气候变异性和人类活动对渭河上游径流变化影响的定量评价外文翻译资料

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气候变异性和人类活动对渭河上游径流变化影响的定量评价

Yuan Guo bull; Zhijia Li bull; Mark Amo-Boateng bull;Peng Deng bull; Pengnian Huang

摘要随着全球和区域气候变化和人类活动的加剧，世界上一些河流，特别是干旱和半干旱地区的径流量显著减少。为了揭示在气候变化影响下的径流不同的变化特征，对影响因素进行检测成为近来流域水资源管理的重要研究工作。本文在位于中国渭河上游的两个集水区（巫山和舍塘）进行了气候变化和人类活动径流响应的调查研究。在确定影响径流变化的因素之前，采用Mann-Kendall检验来确定水文气候系列的趋势。另外，通过Pettitt测试和降水 - 径流双累积曲线法检测年度径流中的突变点。发现这两个流域在年径流量上呈现显著的减少趋势，并且在1993年发现径流的突变点。因此，变化前期和变化后时期分别定义为1993年前后。然后，在水文敏感度分析和水文模型模拟的基础上对气候变化和人类活动的径流响应进行定量评估。两者提供了类似的估算值，对变化后的平均年径流量在所考虑的集水区的百分比变化进行了分析。发现两个集水区年径流量的下降主要归因于人类活动，人为活动造成的减少百分比范围从59到77％。本研究的结果可为区域水资源和生态环境保护的开发利用和管理提供参考。

关键词 气候变化·人类活动·突变点·水文敏感度分析·水文模式

1介绍

径流变化可归因于气候，土地覆盖和流域内人类活动的综合影响。 随着全球气候变暖的加剧以及目前对水资源的过度开采，流量减少已出现在大量河流中（如张等2012a，王等2012，陈等2013）。 径流减少可能影响河流功能，并进一步引发严重的生态和环境问题。 因此，对影响径流变化的因素的调查最近引起了相当大的关注。

在过去的几十年中,由于气候变暖和区域降水的显著变化加上强烈的人类活动(如剧烈的农业和工业发展,水土保持项目和中国水利项目)(2010),我们更加重视评估气候变化和人类活动对径流变化的影响。陈等(2012)发现月径流系列突变点与珠江流域全年、冬季、夏季降水大致一致, 隐含降水变化对径流的变化有着巨大的影响。为了了解水文过程的突变点,Tu等(2012)利用似然比统计和施瓦茨信息准则(SIC)分析了月降水量和降水序列。同时, 在建设水利项目的流域也评估了人类活动对径流的影响。例如, 张等 (2012b) 研究了三峡大坝 (TGD) 对长江径流的影响。

为了进一步确定影响径流变化的主要因素,一些研究人员着重评估人类活动和气候变异性对径流的影响各占的百分比。由于在不同的地方其影响不一样, 通常在当地区域尺度上进行开展(盆地或分盆规模)。王等人(2010) 报告说, 在巴马西盆地(黄河流域),由于气候变化造成在1970年代，1980年代和1990年代径流量的变化率分别为89%、66%和56%。李等人(2009)指出, 在泾河支流黄土高原农业流域 1981–2000, 气候变化对地表水文过程的影响比土地利用变化更显著。Du等人(2011) 对中国郑水流域降水变化和人为因素进行了径流评估。发现突变点发生在 1990年,人类活动和降水变化影响分别贡献了53%和47%,1991–2003期间的流量发生了增大。Hao等人(2008)认为人类活动对主要河流地表径流减少的影响是 41.59%(1970年代)、63.77%(1980年代)和75.15% (1990年代)。Jiang等人(2011)定量分析了气候变异性和人类活动对华北罗哈河盆地径流的影响。Wang等人(2012) 得出结论:人类活动是造成淮河流域三个分流域 (滦河流域、潮河流域和漳河流域) 径流减少的主要原因。

对于某一流域,可以采取以下步骤来量化气候变异性和人类活动的影响。首先由标准统计方法决定突变点,例如Mann–Kendall(MK)趋势测试(肯德尔1975),Pettitt的测试 (Pettitt1979，基利等1998)或DDC方法(霍等2008), 并将变化前的期间视为基准期。因此, 将气候变异性和人类活动影响的时期与基准期分开。其次，采用应用方法, 量化出气候变化的影响。其余的影响,则归因于其他因素, 如人类活动(赵等2010)。

目前，已经发展出许多方法用于将气候变化和人类活动对径流的影响分开。然而,水文模型模拟方法历来是最广泛使用的。例如,张等(2012b)和范等(2010)利用土壤和水评价工具来测量自然和人为因素对辉发流域水循环的影响,江等(2011)应用了变渗能力模型在Laoha流域。以及基于月水量平衡模型 的相关研究等(如王等2009,2012) 的基础上进行。此外, 还开发了一些新方法, 并在许多地区广泛应用, 以估计气候变异性和人类活动对河流流动的影响。这些方法包括回归分析和水文逻辑灵敏度分析方法。例如, 田等(2009)和张等(2009) 采用回归分析的方法,估计人类活动对滹沱河和下西江盆地径流的影响。利用 Dooge 等(1999)开发的水文灵敏度法(2002),对径流中降水变化对蒸发能力的一阶效应进行了分析, 成功地用于评价水文循环中的气候变异性和人类活动的影响(如琼斯等 2006,赵等2010)。

黄河最大的支流渭河在黄河生态环境改善中发挥着重要作用。近年来，上游年径流量显著减少（王等2006,宋等2007,张等2009）。例如，通过比较1981-1990年和1991-2000年林加村测站获得的年径流量，发现下降了53.9％。径流急剧减少导致渭河流入黄河的径流量减少，从而影响黄河的生态环境。迄今为止，已有一些研究报道，近年来渭河流域上游的径流量急剧下降。梁等人（2012年）得出的结论是，上游径流的年际变化很大，因此在此期间（1960-2000）径流量的减少是显著的。王等人（2006）认为人类活动是20世纪80年代以来径流减少的主要原因，并且影响程度越来越大。然而，渭河流域上游气候变化和人类活动对径流变化影响的系统性量化尚未见报道。因此，本研究的目标是：（1）确定年径流量变化趋势和突变点;（2）用两种方法分离气候变化和人类活动对径流的影响。本文的组织结构如下：首先，对研究区域和数据源进行了简要描述。接下来，提供了所使用方法的详细信息。接下来是对结果的介绍，其中包括突变点的确定以及比较模型在估算气候变化和人类活动对径流影响的评估。最后，对研究进行讨论和给出结论。

2研究领域和数据

2.1 研究领域

渭河是黄河最大的支流,发源于海拔3485米的鸟鼠山脉以北,横跨818公里,流经甘肃和山西各省,最终流入黄河 (图 1)。渭河上游指临江村测站上的集水区，位于东经104.00°E至107.00°E，北纬34.25°N至36.25°N。流域面积为大约30,661平方公里。海拔在647至3635米之间。它的特点是半干旱的大陆性气候。 年平均气温9〜13℃，年降雨量315〜664毫米，主要发生在7,8,9月，占全年径流量的近60%-70％渭河。另外，研究区年平均蒸发量约为1400毫米。

由于严重的水土流失，过去30年来，许多水土保持项目已经实施。详细的水土保持措施包括梯田，翘水坝和造林（王等1994,马等2002）。 遗憾的是，除了一些背景资料显示自20世纪80年代中期以来水土保持项目的强度日益增强之外，没有关于流域历史土地利用的信息。 例如，1989年控制水土流失的比例高达23.9％，1996年则增加到31.4％（马等2002）。

2.2 数据

选择了巫山（1975-2007年）和舍塘（1972-2007年）测站，分别考察了巫山和舍塘流域的年径流量变化。同期日降水资料摘自水文年鉴（1975-2007，巫山站;1972-2007，盛唐站）。获取了巫山和舍塘水文站同期日径流系列。用于模拟潜在蒸散量的气象数据包括日平均气温，风速，相对湿度和日照。均来自中国气象局国家气候中心。但是，由于两个流域的地面观测资料无法获取。最近的观测站是在巫山流域以东约50公里处的华家岭气象站。同样，天水站的气象资料也适用于石塘河流域的模拟。联合国粮食及农业组织推荐的Penman-Monteith方程被用来计算潜在的蒸散发（Allen等1998）。

3方法

3.1趋势测试与变点分析方法

3.1.1 趋势检验

Mann-Kendall检验本研究使用基于等级的Mann-Kendall检验（肯德尔1975）检测水文气候系列的趋势。 该方法由世界气象组织推荐并被许多研究人员广泛使用（如张等2008,王等2011a，b），通常用于估计水文和气象时间序列中趋势变化的显著性。

对于时间序列，其中ngt; 10，标准正态统计量Z估计如下：

(4)

其中 t 是任何给定时间的范围。

图1 研究区域概况和水文气象站a渭河上游、b 巫山流域和 c舍塘

统计量 Z 服从标准正态分布。在10%显著性水平上, 如果|Z|gt;1.64，则说明变化趋势显著。同样, [Z] 的阈值可以达到 1.96 (在5% 的显著性水平) 和 2.58 (在1% 的显著性水平)。Z 为正值表示呈上升趋势, 为负则为递减趋势。采用pre-whitening技术 (岳和王2002), 消除了系列相关对 MK 检验的影响。

3.1.2 突变点分析方法

Pettitt的测试 Pettitt的测试（Pettitt 1979）是一种非参数度量方法，用于确定突变点的发生。 它已被广泛用于检测水文系列和气候系列的变化（如Verst-raeten等2006）。该方法将时间序列看作由和表示的两个样本。可以由以下公式计算Pettitt指数（Kiely等 1998）：

其中最大 对应于突变点年份

双累积曲线法 双倍累积曲线（DCC）双累积曲线（DCC）是一个变量的累积值与另一个相关变量的累积值在同时期的点绘图（Searcy和Hardison1960）。最近，降水和径流之间的DCC成为检测人为干扰造成的水文状况变化的有效工具（如霍等2008）。通常降水和径流之间的DCC是一条直线，曲线的梯度变化可能表明变量之间的原始关系已经被破坏。在本研究中, 将利用 DCC 来确定径流序列的突变点, 以及确认 由Pettitt 方法检测到的突变点。

使用趋势和突变点分析，径流系列可以分为变化前和变化后时期。因此，气候变化和人类活动对径流的影响可以通过使用以下方法来分离。

3.2 水文灵敏度分析方法

水文灵敏度可以描述为平均年径流量响应于年平均降水量和潜在蒸散量变化的百分比变化。 一般来说，流域的水量平衡可以描述为：

其中 为降水, 为实际蒸散量(AET), 为径流,而 是土壤蓄水的变化。长时间(即10年以上), 可以假设为零。

遵循Zhang等人开发的简单模型（称为张氏曲线）。（2001年）。

长期平均年 AET 可估计如下:

其中是潜在的蒸散量， 是与植被类型相关的植物可用水系数（张等2001）。公式的细节可以在张等 (2001) 中找到。在这项研究中，参数 通过比较方程式（6）和（7）中的长期年度AET来校准。。

降水和的扰动都会导致水分平衡的变化。因此，可以假设年平均径流量的变化可能是由气候变化引起的，这可以用下面的表达式来确定（Milly和Dunne 2002）：

气候代表了由于气候变化的影响引起的平均年径流量的变化。 和 分别表示年平均降水量和潜在蒸发量的变化， 和 分别表示径流对降水量和潜在蒸发量的敏感系数（Li等2007）

其中 是年平均干燥指数（等于PET / P）。

3.3水文模型模拟法

为了评估气候变化和人类活动对径流变化的影响，采用了基于水文模型重建天然径流的方法。 水文模型首先基于变化前期的观测径流进行校正，然后通过仅改变气象输入而不改变校准参数和考虑当地人类活动来重建变化后期的自然径流。

然后, 人类活动对径流的影响可以计算如下:

其中 表示由于人类活动的影响引起的平均年径流量的变化, 表示变化后时期观测到的年平均径流量; 表示变化后时期的重建年平均径流量。

在这项研究中，有限的信息和可用的数据集不能满足基于物理的水文模型的最低要求。相反，使用简单的集总水文模型来估计气候变化和人类活动对年径流的影响。

HBV模型（Seibert 1998, Abebe等2010）使用日降雨量，温度和潜在蒸发量作为输入来模拟日流量。 同时，模型采用蒙特卡罗方法进行自动校准（Seibert和Vis 2012）。

根据温度是高于或者低于阈值温度TT（℃），将降水模拟为降雪或降雨。融雪是用度日法计算的[方程（12）]。 融雪和降雨保留在积雪中，直到超过一定的比例。根据冻结系数CFR，在积雪层中的液态水重新冻结[方程（13）]。

其中， 表示融雪量， 表示度日因子，表示时间t处的日平均温度， 是阈值温度。

其中 表示积雪内的冷冻水量。 是一个系数。

根据土箱的含水量[SM（mm

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