气候变化和人类活动对河川径流变化定量分析方法

摘要

本发明公开了一种气候变化和人类活动对河川径流变化定量分析方法，收集流域内的水文气象资料、水资源评价数据以及人类活动资料，判断年径流过程的突变点，突变点之前为流域的天然期，突变点之后为流域的影响期，利用天然期的水文气象资料，采用水文模型率定模型参数，再利用全时段的气象资料重构整个天然径流序列，利用重构的天然径流与实测径流的差异，分析气候变化和人类活动对河川径流变化的贡献；本发明结合流域内的水文气象要素变化、土地利用变化和取用水等情况，将气候变化和人类活动对河川径流变化的二元归因分析，推广到了降水变化、气温变化、土地利用变化和取用水对河川径流变化的四元归因分析。

说明书

技术领域

本发明涉及水文水资源应用领域，具体涉及一种河川径流变化定量分析方法。

背景技术

河川径流是水文循环的核心环节，是地表水资源最重要的赋存形式，直接影响人类 的生存条件。然而，近几十年来受气候变化和人类活动等因素的影响，中国乃至全球很 多流域的河川径流都发生了显著的变化。最为明显的是，中国北方的海河、黄河和辽河 等河流的径流量呈现出了显著的下降趋势。以海河流域为例，1980-2008年的多年平均 径流量比1961-1980年的下降了四至七成。河川径流的锐减不仅对人类的生存条件提出 了严峻的挑战，成为制约经济社会可持续发展的瓶颈；同时也改变了流域内的生态环境， 成为扰乱生态系统平衡的关键因子。因此，科学准确地判断环境变化对河川径流的影响， 定量评估河川径流变化的原因，对于保障人类的可持续发展和推进生态文明建设具有十 分重要的科学意义和实用价值。

长期以来，气候变化和人类活动对河川径流的影响一直是水文学家和流域管理者关 注的热点话题。最初主要利用趋势分析和相关分析等方法来定性的评估河川径流变化的 原因。随着流域水文模拟技术的发展，水文学家提出利用水文模型重构天然径流的方法 来区分气候变化和人类活动对河川径流变化的贡献。然而，各种气候因子，例如降水和 气温的变化对河川径流变化的贡献分别是多少？此外，土地利用变化与流域内取用水对 河川径流的影响又是多少？对于这些问题都没有明确的答案。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种气候变化和人类活动 对河川径流变化定量分析方法，可准确定量地评估气候变化与人类活动对变化环境下的 流域水资源影响。

技术方案：本发明提供了一种气候变化和人类活动对河川径流变化定量分析方法， 包括以下步骤：

(1)收集流域内的水文气象资料(径流量、降水量和气温)、水资源评价数据(地 表水资源量、地下水资源量和水资源总量)以及人类活动资料(土地利用数据、取水量 和用水量)；

(2)分析流域内径流、降水、气温和取用水的历史演变规律和土地利用变化状况， 判断年径流过程的突变点，突变点之前为流域的天然期，突变点之后为流域的影响期；

(3)利用天然期的水文气象资料，采用水文模型率定模型参数，再利用全时段的 气象资料重构整个天然径流序列；

(4)利用重构的天然径流与实测径流的差异，分析气候变化和人类活动对河川径 流变化的贡献；

(5)利用径流对降水和气温的响应，分析气候变化中的降水变化和气温变化对河 川径流变化的贡献；

(6)利用水资源评价数据和实测径流的差异，分析人类活动中土地利用变化和流 域内取用水对河川径流变化的贡献。

优选的，步骤(2)运用Mann-Kendall方法来分析流域内径流量的历史演变趋势， 并得出年径流过程的突变点。

进一步，步骤(5)根据降水的变化和天然期的降水序列，假定降水量情景，再利 用水文模型来模拟径流序列，将水文模型模拟的径流序列与天然期的径流序列之差作为 降水变化引起的径流量变化；然后，根据气温的变化和天然期的气温序列，假定气温情 景，再利用水文模型来模拟径流序列，将其与天然期的径流序列之差作为气温变化引起 的径流量变化。

进一步，步骤(6)根据年径流的突变点，天然期和影响期水资源评价数据中年径 流之差表示气候变化与土地利用变化引起的径流量变化，扣除步骤(5)计算得到的气 候变化的贡献部分，剩余的则是土地利用变化引起的径流量变化；再根据人类活动引起 的径流变化量与土地利用变化引起的径流变化量之差，得到取用水引起的径流变化量。

有益效果：本发明结合流域内的水文气象要素变化、土地利用变化和取用水等情况， 将气候变化和人类活动对河川径流变化的二元归因分析，推广到了降水变化、气温变化、 土地利用变化和取用水对河川径流变化的四元归因分析。

附图说明

图1为气候变化和人类活动对河川径流变化的贡献分析示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施 例。

实施例：一种气候变化和人类活动对河川径流变化定量分析方法，包括以下步骤：

(1)基础资料收集：收集流域内的水文气象资料：径流量、降水量、气温；水资 源评价数据：地表水资源量、地下水资源量和水资源总量；以及人类活动资料：土地利 用数据、取水量和用水量。

(2)水文气象要素趋势分析：利用Mann-Kendall方法来检测流域内径流的历史演 变趋势，并分析年径流过程的突变点，具体的计算步骤为：

①给定原假设H₀，表示径流过程没有显著增加或者减少趋势；

②构造Mann-Kendall统计量UF_i，来检验原假设是否成立，其计算公式为：

${\mathrm{UF}}_i=\frac{S_i-E\left(S_i\right)}{\sqrt{\mathrm{Var}\left(S_i\right)}}(i=\mathrm{1,2},...,n)$

这里，

$S_k=\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{r}_i(k=\mathrm{2,3},...,n)$

$r_i=\left(\begin{array}{cc}+1,& x_i>x_j\\ 0,& x_i\le x_j\end{array}\right)(j=\mathrm{1,2},...,i-1)$

式中，x_i是总时段为n年的径流系列，x_j为i年之前各年的径流系列，i、k是年份， r_i是第i年径流x_i大于此前各年径流x_j的累计数，若x_i>x_j，则r_i值加1，否则r_i值不增 加，而秩序列S_k则是第1年到第k年r_i的累加；另外，S_k和S_i是相对应的，如果它服从 独立同分布且随机，则S_i的期望值和方差可由下式计算：

$E\left(S_i\right)=\frac{i(i-1)}{4}$

$\mathrm{Var}\left(S_i\right)=\frac{i(i-1)(2i+5)}{72}$

③给定一个显著性水平α，由正态分布表可以查的临界值U_α/2，当|UF_i|＜U_α/2时，接 受原假设，即径流变化趋势不显著；当|UF_i|＜U_α/2时，拒绝原假设，即径流变化趋势显 著；而且，UF_i＞0表示径流序列呈增加趋势，UF_i＜0表示径流序列呈减少趋势。

Mann-Kendall方法还能够用来检验径流系列的突变点，对于原始的径流系列 x₁,x₂,…x_n，按照逆序排列，即从后往前排，形成一个新的径流系列x_n,x_n-1,…x₁；重复上 述步骤，并定义UB_i＝-UF_i,i＝n,n-1,…,1，分别点绘UF_i和UB_i的曲线，如果径流系列的 上升或者下降趋势显著，两条曲线的交点即认为是原始系列的突变点。

在突变点之前的时期，河川径流没有发生显著的变化，将其称为天然期；在这一段 时期内，流域内的气候变化和人类活动不显著，没有对河川径流产生明显的影响，水文 循环和水资源系统仍然保持天然状态。突变点之后的河川径流量与天然期的相比发生了 显著的变化，将其称为影响期；在这一段时期内，流域内的河川径流量深受气候变化或 者人类活动的影响，或者两者的共同影响。

(3)径流序列重构：利用天然期的水文气象资料，采用水文模型率定模型参数， 并利用全时段水文气象资料重构天然径流序列，获得模拟径流量；水文模型参数的率定 以Nash-Sutcliffe效率系数(Nsc)最大和相对误差(Re)最小为目标函数：

$\mathrm{Nsc}=1-\frac{\Sigma {(Q_{\mathrm{obs}}-Q_{\mathrm{sim}})}^2}{\Sigma {(Q_{\mathrm{obs}}-{\bar{Q}}_{\mathrm{obs}})}^2}$

$\mathrm{Re}=\frac{R_{\mathrm{sim}}-R_{\mathrm{obs}}}{R_{\mathrm{obs}}}\times 100\%$

式中，Q_obs和Q_sim分别是观测和模拟的流量，是观测流量的均值；R_obs和R_sim分别是观测和模拟的总径流量。

(4)气候变化和人类活动对河川径流变化的贡献分析：如图1所示，影响期和天 然期相比，实测河川径流量的变化(ΔQ)主要由两部分组成，其中一部分是气候变化 引起的(ΔQ_C)，另一部分是人类活动引起的(ΔQ_H)。

ΔQ＝Q_oi-Q_on＝ΔQ_C+ΔQ_H

式中，Q_on和Q_oi分别是观测的天然期和影响期的河川径流量；则气候变化(η_C)和 人类活动(η_C)对河川径流变化的贡献为：

${\eta }_C=\frac{{\mathrm{\Delta Q}}_C}{\mathrm{\Delta Q}}\times 100\%,{\eta }_H=\frac{{\mathrm{\Delta Q}}_H}{\mathrm{\Delta Q}}\times 100\%$

在天然期没有显著的人类活动，利用天然期率定的水文模型参数反映的是流域的天 然状态，利用率定的模型和观测的降水、气温等可以重构整个时期的天然径流，它反映 在没有人类活动影响下流域的径流特征，则天然期和影响期的天然径流之差就表示气候 变化引起的径流变化(如图1所示)。

ΔQ_C＝Q_si-Q_sn

式中，Q_sn和Q_si分别表示重构的天然期和影响期的年平均天然径流量，则剩余部分 为人类活动引起的径流变化量，从而气候变化和人类活动对河川径流变化的贡献可以被 定量区分开来。

(5)气候变化对河川径流变化的贡献分析：主要体现在降水的变化和平均气温的 变化两个方面，他们引起径流变化的贡献分别为：

${\eta }_P=\frac{{\mathrm{\Delta Q}}_P}{{\mathrm{\Delta Q}}_P+\Delta Q_T}\times {\eta }_C$

${\eta }_T=\frac{{\mathrm{\Delta Q}}_T}{{\mathrm{\Delta Q}}_P+\Delta Q_T}\times {\eta }_C$

式中，η_P和η_T分别是降水变化和平均气温变化对径流变化的贡献；ΔQ_P和ΔQ_T分别 是降水变化和平均气温变化引起的径流变化量。

根据年径流的突变点，分析天然期和影响期降水(ΔP)和气温(ΔT)的变化，根 据降水的变化和天然期的降水序列，假定降水量情景：

P_hi＝P_ni+ΔP

式中，P_ni和P_hi分别表示实测的和假定的降水量序列，利用假定的降水量序列和率 定好的水文模型来模拟径流过程，将其与利用实测资料模拟的径流序列之差作为降水变 化引起的径流量变化：

ΔQ_P＝Q_ph-Q_pn

式中，Q_pn和Q_ph分别表示利用实测降水资料和假定降水资料模拟的径流量。同理可 以计算气温变化引起的径流变化量。

(6)人类活动对河川径流变化的贡献分析：人类活动主要体现在流域内取用水和 土地利用变化两个方面，则人类活动对径流变化的影响可以分成两个部分：

η_H＝η_L+η_W

式中，η_L和η_W分别是土地利用变化和取用水对径流变化的贡献。根据全国水资源评 价的数据，还原后的天然径流量已经消除了取用水的影响，只包含了气候变化和土地利 用的作用。则还原后的天然径流量的变化由气候变化和土地利用变化两部分影响：

ΔQ_R＝ΔQ_C+ΔQ_L

式中，ΔQ_R表示还原后天然径流的变化，可以由水资源评价数据直接计算；ΔQ_L表 示土地利用变化引起径流的变化。由于气候变化的贡献已经计算出来，则土地利用变化 和取用水对径流变化的贡献分别为：

${\eta }_L=\frac{{\mathrm{\Delta Q}}_L}{{\mathrm{\Delta Q}}_H}\times 100\%$

η_W＝η_H-η_L

如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本 发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在 形式上和细节上作出各种变化。