滹沱河上游径流演变及其影响因素分析

王盛，李文静，王金凤

(山西师范大学地理科学学院，山西 临汾 041000)

气候变化和人类活动对水文水资源的影响一直是全球变化研究的重要课题之一，也是人类社会-经济-生态复合系统可持续发展面临的挑战.IPCC AR5指出，20世纪中叶以来，全球几乎所有地区都经历了升温过程[1]，而北半球中纬度地区的变暖幅度最显著[2].气候变化将改变全球现有的水文循环过程，加剧极端水文事件的发生，引起水资源在不同时空尺度的重新分配，并对降水、蒸散发、径流形成以及土壤湿度等造成直接且不容忽视的影响[3-7].随着社会经济的持续发展，人为因素对流域水资源和水循环的干扰日益加剧，自然系统水循环原有的规律和平衡被打破，水循环和径流演变规律受自然变化和人类活动双驱动力的作用形成“二元水循环”系统[8-9].陆地生态系统水文循环过程的变化会对水资源系统的结构与功能产生重要影响，进而给人类的水资源开发与利用带来重大挑战[10-13].因此，定量分析气候变化和人类活动对水文水资源的影响范围和程度，不仅对水文生态环境影响研究具有重要的科学价值，也对区域水资源的合理开发利用、社会经济的可持续发展以及制定变化环境下水资源的适应性对策等具有重要意义.

太行山是海河流域的主要发源地和产流区，发育了桑干河、滹沱河和漳河等河流，素有“华北水塔”之称，每年为京津地区提供20亿m3水资源，供水占比高达70%.近年来，太行山区(尤其是滹沱河流域)地表水资源剧减问题十分突出，严重威胁中下游地区的水资源安全[14].1957～2000年，滹沱河径流量呈现显著的减少趋势(减少速率为1.20 mm/a)，其中1960s～1990s的平均减少速率为0.97 mm/a.同时段内流域年降水量也呈现显著减少趋势，平均减少速率为5.17 mm/a[15-16].滹沱河地表径流的减少主要原因是气候变化和人类活动，Wang等[16]借助集总式水文模型、水文敏感性分析和气候弹性系数法，估算得出1957～2000年滹沱河流域径流减少70%归因于气候变化，30%归因于人类活动.而Xu[17]认为由于非汛期过度农业灌溉等用水需求的加剧，造成滹沱河已由常年河流变为了季节性河流.

目前，对于滹沱河径流演变规律的相关研究，多侧重于径流或降水等单要素，而对引起径流变化的归因分析多集中于2000年之前，持续性关注不足.因此，本研究以滹沱河上游流域为研究区，利用流域周边1957～2017年的水文气象数据，基于Mann-Kendall趋势和突变检测、流量历时曲线和水文敏感性分析等方法，分析滹沱河流域的水文气象变化特征，从气候变化和人类活动两个方面定量探讨径流变化的影响因素，以期为流域水资源的优化管理、规划和决策提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

滹沱河属海河流域子牙河水系，发源于山西省繁峙县泰戏山孤山村一带，向西南流经恒山与五台山之间，至界河折向东流.本研究关注的滹沱河上游流域为小觉水文站以上的区域(N 38°～40°，E 112°～114°30′，图1)，大部位于山西省境内，流域面积14 631 km2，主要支流包括峨河、阳武河、云中河、牧马河和清水河等.流域地处温带半湿润半干旱季风气候区，属温带大陆性季风性气候.流域多年平均气温8.2 ℃，年降水量471.3 mm，潜在蒸发量1 584.4 mm.地表径流主要由降水补给，年均径流量6.13×108m3.流域天然植被覆盖度很高，草地和林地面积超过流域总面积的70%.区内水利工程众多，资料显示地表水供水工程共有3 472处，其中中型供水工程19处(包括中型水库12座)[18].

1.2 数据来源

本研究涉及的数据主要包括流域内部及其周边的气象、水文和遥感数据.气象数据来源于太原、平定、石家庄、原平、蔚县、太谷、代县、灵丘、朔州、五台山和五寨共11个国家气象站，主要采用1955～2017年的月尺度气温、降水和潜在蒸发量资料.水文数据采用流域出口水文站(小觉站)1957～2013年的月径流数据，该数据来源于中华人民共和国水文年鉴海河流域水文资料.遥感数据包括覆盖流域的土地利用/覆被变化(LUCC)和数字高程模型(DEM).其中，LUCC数据来源于中国土地利用现状遥感监测资料，主要用于获取流域土地利用现状及变化状况.共采用了1990年和2010年两期资料，为空间分辨率100 m×100 m的栅格数据.DEM采用SRTM90数据，主要用于提取流域边界和地形信息.

图1 滹沱河流域概况Figure 1 Location of the Hutuo River Basin

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall趋势和突变检测法 滹沱河上游流域水文气象年际变化序列的趋势及突变点诊断采用Mann-Kendall方法，该方法诊断样本不需要遵从一定的分布特征，也不受少数异常值的干扰，计算简便，是世界气象组织推荐并广泛应用的一种非参数趋势及突变检测方法[19-20].

1.3.2 水文敏感性分析法 水文敏感性可以描述为年均径流量的变化率随降水和潜在蒸发的变化.水量平衡方程为：

P=E+Q+ΔS

式中，P为降水量，E为实际蒸散发量，Q为径流量，ΔS为流域储水量变化(多年平均尺度上，ΔS可忽略).

可用的能量和水是决定蒸发速率的主要因素，这为估算实际蒸散发量提供了理论框架.基于此，多年平均蒸散发量的计算公式为[21]：

式中，ω为植被可利用水系数，E0为潜在蒸散发量.

年水量平衡主要由降水(P)和潜在蒸散发(E0)两个气象因子控制，其变化会直接引起年径流量(ΔQclimate)变化[22-23].三者关系可由下式表示[24]：

ΔQclimate=βΔP+γΔE0

式中，β为径流对降水的敏感性系数，γ为径流对潜在蒸散发的敏感性系数.敏感性系数可由下式计算[25]：

2 结果与分析

2.1 气温、降水和径流的年际变化及突变分析

滹沱河上游流域气温、降水和径流的年际变化趋势和突变状况见图2.基于Mann-Kendall趋势检验方法，1957～2017年，流域气温的年际变化呈现显著的上升趋势，增温幅度为0.39 ℃/10 a；而降水的下降趋势不显著，减少幅度仅为1.67 mm/10 a.同时，从1957年以来，流域径流呈现显著的减少趋势，平均减少量为0.15×108m3/a.Mann-Kendall突变检验的结果表明，气温(UF和UB线的交点位于95%的置信区间外)和降水的年际变化序列未出现突变点，而年径流序列在1979年发生突变.除1959年外，径流突变检验的统计量UF均小于0，突变发生后，UF在1981年迅速超过了95%的显著性水平，其后在1984年超过了99%的显著性水平，说明径流的持续减少趋势十分显著.分析突变前后滹沱河年径流量的变化趋势发现，两个时段内径流量均呈减少趋势，突变前减少量达到0.21×108m3/a；而突变后减少趋势有所减缓，减少量仅有0.08×108m3/a.除1988年和1994～1996年是较丰水的年份外，流域径流已降低至较低水平.此外，流域多年平均径流量由突变前的8.94×108m3减少至突变后4.23×108m3，减少量超过50%.气候因素是引起径流变化的最基本条件，其中气温主要通过影响蒸散发起到间接作用，而降水作为径流最重要的补给来源直接影响径流变化.对比1979年前后流域气温和降水的年际变化趋势发现，1979年之前气温呈极微弱的上升趋势(0.06 ℃/10 a)，而降水呈减少趋势(-7.45 mm/10 a)，说明降水减少很可能是造成这一时期径流显著减少的关键自然因素；而1980年之后气温呈显著的上升趋势(0.56 ℃/10 a)，而降水也呈增加趋势(15.55 mm/10 a)，气温上升引起蒸散发的增加抵消了降水增加对径流量的补给，加之人类活动的影响逐渐加大，因此这一时期径流变化的原因较为复杂.

图2 滹沱河流域径流(A)、气温(B)和降水(C)的年际变化及突变分析Figure 2 Interannual variation of runoff (A)，air temperature (B)，precipitation (C) and the abrupt change analysis in the Hutuohe River Basin

2.2 年内径流格局的变化特征

滹沱河径流量的年内分配不均，集中于汛期(6～10月).汛期多年平均径流量为4.07×108m3，占全年的66.4%.图3-A显示了突变前后月平均径流的变化情况，整体上突变前后各月径流均出现不同程度的减少.1957～1979年，除在夏季存在峰值外，月径流在3月份也存在一个极小的峰值，这可能是积雪消融引起的，但1980年之后此峰值消失.从径流的绝对减少量来看，径流减少集中于汛期(尤其是夏季)，6～10月径流减少量为3.16×108m3，占全年的70%.从径流的相对减少率来看，除5～6月以外，月径流减少均在47.7%(8月)以上，最高达65.2%(7月).分析引起月径流变化的气候因素(图3-B～C)发现，各月气温均有所升高，其中冬季升温幅度最大，夏季最小.3月增温率为全年最大，高达81.3%，气温对径流的负反馈可能是造成3月小峰值消失的主要原因.突变前后的月平均降水总体上变化不大(图3-C)，绝对量介于-17.7～14.0 mm之间，而相对变化率介于-32.7%～27.9%之间.

流量历时曲线(FDC)用于描述特定流域某一时段内径流量发生频次与流量之间的关系，反映了超过某一径流量发生的时间百分比[26-27].根据突变年份，将月径流序列分为1957～1979年和1980～2013年2个时段来对比流量历时曲线和径流的相对变化率(图4).与突变前时段相比，突变后滹沱河流域FDC存在显著下移，说明在任何流量频次的河流径流量均有所减少.从突变前后径流在各频次的相对减少率来看，除极高流量部分外(频率<5%)，各频率对应的月径流相对减少率呈线性减少趋势(决定系数R2=0.82)，从70%持续减少至30%.流域径流量的变化差异可以使用流量特征指标表示，该指标描述为特征频次下的流量与50%频次下的流量(Q50)之比，其比值越接近1说明径流的年内分配越均衡[26-27].根据滹沱河的水文特征，选择1%(Q1)和5%(Q5)频次下的流量代表高流量，90%(Q90)和95%(Q95)频次下的流量代表低流量.表1展示了突变前后及整个研究时段的高流量和低流量特征指标，与1957～1979年相比，1980～2013年两个低流量特征指标都有所增大，而高流量特征指标(Q5/Q50)有所减小，极高流量特征指标(Q1/Q50)有所增大.目前，流域径流量显著减少，处于较低水平.在此背景下，流域径流的年内分配更加趋于均匀，季节变化的差异减小.

图3 突变前后流域月平均径流(A)、气温(B)和降水(C)的变化对比Figure 3 The comparison among average monthly runoff (A)，air temperature (B) and precipitation (C) before and after the abrupt change year

图4 突变前后流量历时曲线对比Figure 4 Changes of flow duration curves before and after abrupt change year

表1 不同时段流量历时曲线特征值指标

2.3 径流变化影响因素的定量分析

基于多年平均尺度上的流域水量平衡方程，1957～1979年流域多年平均实际蒸散发量E(423.8 mm)为降水量P(484.8 mm)与径流深Q(61 mm)之差，而年平均潜在蒸散发E0为1 560.6 mm.通过多年平均蒸散发量公式反推，得出流域平均植被可利用水系数ω为0.36；进而计算得出径流对降水β和潜在蒸散发γ的敏感性系数分别为1.07和0.42.基于水文敏感性分析法的模型原理，突变前后降水减少量ΔP和潜在蒸散发的增加量ΔE0分别为28.1和51.6 mm，最终得到1980～2013年气候变化引起的径流深减少量ΔQclimate为8.6 mm.根据实测径流数据，突变前后径流实际减少量为32.2 mm，因此，与1957～1979年相比，1980～2013年的径流减少有26.7%归因于气候变化，而有73.3%归因于人类活动.

3 讨论

3.1 气候变化对径流减少的影响

突变前后流域径流与潜在蒸发(A)和降水(B)的关系见图5所示.整体上年径流与潜在蒸发呈负相关关系，而与降水呈现正相关关系.在突变前后的两个时段内，年径流与潜在蒸发量的相关系数R2由0.19变化至0.11，而与降水的相关系数R2由0.58下降至0.35.由此可见，与潜在蒸发相比，降水与径流的相关性更强，突变前后，径流与潜在蒸发和降水的相关性均明显降低.一方面再次验证了降水极可能是控制突变前时段径流变化的关键自然因素；另一方面说明突变后时段气候变化对径流的影响程度逐渐减弱.对比突变前后径流与降水的线性趋势线(图5-B)，2条直线的斜率非常接近，几近平移关系，说明在同等量级的降水条件下，突变前后产生的径流存在显著差异，径流深约减少了22 mm，而平均径流系数(径流量/降水量)由0.13下降至0.06，流域地表产流能力明显下降.

图5 1979年前后流域径流与潜在蒸发(A)和降水(B)的关系Figure 5 Relationship between runoff and potential evaporation (A) or precipitation (B) before and after 1979

3.2 土地利用/覆被变化对径流减少的影响

从滹沱河流域2010年土地利用图(图6)可以看出，流域最主要的土地类型为草地、耕地和林地，合计覆盖面积14 062.7 km2(96.1%)，其中耕地多分布在山间河谷地带.1990～2010年土地利用面积变化的转移矩阵见表2.由表2可见，1990～2010年林地面积的净减少最多(87.4 km2)，水域次之(31.1 km2).林地主要转换为草地和建设用地，其中建设用地的净转化面积达到12.6 km2.水域面积的减少主要是天然河道的萎缩，其次是河谷开辟为耕地.河道萎缩受到天然年径流减少和上游用水量增加的双重影响.1980年以来，流域水资源的开发利用程度进入高峰，持续超过40%的国际公认警戒线，甚至在2000年后的个别年份超过80%[28].建设用地的面积净增加最多，达到67.5 km2，主要来源于新增耕地的转换，这也间接造成耕地面积的增加仅有11.2 km2.建设用地的激增直接体现了1990年以来流域内主要县市工农业发展和城镇化进程的加速推进.这些地区工业、城镇生活、农业消耗水量很大，如2000年流域内部及其周边的定襄县、忻州市和原平市取水量已达当地水资源总量的95.3%、81.5%和54.5%[29].同时地下水消耗量巨大，间接影响地表水资源的变化，如2004年流域内部的忻州盆地地下水开采已占总排泄量的56%[30].

4 结论

1957～2013年，滹沱河上游径流呈显著的减少趋势，减少速率为0.15×108m3/a.径流的年际变化序列在1979年发生突变，突变前后年径流均呈减少趋势.与1957～1979年相比，1980年之后径流的减少趋势有所减缓，仅为之前的38%，而多年平均径流的减少量超过50%.同时流量历时曲线存在明显下移，径流的年内分配更加趋于均匀，季节变化的差异减小.在突变前时段，降水减少可能是引起径流迅速减少的主要原因；而在突变后时段径流减少的主因转变为工农业耗水和城镇生活用水的激增，即人类活动的影响.基于水文敏感性分析法，近期滹沱河上游流域径流减少26.7%归因于气候变化，而73.3%归因于人类活动.

图6 滹沱河流域2010年土地利用图Figure 6 Landuse of Hutuo River Basin in 2010

表2 1990～2010年滹沱河流域土地利用转移矩阵