定1956-1979年間為受人類活動影響相對較小的基準期，建立這一時期的降水量-天然徑流量雙累積曲線關系，定量分析降水量和下墊面條件變化對徑流量的影響。圖4(a)為漫水河流域1956-1979年降水量和天然徑流深雙累積曲線關系，相關系數達0.98，相關程度較高。將1980-2016年累積降水量數據代入雙累積曲線關系式，計算該時段在假設下墊面條件與1956-1979相近條件下的累積徑流深，記為R擬合，R擬合與R天然徑流深對比如圖4(b)所示。

人類活動對地表徑流的影響可劃分為水資源開發利用活動的直接影響和下墊面漸變累積的間接影響。以1956-1979年為基礎期，對比1980-1989、1990-1999、2000-2009、2010-2016年不同時期模擬徑流深與1956-1979年天然徑流深、不同時期模擬徑流深與同期天然徑流深的變化，統計降水和下墊面條件變化對天然徑流深的影響，結果如表1所示。人類活動對流域徑流量的直接影響可表示為1979年后實測徑流量R實測與天然徑流量R天然的差值，即對應表1中的耗水量一列；人類活動對流域徑流量的間接影響可表示為1979年后天然徑流量R天然與R擬合差值，即下墊面的影響，對應表1中的下墊面影響一列；人類活動對流域徑流量的綜合影響為1979年后實測徑流量R實測與R擬合的差值，即表1中耗水量與下墊面影響量之和。

圖4 1956-2016年不同時期降水量和天然徑流深雙累積曲線

表1 與1956-1979年相比不同時期降水量和下墊面對天然徑流深的影響

由表1可以看出，2000年以前流域耗水量為14.0～20.6 mm，2000年以后流域耗水量降到2.5～3.2 mm。與1956-1979年相比，除1990-1999外，其他時期下墊面對徑流減少的影響程度均大于降水量，并且降水量和下墊面對徑流深減少的影響程度相近，分別為44.9%、55.1%，47.9%、52.1%和44.5%、55.5%，而1990-1999年降水影響程度大于其他時期，為63.9%。

人類活動直接影響和間接影響都促使徑流量減小，人類活動的直接影響在20世紀90年代有所增加，2000-2016年趨于減小；人類活動的間接影響在1980-2016年期間呈現增大-減小-增大-穩定趨勢；人類活動的綜合影響在1990-1999年最小，2000年以后略有增加。

6 結 論

采用M-K方法對北京市漫水河流域降水量、天然徑流量進行趨勢變化和突變性檢驗分析，采用雙累積曲線分析降水量和徑流深關系，識別降水和下墊面對流域徑流的影響程度，主要結論如下:

(1)漫水河流域1956-2016年降水量和徑流量隨時間變化均呈遞減趨勢，且徑流量的下降趨勢更為顯著，特別是2000年以來徑流量減小明顯，徑流量在1980年有1個突變點。

(2)以1956-1979年為基準期，劃分1980-1989、1990-1999、2000-2009、2010-2016年4個時期，與1956-1979年相比，除1990-1999年外，其他時期下墊面對徑流量減少的影響程度均大于降水量，分別為44.9%和55.1%、47.9%和52.1%、44.5%和55.5%，而1990-1999年降水量影響程度最大，為63.9%。1980-2016年降水量和下墊面對徑流影響的平均貢獻率為49.3%和50.7%。

(3)人類活動的直接影響和間接影響都促使徑流量減小，流域內耗水、水利工程調蓄水等人類活動的直接影響在2000年以后趨于減小，人類活動的間接影響即下墊面變化在1980-2016年期間呈現增大-減小-增大-穩定趨勢。