海河流域径流变异特征及其影响因素研究

韩 雁, 张士锋

(1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2.中国科学院陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101)

1 研究背景

径流变异特征及其趋势分析是进行流域水资源安全评估、水资源管理的基础。当前在气候变化和人类活动的共同作用下，地区径流显著减少引发的径流变异现象逐渐引起关注[1-2]，也演变为变化环境下的水文学理论研究方向[3-6]。20世纪90年代以来，中国北方地区各流域水循环规律发生了显著变化，其基本特征为降水量小幅减少的情况下，径流量减少却十分剧烈，由此引发的水资源危机对社会经济发展产生了十分严重的影响。

气候分区上属于半湿润的中国海河流域是中国重要的经济发展区域，在近十多年以来径流变异现象十分突出。产水量的减少也必然导致入海水量的锐减和生态环境恶化等问题。自2006年我国发布第一次《气候变化国家评估报告》以来，很多学者都把流域的径流变异归因于气候变化的作用[7-8]，后来发现仅靠气候因素的作用无法解释水文变异，因此出现了对人类活动共同作用的综合分析。从所掌握的文献来看，径流变异的研究方法均集中在水循环要素的变化机理和规律方面[9-10]，且我国各个重点流域的水文变异是学术界关注的重点，如对黄河流域水循环变异与生态需水变化特征[11]、渭河流域水文突变及其对气候变化的响应[12-14]、石羊河流域水文响应[15]、黑河流域径流变化[16]等水文变异研究。以上研究主要是定性地分析径流变化的规律和归因，缺乏具体的定量化研究，尤其缺少对径流变异在空间上的差异分析。关于气候变化与人类活动对径流变异影响的贡献率各占多少、这些贡献率如何随着空间或子流域发生变化等等都是亟待研究的问题。

海河流域的径流变化和径流变异引起了有关学者们的关注[17-19]。根据中国水利部第二次水资源评价结果[20]，海河流域1980-2000年系列比1956-1979年系列降水量减少11.5%，径流量减少30.1%，这是属于正常的降水-径流的非线性关系，还是下垫面产流机制发生了变化？为了探索这一问题，一些学者对海河流域的水文变异特征开展了有意义的研究，如土地利用对水循环变异的影响等，但是无法定量回答气候变化和土地利用的贡献大小及其在不同时间段的变化态势。流域的产流、汇流是水循环研究的核心内容，也是国内外水科学研究的重点，径流变异直接影响了流域的产汇流过程。径流变异的内在机理如何以及在不同时期是否发生变化，基于这些问题，本文提出分离变量法，并与Mann-Kendall法相结合，对海河流域的降水径流演变趋势与特征进行分析，首次定量解析了研究期不同阶段气候变化与人类活动对海河流域径流变异的贡献率，识别出各子流域不同阶段径流变异的主要影响因素，并延伸探索海河流域二级区的变异特征及其对全流域的贡献，为海河流域生态环境保护与水资源的可持续利用提供了科学支撑，对于实现海河流域经济社会的可持续发展具有重要意义。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究区概况

海河流域位于东经112°0′～119°48′，北纬35°0′～42°42′，东临渤海，西倚太行，南接黄河，北接内蒙古高原，包括北京、天津、河北大部、山西东部、山东和河南的北部以及内蒙古和辽宁的部分地区，流域集水面积为32.0×104km2，在我国经济社会的发展格局中占有十分重要的战略地位。海河流域水系图见图1。

图1 海河流域水系图

海河流域多年平均降水量为534.5 mm，河川径流量为214.9×108m3。20世纪70年代以前，海河流域水资源问题并不十分突出，进入20世纪80年代以来，由于社会经济的发展，人类社会取水量不断增加，缺水问题逐渐显现。目前，海河流域人均水资源占有量仅为250 m3，约相当于世界人均水资源占有量的3%，缺水问题十分突出。在近年来水资源开发利用量相对稳定的情况下，水资源短缺的主要原因是区域内水资源产水量减少，主要包括两个方面：一是气候变化原因，近年来气温升高，降水量比常年偏少；二是人类活动导致下垫面发生变化，在降水量小幅减少的情况下，河川径流量的减少却十分剧烈，即发生了径流变异现象。

2.2 研究方法

2.2.1 径流变异分析方法 产流过程是流域径流的形成过程，一个流域径流量既与地区降水量大小有关，也与下垫面的特征有关。通常情况下地区的地表径流量与降水量之间存在非线性关系，即降水-径流关系。由于受到人类活动与气候变化的影响，降水量和下垫面均会发生改变，由此造成下垫面对地表水的阻水性、吸水性、持水性和输水性等特征均产生了变化，进而导致径流量发生变异。由于下垫面和气候因子对流域径流变异的影响是相互独立的，因此本文构建分离变量法对径流变异进行定量分析。

径流量变化可由时段初的径流量减去时段末的径流量来表述，设时段初、时段末的径流量分别为R0和Rn，则径流量的变化量为：

ΔR=R0-Rn

=R(P0,G0)-R(Pn,Gn)

=R(P0,G0)-R(P0,Gn)+R(P0,Gn)-R(Pn,Gn)

=ΔRG+ΔRP

(1)

式中：P0和Pn分别为时段初和时段末的降水量，mm；G0和Gn分别为时段初和时段末的下垫面特征；ΔRP和ΔRG分别为降水因子和下垫面因子对径流变化的贡献，mm。

公式(1)表明，可采用分离变量的方法将径流变化量分解为两个部分，即由降水量变化和由下垫面变化而导致的径流变化量。

2.2.2 趋势分析方法 采用普通线性回归模型估计时间序列变化趋势，将年际水文变量因子和气候因子设为因变量，时间序列设为自变量，拟合公式为：

y=at+b

(2)

式中：y、a、b、t分别为拟合值、斜率、截距和时间(a)，a×10为10 a期气候倾向率，a为正表示变量y具有增大趋势，a为负表示具有减小趋势。

非参数Mann-Kendall(M-K)检验是评估变量趋势显著性的有效方法，在气象和水文的时间序列突变检测中被广泛应用[21]。对于给定的时间序列X=[x1,x2,…,xn]，将M-K秩累积量序列(Sk)定义为：

(3)

其中ri可表示为：

(4)

Sk的均值E(Sk)和方差Var(Sk)分别为：

(5)

(6)

将正时间序列统计量UFk定义为：

(7)

将时间序列逆转得到逆时间序列统计量UBk：

UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1)

(8)

由统计量UFk和UBk分别构成UF和UB曲线，当UF和UB两条曲线在置信区间内相交，若统计量超出置信区间，则其交点为突变点。

2.3 数据来源

本研究中海河流域1956-2000年水文资料来源于全国第二次水资源评价[22]，2001-2016年水文资料来源于《中国水资源公报》(1997-2016)[23]，相关气象站点的气候资料来源于中国气象数据网(http://data.cma/cn)。

3 结果与分析

3.1 海河流域径流变异

3.1.1 1956-2000年降水-径流关系变化结果与分析 本研究首先选取全国第二次水资源评价的1956-2000年的降水-径流关系作为研究对象，对其水文变异规律进行分析，同时根据公式(1)进行径流变异的分离变量分析，可以得到降水因子和下垫面因子对水文变异的贡献率。

由于我国第一次水资源评价的降水系列为1956-1979年系列，因此可将1956-2000年系列拆分为发生水文变异前、后的1956-1979年系列和1980-2000年系列。表1为1956-2000年海河流域不同时段年均降水量、径流量、入海水量以及径流系数数据。

表1 1956-2000年海河流域不同时段年均降水径流数据

1956-2000年期间海河流域降水-径流关系如下：

R=0.9375P-286.16 (r2=0.8464)

(9)

式中：R为流域天然年径流量，108m3；P为年降水量，mm。

由表1可知，1956-2000年的多年平均降水量为534.5 mm，径流量为214.9×108m3，径流系数为0.126。对发生径流变异的1980-2000年系列进行对比分析，得到这一系列的年平均降水量为499.9 mm，径流量为174.8×108m3，降水量比1956-2000年多年平均值减少了34.6 mm，径流量减少了40.1×108m3。将1980-2000年系列的年平均降水量代入公式(9)，得到相同产流条件下的年平均径流量应为182.5×108m3，所以由于降水量减少导致的径流减少量为32.4×108m3，由于下垫面变化导致的径流减少量为7.7×108m3。按照分离变量法计算，得到气候变化和下垫面改变对径流量减少的贡献率分别为80.8%和19.2%。

3.1.2 二级区径流变异结果与分析 海河流域从北到南可以划分为4个二级区，分别是滦河水系、海河北系、海河南系和徒骇马颊河水系(图1)。分别对这4个二级区1956-2000年标准系列进行降水-径流相关分析，得到以下拟合关系式：

R=0.2542P-86.834 (r2=0.7946)

(10)

R=0.2202P-55.755 (r2=0.8812)

(11)

R=0.4574P-154.320(r2=0.8099)

(12)

R=0.0916P-37.867 (r2=0.7755)

(13)

采取分离变量法分析，将1980-2000年的降水量分别代入公式(10)～(13)，计算得到各二级区在没有变异条件下的产水量，进而获得各二级区导致径流量减少的降水因子和下垫面因子的贡献率，结果见表2。

表2 研究时段海河流域各二级区径流量变异计算结果

表2结果表明，1980-2000年海河流域4个二级区的径流量均有所减少，减少量为(2.6～20.5)×108m3。径流量减少百分比最大的为海河南系，减少了21.3%；减少百分比最小的为海河北系，减少了13.9%。从贡献率方面分析，降水是径流量减少的主要因素，尤其是徒骇马颊河降水因子贡献率达到117.7%。主要因为徒骇马颊河流域土壤包气带厚度较小，径流量受降水量变化的敏感性较强，降水量的减少直接导致该区的地表径流量减小。下垫面对徒骇马颊河流域径流量减少的贡献率为-17.7%，即下垫面变化增加了该流域的径流量。同时根据有关研究成果[24]，1980-2010年海河流域三级区中除了滦河山区，徒骇马颊河流域建设用地面积增长最快，增加了12.21%，且水域面积也增加了4.32%，即人类活动使不透水面积增加，提高了对流域径流量的贡献，即下垫面变化对径流量增加起到了促进作用。

3.1.3 21世纪初期降雨-径流关系演变趋势 到了21世纪初期，海河流域的径流减少更趋明显。2001-2016年期间，年平均降水量为508.4 mm，平均径流量为130.7×108m3，比多年平均径流量减少了84.2×108m3。将2001-2016年期间年平均降水量数据带入公式(9)，如果下垫面条件没有改变，径流量应为190.5×108m3，说明由于气候变化的影响径流量减少24.4×108m3，占径流减少量的29.0%；同时可以求得这一时期由于下垫面的变化导致径流量减少59.8×108m3，占71.0%。

比较两个时段水文变异的特征发现，1980-2000年期间和2001-2016年期间的降雨-径流关系均发生了明显变化，两个时期的降水量和径流量均小于多年平均水平，但是降水和下垫面的影响程度却有明显区别，前一时期主导因子为降水，到了21世纪初期，由于下垫面产流环境的变化，人类活动影响对径流量减少的贡献率明显增大。

3.1.4 径流变异对生态环境的影响 海河流域由于径流量减少，直接影响了该地区的水资源供需平衡，对生态环境也产生了直接的影响。包括以下几个方面：

(1)径流变异对入海水量具有显著影响。近年来海河流域入海水量急剧减少，已经从多年平均的101.3×108m3下降到2016年的37.1×108m3，个别年份几乎没有水量入海。海河流域河川径流量和入海水量的变化态势及突变分析结果见图2。由图2可看出，由于降水和下垫面的改变，流域的入海水量在1956-2016年呈下降趋势。采用M-K突变检验分析，得到1956-2016年海河流域入海水量均值为85.7×108m3，突变发生在1970年(图2(b))。与河川径流量突变发生的1981年相比(图2(a))，提前了11 a。

图2 1956-2016年海河流域径流量和入海水量变化态势及突变分析

(2)径流变异对海河流域地下水的影响。由于水文变异，产水量减少，在近20年海河流域取用水量没有增加的情况下，流域历年地下水位连年下降。在南水北调中线工程通水以前，地下水位平均下降了20 m，导致河流干涸、水质退化，乃至于对华北平原的生态环境造成了极大的破坏。

3.2 海河流域径流变异影响因素分析

3.2.1 气候变化对径流变异的影响 气候变化导致海河流域的径流变异是相关研究学者的普遍认识[25]。但海河流域气候变化的事实及其对径流的影响程度还需要进一步验证。气候变化一般用气温和降水两个因子来表征。海河流域降水量可以用多年平均降水量进行分析，而气温则分别选用北京市和石家庄市两个城市的气温来表示。

1956-2016年海河流域各年代年均降水量和代表城市气温的变化趋势见图3。由图3可见，1956-2010年海河流域的降水量一直处于减少态势，由1956年的585 mm减少至2010年的491 mm，55 a内累计减少了94 mm，减少百分比为16.1%。但是从2010年开始降水量有所增多，最近的降水量甚至超过了多年平均降水量。

图3 1956-2016年海河流域各年代年均降水量和代表城市气温的变化趋势 图4 1956-2016年海河流域年降水量变化态势及突变分析

1956-2016年海河流域年降水量的变化态势和突变分析结果见图4。由图4可见，海河流域降水量在1956-2016年的61年中整体呈减少趋势，降水量气候倾向率为-13.3 mm/10a，利用Mann-Kendall趋势检验法对1956-2016年降水量的变化趋势进行检验，在可信度95%的显著性检验下，降水量减少趋势显著且突变发生在1967-1970年。相比径流量变化，降水突变的时间提前了大约10 a，表明径流量变化受到降水量变化的影响，但二者变化过程并不完全同步，受水利工程调蓄作用的影响，径流量发生突变的时间滞后于降水量突变时间。

对海河流域的典型站点气温计算结果表明，北京市和石家庄市的多年气温均值分别为12.25 ℃和13.47 ℃。研究时段内北京市和石家庄市年均气温变化态势及突变分析结果见图5。

图5 研究时段内北京市和石家庄市年均气温变化态势及突变分析

分析图5可知，1951-2016年期间北京市气温呈逐年升高趋势，气温的倾向率为0.39 ℃/10a；石家庄市1955-2015年年均气温变化与北京市类似，也有逐年升高的趋势，气温倾向率为0.32 ℃/10a；北京市和石家庄市两个站点的气温升高均通过了可信度为95%的显著性检验，北京市气温突变发生在1987年，而石家庄气温突变发生在1989年，均晚于海河流域径流量突变发生的时间，可以认为气温对径流变异没有影响。

3.2.2 人类活动对径流变异的影响 人类活动往往会造成地表植被覆盖和土地利用发生改变，影响了地表水循环与水文过程，导致水文径流发生变异。通过对1982-2013年海河流域NDVI指数与径流量变化过程的分析(图6)，发现NDVI指数在逐渐增大，尤其是林地面积增加，草地面积减少[25]，其中流域东南部林地面积增加最多，使得径流量减少。表2中海河流域二级区径流变异结果也表明，1980年后海河南系的径流量减少显著，这一结果也验证了随着NDVI指数的增加，尤其是林地面积的增加，使得区域水源涵养能力增强，植被的耗水量也增大，在降水量未增加的情况下地表径流量减少，使流域径流量呈减小趋势。

图6 1982-2013年海河流域NDVI指数与径流量变化过程

人类活动除了影响植被覆盖外，同时也使得区域耕地面积减少，工业、住宅、交通等用地面积在不同程度的增加。京津冀地区建成区面积由1985年1 081 km2增加到2012年3 348 km2，增加了2倍多。建成区面积增加虽然对径流量增加起到一定促进作用，但相对于整个区域而言所占的面积比例较小，且植被覆盖中的林地面积比例增加对径流的增加起到抑制作用。此外，人类活动对径流的影响还直接表现为水库对径流量的调节，水库的调蓄作用使得河川径流在时间分配上发生改变，尤其是在汛期的调节作用较非汛期要明显。因此，人类活动既有促进径流增加的方面，如不透水面积增加，也有抑制径流增加的方面，如林地面积比例增加。

4 结 论

(1)海河流域水文变异受到气候变化和人类活动共同作用，本文提出分离变量方法与Mann-Kendall法相结合，定量解析了1956-2016年不同阶段气候变化和人类活动对海河流域径流变异的贡献率，为流域生态环境保护与水资源的可持续利用提供了科学支撑。

(2)20世纪下半叶海河流域径流变异的主导因子是气候变化中的降水量，相比1956-2000年系列，在1980-2000年期间气候因子和下垫面因子的贡献率分别为80.8%和19.2%；21世纪初期水文变异仍然十分剧烈，但是径流变异主导因子已转变为由人类活动导致的土地利用变化，在2001-2016年期间气候因子的贡献率下降至29.0%，而下垫面因子的贡献率上升至71.0%。

(3)对1956-2000年海河流域4个二级区开展径流变异研究发现，在1980-2000年期间径流量变异百分比最大的为海河南系，减少了21.3%，最小的为海河北系，减少了13.9%。从贡献率方面来看，降水量减少是径流变异的主导因子，海河北系、海河南系、徒骇马颊河流域降水对径流变异的贡献率分别为98.9%、87.1%和117.7%；相比其他流域的径流变异，滦河水系受下垫面变化影响相对较大，达到30.2%。

(4)海河流域的径流变异对生态环境产生了不良影响，主要表现为入海水量显著减少，地下水水位埋深下降等。