气候变化与人类活动对大凌河流域水文水资源影响研究

孙 毅

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118000)

大凌河流域是我国重要的农业粮食生产基地和关键性重工业基地之一，该流域城镇化覆盖率高，人口密度大，是我国东北部地区经济发展的重要区域[1- 2]。然而，在多种影响因素的综合作用下，该流域逐渐表现出洪水灾害频繁、水资源空间结构分布不均匀、水资源供应紧张、水体污染严重以及水文生态环境急剧恶化等特性。大凌河水文资源循环演化规律日益复杂化，对干旱洪涝等自然灾害以及未来水资源变化趋势的准确预测和科学判断带来了巨大的压力，不利于水资源可持续利用。为了准确把握演化规律，探讨驱动水资源循环演化的关键性因素，深入了解水文变化的机理，并提高人们对洪涝自然灾害的预测和防御能力，对影响水文变化过程的关键性因素进行准确识别和量化计算具有十分重要意义[3]。

目前许多水文学者对大凌河洪涝灾害的影响因素进行了研究，结果表明：气候变暖所引起的降雨量增多可导致该流域发生洪水灾害的可能性增大；植被林地破坏以及各类工程活动的建设等人类活动是引起大凌河流域水文资源发生改变的主要和关键因素。本文在借鉴水文专家学者相关研究成果的基础之上，利用双累计曲线法和敏感性系数法分别对气候变化和人类活动引起的大凌河流域水文水资源变化影响作出定量的分析判断，同时对两种定量分析结果进行交叉验证[5- 7]。

1 研究区域概况

大凌河流域位于我国的辽宁省西部，流域大小支干交错，全长398km，所占面积约为2.35万km2，是辽宁省重要的生活用水及工农业用水的主要来源之一。资料显示：每年的7、8和9月是该流域的降雨旺季，约占全年降雨量的62.7%，年降水量约为450～600mm，径流量约为16.67亿m3，属于大陆性季风气候区，年平均温度为8.5～12.7℃。本文以朝阳水文监测站为流域出口，该水文监测站多年平均水流径流深度为538.6mm。

选定科学合理的水文循环参数是影响水文评价结果精确性的关键性因素，故本文结合大凌河水文资料，并考虑朝阳水文站的地形地貌特征，选择具有代表性的降雨量P、蒸散发E0以及径流量Q为水文循环参数，对引起的水文水资源演化发生改变的关键性因素进行分析。根据辽宁省气象监测站现有降雨和蒸散发数据利用反距离权重插值计算法，对研究区域内各点的降雨和潜在蒸散发进行计算，并取计算结果的平均值；采用朝阳水文站的河流监测数据为研究区域的径流量，并以1980～2015年期间为研究的年数据序列[8]。

2 研究方法

2.1 水文序列趋势分析法

首先对双累计曲线法和敏感性系数法的基本原理和计算过程进行探讨，然后利用降雨、蒸散发以及径流序列等水文要素进行大凌河流域的水文变化规律性分析，并计算自然状态的水资源变化期(基准期)和人类活动影响作用下(变化期)的水资源改变的分界点。

2.2 双累积曲线法

水文序列的一致性分析可通过双累积曲线偏移特性进行表征，累积曲线形状特征的变化代表着水文序列在不同影响条件下引起的改变情况，其基本原理是利用水文要素之间的统计数据建立人类活动与水文过程之间的影响关系[9]。基准期各水文各要素之间的线性关系可用下式表示：

∑Q=k∑P+b

(1)

式中，∑Q—累积径流量；∑P—累积降雨量；k、b—计算参数。

设定大凌河在各种自然状态和人类活动影响下，各演变时期的气候变化情况保持同步，则人类活动影响对水文资源的径流量变化情况可通过变化期模拟径流量与实测径流量的差值计算所得，计算公式如下：

ΔQhuman=mean(Q2c)-mean(Q2m)

(2)

在人类活动和气候变化的共同作用下所引起的大凌河水资源径流变化量可通过变化期实测径流量和基准期实测径流量的差值计算所得，计算公式如下：

ΔQ=mean(Q2m)-mean(Q1m)

(3)

式中，ΔQ—共同影响作用下的径流变化量；ΔQhuman—人类活动引起的径流变化量；mean—计算结果的平均值；Q1m—流域基准期径流量的实测值；Q2m—流域变化期径流量的实测值；Q2c—流域变化期径流量的模拟值。

2.3 敏感性系数法

敏感性分析法是以水量平衡为基本原则，通过计算河流在不同气候条件下的流域径流量，对气候变化引起的径流影响进行表征，水量平衡计算公式如下：

P=E+Q+ΔS

(4)

式中，E—河流的蒸散发量；ΔS—流域储蓄量变化值，如所考虑的研究时期较长，则流域蓄水量变化值可视为0。

因气候变化引起的降雨量与蒸散发之间的关系可用下式进行计算：

(5)

式中，ω—植被相关性系数。

根据相关资料和计算经验可知，在研究流域内年平均径流量变化幅度小于50%时，可不考虑因其他因素所造成的流量变化，流域的径流量变化值可由降雨和蒸散发的相对变化之差求得，计算公式如下：

ΔQclim=βΔP+γΔE0

(6)

式中，Qclim—气候变化引起的河流径流量变化值；ΔP、ΔE0—降雨和蒸散发引起的径流量相对变化值；β、γ—降雨和蒸散发的敏感性系数。敏感性系数β、γ可通过以下方程计算：

(7)

式中，x—干燥系数，x可通过E0/P求得。

3 结果与讨论

3.1 水文序列变化确实及分界点

对水文序列的研究结果表明：在1980～2015年大凌河流域的径流、降雨以及蒸散发序列均表现出明显的减少趋势；而对于双累积曲线法的计算结果表明：在2008年以前的径流和蒸散发表现出逐渐上升的趋势，在2008年以后则开始出现明显的下降趋势，且各水文序列的降雨变化情况无明显的规律性。对大凌河流域水文要素进行的敏感性分析的计算结果见表1。由表1可知，降雨和蒸散发在水文序列期间均呈现出下降趋势，且降雨量变化情况无明显的规律性。

表1 大凌河流域在1980～2015年的径流、降雨及蒸散发序列的敏感性分析

注：※为置信水平达95%时的检验能力，h代表变化趋势，slop代表曲线变化倾斜率，tau代表统计量值。

通过上述统计和分析，得出大凌河在2005年的降雨和径流序列发生显著改变，因此大凌河流域的水文序列分界点为2005年，该流域自然状态下水文变化期(基准期)为1980～2004年；人类活动作用下的水文变化期(变化期)为2006～2015年。在人类活动作用时期的大凌河径流量、降雨量和蒸散发比自然状态下分别降低了28%、15%和20%。

3.2 气候变化与人类活动对水文水资源的影响

大凌河在变化期的降雨量、蒸散发以及径流量比基准期分别降低了126.4mm、118.0mm和172.5mm。在基准期的河流干燥系数x为0.51，降雨与蒸散发的比值为0.48，；而在变化期河流的干燥系数x为0.45，降雨与蒸散发的比值为0.60。受人类活动和气候环境变化影响，水文水资源的干燥系数降低了6%，而降雨与蒸散发的比值增大了20%[10]。根据大凌河的地质地貌资料，该流域植被覆盖物是以林草为主，故可取2.1，运用敏感性系数法的计算结果见表2。由表2可知大凌河流域受气候变化影响，河流径流量减少了77.6mm，权重比例为45%；因人类活动造成的径流量减少了94.9mm，权重比例为55%。

表2 利用敏感系数法进行气候变化和人类活动对大凌河水文要素的影响变化定量分析

根据敏感性系数法计算结果，大凌河流域降雨与径流的双累积曲线是从2005年开始发生明显的偏移，从而进一步证明了分界点计算结果的可靠性；且基准期的降雨径流的关系系数为0.9986，将此系数代入文中介绍的相关公式可进行变化期的模拟径流量。双累积曲线定量分析计算结果见表3，计算值和实测值之间的差距逐渐增大，即径流量受人类活动影响正在不断的减少，人类活动对径流量的减少量为97.5mm，权重比例系数为66%，而气候变化引起的径流减少权重系数为34%。

表3 双累积曲线定量分析计算结果

由表3计算结果可知，基准期的径流量变化值为18.3mm，而对于变化期的径流量变化值为97.5mm。为了降低计算误差的影响，提高变化期相对于基准期的径流变化的准确性，本文采用简单误差传递法即对于基准期的模拟径流量分别减去平均误差得到调整后的模拟径流量，然后将基准期的误差值转移至变化期。经过误差处理的双累积曲线其基准期实测径流量和模拟流量与之前的计算结果保持了一致，表4为采用简单误差法计算的双累积曲线定量分析计算结果。由表4可知，经过简单的误差处理后，人类活动所引起的径流量减少了79.2mm，人类活动和气候变化对径流量减少的权重系数分别为62%和38%，经过误差处理后的双累积曲线计算结果人类活动影响权重系数降低了4%，其结算结果更加符合实际情况。

表4 采用误差传递法的双累积曲线定量分析计算结果

4 结论

(1)降雨和蒸散发在水文序列期间均呈现出下降趋势，且降雨量变化情况无明显的规律性；大凌河在2005年的降雨和径流序列发生显著改变。

(2)在变化期的降雨量、蒸散发以及径流量相对于基准期有所降低；凌河流域受气候变化影响，河流径流量有所减少，权重比例为45%；因人类活动造成的径流量有所减少，权重比例为55%。

(3)采用简单误差法计算的双累积曲线定量分析计算结果表明：人类活动和气候变化对径流量减少的权重系数分别为62%和38%，这一结果更加符合实际情况。

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