人类活动对晋江流域径流演变影响的分析与定量评估

吴杰峰　陈兴伟　高路　陈莹　刘梅冰

摘要：为了进一步探讨人类活动对流域径流演变特征的影响，以东南沿海晋江流域为例，基于1960年-2010年逐月径流、降水数据，应用Manrr Kendall趋势分析法、差积曲线-秩检验法和小波分析等方法，分析了径流的变化趋势、突变和周期；利用SCRCQ方法定量估算了气候变化和人类活动对石砻水文站年径流及年内分配特征变化的贡献率。结果表明：在跨流域调水和山美水库调蓄等人类活动影响下，石砻水文站年径流上升趋势较不受水库影响的安溪水文站明显，年内径流变化幅度更趋于平稳。径流序列主要存在6-7 a、11-12 a和20-21 a左右三个时间尺度的周期变化，与流域年降水周期变化基本保持一致，但20世纪80年代后石砻站周期变化与流域降水周期变化出现微弱差别。石砻站年径流序列在1982年发生变异，而安溪站年径流序列未发现明显变异；变异期内，以山美水库为主的人类活动对石砻站年径流、年内不均匀系数和集中度变化的贡献率分别为67.17%、84.76%和71.16%。

关键词：径流变化；人类活动；SCRCQ法；大型水库；晋江流域

中图分类号：P333 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）02-0065-08

河川径流变化均不同程度地受气候变化和人类活动双重因素共同的影响。几十年来，城市化、土地利用变化及水库、大坝的修建，不断改变着降水的地表再分配过程和流域径流过程，对土壤侵蚀、旱涝灾害及水资源安全与管理等产生了重要影响，相关研究也产生了大量成果。学者对气候变化和人类活动在长江流域、黄河流域、松花江流域、珠江流域等流域及其支流引起的径流变化进行了深入的分析，研究表明，人类活动对年径流变化的贡献率介于30%～90%。目前，定量评估气候变化和人类活动对流域水文过程影响的研究方法，主要包括水文模型模拟法和数理统计分析法。水文模型模拟法具有较好的物理机制，对分析自然条件下流域径流过程具有不可替代功能，如气候变化、土地利用/土地覆被变化等，然而水库、灌溉等人为因素考虑不足，若对模型模拟结果不进行合理验证，评估结果可能产生较大偏差。而大型水利工程作为主要的人类活动，在满足人类相关需求的同时，也改变了流域水文过程，导致水文序列显著变异及年内分配结构变化。通常采用数理统计分析法，如气候-水文过程特征参数法（回归模型、BP神经网络模型等），通过建立气候参数与地表水文参数关系模型，量化人类活动对水文过程的影响。

晋江流域位于中国著名侨乡东南沿海泉州市，也是福建省经济最发达的地区之一，但地表水资源较缺乏。以2012年為例，泉州市GDP总量占全省总量的1/4，而地表水资源拥有量仅为全省的8 0%，与经济社会发展的需求严重不符。以大型山美水库和龙门滩引水工程为主的水利工程建设，有力支撑了区域用水需求，也显著改变了地表水文过程。已有研究初步揭示了该流域径流的年际变化及年内分配结构特征，但对变化的影响因素分析不够，更未进行定量化评价。本文拟利用流域内受到大型水库影响的石砻水文站和未受影响的安溪水文站的1960年-2010年逐月径流数据，以及相应三个气象站的降水数据，通过比较分析，探讨在大型水利工程等人类活动影响下，该流域径流序列年际、年内的演变特征，并利用累积量斜率变化率比较方法（Slop Changing Ratio 0f Cumulative Quantity，SCRCQ）定量估算以山美水库为主的人类活动对流域径流变化的贡献率。

1研究区概况

晋江流域位于东南沿海经济快速增长的福建省泉州市（图1），流域面积5 629 km²，有东溪、西溪两大支流，其中西溪流域面积为3 101 km²。两溪汇流于下游石砻水文站，本文以石砻水文站以上流域为研究区，控制流域面积5 042 km²。气候属于南亚热带湿润气候，年平均气温20℃～21℃，季风气候显著，降水丰沛，但时空分布不均，降水变率大。流域内主要土壤类型有红壤、砖红壤性红壤、水稻土和黄壤。土地利用类型以林地、园地和耕地为主，占89.82%。地貌类型以中山、低山丘陵为主，地势险峻，河流深切，山地开发强度大。特殊的地形、地貌和气候条件，流域内水土流失、旱涝灾害及地质灾害问题严重。

山美水库位于东溪中游，1972年建成投入运营，1979年-1982年进行保坝扩蓄工程，防洪库容由1.31亿m³增至2.6亿m³。水库集水面积1 023km²，总库容6.55亿m³，其中调节库容4.53亿m³，具有多年调节功能，是晋江流域目前唯一的一座集灌溉、发电、供水等多功能于一体的大型水库。在汛期，山美水库起到防洪调度、保护下游200多万人口生命财产安全的作用；在枯水期，通过合理调度向下游输水，保障下游400多万人口的生产生活用水需求，被誉为泉州市人民的“生命库”和“泉州的生态调节器”。此外，位于东溪上游的龙门滩引水工程于1989年建成，坝址以上集水面积360 km2，年引水量4 06亿m³，该工程跨越闽江和晋江两大水系，将闽江上游大樟溪干流水引入东溪支流上游的湖洋溪，并流入山美水库，是一项跨流域调水、梯级发电及供水的综合性水利工程。

2数据来源与研究方法

2.1数据来源

水文数据主要为石砻、安溪水文站1960年-2010年逐月径流数据，其中安溪水文站位于晋江流域主要支流之一的西溪；石砻水文站位于两大支流汇流的干流，其径流过程受到位于另一主要支流东溪龙门滩引水工程与山美水库的影响。气象数据为南安、安溪、永春三个气象站1960年-2010年逐月降水数据。此外，还有1990年-2010年龙门滩月均引水量数据。数据完整性好，无缺测数据，分别来源于福建省水资源勘测局和福建省气象局。其中面状降水数据采取算术平均求得。根据气象学中常用的四季分类方法，视3月-5月为春季、6月-8月为夏季、9月-11月为秋季、12月一次年2月为冬季。

2.2研究方法

为了分析流域径流演变特征与定量评估人类活动影响，采用站点对比分析法，并应用Mann-Ken-dall趋势分析法、差积曲线-秩检验法和小波分析法等，分析径流的变化趋势、突变和周期；利用SCRCQ法估算人类活动对径流变化的贡献率。

2.2.1MaHlTKendall（M-K）

Mann-Kendall（M-K）非參数检验法是目前常用的检验变量演变趋势的方法，对于水文、气象要素等非正态分布的变量趋势检验简便有效，且受变量异常值干扰较少，但对临界值之外的变异状况的检验不敏感，本文采用该方法分析流域降水、径流的演变趋势。假设有一时间序列变量α₁，α₂，…，α_n，n为变量序列长度，M-K定义检验统计量S如下：

（1）

（2）

（3）

（4）式中：Z为一个正态分布统计量；var（S）为S的方差。在给定置信水平δ上，如果|Z|≥Z_1-δ/2则拒绝原假设，即在δ置信水平上，变量在时间序列中处于上升或下降趋势。通常|Z|≥1.65、1.96、2.38时，表示分别通过了置信度0.1、0.05、0.01的显著水平检验。

此外，本文采用差积曲线秩检验联合识别法初步识别变量在时间序列中可能的变异点，再根据秩检验法对每个可能变异点进行精确检验。为了结果便于呈现，采用z-score方法对差积曲线序列进行标准化处理，得到标准化后的差积曲线序列值φ。

2.2.2SCRCO

SCRCQ分析法的原理是如果径流量变化只受降水量因素的影响，则降水量和径流量随年份的累积曲线斜率应该是同倍比变化的。将变量所有影响因素的总和定义为1，根据各影响因素随时间累积的斜率变化率占变量累积斜率变化率的比值来推求其对变量的影响程度。假设长时间径流序列存在突变点，变异点前为气候变化和人类活动影响较小时期，变异点后为气候变化和人类活动影响较大时期，通过变异点前后时期的变量累积量与年份关系的斜率变化率，推求气候变化和人类活动对径流序列的贡献。基准期和变异期的降水量为P，累积降水量与年份线性方程的斜率分别为K_pa、K_pb（mm/a），斜率变化率为S_p=（K_pb-K_pa）/K_pa；蒸散发为E，变异点前后的累积蒸散发与年份线性方程的斜率分别为K_Ea、K_Eb（mm/a），斜率变化率为S_E=（K_Eb-K_Ea）/K_Ea；径流量为R，变异点前后的累积径流量与年份线性方程的斜率分别为K_Ra、K_Rb，斜率变化率为S_R=（K_Rb-K_Ra）/K_Ra。则基于基准期，变异期内降水对径流量变化的贡献率（C_p，单位为%）为：C_p=100×S_P/S_R，同样蒸散发对径流量的贡献率（C_E，单位为%）为：C_E=100×S_E/S_R，相应的人类活动对径流量变化的贡献率（C_H，单位为%）为：C_H=100-C_P-C_E。

由于长时间的蒸散发资料难以获取，且相关研究表明，在气候因子中，降水量是影响径流量的最主要因子，而蒸散发影响较小，因此本文暂不对蒸散发进行分析。通过评估人类活动因子对径流变化的贡献率，旨在为流域的水资源合理管理和生态环境的可持续发展提供参考。

2.2.3小波分析法

小波分析能够在时域和频域上揭示变量在时间序列中信号的细微变化，对反映水文、气象要素多时间尺度特征提供了一种较好的分析工具。本文采用Morlet连续复小波变换来反映变量时间序列的震荡周期，为消除序列两端产生的“边界效应”，对序列两端进行了延伸处理。通过Matlab7.0小波分析工具分别提取变量的小波系数值及主周期小波系数值，分析变量的多时间尺度变化特征。

3结果分析

3.1径流序列年际演变特征

图2给出了近51a来晋江下游石砻站年径流总量及降雨量的过程线。可以看出，流域径流总量与降水量峰值基本一一对应，二者具有较好的一致性，表明整体上晋江流域的径流量大小与降雨量多少具有密切的关系。

由公式（1）至式（4）得到1960年-2010年间年径流M-K趋势检验结果（图3（a））。可知，石砻站和安溪站年径流呈下降-上升-下降-上升-下降阶段性变化特征，整体呈微弱上升趋势，M-K趋势检验值分别为1.53和0.05，石砻站上升趋势较安溪站明显，但均未通过显著水平检验。图3（a）也可以看出，20世纪80年代前两个水文站的径流序列呈同步变化趋势，20世纪80年代后非同步性明显。年份

石砻、安溪站年径流的变化表现为不同时间尺度的震荡周期。图4（a）、图4（c）显示了石砻、安溪站年径流序列在不同时间尺度下随时间偏湿偏枯交替变化的特征，两个水文站主周期变化基本保持一致，主要存在6～7 a、11～12 a和20～21 a三个主要震荡周期，其中20～21a左右的震荡周期最强，是石砻、安溪站的第一主周期，其次是11～12 a和6～7 a。而20世纪80年代后两个站点震荡周期出现微弱差别，尤其是20～21a左右的震荡周期。从主周期小波系数变化过程来看，20～21a左右的震荡周期在整个时间序列中正在逐渐减弱，小波系数值处于高峰阶段，表明在20～21 a左右时间尺度上，将进入偏枯时期；11～12 a左右的震荡周期正在逐渐加强，小波系数值处于低谷阶段，表明在11～12 a时间尺度上，将进入偏湿期；而6～7 a左右的震荡周期在时间序列中变化不明显，小波系数值处于上升期，表明现阶段正处于湿润期。该结论与陈莹等利用经验模态分解方法（EMD）在与晋江流域相似地理特征的闽江流域研究结论较一致。

3.2径流序列年内演变特征

表2为利用公式（1）至式（4）对石砻、安溪站年内径流变化趋势检验结果。可知，两个站点径流减少的月份集中在5月-7月份；径流增加的月份集中在9月-次年4月份，其中石砻站增加趋势显著，除10月份外，均通过0.05显著水平检验，11月-次年2月份通过0.01显著水平检验，而安溪站均未通过显著水平检验。就季节而言，夏季呈减少趋势，其它季节呈上升趋势。年内径流不均匀系数（C_v）和集中度（RCD）可以用来反映河川径流的年内分配状况C_v值和RCD值越大，表明年内丰枯变化越剧烈。流域径流和降水的年内C_v、RCD变化趋势线表明（图5（a）（b）），1960年-2010年间两个站点年内C_v值、RCD值均呈下降趋势，年内变化幅度趋于平坦，其中石砻站下降速度较安溪站明显。

两个站点年内径流震荡周期与年径流震荡周期同样表现出6～7 a、11～12 a和20～21 a左右三个时间尺度的震荡周期。限于篇幅，只例举了石砻和安溪站夏季和冬季小波变换系数的时频分布（图6）。可以看出，20世纪80年代后，两个站点在20～21 a左右时间尺度的震荡周期表现出微弱差异，冬季较夏季明显。

3.3径流序列突变检验

上述结果表明，石砻和安溪站年际、年内径流演变特征有所不同。进一步采用差积曲线一秩检验法，对石砻和安溪站近51 a的长时间径流序列进行变异检验，结果见图7（a）。

圖7（a1石砻、安溪站标准化差积曲线序列分别于1971年、1976年、1982年和2001年出现拐点。根据差积曲线原理，初定1971年、1976年、1982年和2001年是变异点，然后通过秩检验法进行精确检验。表2的秩检验结果表明，石砻站仅有1982年秩统计量UI大于1.96，检验结果为显著，确定1982年为该序列的变异点，而其它年份均不显著，安溪站也都未通过检验。因此，可将1982年作为石砻站径流序列的变异点。

3.4径流演变归因分析

3.4.1定性讨论

径流变化的影响因素主要分为气候变化和人类活动两方面。降水作为气候变化下的敏感性因子是影响径流变化的最直接因素。晋江流域三个主要气象站（南安站、安溪站和永春站）的降水总体上有上升，其中安溪、永春气象站通过0.05显著水平检验。从图3（b）看出，三个气象站年平降水与年径流M-K曲线变化十分相似，阶段性演变特征较接近，即石砻、安溪站年径流的演变整体受降水变化影响明显。晋江流域的人类活动主要包括土地利用变化和水利工程建设。Lin等通过流域1985年和2006年两期土地利用数据，应用SWAT模型模拟分析土地利用变化的洪枯径流响应。结果表明，由于林地的减少、建设用地的增加，在相同的降水条件下，年径流略有增加，增幅为2.3%～3.3%。表明土地利用对径流系列的影响与径流系列的变化趋势是相符合的。

但两个水文站的径流变化与流域降水变化也存在一定的差异。图4（e）显示了流域降水量主周期变化（20～21 a）与安溪站基本同步，20世纪80年代后与石砻站非同步明显。3.2节内容结果表明，安溪站年内径流变化与流域降水的年内变化基本一致，石砻站不一致明显。在相同的气候背景和相似的土地利用变化条件下，石砻站年际、年内径流演变与流域降水演变的差异幅度较安溪站大，可初步推测石砻站的径流受人类活动的其他干扰较大所致，即与大型水利工程的建设有关。多年调节的山美水库的建成，包括1979年-1982年保坝扩蓄工程的竣工，对石砻站径流的年际尤其是年内的变化，产生比较大的影响。而1989年建成的龙门滩引水工程，将闽江水系大漳溪干流的径流，跨流域引入晋江水系东溪上游的湖洋溪，进入山美水库统一调蓄，对于石砻站径流年际和年内的平稳变化影响显著。图8可以看出，龙门滩工程月均引水量增加明显（图8（a）），且安溪站年径流占石砻站年径流的百分比下降趋势显著（图8（b））。可见，石砻站径流序列的变化与以山美水库为主的人类活动密切相关。

综上，晋江流域石砻站和安溪站的径流演变受降水和人类活动的综合影响，其中安溪站主要与降水和土地利用变化有关，而石砻站是降水、土地利用变化、龙门滩引水工程及山美水库调蓄作用的综合结果。

3.4.2石砻水文站的定量分析

为进一步分解气候变化和以山美水库为主的人类活动对石砻站径流的影响，采用SCRCQ方法进行定量估算。将1982年作为石砻站径流序列有无水库影响的分界点，其中1960年-1982年为无水库影响期，1983年-2010年为水库影响期，对两个时期的年份累积变量（径流、降水、C_v和RCD）进行线性回归分析，表3中的拟合方程中x为时间序列变量“年份”，y为相应于x的累积变量值。表3看出，各累积变量与年份的拟合方程相关系数较高，均大于0.99，F统计量均通过显著性检验表明可以用于定量评估人类活动对石砻站年际及年内径流分配特征变化的贡献率大小。

根据表3中年累积降水、累积降水C_v和累积降水RCD及其分别与年份拟合方程的相关系数，结合2.2.2节中的SCRCQ计算步骤得到，以山美水库为主的人类活动对年径流、年内径流C_v及RCD变化的贡献分别为67.17%、84.76%和71.16%，远较气候变化为大。需要指出的是，分解出的人类活动不仅包含了水利工程的调水、蓄水的贡献，也包含了土地利用/土地覆被变化及其它人类活动的贡献等。由于各因素间相互作用十分复杂，目前无可靠方法对其逐一分解。但总体上看，人类活动中的龙门滩引水工程和山美水库调蓄影响（统称为山美水库）显然较土地利用的影响为大。

4结论

（1）晋江流域两个水文站年径流整体呈微弱上升趋势，其中石砻水文站上升趋势较安溪水文站明显，且在1982年发生变异，而安溪水文站年径流序列未发生变异；年内径流趋于平坦，径流减少的月份集中在5月-7月份，增加的月份为8月-次年4月份，其中石砻水文站年内演变趋势较安溪水文站显著。

（2）小波分析表明，石砻和安溪水文站年径流的序列存在6～7 a、11～12 a和20-21 a三个明显的震荡周期，其中20-21 a的周期性最强；小波变换系数的时频分布在20世纪80年代前与流域降水序列的时频分布基本保持一致，但20世纪80年代后，石砻水文站表现出微弱差别。

（3）石砻水文站和安溪水文站的径流演变受降水和人类活动的综合影响，其中安溪水文站主要与降水和土地利用变化有关，而石砻水文站是降水、土地利用变化、龙门滩跨流域引水工程及山美水库调蓄作用的综合结果，以山美水库为主的人类活动，对石砻水文站年径流、年内径流C_v和RCD变化的贡献率分别为67.17%、84.76%和71.16%。