气候变化与人类活动对径流影响贡献的研究概况

张爱静，王本德，曹明亮

（1.大连理工大学水利工程学院，辽宁大连116024；2.四川省水利水电勘测设计研究院，四川成都610072）

0 引 言

现状的河川径流发生了显著的变化，这是气候和人类活动因子双重作用的结果。人们为了科学合理地进行流域水资源评价、管理、规划、开发与利用，不可避免地需要考虑这两种因子对河川径流变化的影响程度。因此研究流域径流变化的原因，从发生变异的水文要素中分离出两种因子的贡献量成为当前流域水文研究的热点和难点[1]。近年来，很多研究[2]从径流变化驱动因子分析、人类活动的水文效应、气候变化的水文效应、考虑人类活动的水文模拟等角度研究了环境变化对河川径流的影响。其中开展区分量化气候变化和人类活动对河川径流影响贡献的研究以国内学者为主，因此本文仅就国内学者在此问题上的研究思路以及定量计算方法进行归纳总结。

1 研究思路

河川径流是气候条件与流域下垫面综合作用的产物。在水循环研究中，气象因子主要能定量描述的是降水和蒸发，其受到温度、湿度、气压、风速及下垫面状态的约束。下垫面因素指流域自然地理特征，主要包括地形、地貌、植被、天然水体与沼泽等。人类活动属于水循环的下垫面范畴，包括人口增长、城市化水平发展、植被增减变化、硬覆盖变化、水利设施对截留影响、流域内水体小循环等，它与自然的下垫面共同影响水文的径流和气候的温度、蒸发与降雨。因此径流不仅对气候波动响应敏感，而且受人类活动强度影响显著。定量分析河川径流受气候因子与人类活动因子影响的强度不仅是环境变化影响研究领域中的热点问题，也是流域水循环研究中的难点问题。

气候变化和人类活动对流域水资源影响量化的主要技术手段有：长序列资料对比分析、试验对比分析、分项组合及流域水文模拟等方法[5]。长序列资料对比分析方法通过对比分析相似气象条件下的水文变化揭示人类活动的影响，需要研究流域有较长的实测水文气象资料。对比试验方法是在相同气候区域内选择相似的试验流域，保持参考流域的状况不变，在试验流域进行人类活动干扰，通过对比试验流域与参考流域的水文变量差异，分析人类活动的水文影响。对比试验方法成本高，并且只适用于小流域。分项调查和水文模拟两种方法都假定气候变化和人类活动是导致径流变化的相互独立的因子，将水文气象序列按时序划分为天然阶段和受人类活动影响阶段，然后将人类活动对流域显著影响之前的时期作为基准期，其后的时期作为人类活动影响期，最后还原人类活动影响期间的天然径流量并根据水量平衡来计算两个因子对径流的贡献量。

分项调查方法中，通过分项计算人类活动影响期间的主要人类活动用水量，然后与实测河川径流量叠加，来还原天然径流量[6]。其主要的思路是根据水量平衡方程将流域内的各种用水量、引水量、分洪水量都计入到实测径流中[7]。该方法需要大量具体的人类活动资料及相应的影响定额，难以全面考虑所有人类活动对流域水文过程的扰动，所以不能保证还原结果的可靠性[8]，而且对于多数流域而言，相对准确详细的“取-用-耗-排”水资料需求也很难满足。

水文模拟方法利用无人类活动影响或者人类活动影响显著前的实测水文气象资料率定水文模型，并认为这些参数基本上反映流域的天然产流状况。然后保持模型参数不变，将人类活动影响显著期间的气象要素输入到水文模型，计算延展相应时期的天然径流量[9]。通过对比人类活动影响期间的实测径流量、还原的天然径流量和基准时期的实测天然径流量分离人类活动影响期间各因素对流域径流的影响。该方法可以保证人类活动影响期间的天然径流量与基准时期的实测天然径流量在成因上具有一致性，并且不需要大量详细具体的人类活动资料[8]，成为目前区分量化气候变化和人类活动对河川径流影响贡献的主要方法。

水文模拟方法中的关键研究问题主要包括：天然阶段与人类活动影响显著阶段的划分、流域水文模拟、以及各因子对径流影响的分离方法，本文重点分析这几个关键问题的研究现状。

2 天然阶段与人类活动影响显著阶段的划分

受人类活动或气候变化显著影响后，水文序列的天然平稳性会遭到干扰或者破坏，在某种意义上水文序列异于原天然序列而呈现出阶段性或趋势性的变化[1]，表现为基本特征值的时空不对应及其频率的不一致。通常研究者根据这一规律，推估人类活动影响下水文气象序列的显著转折点（水文变异点），并以此点为界将研究时段划分为天然阶段和人类活动影响阶段。

在水文要素变异点识别方面有很多成果，主要包括统计学方法和一些新的变异点检测方法。常采用的统计分析方法有序列滑动平均法、有序聚类法、时序累积值相关曲线法、Mann-Kendall突变点分析法等。例如，曹明亮[10]等利用有序聚类法推求了丰满上游流域降雨径流变化的最优分割点；许炯心[11]等点绘了实测入海水量与年降水量之间的双累积曲线来区分降水变化及人类活动对入海径流通量的影响阶段性；孙宁[12]等以潮河密云水库上游流域为研究对象，利用双累积曲线将1961—2005年期间年降水-径流关系演变划分为3个阶段；姚治君、徐东霞[13]等利用应用累积滤波器和肯德尔秩次相关法，分别对潮白河、嫩江的年径流变化趋势做了定性和定量分析；杨永辉[15]等利用Mann-Kendall突变点分析方法对海河8个子流域径流序列的突变点进行了计算，并分析了变化的驱动原因；蔺学东[16]等以拉萨水文站以上流域为研究区对年平均径流序列以及各月平均径流序列进行Pettitt变点检验，并依据计算结果划分研究时段。随着对突变点问题认识的逐渐深入，不断有新的变异点检测方法被应用到水文序列变异检验中，例如，李占玲[17]等采用Morlet小波分析方法对雅江流域1956—2000年径流序列的时空演变规律进行了研究和探讨，认为径流序列发生突变的年份主要集中在1957，1967，1976，1983，1992 年；谢平等[18]在对多种方法进行检验研究的基础上，提出了一种水文时间变异的综合诊断方法，并用该方法对潮白河流域水文序列的变异点进行了识别与检验。

水文序列的突变点只能从统计学角度说明水文序列发生了变异，而天然阶段和人类活动影响阶段的划分还需要从物理成因角度综合考虑流域的相关政策调整，区域人类活动等信息，并结合水文资料的完整性进行研究。例如，姚允龙等[19]考虑挠力河流域在建国以来经历了大规模的农业开发，尤其是在20世纪80年代以来经历的两次大农业开发，将1956—2005年人为的划分成2个研究时段；王国庆等[20]认为地处黄土丘陵沟壑区和土石山区的汾河流域，在1970年之前，水土保持措施和水利工程相对较少，处于人类活动影响轻微的天然状态；王纲胜等[21]等为了反映人类活动在不同时间段的影响，结合实际资料条件，将潮河、白河的径流模拟过程划分为3个研究阶段。

天然阶段与人类活动影响显著阶段的划分是量化气候变化和人类活动对河川径流的影响的先决条件，保证研究阶段划分的科学性，才能使还原得到的天然径流量有现实意义。研究中，不能单纯地根据突变点分析的结果来进行研究阶段的划分，需要综合考虑研究流域内人类活动的发展变化特点，并验证研究时段划分的合理性。

3 流域水文模拟

利用水文模拟方法研究气候变化和人类活动与河川径流变化的相关性，量化各阶段气候变化及人类活动对流域产汇流的影响程度，一般先根据流域的地理及气候条件选取适宜的水文模型。随着流域水文模拟技术的不断发展，很多确定性和随机性水文模型被应用到环境变化的水文影响研究中。回归模型由于简单实用、易于实现的优点，其原理和方法较早地被应用到气候变化与人类活动对河川径流影响定量分析中：许炯心[22]等以1956—1980年作为人类活动较弱的“基准期”，而以1981-2000年为人类活动较强的“措施期”，用多元回归模型将人类活动和降水变化对径流的影响分开研究嘉陵江流域年径流量的变化及其原因；刘登伟[23]等应用回归方程并结合数理统计方法，地理信息系统空间分析方法，定量分析了人口因素对不同时空尺度地表水资源的影响。也有学者应用没有物理意义输入的数学模型对径流演变驱动力进行了量化分析，例如罗先香[24]等利用人工神经网络模型对三江平原沼泽性河流的径流演变驱动力进行了分析；刘德地[25]等利用BP神经网络模型量化分析了气候变化与人类活动对东江流域地表径流的影响。随着计算机，GIS和遥感技术的发展，越来越多的研究趋向于应用具有物理意义的水文模型区分气候变化与人类活动对径流的影响。例如李志[26]等利用分布式水文模型SWAT及情景模式建立的方法，定量分析了气候变化及覆被变化对黑河流域径流变化的影响程度；贺瑞敏[27]等用澳大利亚水平衡模型，将人类活动和降水变化对径流的影响分开，分析了环境变化对黄河中游伊洛河流域径流量的影响，指出气候变化是伊洛河流域径流减少的主要因素；陈利群[28]等利用分布式水文模型SWATS和VIC量化分析了黄河源区气候波动和土地覆被变化对径流的影响的贡献率；马欢[29]等利用GBHM模型研究了气候变化和人类活动对密云水库流域的影响。

流域水文模拟是量化气候变化和人类活动对河川径流影响的手段。已有研究，利用水文模型对天然阶段和受人类活动影响阶段的水文过程分别进行模拟，根据模拟结果区分气候变化与人类活动对径流的影响；或者建立各种情景模式，在水文模型中固定部分影响因子，分离其他影响因子对径流的影响程度。因此，相对准确的流量过程与量化分析结果依赖于水文模拟结果的可靠性，因此水文模型的不确定性成为该研究中必须要考虑的问题。

4 气候变化和人类活动对径流影响贡献量的计算

现有研究在计算气候变化与人类活动对径流影响的贡献量时，一般以流域天然时段的实测径流作为基准值，并认为人类活动影响时段的实测径流与基准值的差值是由环境变化导致的[30]。这一差值包含两部分：一部分为气候变化影响的贡献量，另一部分为人类活动影响的贡献量。现有的大部分研究，采用以下两种思路（两组公式）计算人类活动和气候波动对径流变化的贡献量。

第一组公式[1]为：

其中，△WT为径流变化总量；△WH为人类活动对径流的影响量；△WC为气候变化对径流的影响量；WB为天然时期的径流量；WHR为人类活动影响时期的观测径流量；WHN为人类活动影响时期的天然径流量；ηH，ηC分别为人类活动和气候变化对径流影响的百分比。该组公式认为是人类活动影响期间还原的天然径流量与基准期流量之间的差值是气候变化影响的贡献量，人类活动影响期间还原的天然径流量与相应时期的观测径流量的差值是人类活动影响的贡献量。

第二组公式[31]为：

其中，RO是评价期观测径流量相对于基准期观测径流量变化的比例（%）；Icc和Iha分别为气候变化和人类活动对径流变化贡献的比例（%）；Qi和Qbase分别为评价期的观测径流量和基准期的观测径流量；Ri和Rbase分别为还原后评价期的天然径流量和还原后基准期的天然径流量；RC为还原后评价期天然径流量相对于基准期天然径流量变化的比例（%）；pCC和pHA分别为气候变化和人类活动在径流变化影响中各自所占的比例。

两组计算公式的区别在于考虑模型模拟误差的方法不同，第二组公式用人类活动影响期间还原的天然径流量与基准期模拟径流量之间的差值代表气候变化对径流改变的贡献量，用整体“1”减去气候变化的贡献量代表人类活动影响的贡献量。采用两组计算公式进行气候变化和人类活动对径流影响贡献量的计算，结果的差别不大。

5 研究成果

分离气候变化和人类活动对流域水文要素影响的研究成果有很多，其中以黄河流域和海河流域的研究最多。对黄河源区的研究[28]表明气候变化是径流减少的主要原因，20世纪90年代以前，土地覆被变化对径流影响很小，气候变化对径流的影响在95%以上。有关潮白河流域[32]的研究表明，人类活动是引起潮白河流域径流减少的主要因素，对水资源的过度开发利用，导致了断流以及一系列的生态和环境问题。塔里木河流域[33]三大支流受人类活动影响不大，但在塔里木河干流，人类活动对径流的影响却在不断加大，越往下游，影响越大，人类活动在1970，1980和1990年代对流域上中游地表径流的影响量分别为41.59%，63.77%和75.15%[34]。与基准期1961—1971年相比1972—1997年水土保持措施对无定河流域径流减小的贡献为87%，而降雨和潜在蒸发对径流减小的贡献量为13%[35]。对北方老哈河流域的研究[36]表明，1964年以来，流域径流受气候变化和人类活动双重影响，其中人类活动对径流起减少作用。石羊河上游8个流域的研究[37]表明，降雨变化对径流减小的贡献率为64%。这些研究成果对研究流域水文特性，研究人类活动影响下的区域水循环过程及科学合理地分析人类活动对流域水循环规律的内部影响具有参考价值。

6 目前研究中存在的问题与难点

客观定量评价气候变化和人类活动在全国河川径流变化中的作用有助于未来水资源的合理开发和可持续利用，对于适应气候变化的对策研究具有重要意义。虽然现有研究取得了一定的成果，但是仍有一些问题需要深入探讨。

1）目前“阶段划分”的研究往往采用突变点分析方法，但是水文要素时间序列中的有些变点可能是随机的突变，不是水文要素总体系列的突变点，有些可能处于一个周期的变化处，不是真正意义上的变异点，并且水文变异的原因也不一定是人类活动的影响。如何找到和验证真正意义上的变异点，论证突变的客观性与可靠性需要深入研究。

2）还原天然流量的方法，是建立在变点之前径流没有受到人类活动影响或者受人类活动影响很小这一假设基础之上的。实际上，突变点之前人类影响是存在的，而是因水文资料的长度问题被研究者所忽略，如何得到真正意义上的天然流量这一问题远未解决，仍需要在延长历史资料，论证资料代表性，分析突变点与人类活动影响程度的关系等方面，进行深入研究。

3）还原天然流量的方法，是假定导致径流变化的气候变化和人类活动因子是相互独立的。实际上人类活动影响时期的实测径流是气候变化和人类活动共同影响下的结果，输入的气候因子，本身又受到人类活动影响。对于气候因子中哪部分是人类活动导致的，哪部分是天然的气候波动，区分起来显得尤为困难。

4）进行流域水文模拟时，水文模型参数一般由历史资料率定，模拟的径流包含了各种误差，外延得到变化环境中天然状态下的径流具有一定的不确定性。如何考虑模型的适用性与不确定性，需要详细考虑。

5）人类活动因子对径流演变产生影响已经是一个不争的事实。但是人类因素纷繁复杂，既包括引起流域下垫面显著改变的水土保持措施、水利工程修建等对径流产生直接影响的人类活动，也包括经济社会结构调整等对径流产生间接影响的人类活动。并且这些因素相互耦合，难以对每类人类驱动因素一一量化，只能提出一个综合的影响结果。目前，如何进一步区别不同人类活动对径流变化的作用仍然是研究者面临的难题。

6）现阶段针对该问题的研究基本上建立在代际或年时间尺度上，并没有考虑到降水、气温等气象因素的丰枯变化及季节变化可能带来的径流变化。基准期的相对丰枯与气候变化与人类活动对河川径流影响贡献的计算结果密切相关，不同的基准期的选择可能得到不一致的结果。同时降水总量相同，下垫面条件也相同时，不同降水时间分配会产生不同的径流过程。如何考虑降水的丰枯变化及年内分配变化对径流的影响，需要深入剖析。

7）气候变化与人类活动对河川径流影响贡献的定量分析结果具有很大的不确定性，目前尚没有检验分析结果的可靠性评价指标体系，如何验证计算结果的合理性有待深入研究。

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