水資源變異歸因分析的量化方法研究

水資源變異歸因分析的量化方法研究

資源變異的歸因分析方法近年來，由于世界氣候變化和人類活動頻繁，水文元素的統(tǒng)計規(guī)模發(fā)生了變化，降水和徑向流等水文事件的序列失去了原有的一致性。眾多學者在水資源變異檢測方面已作了很多有效工作,同時也有更多的學者開始關注造成水資源變異的各種要素及其貢獻率。因此,有必要對水文序列進行變異檢測的同時進行歸因分析,以掌握影響水資源變異因素的影響程度,從而有針對性地開展更廣泛的水資源規(guī)劃、開發(fā)利用與管理等研究。目前關于水資源變異的歸因分析,最常用的是利用水量平衡模型的分析方法。在IPCC第四次評估報告(AR4)中,開始采用氣候模式分離氣候自然變異與人為氣候變化引起的徑流變化;并用信號噪音比值進行評價人為因素和自然因素對徑流變化的貢獻。也有學者利用雙累積曲線、計算流域的降雨、徑流及氣溫距平值等方法,間接區(qū)分氣候變化和人類活動的影響。由于氣候的不確定性,關于氣候變化和人類活動對水資源的歸因分析,是近年來科學家們研究的難點和熱點,而目前大部分研究為定性或半定量分析。隨著氣候變化和人類活動對流域水文水資源影響的越來越劇烈,非定量研究已經(jīng)不能滿足要求,如何定量區(qū)分區(qū)域范圍內氣候變化和人類活動對流域水文循環(huán)和水資源形成過程的影響程度,越來越成為學者們關注的焦點。由于區(qū)域內的水文、土壤、植被等資料的不足,無法較好地滿足氣候水文模型的要求。而降雨和徑流資料,既比較容易獲得,也能直觀反映水資源變化。因此,本文采用基于降雨徑流關系的水資源變異歸因分析方法。該方法利用水文變異診斷系統(tǒng),在識別劃分基準期的基礎上,從表現(xiàn)水資源變化的徑流量和反應氣候變化的降雨量出發(fā),以具有一定物理成因的降雨-徑流關系曲線為基礎,定量區(qū)分影響水資源變異的各因素貢獻率大小。并對遼河區(qū)的烏力吉木仁河三級區(qū)進行實例分析,以驗證該方法的有效性。由于引起徑流、降雨等發(fā)生變化的因素較復雜,為便于說明,依據(jù)降雨徑流關系,將由降雨變化導致的徑流變化均定義為氣候條件的影響,而人類各種活動對徑流的影響統(tǒng)一定義為人類活動的影響。1降雨徑流關系曲線的差異由徑流形成原理可知,降雨與徑流之間存在著一定的相關關系。氣候變化和人類活動破壞了水文序列的一致性,反映在降雨徑流關系圖上則表現(xiàn)為變異前后降雨徑流關系不再是相同的關系曲線。降雨徑流關系曲線的這種差異,在一定程度上可反映出氣候變化和人類活動對降雨徑流關系的影響:相同降雨在變異前后降雨徑流關系曲線上所對應的徑流深差值就反映了人類活動對徑流的影響;而變異前后的降雨在同一條降雨徑流曲線上所對應的徑流深差值則反映了氣候條件變化對徑流的影響。因此,可以根據(jù)降雨與徑流序列的變異點將樣本起迄時間劃分為不同的階段,并建立相應的降雨徑流關系,通過比較不同氣候和人為影響條件下降雨產(chǎn)生徑流的差異,就可以定量區(qū)分氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻率。1.1趨勢變異、跳破系數(shù)和基準期確定對于水文序列的變異檢測,通常從跳躍和趨勢兩方面分析。水文變異診斷系統(tǒng)是一個綜合多種跳躍檢測和趨勢檢測方法的綜合診斷系統(tǒng)。由初步診斷、詳細診斷和綜合診斷三個部分組成。初步診斷引入Hurst系數(shù)對變異程度劃分等級。詳細診斷部分中,對于趨勢變異,采用基于線性趨勢相關系數(shù)的趨勢變異分級法和檢驗法、斯波曼(Spearman)秩次相關檢驗法和坎德爾(Kendall)秩次相關檢驗法對其進行判斷;對于跳躍變異,采用有序聚類法、Lee-Heghinan法、秩和檢驗法、滑動F檢驗法、滑動T檢驗法、游程檢驗法、最優(yōu)信息二分割模型、R/S法、Brown-Forsythe、MannKendall、Bayesian等(貝葉斯)方法進行判斷。最后,在綜合診斷中使用擬合效率系數(shù)來確定最終的診斷結果。利用水文變異診斷系統(tǒng)對年降雨和年徑流序列進行診斷,得到若干個變異點。由此劃分確定的基準期,既避免了單一檢測方法的不確定性,又比人為劃分基準期的方法更加合理可靠。如診斷結果為趨勢變異,則視變異程度,按不顯著的跳躍點進行基準期劃分。1.2人類活動因素對降雨徑流關系的響應假設年降雨序列未發(fā)生變異,年徑流序列發(fā)生跳躍變異,且僅一個變異點。基于降雨徑流關系的水資源歸因分析方法如下:設環(huán)境變化(氣候變化和/或人類活動)前降雨徑流之間的關系可以用函數(shù)R1=f1(P)表示,環(huán)境變化后降雨徑流之間的關系可以用函數(shù)R2=f2(P)表示。假設變異前的降雨和徑流為天然狀況下未經(jīng)任何干擾的情形,變異前實測降雨資料的均值為P軈1,變異后實測降雨資料的均值P軈2。依據(jù)環(huán)境變化前降雨徑流關系函數(shù)R1=f1(P),由P軈1插值得到R1;依據(jù)環(huán)境變化后降雨徑流關系函數(shù)R2=f2(P),由P軈2插值得到R2;其差值ΔR=R2-R1即環(huán)境變化前后造成的徑流變異總量。由于環(huán)境變化為氣候變化和人類活動綜合作用的結果,因此,ΔR=ΔRq-ΔRd,其中ΔRq表示由于氣候變化造成的徑流變異量,ΔRd表示由于人類活動造成的徑流變化量。依據(jù)環(huán)境變化前降雨徑流關系函數(shù)R1=f1(P),由P軈2插值得到R2′;依據(jù)環(huán)境變化后降雨徑流關系函數(shù)R2=f2(P),由P軈1插值得到R1′。因此,ΔRq=R2′-R1(或ΔRq′=R2-R1′)即表示由氣候變化而造成的徑流變化量,(ΔRd=R2-R2′或ΔRd′=R1′-R1)即表示由人類活動而造成的徑流變化量。該方法中的各值均來自降雨徑流關系曲線,而不是實測均值,由此得到的徑流變化量在一定程度上減弱了曲線擬合帶來的誤差,可以間接提高歸因分析的相對精度。于是,氣候變化因素對變異前后徑流變化的貢獻率為,人類活動因素對變異前后徑流變化的貢獻率為對于其他變異形式,如兩個變異點,則將整個序列長度分為三部分,第一時段為基準期,其余兩變異時段分別對比分析;如為趨勢變異,則選擇其非顯著跳躍點,按以上方法進行歸因分析。2無尾河流域5.4m烏力吉木仁河發(fā)源于赤峰市巴林左旗烏蘭壩西側山地,海拔1400m,全長498.5km。1986年以前,該河為無尾河。該流域受海洋氣候影響較小,屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)。流域北部位于大興安嶺余脈南麓,由于山地地形的影響,山區(qū)雨量多于平原區(qū)。與其他大部分流域不同的是,該流域的徑流量近年來出現(xiàn)了增長的趨勢。2.1hrt統(tǒng)計分析模型利用水文變異診斷系統(tǒng),對烏力吉木仁河三級區(qū)1956~2000年的年降雨序列和年徑流序列進行變異診斷。診斷得到:在第一信度水平α=0.05,第二信度水平β=0.01下,對應的Hurst系數(shù)置信限分別為Hα=0.688,Hβ=0.735,Hurst系數(shù)計算值H=0.630,0.5<H<Hα,診斷結果表明該流域的年降雨序列未發(fā)生顯著變異;而年徑流序列Hurst系數(shù)計算值H=0.800,Hβ<H,發(fā)生中變異,跳躍點為1984年,變異形式為跳躍上升。因此,選擇1956~1984年為歸因分析的基準期。2.2降雨徑流關系根據(jù)該區(qū)實測1956~1984年和1985~2000年的年降雨、年徑流資料,采用對數(shù)曲線擬合這兩個時段的降雨徑流關系,擬合結果為:(1)1956~1984年:P=129.57+104.68lnR,在相對誤差小于20%為合格的前提下,數(shù)據(jù)的合格率達到了82.76%,說明降雨徑流關系擬合良好。(2)1985~2000年:P=61.67+104.68lnR,數(shù)據(jù)的合格率達到了81.25%,說明降雨徑流關系擬合良好。擬合的降雨徑流關系曲線如圖1所示。2.3人類活動對烏力吉木仁河三級區(qū)徑流的影響烏力吉木仁河三級區(qū)1984年變異前后實測降雨的均值分別為:P1=358.68mm,P2=379.28mm。分別查其所在的降雨徑流曲線得:R1=8.92mm,R2=20.78mm,據(jù)此可以得出由氣候變化和人類活動共同作用所導致的徑流總變化量為△R=R2-R1=11.86mm。P2反應的是變異點1984年以后的氣候條件,則由P2查變異前降雨徑流關系曲線所得的R2′=10.86mm,為人類活動影響不顯著和現(xiàn)狀氣候(變異點1984年以后的氣候)條件下的徑流均值;由P1查變異后降雨徑流關系曲線所得的R1′=17.07mm,為人類活動影響顯著后和過去氣候(變異點1984年以前的氣候)條件下的徑流均值。同理,把R1看作人類活動影響顯著后和過去氣候(變異點1984年以前的氣候)條件下的徑流均值,把R2看作人類活動影響顯著后和現(xiàn)狀氣候(變異點1984年以后的氣候)條件下的徑流均值,則由氣候變化所導致的徑流變化量為ΔRq=R2′-R1=1.94mm(或ΔRq′=R2-R1′=3.71mm),由人類活動所導致的徑流變化量為ΔRd=R2-R2′=9.92mm(或由此,氣候變化對烏力吉木仁河三級區(qū)徑流增加的貢獻率為:人類活動對烏力吉木仁河三級區(qū)徑流增加的貢獻率為:計算結果表明,烏力吉木仁河三級區(qū)的徑流變化,約24%是由氣候變化引起的;約76%是由人類活動引起的。這說明人類活動對徑流的影響要遠大于氣候變化對徑流的影響。經(jīng)查閱相關文獻發(fā)現(xiàn),20世紀80年代中期以后,該流域上游山區(qū)森林植被遭到嚴重破壞。植被是影響流域調蓄機能的重要因素,植被量減少,流域調蓄能力降低,徑流系數(shù)增大,從而使得同等降雨條件下的徑流量增加。以上事實與本文所選的基準期分割年份、氣候變化與下墊面的影響貢獻率的結果一致。3方法的適用性和局限性(1)本文依據(jù)徑流形成原理,利用降雨徑流關系,提出了基于降雨徑流關系的水資源變異歸因分析方法,可以定量分解影響流域水資源量變異的各因素的貢獻率。所需資料容易獲得、操作方便,對于只有降雨徑流資料的地區(qū)具有較好的適用性。(2)將該方法在遼河流域的烏力吉木仁河三級區(qū)進行應用,結果表明,氣候變化對烏力吉木仁河三級區(qū)徑流變化的貢獻率為24%,而人類活動的貢獻率