人类活动与气候变化对东江流域径流变化贡献率定量分析*

赖天锃，张 强，张正浩，孔冬冬

(中山大学水资源与环境系∥华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室∥广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室，广东 广州510275)

人类活动与气候变化对东江流域径流变化贡献率定量分析*

赖天锃，张 强，张正浩，孔冬冬

(中山大学水资源与环境系∥华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室∥广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室，广东 广州510275)

通过弹性系数法及小波-神经网络模型对1959-2000年东江流域4个径流测站、28个降水测站、4个气温蒸发测站的径流、降水、气温、蒸发数据做系统分析与模拟，定量研究了气候变化及人类活动对东江流域径流量变化的贡献率。研究表明：① 1972年是东江径流变化的变异点，1972年后东江径流较1972年前增大；② 东江流域降水增加，蒸发减少，是导致东江流域径流量增加的重要原因，气候变化对东江径流增加的贡献率约为0.27-0.77；③ 人类活动主要通过土地利用方式的改变而改变产汇流过程，导致径流量变化，大型水库的建设是东江流域径流年内分配显著改变的重要驱动因素，人类活动对东江流域径流量变化的贡献率约为0.23～0.73，其影响从上游到下游呈减弱趋势。研究对于气候变化与人类活动影响下，东江流域水资源管理具有重要理论及现实意义。

径流量；弹性系数法；W-ANN模型；气候变化；人类活动；土地利用；东江流域

流域径流变化特征及成因一直是水文学、水利工程等领域备受关注的科学问题[1-3]。国际上许多河流的径流受自然因素及人类活动影响，从而导致流域环境发生重大变化，如勒拿河[4]、阿尔泽特河[5]、威拉米特河[6]。国内许多学者通过水文模型等手段对于人类活动及气候变化对河流径流的影响进行了分析。如Bao等通过VIC模型对海河流域径流量进行了分析，研究认为气候变化对海河径流变化的贡献率为58.5%(桃林口)、40.1%(张家坟)、26.1%(观台)[7]。Zhang等[8]通过弹性系数法对浑河和太子河径流进行研究，得出浑河径流变化的贡献率达到56.7%，对太子河的贡献率达到56.5%。Wang等[9]对黄河径流进行研究，得出人类活动对黄河径流变化的贡献率达到92.07%。

径流变化对河流的形态变化具有重要作用，且对于流域内供水具有重要意义。对于东江流域的径流变化，已经有许多学者对其进行了研究，如王兆礼等[10]认为降水与蒸发是影响流域径流系数的主要气候要素,植被覆盖变化间接影响径流系数。林凯荣等通过SCS月模型对东江流域径流量进行了分析，得出气候变化对径流变化的贡献率约为0.41-0.55[11]，但对人类活动影响径流的贡献率研究大多使用单一的水文模型或者单一的系数法进行计算分析，这样使得结果有一定的主观性，且不同方法得出的结果有一定的偏差。为提高贡献率的计算精度，本文将通过2种方法(弹性系数法和小波-神经网络模型(下文简称为W-ANN模型))对1959-2000年东江流域径流过程进行研究，通过两种方法之间的对比，与实际情况相结合，以期能够更全面、更客观地量化人类活动和气候变化对东江流域径流变化的贡献率，为流域水资源管理与水资源优化配置提供科学依据与技术支撑。

1 研究区域和数据

东江流域是珠江流域的主要子流域之一，全长562 km，集水面积约3.5万 km2，多年平均雨量为1 750 mm，多年平均水面蒸发量为1 200 mm[12]。发源于江西省寻乌县桠髻钵山，于增城区禺东联围东南汇入狮子洋。且东江流域肩负着河源、惠州、东莞、广州、深圳以及香港3 000余万人口的生产、生活、生态用水[13]。

数据来源于1959-2000年东江流域4个气温蒸发测站的气温蒸发月数据、风向月数据、光照月数据、相对湿度月数据、气压月数据，其中除了连平站缺失19590921-19620707的气压数据以外，各个类型的数据缺失比例不超过1.3%，对缺失数据的处理使用以下方法：缺失1～2 d数据的缺失值取临近天数的均值，缺失一段时间数据的缺失值取其他年份同期的均值[14]；28个降水测站的降水月数据；4个径流测站(博罗、岭下、河源、龙川)的径流月数据，没有缺测。使用泰森多边形法对气温蒸发测站、降水测站的数据进行插值计算，得出东江流域4个径流站点的降水、气温及蒸发数据。

2 研究方法

2.1 突变点检测方法

对于实测系列水文循环要素资料的变化趋势分析，需要通过物理及统计模型等多种方法检测其变化趋势，从自然和人为等多种驱动因子变异程度及其对这些变化的响应寻求对水文要素变化影响最重要的因子[15]。本文主要采用Mann-Kendall非参数秩次相关检验法(以下简称M-K)、有序聚类法以及滑动T检验法对东江流域的径流序列进行突变分析，不同的突变检验方法有不同的优势，通过多个突变检验方法对序列进行检测，可以使突变点的选取更为全面科学。

2.1.1 Mann-Kendall非参数秩次相关检验法(M-K检验) 与参数统计检验法相比，Mann-Kendall非参数秩次相关检验法更适用于非正态分布不完整或有少数异常值的资料。此外，与其他方法(信息二分割、R/S检验)相比，其优点在于检测范围较宽，人为因素较少，定量化程度较高[16,17]。

2.1.2 有序聚类法 由有序聚类推求最可能干扰点τ0，其实质是求最优分割点，使同类之间离差平方和最小，而类与类之间离差平方和较大。设序列xt(t=1,2,3…n)，可能分割点为τ，满足类与类之间离差平方和最大的，且超过了一定的显著性水平α，即为最可能变异点τ0[17]。

2.1.3 滑动t检验法 滑动t检验是通过考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变的一种统计方法。对某一时间序列的两段子序列，在假设它们所服从的正态母体方差相等的条件下，如果它们的均值差异(用统计量t来度量)超过了一定的显著性水平α，则可以认为两均值发生突变[18]。

2.2 通过弹性系数法估算气候变化对径流变化的贡献率

水平衡方程为

(1)

其中，P为降水量，在东江流域中，降水量=降水量，E为实际蒸发量，△S为水量变化量。

在长时间尺度下，△S近似于0，根据Budyko[19]和Fu[20]通过数学推理和其他分析方法对平均蒸发E，平均降水P，潜在蒸发E0的关系进行了空间分析，得出(2)式。

(2)

其中，m是一个模型参数，与植被类型、水力特性和地形有关[21]。

(3)

影响径流的气候因素(△Qclimate)主要是降水和蒸发[22]，因此对降水P和潜在蒸发E0取偏微分得到(4)式。

(4)

由(2)式、(4)式可得(5)式、(6)式

(5)

(6)

使用风向、光照、最高最低气温、相对湿度、气压等数据，通过PENMAN公式计算出各个子流域的潜在蒸发后，代入到弹性系数法公式就可以计算出气候变化对径流变化的贡献率。而人类活动对径流变化的贡献率与气候变化对径流变化的贡献率之和为1，因此可以推算出人类活动对径流变化的贡献率。值得注意的是，弹性系数法会由于降水和潜在蒸发的变化而导致最后结果的偏差[23]，因此需要其他方法和弹性系数法的结果综合分析。

2.3 通过W-ANN模型估算气候变化对径流变化的贡献率

(7)

(8)

(9)

3 结果与讨论

3.1 突变点检测结果

综合各方法对东江流域4个径流站点进行检测，结果显示岭下站、河源站所有方法检验均于1972年发生变异，滑动T检验方法和有序聚类法对博罗站和龙川站的检测结果为1972年，M-K趋势检验法对博罗站的检验结果年份为1972、1980、1985、1991，对龙川站的检验结果年份为1974、1976、1986。综合检验结果和东江流域实际情况，确定1972年为东江流域径流变异的时间点。1972年后各站的径流量均比1972年前各站的径流量增加(图1)。四个站点中河源站径流深变化最大，达到232mm，博罗站最小，只有114mm。尽管1972年后，四个站点对应子流域的降水增加，但根据谭莹莹等的研究[26]，东江的年降水、汛期和非汛期降水均未发生变异，因此东江流域四站点径流量的变异不是由于降水变化引起的。东江流域四个站点径流量于1972年发生变异的原因之一应当是枫树坝水库的建成，该水库(库容达到19.4亿m3)于1970年开始建造，于1973年完成，和四站点径流量变异时间相吻合。此外，相较于1959-1972年，1973-2000年的降水增加，蒸发减少，气温增加(图2)，说明气候变化也是东江流域径流变异的原因之一。

3.2 气候变化及人类活动对东江流域四站点径流变化的贡献率计算结果

使用弹性系数法对1959-2000年东江流域4个站点的径流量、对应子流域的降水量、蒸发量(图2)进行计算，得出东江流域人类活动对径流变化的贡献率，其中河源子流域的人类活动贡献率最高，达到0.72，而博罗子流域人类活动贡献率最低，为0.32(表1)。杨大文等指出，降水量增加，蒸发量减少，会导致气候贡献率被低估[23]，通过综合W-ANN模型分析，比对结果，结合实际情况得出更符合真实的结论。

为了增加贡献率计算的精度，并且更客观全面地评估气候变化及人类活动对东江流域径流量变化的贡献率，本文使用W-ANN模型对东江流域的径流量进行分析并和弹性系数法得出的结果进行比较分析。再使用不同的母小波对各个子流域的平均降水量、平均气温、平均蒸发量进行分解，求得分解出的母小波与原序列的相关系数R。选取R值最高的小波，最后得出结果为降水量使用Db3小波分解，气温使用Db9小波分解，蒸发量使用Db5小波分解(表2)。

图1 1959-2000年东江流域径流深时间序列Fig.1 Streamflow time series of the East River from 1959 to 2000

表1 弹性系数法所得气候变化及人类活动对径流变化的贡献率

Table1Thecontributionratetothechangeofstreamflowbyclimatechangeandhumanactivitiesbyelasticcoefficientmethod

子流域1959-1972年量值/mmPE0Q1973-2000年量值/mmPE0Q变化量/mm△Qhuman△Qclimate贡献率气候影响人类活动博罗16991214103517651166114977370 680 32岭下1692118899717531146116376900 460 54河源16861163935174511261167651660 280 72龙川16071143858165410981036711070 400 60

图2 1959-2000年东江流域降水量、气温、蒸发量Fig.2 Precipitation， temerature and evaporation of the East River from 1959 to 2000

表2 母小波决定系数表

Table2Analyticalstatementofdeterminationcoefficientofmotherwavelet

决定系数(R2)降水量气温蒸发量Haar小波0 8413490 9566470 936391Db2小波0 8706310 9856740 934357Db3小波0 876360∗0 9918380 935484Db4小波0 8741750 9924200 941934Db5小波0 8661970 9918360 945560∗Db6小波0 8574910 9917280 945075Db7小波0 8544080 9922880 942645Db8小波0 8589480 9930320 940694Db9小波0 8673550 993450∗0 940659Db10小波0 8735930 9933770 942407Sym2小波0 8706310 9856740 934357Sym3小波0 8763600 9918380 935484Sym4小波0 8506850 9912320 944326Coif1小波0 8428320 9853280 943552

*为对应变量中不同小波中的最大值

选定母小波后，使用1-8个层级对4个子流域的原数据(月数据)进行分解，并通过ANN模型将1959-1969年各气象要素分解量与径流量进行拟合。发现对于博罗站、岭下站、河源站，层级为3时拟合效果较好，龙川站则是层级1拟合效果更好，这是由于龙川站在上游，受到的影响类型相对较少，所以使用层级1的小波分解已经可以去除掉大部分的干扰影响。本文根据张正浩等[25]通过W-ANN模型对东江流域径流的模拟，转换函数选用Levenberg-Marquardt，隐含层数为10。通过对1970-1972年数据的率定，得出了4个子流域的W-ANN模型。Moriasi[27]等研究表明，NASH高于0.80，PBIAS绝对值小于10%，RSR小于0.50即表示水文模型对径流的模拟效果非常理想。由表3可以看出，龙川、岭下、博罗站各个系数模拟角度都非常理想，河源站点的模拟较差，这是因为河源站的取水口与新丰江水库非常接近，因此影响了模拟精度。相较于部分水文模型模拟的NASH系数，W-ANN模型模拟效果理想[28-30]。尽管峰枯值模拟效果一般(图3)，这是其他大多数水文模型同时存在的问题[7,31,32]，但是本文是使用长时间序列研究气候变化和人类活动对径流的影响，因此峰枯值模拟效果不佳对结果影响有限。综上所述，W-ANN模型在龙川、岭下、博罗站具有非常理想的模拟效果，在河源站具有较好的模拟效果(图3)。

可以发现，W-ANN模型的计算结果和弹性系数法计算所得的结果较为相近，再考虑弹性系数法在降水量增加，蒸发量减少的条件下，气候贡献率被低估，综合东江流域的气候社会条件可以看出，气候变化对东江流域径流量增加的贡献率约为0.28～0.78，从上游向下游大体呈增加趋势，约为0.22～0.72，其中河源站不符合该规律，气候变化的贡献率最低，人类活动的贡献率最高。

图3 1959-1972年东江流域径流小波神经网络拟合曲线Fig.3 Fitting curve of streamflow by W-ANN in 1959-1972

图4 1959-2000年东江流域W-ANN模拟年径流曲线Fig.4 Analog curve of streamflow by W-ANN in 1959-2000

表3 各水文站W-ANN模型检验参数表

Table3TestparameterofW-ANNatfourhydrologicalstations

项目年份博罗岭下河源龙川nash系数1959-19690 8770 8310 6700 8521970-19720 7870 8060 7540 887PBIAS(百分比偏差系数)1959-1969-3 5861 1271 166-4 7031970-1972-5 8643 874-2 665-6 931RSR(均方根-测量标准偏差比)1959-19690 3510 4120 5750 3841970-19720 4610 4410 4960 337

表4 W-ANN推算气候变化和人类活动影响径流贡献率表

3.3 气候变化及人类活动对径流变化的影响

3.3.1 气候变化对径流变化的影响 1973-2000东江流域的降水量增加，蒸发降低，气温升高，是导致东江流域径流增加的影响因子。通过对东江流域的降水、蒸发、气温与径流的关联度分析，东江流域气候变化对径流影响较大的因素是降水，蒸发和气温的影响较小(表5)，这和王渺林等认为东江流域气温的影响远小于降水的影响相同[33]。因此，降水增加是气候变化影响东江流域径流的重要因子。值得指出的是，东江流域径流的增加幅度达到10%～20%，增加幅度相较于东江流域降水量增加幅度(3%～4%)更大。因此，东江径流变化不仅是由气候变化引起的，人类活动也起到重要作用。

表5 东江流域气候要素与径流关联度及降水、潜在蒸发变化率

图5 东江流域汛期降水比例-汛期径流比例关系图Fig.5 The relationship between precipitation ratio and the streamflow ratio in flood season in the East River Basin

此外，河源子流域的气候贡献率偏低的原因是该流域的潜在蒸发变化率较小，因此河源子流域气候变化对径流变化的贡献率较小，人类活动对径流变化的贡献率较高。此外，河源站距离新丰江水坝较近，受到人类活动影响极大，前文中提到的W-ANN模型的拟合也由于人类活动的干扰低于其他站，因此河源站的径流变化的贡献率出现异常应当是由于人类活动导致的下垫面变化所导致的。由表5可得，东江流域降水变化量从上游往下游依次增加，降水与径流关系密切，因此东江流域气候变化对径流变化的贡献率从上游往下游大体呈增加趋势。

3.3.2 人类活动对径流变化的影响 人类活动对水文过程的影响主要发生在降雨落到地面后，通过蒸发、入渗、产流和汇流变化来影响水文过程[34]。因此，人类活动是通过改变土地利用方式及建造大型水利工程等影响流域径流[35]。1980-2000年东江流域园地、林地变化不大，但是耕地面积由6 044km2增加至6 850km2，城镇用地由37.9km2增加至739.8km2，草地面积由1 328km2减少至946km2[36]。城镇用地导致了不透水面积增加，耕地增加及草地减少导致流域滞水性能和透水性能变差，下渗量减少，使得流域内径流增加[11]。此外，由于我国城镇化速度加快，东江中下游人口增加较快，以惠州市为例，1990年惠州市人口为197.8万人，2000年惠州市人口为246.12万人[37]。人口增加使得需水量增加，减少了由人类活动导致的径流增加量，因此减小了人类活动对东江中下游径流量增加的贡献率。

相较于1959-1972年东江流域的汛期径流比例(汛期径流占年径流的比例)和汛期降水比例(汛期降水占年径流的比例)，1973-2000年东江流域汛期径流比例和汛期降水比例相关程度降低，且由汛期降水汇流而成的汛期径流比例减少(图5)，这是由于1959-2000年东江流域建造的大型水利工程的影响(1973年枫树坝电站水库建成以及1987年白盆珠水库建成，总库容达到31.6亿m3，总调节库容达到71.99亿m3)。大型水利工程改变了东江流域径流的年内分配，并且降低了径流与降水量的相关程度。

4 结 论

本文通过弹性系数法及W-ANN模型对1959-2000年东江流域4个径流测站、28个降水测站、4个气温蒸发测站的径流、降水、气温、蒸发数据进行分析，得出以下结论：

1) 通过M-K趋势检验法，滑动T检验法，有序聚类法对东江流域四个径流测站的年径流量进行分析，发现东江流域四个站点径流量均在1972年发生显著变异。1972年后东江流域的径流量显著增加。

2) 通过弹性系数法及W-ANN模型全面地对东江流域四个子流域进行定量分析，且综合东江流域的气候社会条件，得出气候变化对东江流域径流量增加的贡献率约为0.28～0.78，从上游向下游大体呈增加趋势，主要是由于降水增加，蒸发减少导致了东江流域径流增加，河源子流域的气候贡献率偏低的原因是该流域的潜在蒸发变化率较小；人类活动对东江流域径流量增加的贡献率约为0.22～0.72，主要是由于城镇化过程改变了东江流域的下垫面，使得不透水面积增加，下渗量减少，改变汇流过程，增加径流量。人类活动对东江流域径流量增加的贡献率从上游至下游减少，是由于中下游经济发展较快，人口大量聚集，使得需水量增加，减少了增加的径流量。

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Quantitative evaluations of fractional contribution of human activities and climate changes to the streamflow variations across the East River basin

LAITianzeng,ZHANGQiang,ZHANGZhenghao,KONGDongdong

(Department of Water Resources and Environment∥Key Laboratory of Water Cycle and Water Security in Southern China of Guangdong High Education Institute∥Guangdong Provincial Key Laboratory of Urbanization and Geo-simulation, School of Geography and Planning,Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

Precipitation, daily temperature and evaporation data from 28 meteorological stations and 4 evaporation stations, and daily streamflow data from 4 hydrological stations during 1959-2000 are analyzed by using the elastic coefficient method and the W-ANN model. Besides, construction of water reservoirs and land use changes are also considered in the analysis to investigate fractional contributions of climate changes and human activities as driving factors to streamflow variations. The results indicate that: ① the change point of the streamflow of the East River Basin occurred in 1972, the streamflow was larger after 1972 than before 1972; ② The increased precipitation and decreased evaporation resulted in the increase of streamflow. The fractional contribution of climate change to the increase of the streamflow is 0.27～0.77; ③ Human activities led to the increase of the streamflow via changes of land use. Meanwhile, the construction of water reservoirs or hydraulic facilities tends to modify the annual distribution of the streamflow significantly. The fractional contribution of human activities to the increase of the streamflow is 0.23～0.73 and the fractional contribution decreases from the upper to the lower East River basin. This research has theoretical and practical contribution to human knowledge of the driving factors behind streamflow variations and also to the scientific water resources management of the East River basin.

streamflow processes; elastic coefficient method; W-ANN; climate changes; human activities; hydrological modeling; East River basin

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.04.022

2015-07-01

国家杰出青年科学基金资助项目(51425903)；香港特别行政区研究资助局资助项目(CUHK441313)

赖天锃(1992年生)，男；研究方向：气象水文学；通讯作者：张强;E-mail: zhangq68@mail.sysu.edu.cn

P333.31

A

0529-6579(2016)04-0136-10