气候变化和土地利用方式对径流量的影响

　　0、 引言

　　气候变化和人类活动导致流域内水文水资源的改变是当前流域水循环演变规律研究的两大课题。气候变化诸如气温、降水等会影响区域降水量、降水分布和流域产流量等水资源的时空分布。人类活动对流域的水循环影响，一是改变土地利用方式以及修建大型水利工程等改变流域下垫面，因而破坏流域内天然的产汇流机制；二是工农业取用水以及跨流域调水等活动直接影响水资源的时空分布。气候变化和人类活动已经成为对流域水文水资源起主要影响作用的两个驱动因子，量化分析气候变化和人类活动的影响，对认知水资源演变规律和实现水资源可持续利用具有重要的实践意义。由于人类生产活动的复杂性不断加剧，土地利用/覆被变化的水文水资源效应成为了研究的重点，近年来国际上已开始研究其与气候变化对流域水文水资源的影响，并建立了相应的评估模型，一些研究重点在对过去的气候变化及人类活动对水文水资源的影响研究及区分两者贡献大小上，另一些研究重点在对未来气候及土地利用/覆被变化情景下径流动态模拟及确定性分析上。许多学者对如何定量区分两者各自的贡献率进行了探索，主要的方法有统计分析法、水量平衡法和分布式水文模型法。统计分析法仅是建立经验关系，缺乏机理分析；水量平衡模型基于水量平衡的基本原理，具有较强的理论依据；区分气候变化与人类活动的水文水资源效应的贡献分值大多是通过水文模型来研究，分布式水文模型具有物理基础，结合 GIS 和 RS 技术，可以评估气候变化和土地利用/覆被变化的水文响应，是未来发展的趋势，但需要水文气象资料、土地利用资料以及土壤属性资料等，对于缺乏资料地区应用有困难，而目前水文模型的尺度转化问题并未得到较好的解决，且大多数情况均为假定气候变化和人类活动中的某一要素为静态要素，只将另一要素作为动态变化因素来考虑，因而只能得出单因子的水文水资源的效应，同时模型中一些参数值的确定也是现阶段研究中的难点问题。自 20世纪 90 年代以来，国内外生态水文学界提出了生态水文模式耦合理论的概念性框架，目前已有研究将生态模型的输出作为于水文模型的输入，如考虑生态环境变化对水文过程的响应，比如土地利用变化、植被覆被变化、土壤性质的变化对径流过程的影响等。本文采用一种简单的概念性生态水文模型，基于水量平衡和能量平衡原理，同时考虑气候变化和人类活动的作用，区分流域气候变化和土地利用方式改变在不同时段对径流量的影响。

　　1、 概念性生态水文模型原理

　　美国学者 Tomer 和 Schilling 等以美国 Iowa 地区的一个小流域为试验研究区，基于水量平衡和能量平衡的耦合分析，定性区分出流域在研究时段内气候变化和土地利用方式的改变对径流量的影响，以试验为基础建立概念性生态水文模型，应用于美国中西部地区四个高密度耕种农业流域，结果表明在气候变化较小的背景下，流域不同干旱期内土地利用方式的改变对相应时期内径流均具有不同显著程度的影响。

　　模型建立的基础是流域水量平衡原理和能量平衡原理：

　　

　　式中：PPT 为降水量（mm）；ET 为实际蒸散发量（mm）；Q 为流域出山口径流量（包括地表径流量和基流量）（mm）；D 为地下水深层蓄变量（mm）；△S 为土壤水变化量（mm）。流域在多年平均情况下，可忽略地下水深层蓄变量 D 和土壤水变化量△S，从而得出实际蒸散发量 ET：

　

　　采用 FAO-56 推荐的 Penman-Monteith 公式计算潜在蒸散发量 PET：

　　式中：Rn为植被表面净辐射量（MJ/m2d）；G 为土壤热通量（MJ/m2d）；D为饱和水汽压—温度关系曲线的斜率（kPa/℃）；g为湿度计常数（kPa/℃）；T 为空气平均温度（℃）；u2为在地面以上 2m 高处的风速（m/s）；es为空气饱和水汽压（kPa）；ea为空气实际水汽压（kPa）。

　　1.1 模型参数 Pex和 Eex

　　模型中认为实际蒸发量由其占降水量和潜在蒸发量的相对比例和时段决定，同时受土地利用状况、植被覆盖类型和农业管理方式等导致下垫面条件改变的因素的影响。在小流域内的降水量和潜在蒸散发量不会因下垫面条件的改变而改变，而在大流域内两者虽然会随下垫面条件的改变有一定的改变，但因为是受到间接的影响而改变程度较弱。

　　根据实际蒸发量受土地利用方式的不同影响而变化，定性区分气候变化和土地利用变化的两个参数，分别为 Pex和 Eex，Pex表示径流量占降水量的比例，Eex表示潜在蒸散发量与实际蒸发量之差占潜在蒸散发量的比例：

　　1.2 干旱期的划分及影响因素判定原则

　　根据降水过程线图选取降水序列中的极小值所在年份作为干旱年，相邻两个干旱年之间的时期，即为一个干旱期，整个研究期可划分为若干个干旱期，再以干旱期为基本时段建模并判断。

　　计算各个干旱期内 PPT、PET、ET 的平均值，进而计算各干旱期内的 Pex和 Eex值并将该点（Pex，Eex）点绘在 Pex~Eex平面坐标图上，用直线连接相邻两个干旱期的坐标点，根据两点间线段的斜率和走向确定出该相邻两个干旱期的后一个干旱期径流变化的主要影响因素，结合模型原理图 1，模型判断原则如下：

　　当线段斜率大于 0 时，表示径流变化主要由土地利用方式的改变引起：Pex和 Eex同时增加，表示土地利用方式为保护性耕作、多年生植物覆盖度减少和森林砍伐；Pex和 Eex同时减少，表示土地利用方式为多年生植物覆盖度增加和植树造林。

　　当线段斜率小于 0 时，表示径流变化主要由气候变化引起：Pex减少同时 Eex增加，表示 PPT/PET值随时间减少；Pex增加同时 Eex减少，表示 PPT/PET 值随时间增加。

　　当线段斜率等于 0 或∞时，即其与任意坐标轴平行，表示气候变化和土地利用方式引起径流发生等量级的改变。

　　2、 研究区概况

　　石羊河流域位于甘肃省河西地区东部，乌稍岭以西，祁连山北麓，地理位置介于东经 101°41′~104°16′，北纬 36°29′~39°27′之间。流域水系由发源于祁连山冷龙岭的诸支流组成，从西到东为西大河、东大河、西营河、金塔河、杂木河、黄羊河、古浪河和大靖河 8 条河流，8 条河流总产流量占全流域水资源的 93.9%，河流补给来源主要为大气降水和冰川积雪融水，其中冰川融水补给较小，仅占 3.6%。在 1953-2005 年间，8 条河流中大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河和金塔河 5 条河流的年径流量均呈现出不同程度的下降趋势且都存在变点年份，大靖河、杂木河和金塔河在 1959 年出现变点，古浪河在 1961 年出现变点，黄羊河在1964 年出现变点。

　　本文的研究区域为上述具有变点年份的 5 条河流所在流域，研究区域位于祁连山区内，该山区为高寒半干旱半湿润气候，海拔 2000~5000m，年均蒸发量为 700~1200mm，年均降雨量为 300~600mm，是流域的产流区。祁连山区在上世纪 50 年代后期，由于政策原因，森林破坏、草场过牧、毁林开荒现象十分严重。

　　该流域在 1977-1980 年间土地利用空间变化最大，流域上游的生态退化现象严重，形成一个以冷龙岭为中心向外扩散的生态退化区。随着上游人为活动加剧，水土流失严重，人们越来越意识到祁连山这片水源涵养林的重要性，1987 年祁连山成立省级自然保护区，1988 年成立国家级自然保护区，开始封山育林，森林草场资源开始得到有效保护和恢复。流域在 2002-2008 年间土地利用变化最小，以冷龙岭为中心的生态退化区消失。

　　3、 实例分析

　　3.1 数据资料

　　1） 资料来源

　　收集大靖河大靖峡水库、古浪河古浪、黄羊河黄羊河水库、杂木河杂木寺和金塔河南营 5 个水文站的年径流资料；收集石羊河流域内及周边地区 43 个雨量站的年降水资料和 14 个气象站的年气象资料。上述资料年限均为 1953-2008 年。水文站和雨量站资料来自甘肃省水文水资源勘测局，气象资料来自中国气象科学数据共享服务网，已经过三性审查，因而可直接用于计算分析。

　　2） 降水量、潜在蒸散发量计算

　　由石羊河流域内及周边地区雨量站的坐标位置及降水量值，基于 GIS 空间插值得出流域降水空间分布结果，统计五个子流域各自的面降水量序列。由各气象站的湿度、空气平均温度、风速和日照时数等气象数据及站点高程计算各气象站的逐年潜在蒸散发量，然后基于 GIS 插值得出各子流域潜在蒸散发量序列。

　　3.2 干旱期的确定

　　分别绘制上述 5 个子流域 1953-2008 年降水年际变化图，选取 1962 年、1972 年、1982 年、1991 年和1999 年作为各子流域共同的干旱年，划分的干旱周期为 1953-1962 年、1963-1972 年、1973-1982 年、1983-1991年、1992-1999 年和 2000-2008 年。

　　3.3 水文统计参数分析

　　5 个子流域的水文参数及统计参数有 PPT/PET、Q、Q/PPT、Pex和 Eex，计算出各个参数在各个干旱期内的平均值，表 1 表示出了 Pex与 Eex值：

　　

　　各子流域水文参数及统计参数在各个干旱期内的平均值随时间的变化关系如图 2 所示。图 2 表明各参数随时间呈现出不同程度的减少趋势。采用 Pearson 双侧检验法和 Spearman 双侧检验法作出各参数随时间变化的趋势性分析见表 2，结果表明大靖河、古浪河、杂木河和金塔河流域潜在蒸散发量 PET 随时间呈现显著性增加，5 条河流径流量 Q 的变化趋势与采用 Kendall 秩次相关检验法得出的分析结论一致。采用上述两种检验方法对 PPT/PET、Pex和 Eex的分析结论相同。

　

　　3.4 气候变化与土地利用方式区分结果

　　作出各子流域各个干旱期的(Pex，Eex)坐标点和相邻两个干旱期的坐标点间连线，如图 3 所示，由图 3 结合影响因素判定原则（图 1），得出各个干旱期各河流径流量变化的主要影响因素，如表3 所示，该表表明 1963-1972 年、1983-1991 年、2000-2008 年三个时期 5 条河流的径流变化主要受气候变化的影响，而在 1973-1982 年除大靖河、古浪河外，其余 3 条河流受土地利用变化的影响；在 1992-1999 年除黄羊河外，其余 4 条河流受土地利用变化的影响。因此，对 5 条河流而言，在整个研究时段内气候变化是其径流变化的主要影响因素，尤其在土地利用方式处于相对稳定的时期内气候变化的作用更为突出。

　

　　4、 讨论

　　马振梅等采用傅氏公式计算实际蒸发量，并结合水量平衡方程，对石羊河流域大靖河、古浪河、黄羊河和杂木河的各子流域气候变化和人类活动对径流的影响进行了区分，结果表明子流域降雨量减少，蒸发能力上升是导致径流下降的主要原因，气候变化对径流影响的贡献率在 64.5%~87.9%之间，人类活动对径流影响的贡献率在 12.1%~35.5%之间；王素芬采用 SWAT 模型对杂木河出山口径流进行了模拟，结果表明气候变化会导致径流量的改变，降水增加时出山口径流量增加；降水条件相同时，气温每增加 1℃径流量将减少 1.1%左右；李成六基于 SWAT 模型对金塔河流域的研究表明，气候变化对径流影响显著，年径流随着降水的减少和气温的增加而明显减少；李玲萍等的研究表明，石羊河流域径流量变化与区域降水量之间存在显著正相关，与蒸发量之间为显著的负相关关系，区域降水量和蒸发量对径流变化起主控作用，区域气候因子的综合作用是石羊河流域流量变化的根本原因。上述研究结论与本文的研究结论基本一致，说明概念性生态水文模型在石羊河流域是适用的。

　　文中由式（2）估计实际蒸散发量 ET，因忽略深层地下水蓄变量和土壤水变化量，会存在一些误差。但山区深层地下水蓄变量和土壤水变化量年际变化不大，因此该误差不会对结果的分析造成影响。Tomer 等提出的的概念性生态水文模型中未考虑冰雪融水对径流的补给，不适用于冰川补给占径流比例较大的流域。石羊河流域冰川融雪径流补给较少，仅杂木河冰川补给占径流比重为 1.4%，金塔河占4%，因此可以应用该模型。