氣候變化和人類活動對南盤江上游徑流的定量影響

谷桂華，李學(xué)輝，余守龍，段路松

(1.云南省水文水資源局玉溪分局，云南玉溪653100；2.云南省水文水資源局，云南昆明650106；3.云南省水文水資源局臨滄分局，云南臨滄677000)

氣候變化是影響水資源最直接的因素，其中降水對水循環(huán)起著至關(guān)重要的作用。但隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人類活動對水循環(huán)的影響越來越大，在部分區(qū)域，甚至超過了自然作用力的影響[1]。氣候變化和人類活動是全球環(huán)境變化的重要體現(xiàn)，也是改變河川徑流量的主要因素[2-3]。

幾十年來，氣候變化和人類活動對徑流量的影響一直被人們關(guān)注和研究。近年來，劉劍宇等[4]構(gòu)建氣候變化和人類活動對徑流變化影響定量評估模型，在Penman-Monteith潛在蒸發(fā)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析氣象因子對徑流變化的彈性系數(shù)，量化氣候變化和人類活動對徑流變化的影響；黃斌斌等[5]以水文循環(huán)過程為主線，分過程闡述氣候變化及人類活動影響地表徑流發(fā)生變化的機(jī)制機(jī)理，對各種量化二者對地表徑流變化貢獻(xiàn)率的方法進(jìn)行比較，分析全球部分流域氣候變化和人類活動對地表徑流變化影響的差異；司源等[6]采用基于Budyko假設(shè)的水熱耦合平衡方法定量計(jì)算了工程實(shí)施前后氣候變化及人類活動對黑河流域徑流演變的影響；王賽男等[7]以南洞地下河為研究對象,利用其1972—2014年的徑流量、降水量和蒸散量數(shù)據(jù),分析其年際變化特征，揭示氣候變化與人類活動對巖溶地下河系統(tǒng)年徑流量的影響；彭濤等[8]采用長江干流寸灘、宜昌、漢口和大通4個(gè)控制站的徑流量和輸沙量資料，分析水沙變化趨勢及突變特征，定量分解氣候變化與人類活動對徑流泥沙的影響；崔豪、張艷霞、鄒浩等[9-11]開展了氣候變化與人類活動對大清河、錫林河、湘江流域徑流影響的研究。

南盤江為珠江流域上游，屬于云南東部經(jīng)濟(jì)社會較發(fā)達(dá)地區(qū)，同時(shí)也是云南地區(qū)水資源開發(fā)利用最高[12]，水污染較嚴(yán)重的地區(qū)，因此南盤江水資源是珠江流域水資源配置的重要基礎(chǔ)，對泛珠江三角州經(jīng)濟(jì)健康協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。由于氣候變化、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及流域水資源開發(fā)利用的影響，南盤江流域徑流發(fā)生較大變化。因此，為實(shí)測徑流還原分析提供基礎(chǔ)依據(jù)，為流域水資源規(guī)劃、水資源管理和保護(hù)與利用提供支撐，定量研究氣候變化和人類活動對該流域徑流的影響是十分必要的。本文以第3次水資源調(diào)查評價(jià)選用的南盤江干流控制水文站江邊街站和區(qū)間20個(gè)降水代表站1956—2016年資料為基礎(chǔ)，采用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法、累積距平法和分離評判法，分析了徑流的趨勢變化，并定量研究了氣候變化和人類活動影響的貢獻(xiàn)率。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

南盤江是珠江的上游，在云南省境內(nèi)流域面積約為4.32萬 km2。南盤江發(fā)源于曲靖馬雄山，干流由北向南流經(jīng)麒麟、沾益、陸良、石林、宜良、華寧、彌勒等縣(區(qū))，在開遠(yuǎn)市小龍?zhí)掇D(zhuǎn)向東北，經(jīng)彌勒、瀘西、邱北、師宗至羅平縣三江口滇、黔、桂三省交界處出省境，境內(nèi)河長766 km，出境處高程720 m。南盤江位于滇東高原地區(qū)，有陽宗海、撫仙湖、星云湖、杞麓湖、異龍湖等高原湖泊，是云南工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)。南盤江高古馬以上河段，河谷開闊，河床縱坡較緩，兩岸地勢平坦，土地肥沃，盆地在河流上呈串珠狀排列，松林壩、沾曲壩、陸良壩、宜良壩分布其間，是云南省糧食作物主要生產(chǎn)基地；高古馬以下河段，呈峽谷地形，山嶺重疊，石灰?guī)r分布較廣[12]。

南盤江流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，干濕季分明；干季(枯期)受西方干暖大陸氣團(tuán)的影響，干暖少雨，降水量僅占年值的15%左右；濕季(汛期)受西南暖濕氣流影響，降水集中，占年降水量的85%左右。由于氣候和地形影響，流域北部和東部為多雨區(qū)，中部和西部干旱少雨；徑流由降水產(chǎn)生，因此徑流分布與降水基本一致。南盤江水資源開發(fā)利用較高，目前已建成各類蓄水工程6 342座，總蓄水庫容30.2億m3；大型水庫有獨(dú)木水庫和柴石灘水庫，中型水庫46座，河道引水工程4 664條，提水工程3 193處，總供水能力達(dá)到37.7億m3[13]。流域內(nèi)用水以農(nóng)業(yè)用水為主，具有曲靖、蒙開個(gè)、平遠(yuǎn)街和丘北4個(gè)大型灌區(qū)和眾多中小型灌區(qū)；農(nóng)業(yè)用水量占年用水總量的65%；南盤江水資源開發(fā)利用率達(dá)16%，是云南境內(nèi)開發(fā)利用最高的流域[14]。

1.2 數(shù)據(jù)

按照第3次水資源調(diào)查評價(jià)分析成果，南盤江云南境內(nèi)具有長系列的徑流出境控制站為江邊街水文站。因此，選擇江邊街站及其控制區(qū)域內(nèi)20個(gè)降水代表站1956—2016年徑流和降水資料進(jìn)行分析，其中選用水文雨量站12個(gè)，氣象雨量站8個(gè)。選用站基本情況見表1，代表站點(diǎn)分布情況見圖1。

表1 南盤江流域選用站點(diǎn)基本情況

1.3 方法

1.3.1Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法

Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法能有效區(qū)分某一自然過程是處于自然波動還是存在確定的變化趨勢，特別是對于非正態(tài)分布的水文數(shù)據(jù)，Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)具有較好的適用性，無需對數(shù)據(jù)系列進(jìn)行特定的分布檢驗(yàn)，對于極端值也可參與趨勢檢驗(yàn)；在時(shí)間序列分析中，無需指定是否是線性趨勢，可以定量地計(jì)算出時(shí)間序列的變化趨勢，是水文氣象序列研究中經(jīng)常采用的方法[15-16]。對長度為n的時(shí)間序列{xi︳i=1，2，…，n}，{xi}是一個(gè)由n個(gè)元素組成的獨(dú)立的具有相同分布的隨機(jī)變量。

圖1 南盤江流域云南區(qū)主要水系及代表站點(diǎn)分布

對于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序列:

(1)

式中:

構(gòu)造的秩序列Sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)值。在假定時(shí)間序列服從隨機(jī)獨(dú)立的條件下，定義統(tǒng)計(jì)量UFk。

(2)

式中 UF1=0;E(Sk)、Var(Sk)——累計(jì)數(shù)Sk的均值和方差；UFi——標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定顯著性水平α(α取0.05)，若|UFi|≥Uα，則表明時(shí)間序列x存在明顯的趨勢變化。

將時(shí)間序列x按逆序進(jìn)行排列，得到新的時(shí)間序列xn，xn -1，…，x1，再重復(fù)上述過程，同時(shí)令UBk=-UFk。分別繪制UFk和UBk曲線圖，如果UFk值大于0，則表明時(shí)間序列x呈上升趨勢；反之，則表明呈下降趨勢；當(dāng)它們超過顯著性水平α所給定的臨界值時(shí)，表明時(shí)間序列x上升或下降趨勢顯著。如果UBk和UFk2條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在兩臨界直線之間，那么交點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間即為時(shí)間序列突變開始的時(shí)間。

1.3.2累積距平法

累積距平法是一種常用于判別水文氣象要素變化趨勢的方法，它可以直觀準(zhǔn)確的確定要素年際變化的階段性特征[17-18]。對于時(shí)間序列xi累積距平的計(jì)算方法表示為：

(3)

將n個(gè)時(shí)間序列的累積距平值全部算出，即可繪制累積距平曲線。累積距平曲線可直觀分析時(shí)間序列的趨勢變化，從曲線明顯的上升和下降起伏變化，可以判斷系列長期顯著的演變趨勢和發(fā)生突變的大致時(shí)間[19]。

1.3.3分離評判法

將分析系列劃分成基準(zhǔn)期和人類活動影響評價(jià)期，綜合考慮徑流變化特征和人類活動的影響，用徑流變化比例代替氣候因素和人類活動因素對徑流量的影響[20]。公式為：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中Rc、Rh——?dú)夂蜃兓腿祟惢顒訉搅髯兓暙I(xiàn)的比例；Qn、Qh——評價(jià)期的天然徑流量和實(shí)測徑流量；Wn、Wh——基準(zhǔn)期的天然徑流量和實(shí)測徑流量；Pc、Ph——?dú)夂蜃兓腿祟惢顒釉趶搅髁孔兓械呢暙I(xiàn)率[21-22]。

2 結(jié)果分析

2.1 徑流和降水變化趨勢

根據(jù)選用的20個(gè)雨量站降水逐年系列，采用泰森多邊形法計(jì)算江邊街水文站集水區(qū)域內(nèi)1956—2016年的面雨量系列。從江邊街站天然徑流和區(qū)域面降水過程看出(圖2)，徑流過程與降水過程對應(yīng)性較好，過程趨勢基本一致。

圖2 江邊街站徑流及區(qū)間降水變化過程趨勢

通過線性分析得到降水過程Y=-1.708 7X+999.97，則b=-1.7087<0，區(qū)間降水系列有減少趨勢；徑流過程Y=-1.348 7X+277.81，則b=-1.348 7<0，徑流系列也為減少趨勢。通過M-K法對區(qū)間降水和徑流系列進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得到降水系列坎德爾秩次相關(guān)檢驗(yàn)值U=1.572Uα/2=1.96(α取0.05)，說明徑流系列變化趨勢顯著。

2.2 分析期劃分

繪制徑流深和降水累積距平線，見圖3。由于降水累積距平線的|T|=2>Tα/2=1.64(α取0.05)，說明降水過程存在突變；其中累積距平線最高點(diǎn)1987年前后發(fā)生顯著跳躍，次高點(diǎn)2002年前后也發(fā)生明顯跳躍。徑流累積距平線的|T|=2.13>Tα/2=1.64(α取0.05)，說明徑流過程也存在突變；其中累積距平線最高點(diǎn)1974年前后發(fā)生顯著跳躍，次高點(diǎn)2002年前后也發(fā)生明顯跳躍。

圖3 南盤江流域徑流深與流域降水累積距平線

綜合降水和徑流累積距平過程，以徑流深過程為主，首先確定1974年為徑流過程的首個(gè)突變點(diǎn)，結(jié)合降水過程和徑流過程的第2個(gè)可能突變點(diǎn)2002年，再確定2002年為徑流過程的第2突變點(diǎn)。根據(jù)徑流過程突變點(diǎn)的確定，本次把江邊街徑流過程劃分為3個(gè)時(shí)期進(jìn)行分析：①基準(zhǔn)期1956—1973年；②分析I期1974—2001年；③分析II期2002—2016年。

2.3 影響程度估算

根據(jù)江邊街站1956—2016年實(shí)測徑流量和分項(xiàng)調(diào)查法還原后的天然徑流量成果，分別統(tǒng)計(jì)不同分析期江邊街站實(shí)測徑流深和天然徑流深，見表2。

表2 江邊街站不同時(shí)期徑流深

1956—1973年，江邊街站徑流天然值與實(shí)測值僅相差3.7%，實(shí)測徑流基本與天然徑流一致。1974—2001年，天然值與實(shí)測值相差9.7%，超過5.0%；2002—2016年，天然值與實(shí)測值相差11.9%。由此可見，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展徑流天然值與實(shí)測值的相差越來越大，說明人類活動對徑流的影響越來越大。采用分離評判法估算江邊街站不同分析期氣候變化和人類活動對徑流影響程度，見表3。

表3 江邊街站徑流影響因素估算結(jié)果 單位：%

相對于基準(zhǔn)期1956—1973年，分析I期1974—2001年氣候變化對徑流變化的貢獻(xiàn)率為65.9%，人類活動對徑流變化的貢獻(xiàn)率為34.1%；分析II期2002—2016年氣候變化對徑流變化的貢獻(xiàn)率為82.8%，人類活動對徑流變化的貢獻(xiàn)率為17.2%。

從分析結(jié)果看出，雖然人類活動對徑流的影響越來越大，但氣候變化仍然是影響徑流變化的主要因素。表3中，II期的氣候變化對徑流變化的貢獻(xiàn)率比I期大，主要是因?yàn)?002年后流域經(jīng)歷了幾個(gè)特殊干旱年，特別是2009年后連續(xù)5年的干旱導(dǎo)致分析II期氣候變化對徑流的影響更加顯著。干旱的直接影響導(dǎo)致徑流明顯減少(表4)，分析II期的降水與基準(zhǔn)期比較減少11%，形成的徑流則減少26.1%，影響情況比分析I期顯著。有研究顯示，云南從2000年以后干旱次數(shù)和強(qiáng)度均增加，持續(xù)時(shí)間長，出現(xiàn)2003—2006年、2009—2014年等長期連續(xù)干旱的狀態(tài)[23]，南盤江流域年降水量在2002年出現(xiàn)突變，并開始顯著下降[24]。以上氣候變化和人類活動對徑流變化貢獻(xiàn)率的分析結(jié)果、干旱對徑流的影響以及相關(guān)研究成果顯示，受氣候變化和干旱的影響，南盤江流域降雨、徑流在2002年前后發(fā)生了顯著變化。

表4 江邊街站面降雨量、徑流深變化情況

人類活動對徑流的影響也越來越顯著，根據(jù)第三次水資源調(diào)查評價(jià)分析成果，江邊街站徑流一致性較好，說明流域下墊面條件沒有發(fā)生較大變化。從流域水資源開發(fā)利用情況看，年用水總量27.85億m3，占水資源量的15.4%；其中供用水量中蓄水工程和提水工程供水量占總量的70.7%[14]；因此，人類活動對徑流的影響主要表現(xiàn)在對徑流的控制和調(diào)配方面，水利工程對枯季徑流影響顯著[25]。

2.4 對徑流年內(nèi)分配影響

根據(jù)江邊街站徑流的年內(nèi)月過程顯示，徑流主要集中在汛期5—10月，占年徑流的54%～84%；各分析期枯季(1—4月、11—12月)和汛期(5—10月)徑流比例變化顯示(表5)，1974—2001年分析期與基準(zhǔn)期枯季和汛期徑流占年內(nèi)比例變化不明顯，而2002—2016年分析期與基準(zhǔn)期枯季和汛期徑流的年內(nèi)分配占比變化較為明顯，枯季徑流占比增加4.2%，汛期徑流占比減少4.2%。說明徑流的年內(nèi)變化在本世紀(jì)較為明顯，主要是表現(xiàn)在枯季徑流增加，汛期減少。

表5 江邊街站枯季和汛期徑流占年徑流比例變化 單位：%

不同分析期降水和徑流的年內(nèi)分配變化過程顯示(圖4)，不同時(shí)期降水的年內(nèi)分配比例基本不變(圖4a)，而不同時(shí)期徑流的年內(nèi)分配比例有明顯變化(圖4b)。徑流年內(nèi)分配變化主要是年內(nèi)集中程度有所坦化，特別是2002—2016年相比于1956—1973年徑流變化率為4.2%。說明在以降水為主要?dú)夂蛞兀淠陜?nèi)分配變化不大的情況下，徑流年內(nèi)分配的變化主要是由于人類活動引起的。

a) 江邊街站以上區(qū)間降水年內(nèi)分配變化

b) 江邊街徑流年內(nèi)分配變化圖4 江邊街站徑流和區(qū)間降水年內(nèi)變化

3 結(jié)果與討論

南盤江流域具有云南最大的壩子，人口集中，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，水資源對壩區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有較大影響。通過對1956—1973年、1974—2001年和2002—2016年3個(gè)分析期降水和徑流因子的特性分析，徑流與降水變化有較好的一致性，說明氣候變化對徑流影響最顯著。同時(shí)，由于農(nóng)田灌溉、工業(yè)用水等人類活動的疊加影響，徑流的變化更加明顯。

a) 南盤江流域的徑流來源于降水，兩個(gè)因子的變化特性顯示，江邊街水文站以上區(qū)間年降水為不顯著減少趨勢，而年徑流呈顯著減少趨勢。

b) 以1956—1973年為基準(zhǔn)期，1974—2001年期間，南盤江流域的氣候變化和人類活動對年徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為65.9%和34.1%；2002—2016年期間分別為82.8%和17.2%，說明氣候變化仍然是影響徑流年際變化的主要因素。同時(shí)也說明，干旱年份年徑流的氣候變化影響因素更顯著。

c) 南盤江流域降水的年內(nèi)變化不明顯，徑流則有顯著變化。人類活動是月徑流影響的主要影響因素，徑流的年內(nèi)分配影響主要表現(xiàn)在月徑流的均勻化和峰值的坦化現(xiàn)象上。

定量評價(jià)氣候變化和人類活動影響是重新認(rèn)識地區(qū)水資源變化的重要基礎(chǔ)，對單站徑流分析和水資源評價(jià)具有重要意義。本文定量評價(jià)了氣候變化和人類活動對徑流的變化影響，是第3次水資源調(diào)查評價(jià)中“實(shí)測徑流還原”工作的重要基礎(chǔ)和支撐。由于氣候變化影響因素較多，降水僅是氣候要素中對徑流影響最直觀的因子，而氣候變化引起環(huán)境變化進(jìn)而對徑流產(chǎn)匯流也有一定的影響；同時(shí)人類活動也會影響下墊面產(chǎn)匯流條件和機(jī)制，因此氣候變化和人類活動對徑流的影響變化仍然是值得研究的問題。