气候变化及人类活动对地表径流改变的贡献率及其量化方法研究进展

引用本文

黄斌斌, 郝成元, 李若男, 郑华. 气候变化及人类活动对地表径流改变的贡献率及其量化方法研究进展[J].自然资源学报, 2018,33(5): 899-910
HUANG Bin-bin, HAO Cheng-yuan, LI Ruo-nan, ZHENG Hua. Research Progress on the Quantitative Methods of Calculating Contribution Rates of Climate Change and Human Activities to Surface Runoff Changes[J]. Journal of Natural Resources, 2018,33(5): 899-910 复制到剪切板

DOI:10.11849/zrzyxb.20170261

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气候变化及人类活动对地表径流改变的贡献率及其量化方法研究进展

黄斌斌¹, 郝成元^1,^*, 李若男², 郑华^2,³

1. 河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南焦作 454000

2. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085

3. 中国科学院大学,北京 100049

∗通信作者简介：郝成元（1969- ）,男,山东曹县人,博士,教授,主要研究方向为自然地理综合研究、土地利用/土地覆被变化。E-mail: haocy@hpu.edu.cn

第一作者简介：黄斌斌（1993- ）,男,安徽合肥人,硕士研究生,主要研究方向为3S理论技术与应用。Email: 1020372231@qq.com

收稿日期:2017-03-31 网络出版日期:2018-05-20

基金:中国科学院科技服务网络计划项目（KFJ-STS-ZDTP-03）; 国家重点研发计划项目（2016YFC0503401）

摘要

地表径流的变化受气候变化和人类活动的双重驱动力作用,定量评估气候变化及人类活动对地表径流变化的影响对水资源管理具有重大意义。论文以水文循环过程为主线,分过程阐述气候变化及人类活动影响地表径流发生变化的机制机理,对各种量化二者对地表径流变化贡献率的方法进行比较,然后分析全球部分流域气候变化和人类活动对地表径流变化影响的差异。研究结果表明：1）气候变化和人类活动参与水文循环的各个过程之中,不同水文过程中气候变化和人类活动影响地表径流变化的途径不同;2）不同量化方法的适用范围和条件不同,不同方法对同一流域的研究结果可能不一致;3）全球不同流域间气候变化和人类活动对地表径流变化贡献率存在明显区域差异。现阶段,综合多种突变检验方法有利于提高识别地表径流突变点的准确率;消除干扰因素（如气象水文等数据选取、模型方法参数设置和方法本身不确定性）有利于提高同一流域不同量化方法评估结果的一致性;如何更好地耦合基于物理的水文模型方法和基于数学的经验统计方法来量化二者对地表径流变化的贡献率是未来研究的重点。

关键词: 地表径流变化; 区域分异; 量化方法; 气候变化; 人类活动

中图分类号:P333;P339 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2018)05-0899-12

Research Progress on the Quantitative Methods of Calculating Contribution Rates of Climate Change and Human Activities to Surface Runoff Changes

HUANG Bin-bin¹, HAO Cheng-yuan¹, LI Ruo-nan², ZHENG Hua^2,³

1. College of Surveying and Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China

2. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Centre for Eco-Environmental Sciences, CAS, Beijing 100085, China

3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

Fund:Science and Technology Service Network Initiative, No. KFJ-STS-ZDTP-03; National Key Research and Development Programs, No. 2016YFC0503401.

Abstract

Surface runoff change is affected by climate change and human activities. Quantitative assessment the impacts of climate change and human activities on surface runoff changes is significant for water resources management. This paper analyzes the mechanism that climate change and human activities affect the change of surface runoff based on the process of hydrological cycle and compares the methods that separate the impacts of climate change and human activities. Then, the paper analyzes the differences of the contribution rates of climate change and human activities on surface runoff of some watersheds on globe. At present, integrating multiple mutation test methods is beneficial for improving the accuracy in identifying the abrupt change point of surface runoff. Eliminating the interference factors (such as the selection of meteorological and hydrological data, the parameter setting of model method and inherent uncertainty of methods) is of great significance to improve the consistency of the results of different quantitative methods. The key of future research is to find ways that could better couple the physical hydrological model methods and mathematical empirical methods to separate the impact of climate change and human activities on the change of surface runoff.

Keyword: surface runoff change; regional difference; quantitative methods; climate change; human activity

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水是生命的起源、地球的血液, 是人类生存不可或缺的重要资源, 地表径流是人类能够以较低的成本获得淡水的主要来源。地表径流变化受到气候变化和人类活动两大因素的共同驱动作用^[1]。不同年份间, 径流量变化受到年际降水量水平的影响, 降水较少的年份与降水较多的年份相比, 人类活动对地表径流变化的贡献率明显提高^[2], 人类修建的水利设施等对地表径流的年内分配也起到一定的调节作用。季节性尺度和年尺度上分离气候变化和人类活动对地表径流变化影响存在较大不确定性, 结果的精度和准确性无法验证^{[3, 4]}。年代际尺度上, 分离气候变化和人类活动对地表径流的影响可供借鉴的方法较多, 对流域的水资源管理有一定指导意义^[5]。因此, 本文针对气候变化和人类活动对地表径流影响的内在机制进行分析, 对5种在流域尺度上定量评估气候变化和人类活动对地表径流年际变化影响的方法进行比较（这5种方法都是依托长时间的水文观测数据, 探究地表径流量的年代际变化规律及其影响因子的影响程度）, 分析全球各大洲主要流域气候变化和人类活动对径流变化影响的区域差异, 旨在为更清晰地认知两过程如何影响地表径流提供参考。

1 气候变化和人类活动对水文过程的影响

气候变化和人类活动对地表径流的影响发生在流域水文过程的各个环节中。气候变化和人类活动通过影响降水、冰川和积雪融化以及改变下垫面等过程来控制流域的水量输入过程; 通过控制蒸散发和取用水量来控制流域的水量输出; 通过修建水利设施和跨流域调水等改变地表径流的时空分布。本文以流域水文过程的各个环节为线索, 分别论述各个环节中气候变化和人类活动影响地表径流发生变化的机制。

1.1 降水

降水是地表径流水量的主要来源。地表径流对不同降水量、降水频率以及降水强度响应的敏感性不同。单位时间内降水量越大, 降水频率越高, 降水强度越大, 产流量越大, 从降水开始到产生地表径流的时间就越短^[6]。不同气候带和土地覆被的降水产流效应不同, 苏忖安等^[7]通过模拟降水对亚热带阔叶林土壤坡面产流的影响后发现, 不同雨强下, 径流量与降水量之间的关系在时间上的变化趋势基本一致, 均呈现与对数函数类似的变化趋势, 径流量增速随降水时间增加不断减缓, 并最终达到稳定的变化趋势。透水性较好的草地其前期土壤含水量是影响其产流量的主要因子。植被覆盖度越大, 产流系数越小, 当植被覆盖度大于80%时, 其径流系数显著减小^[8]。

城市化、工业废气和汽车尾气的排放、秸秆焚烧等在区域尺度上会改变大气的温度和气溶胶厚度, 影响局部的大气环流过程以及太阳辐射的透射率和反射率, 间接影响降水的分布和形成。城市热岛效应可以对环境流场产生作用, 从而对降水过程产生影响。Shem等对亚特兰大两个不同时期的对流降水进行模拟发现, 城市化对对流降水具有明显的增强作用, 而且城市化发展速度越快, 其影响的程度越剧烈^[9]。工业废气和汽车尾气排放的气溶胶颗粒也会对城市降水产生影响。Ntelekos等^[10]的研究发现低浓度气溶胶抑制强对流降水, 高浓度气溶胶促进强对流降水。

1.2 冰川和积雪融化

IPCC第五次报告指出, 近百年全球平均气温上升了0.85 ℃。气温上升导致冰川和积雪融化的速率不断加快。天山地区的冰雪消融对地区的24条径流水量补给起到重要作用, 冰川融化对径流水量贡献率维持在3.5% ~ 67.5%之间, 冰川融雪对径流水量的贡献率维持在1.4% ~ 35.8%之间^[11]。喜马拉雅地区的冰雪消融是科西河重要的水量来源, 其中冰川融化对径流的年贡献率达到55%, 积雪融化对径流的年贡献率达到19%^[12]。到21世纪末, 由于冰川面积的下降, 冰川的贡献率将下降到31%, 而积雪融化的贡献率将上升到39%^[13]。冰川融雪是山区径流水量的主要来源, 在一些气候干旱的地区, 冰川融雪对径流水量的贡献率达到了30% ~ 50%, 在中国西北的黑河流域, 从1960年到2010年冰川消融面积达到了138.9 km^{2 [14]}。

1.3 下垫面截留

长时间高强度降水会导致水土流失和山地灾害等现象的发生, 可能会使下垫面发生变化, 间接改变地表截留能力并导致输入地表径流的水量发生变化。不同地表覆盖类型的土壤侵蚀对降水响应的敏感性存在差异, 相同降水条件下, 降水对耕地和草地的土壤侵蚀强于对森林和灌丛的土壤侵蚀^[15]。坡地开垦, 修建梯田和城市化等改变了流域下垫面使其降水截留和下渗能力发生变化。下垫面的截留包括冠层截留和地表截留两部分。冠层截留与灌草结构和物种丰富度, 枯落物的组成、厚度和分解程度以及洼地的大小和分布有关。灌草结构越复杂、丰富度越高, 空间分布越密集, 截留能力越强; 枯落物组成越复杂、厚度越大、分解程度越低, 截留能力越强; 洼地面积越大, 空间连接程度越高, 截留能力越强^{[16, 17]}。土壤的质地越松散, 孔隙度越大, 其对雨水的下渗能力就越强。坡地开垦降低了表面植被覆盖度, 使截留能力下降, 加剧土壤和养分流失^[18]。修建梯田能增加土壤入渗、拦蓄地表径流并减轻土壤侵蚀。其蓄洪补枯作用对保障河道的生态基流具有重要意义^[19]。城市化导致不透水面增加, 降低雨水的下渗能力, 使地区面临洪水的风险增大^[20]。

1.4 流域的蒸散发

蒸散发是水循环的重要组成部分, 是能量平衡中的重要支出项, 也是水量平衡的关键环节。蒸散发的改变与气温、空气湿度和风速等气候因子密切相关, Oki等^[21]通过对全球水资源和水文循环进程进行研究后发现全球的蒸发总量约为65.5× 10³ km³/a。Maestre-Valero等^[22]利用能量平衡模型对西班牙东南平原塞古拉河流域蒸发量的变化进行研究后发现, 由于气候变化的影响, 到2030年流域的水体蒸发量将比2000— 2004年这一时段高约3.3%, 到2060年将高约7.7%。Lecoq等^[23]的研究发现空气流动速率的提高明显加快热量交换速率并加快蒸发。Dye等^[24]研究发现, 在湿润地区, 植被的蒸腾速率与其叶面积指数保持线性正相关, 在干旱地区, 植被的蒸腾速率与叶面积指数之间关系可能变成曲线。通常, 气温升高会导致蒸发量提高, 但部分研究者发现气温上升会导致蒸发量下降, 即所谓的“ 蒸发悖论” 。丛振涛等^[25]通过对1965— 2005年中国317个气象站的蒸发皿蒸发情况进行分析后发现, 蒸发皿的蒸发量总体上呈下降趋势, 在1985年以前, 蒸发皿蒸发量下降主要是由于太阳辐射和风速降低所致, 1985年以后主要是由于气候变暖导致大气中饱和水汽压值下降从而抑制地表蒸发进程。

人类活动导致的城市扩张、植被退化和森林恢复活动等使下垫面的类型和性质发生变化。不同下垫面的蒸散发能力存在较大的差异, 按照其蒸发能力从大到小排序, 通常为湿地> 森林> 农田> 草地> 城乡用地> 未利用地^[26]。城市扩张导致不透水面增加, 同时由于建筑物遮挡, 导致空气流动速度下降, 城市热岛效应使地表的潜热通量下降, 不利于地表的蒸发^[27]。工业气体和汽车尾气的排放使大气中气溶胶厚度增加, 并在一定程度上降低了太阳辐射的透射率, 使到达地球表面的太阳辐射降低, 同时促使大气逆辐射增加^[28]。半干旱地区森林恢复在提高防风固沙和土壤保持等生态系统服务功能的同时, 由于植被蒸腾作用增强, 加剧水分消耗, 导致土壤水分减少和地下水位降低。

1.5 取用水

降水量的时空变化也会对农业灌溉产生影响, 区域降水量的下降会导致农作物灌溉需水量的增多。通过对近50多年来的澜沧江流域农业灌溉需水要求的时空变化进行研究后发现, 在不同的年份水稻灌溉定额的差距较大, 丰水年对灌溉水量需求较低, 平水年对灌溉水量需求较高, 干旱年对灌溉水量需求最高^[29]。高纬地区的气候变暖会进一步导致农业种植面积扩大和灌溉用水量增加, 如黑龙江的水稻种植面积从20世纪80年代的0.22× 10⁶ hm²上升到2007年的2.25× 10⁶ hm², 导致农业生产对水的要求大幅度提升^[30]。

人类的取用水活动主要包括生活用水和生产用水, 生产用水又分为工业用水和农业灌溉用水。利用CMIP 5模型对中国西北地区未来60 a的灌溉用水量进行模拟后发现, 农业灌溉用水量会在现在的32.75× 10⁶ m³的基础上再增加4.27× 10⁶ ~ 6.15× 10⁶ m^{3 [31]}。Oki等^[21]的研究认为全球的生活用水年取用量占总径流量的0.83%, 工业用水年取用量占总径流的1.69%, 灌溉用水年取用量占总径流的5.85%。

2 气候变化与人类活动对地表径流变化贡献的厘定方法

气候变化与人类活动对地表径流变化的贡献率在不同时间尺度和空间尺度上差异很大, 不同方法分离气候变化和人类活动对地表径流变化的影响存在一定不确定性, 同时不同方法适用范围和条件不同。消除不同方法存在的缺陷, 综合利用各种分离气候变化和人类活动对地表径流变化影响的方法, 有利于改善流域的生态环境和对流域水资源进行更好的管理。

2.1 突变点识别与基准期和人类活动影响期划分

基于水文模型的径流还原法、弹性系数法、幂指数连乘与多元回归结合法和累积斜率法要求准确识别地表径流突变位置, 依据突变点将突变位置前的时期划分为基准期（人类活动相对于气候变化对地表径流变化的干扰较小）, 将突变位置后的时期划分为人类活动影响期（气候变化和人类活动共同驱动地表径流发生变化）, 最后利用各种不同方法对气候变化和人类活动对地表径流变化的贡献率进行测算。常用的突变点检验方法包括Mann-Kendall突变检验法、Pettitt突变检验法、滑动t检验法、双累积曲线法等^{[32, 33, 34, 35]}。单个方法突变点检验结果可能不准确, 综合考虑多种突变检验方法的检验结果, 有利于提高识别突变点位置的准确性。情景模拟法不需要准确识别地表径流的突变位置, 其利用不同时期气象数据和土地利用数据两两自由组合的方法分离气候变化和人类活动对地表径流变化的相对贡献。

2.2 厘定方法

现阶段流域尺度下定量区分气候变化和人类活动对地表径流变化贡献的主要方法如下（表1）。

表1 气候变化和人类活动的水文效应定量厘定方法比较 Table1 Comparison of the quantitative methods for distinguishing the effects of climate change and human activities on hydrology

名称	优点与不足	适用条件	参考文献
基于水文模型的径流还原法	优点：1）可设置参数多; 2）产流模型经过长期检验, 精度较高不足：1）要求数据种类多, 精度高; 2）土地利用和土壤相关参数需要重新率定	1）年代际尺度上较长年时间序列的气象、水文和土地覆盖数据; 2）适合在流域尺度上实施; 3）地表径流在研究时间范围内发生突变; 4）模型相关参数本地化工作完成	[40-42]
弹性系数法	优点：1）具有一定的物理基础; 2）方法经多方验证, 可靠性较高不足：1）W参数需要重新率定; 2）潜在蒸发量的准确性难以验证	1）年代际尺度上较长年时间序列的气象、水文和土地覆盖数据; 2）适合在流域尺度上实施; 3）地表径流在研究时间范围发生突变; 4）弹性系数本地化筛选工作已完成	[43-46]
情景模拟法	优点：1）情景组合模式多; 2）更真实的物理基础不足：1）数据种类和精度要求高; 2）情景组合与理想状态存在一定差距, 影响最终结果	1）年代际尺度上较长时间序列的气象、水文和土地覆盖数据; 2）适合在流域尺度上实施; 3）不要求地表径流发生突变; 4）较长时间序列的人口和GDP数据	[37, 47-49]
幂指数连乘与多元回归结合法	优点：1）模型经多方验证, 模拟精度较高; 2）输入参数较少不足：1）没有物理基础; 2）指数和回归系数准确性难于精确	1）年代际尺度上较长时间序列的气象、水文和土地覆盖数据; 2）适合在流域尺度上实施; 3）研究时间范围内地表径流发生突变; 4）较长时间序列的人口和GDP数据	[50-51]
累积斜率法	优点：1）仅需气候时间序列数据; 2）使用累积量, 消除数据年际波动导致的误差不足：1）没有物理基础; 2）不能反映径流的水文变化过程	1）年代际尺度上较长时间序列的气象、水文数据; 2）适合在流域尺度上实施; 3）研究时间范围内地表径流发生突变; 4）适用于干旱和半干旱地区	[33, 52-53]

2.2.1 基于水文模型的径流还原法

依据径流的突变位置准确划分基准期和人类活动影响期, 然后利用基准期的气象、水文和土地利用数据率定水文模型参数。将人类活动影响期的气象数据输入到模型中还原出人类活动影响期无土地利用变化的天然径流量W_sim, 并计算人类活动对径流变化的贡献值Δ W_H和气候变化对径流变化的贡献值Δ W_C。并利用突变前后径流变化量Δ W_v, 分别计算二者的贡献率η _C、η _L^[26]。具体计算公式如下：

径流变化总量： $Δ W_{v} = W_{post} - W_{pre}$ （1）

人类活动导致的径流变化量： $∆ W_{H} = W_{post} - W_{sim}$ （2）

气候变化导致的径流变化量： $∆ W_{C} = W_{sim} - W_{pre}$ （3）

气候变化贡献率： $η_{C} = \frac{|∆ W_{C}|}{∆ W_{v}} \times 100 %$ （4）

人类活动贡献率： $η_{L} = \frac{| ∆ W_{H} |}{∆ W_{v}} \times 100 %$ （5）

式中：W_post为突变后时间段内实测多年平均径流量; W_pre为突变前时间段内实测多年平均径流量; W_sim为利用突变后气象数据输入模型中模拟仅在气候变化因素影响下的多年平均径流量。

2.2.2 弹性系数法

依据径流突变位置划分基准期和人类活动影响期。利用水量平衡公式并结合流域实际蒸散发公式, 利用基准期气象水文资料对公式中的参数进行率定, 然后利用人类活动影响期的气象资料和率定的公式来还原出人类活动影响期的地表径流量。最后利用公式计算出气候变化和人类活动对径流变化的贡献率^[36], 其中：径流变化量公式同式（1）; 气候变化和人类活动贡献率公式同式（4）、（5）;

气候变化导致的径流变化量： $∆ W_{C} = \frac{\partial W}{\partial P} ∆ P + \frac{\partial W}{\partial E_{0}} ∆ E_{0}$ （6）

人类活动导致的径流变化量： $∆ W_{H} = Δ W_{v} - ∆ W_{C}$ （7）

式中：系数 $\frac{\partial W}{\partial P}$ 和 $\frac{\partial W}{\partial E_{0}}$ 由基于Budyko假设的水量平衡方法公式计算得到; Δ P表示突变后时间段内多年平均降水量与突变前时间段内多年平均降水量之差; Δ E₀表示突变后时间段内多年平均潜在蒸发量与突变前时间段内多年平均潜在蒸发量之差。

2.2.3 情景模拟法

依据径流突变位置划分不同的时期, 对不同时期的气象数据和土地利用数据进行组合, 建立基于突变前时间段的气象数据和土地利用数据组合成的真实情景, 并模拟出无气候变化和人类活动影响下的天然径流量, 利用突变后时间段的气象数据和突变前时间段内的土地利用数据模拟仅在气候变化作用下的径流量, 利用突变前的时间段内的气象数据和突变后时间段内的土地利用数据模拟仅在人类活动作用下的径流量。设置4种情景：情景S1（突变前气候+突变前土地利用）、情景S2（突变前气候+突变后土地利用）、情景S3（突变后气候+突变前土地利用）、情景S4（突变后气候+突变后土地利用）。利用突变后时间段的气象数据和土地利用数据模拟出气候变化和人类活动双重因素作用下的模拟径流量, 并利用如下公式完成对气候变化和人类活动的贡献率计算^[37]：

$η_{C} = \frac{∆ W_{s 3} - ∆ W_{s 1}}{∆ W_{s 4} - ∆ W_{s 1}} \times 100 %$ （8）

$η_{L} = \frac{∆ W_{s 2} - ∆ W_{s 1}}{∆ W_{s 4} - ∆ W_{s 1}} \times 100 %$ （9）

式中：Δ W_s₁为情景1下多年平均径流量; Δ W_s₂为情景2下多年平均径流量; Δ W_s₃为情景3下多年平均径流量; Δ W_s₄为情景4下多年平均径流量。设置如上所示的情景组合将数据代入到模型中计算, 得到不同情景下的模拟径流量, 并计算贡献率。

2.2.4 幂指数连乘与多元回归结合法

利用幂指数连乘对突变前的地表径流、气温以及降水之间建立数学模型, 利用该模型模拟无人类活动影响仅在气候作用下的地表径流。径流突变后, 通过对土地利用变化的规律进行分析, 找出其中变化较大的一种或者几种土地利用类型, 并建立其与地表径流之间的线性回归关系。利用突变后的气象数据和土地利用数据并结合最小二乘法, 确定动态变化过程模拟模型中的权重系数^[38]。定量评价气候和土地利用变化对流域水文的影响过程, 具体公式如下：

气候变化导致的径流变化量： $Q_{1} = e^{α} ∙ P^{β} ∙ T^{γ}$ （10）

人类活动导致的径流变化量： $Q_{2} = aH + b$ （11）

气候变化和人类活动导致的径流变化量： $Q = m Q_{1} + n Q_{2}$ （12）

式中：P为降水; T为气温; α 、β 、γ 为需要率定的参数; H和区域人口有关; a、b为需要率定的参数; 权重系数m、n分别为气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。

2.2.5 累积斜率法

利用累积斜率变化率比较法区分气候和人类活动对径流量的影响, 通过绘制多年累积径流量、累积降水量和累积蒸发量曲线求出突变前后拟合直线的斜率, 分别计算累积径流量、累积降水量和累积蒸发量在突变前后的斜率变化率^[39]。并依据以下公式, 完成对气候变化和人类活动贡献率的定量区分：

$R_{pre} = α_{R - pre} Y_{i} + β_{R - pre}$ （13）

$R_{post} = α_{R - post} Y_{j} + β_{R - post}$ （14）

$P_{pre} = α_{P - pre} Y_{i} + β_{P - pre}$ （15）

$P_{post} = α_{P - post} Y_{j} + β_{P - post}$ （16）

$E_{pre} = α_{E - pre} Y_{i} + β_{E - pre}$ （17）

$E_{post} = α_{E - post} Y_{j} + β_{E - post}$ （18）

$K_{R} = \frac{α_{R - post} - α_{R - pre}}{|α_{R - pre}|} \times 100 %$ （19）

$K_{P} = \frac{α_{P - post} - α_{P - pre}}{|α_{P - pre}|} \times 100 %$ （20）

$K_{E} = \frac{α_{E - post} - α_{E - pre}}{|α_{E - pre}|} \times 100 %$ （21）

$η_{C} = \frac{K_{P +} K_{E}}{K_{R}} \times 100 %$ （22）

$η_{L} = 1 - η_{C}$ （23）

式中：Y_i表示突变前年份; Y_j表示突变后年份; R_pre、P_pre、E_pre分别表示突变前径流量、降水量和蒸发量; R_post、P_post、E_post分别表示突变后径流量、降水量和蒸发量; α _R_-_pre和β _R_-_pre分别表示突变前累积径流拟合直线的斜率和截距; α _R_-_post和β _R_-_post分别表示突变后累积径流拟合直线的斜率和截距; α _P_-_pre和β _P_-_pre分别表示突变前累积降水拟合直线的斜率和截距; α _P_-_post和β _P_-_post分别表示突变后累积降水拟合直线的斜率和截距; α _E_-_pre和β _E_-_pre分别表示突变前累积蒸发量拟合直线的斜率和截距; α _E_-_post和β _E_-_post分别表示突变后累积蒸发量拟合直线的斜率和截距; K_R为累积径流量斜率变化率; K_P为累积降水量斜率变化率; K_E为累积蒸发量斜率变化率。

2.3 厘定方法的不确定性

多种方法评估同一个流域气候变化和人类活动对地表径流变化的影响时得到的结论可能存在一致性或者互相矛盾的结果, 主要是方法存在不确定性。其中主要原因包括：1）不同研究的起止时间、选取水文站点的空间分布和数量不同^{[54, 55]}; 2）不同研究尺度和范围不完全相同, 有全流域、部分子流域和单一子流域之分^{[39, 56]}; 3）方法多为数学经验模型和半物理模型, 本身存在着一定的不确定性, 在气候变化与人类活动对地表径流变化的影响程度差异不显著时, 难于准确识别和划分^[5]; 4）气候变化和人类活动之间存在耦合效应。

3 气候变化和人类活动对地表径流影响的区域分异

不同流域气候变化和人类活动对地表径流变化的影响强度存在着明显的差异。通过对亚洲、北美洲、南美洲、非洲、大洋洲和欧洲部分流域气候变化和人类活动对地表径流改变的贡献率分析后发现, 总体上气候变化对地表径流变化的影响高于人类活动对地表径流变化的影响。

欧洲和大洋洲河流气候变化贡献率远高于人类活动对地表径流变化的贡献率, 气候变化的贡献率约为人类活动贡献率的3倍。欧洲西部河网密度大、水量充沛, 纬度较高, 太阳辐射提供的热量无法满足种植业的需要, 较适宜草场种植和发展畜牧业, 畜牧业对灌溉水量要求较低, 地区能源多样化, 流域中上游水电和水利设施较少, 较低的人口密度同样促使其对水量的需求较低^[57]。

南美和非洲河流气候变化贡献率稍高于人类活动对地表径流变化的贡献率, 两者的贡献率之差保持在10% ~ 20%之间。南美和非洲国家都是发展中国家, 人口密度大, 经济建设水平低。人口增加导致耕地面积扩张和森林覆盖率下降, 河流灌溉取水量增加和流域水源涵养功能下降; 巴西境内距离高速公路5.5 km以内96%以上的森林都被砍伐, 导致流域径流量增加、土壤侵蚀和水质恶化程度加剧, 亚马逊河上已有140座水库建成或者正在建造之中, 未来还计划修建428座水库^[58]。非洲的尼日尔河有27个大型水坝和5 000多个小型水坝, 这些水电水利设施的修建在改变地表径流时空分布的同时也会导致流域年总径流量下降^{[59, 60]}。

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	图1 气候变化和人类活动对全球部分流域地表径流变化的贡献^{[32, 39, 56, 63, 64, 65, 66]} 注：审图号为GS(2016)2945号。Fig. 1 Contributions of climate change and human activities to watershed surface runoff variation in some basins around the world

亚洲河流气候变化和人类活动对地表径流变化贡献率空间异质性较大, 与亚洲的纬度跨度大, 不同地区间的气候、经济结构和水平差异较大等因素有关。勒拿河、长江和湄公河流域气候变化对地表径流变化的贡献率高于人类活动。印度河、恒河和黄河流域人类活动对地表径流变化的贡献率高于气候变化^[61]。恒河流域面积超过100万km², 恒河沿岸超过4.07亿人口定居, 约占印度人口总数的三分之一, 流域肥沃的土壤是印度和孟加拉国农业经济的重要支撑, 该区农业采用大水漫灌方式灌溉, 水资源利用效率低^[62]。

4 总结与展望

量化气候变化和人类活动对地表径流变化的影响对于水资源的科学管理和利用意义重大, 现有方法在量化气候变化和人类活动对地表径流改变的贡献率方面仍存在不足。因此, 未来的研究需进一步强化：

1）不同方法在划分基准期和人类活动影响期突变位置时经常出现结果不一致的情况。针对不同流域水文站点空间分布和水文环境特征的差异合理选择最佳的方法组合有利于精准识别地表径流变化突变位置^[67]。

2）不同方法在量化同一流域气候变化和人类活动对地表径流变化影响的结果可能互相矛盾。主要与气象水文等数据的选取、模型相关参数的设置、方法本身存在的不确定性以及适用范围和条件有关。明确不同方法的限制因素, 提高模型参数率定的准确性, 综合不同方法的计算结果有利于对流域水资源进行更科学的管理^[5]。

3）基于物理的水文模型对数据的要求较多, 其结果科学性较强, 而基于数学模型的经验统计方法对参数的要求较低, 结果具有一定的可信度。如何更好地耦合这两种方法, 提高量化气候变化和人类活动对地表径流变化贡献率的准确性是未来的研究重点^[68]。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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... 不同年份间,径流量变化受到年际降水量水平的影响,降水较少的年份与降水较多的年份相比,人类活动对地表径流变化的贡献率明显提高^[2],人类修建的水利设施等对地表径流的年内分配也起到一定的调节作用 ...

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... 季节性尺度和年尺度上分离气候变化和人类活动对地表径流变化影响存在较大不确定性,结果的精度和准确性无法验证^[3,4] ...

2017

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... 季节性尺度和年尺度上分离气候变化和人类活动对地表径流变化影响存在较大不确定性,结果的精度和准确性无法验证^[3,4] ...

2017

0.0

... 年代际尺度上,分离气候变化和人类活动对地表径流的影响可供借鉴的方法较多,对流域的水资源管理有一定指导意义^[5] ...

... 3）方法多为数学经验模型和半物理模型,本身存在着一定的不确定性,在气候变化与人类活动对地表径流变化的影响程度差异不显著时,难于准确识别和划分^[5] ...

... 明确不同方法的限制因素,提高模型参数率定的准确性,综合不同方法的计算结果有利于对流域水资源进行更科学的管理^[5] ...

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, WANG W

, et al. Research on runoff, sediment and nutrients loss characteristics on soil slope of subtropical evergreen broad-leaved forest under artificial simulated rainfall. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(4): 25-32. ]

采用人工降雨方法,研究了不同降雨强度和坡度对亚热带阔叶林土壤坡面产沙产流及养分流失的影响。结果表明:(1)在不同降雨强度下,初始产流时间随坡度的增加趋于提前,随降雨强度的增大产流时间提前,降雨强度对初始产流时间的影响大于坡度变化的影响。(2)在同一坡度条件下,产流强度和平均入渗强度随降雨强度的增加而增加;曲线拟合的结果表明产流强度随时间遵循幂函数变化规律,而坡面入渗强度随时间呈对数函数变化。(3)不同降雨强度下,径流量随降雨历时的变化趋势基本一致,径流量均随降雨历时呈"增加—稳定"趋势,在整个降雨过程中,径流量随坡度的增加而增加,相同坡度下,径流量随着降雨量的增加而增加;降雨初始时刻,坡度对径流量的影响较小,而在降雨后期,降雨强度和坡度对径流量的影响较大;产流率与径流量的变化趋势相反,随降雨历时呈"降低—稳定"趋势,在整个降雨过程中,土壤产流率随坡度的增加而降低,在相同坡度下,产流率随着降雨量的增加而增加。(4)侵蚀泥沙量的变化特征表现为坡度越大,坡面侵蚀泥沙的流失量越大;泥沙侵蚀量随降雨历时的增加而增加,在降雨10min左右达到峰值;在相同坡度和降雨历时下,泥沙侵蚀量随降雨强度的增加而增加;不同坡度下的侵蚀泥沙量在峰值前后与产流历时均呈乘幕函数变化,不同坡度下侵蚀泥沙养分含量与产流历时间的关系均可用幂函数表达。(5)不同坡度条件下,泥沙量与侵蚀泥沙中养分的含量均存在不同程度的正相关关系,其中坡度为15°,20°和25°时,侵蚀泥沙养分含量与泥沙流失量间的相关性明显优于坡度为5°和10°时,说明侵蚀泥沙量的增加会引起泥沙中各类养分含量的增加效应,而不同坡度下的全磷与侵蚀量没有显著的相关关系(P0.05)。

... 不同气候带和土地覆被的降水产流效应不同,苏忖安等^[7]通过模拟降水对亚热带阔叶林土壤坡面产流的影响后发现,不同雨强下,径流量与降水量之间的关系在时间上的变化趋势基本一致,均呈现与对数函数类似的变化趋势,径流量增速随降水时间增加不断减缓,并最终达到稳定的变化趋势 ...

2012

0.0

王永磊, 李振, 景雪, 等. 均匀降雨条件下不同下垫面产汇流特性试验研究[J]. 中国农村水利水电, 2012(2): 38-41.

[WANG Y

, LI

, JING

, et al. Research on runoff-producing and flow concentration characteristics of different underlying surfaces under uniform rainfall conditions. China Rural Water and Hydropower, 2012(2): 38-41. ]

雨水产汇流过程受地表状况、降雨强度、降雨历时、土壤前期含水量等多因素的影响。试验采用SBS(屋面防水材料)、不透水地砖(人行道铺设材料)及草地3种不同下垫面材料,进行了多场模拟降雨试验。试验结果表明,透水性差的下垫面(SBS、不透水地砖),主要影响因素是雨强、历时,历时越长,雨强越大,径流系数越大。透水性较好的下垫面(草地),土壤前期含水量是影响产流量的主要因素。试验同时表明草地覆盖率大于80%,径流系数显著减小。经对试验数据进行回归分析,建立了一定条件下降雨历时径流系数,雨强径流系数,流量径流系数之间的函数模型。

... 植被覆盖度越大,产流系数越小,当植被覆盖度大于80%时,其径流系数显著减小^[8] ...

2009

0.0

... Shem等对亚特兰大两个不同时期的对流降水进行模拟发现,城市化对对流降水具有明显的增强作用,而且城市化发展速度越快,其影响的程度越剧烈^[9] ...

2009

0.0

... Ntelekos等^[10]的研究发现低浓度气溶胶抑制强对流降水,高浓度气溶胶促进强对流降水 ...

2012

0.0

... 8%之间^[11] ...

2016

0.0

... 喜马拉雅地区的冰雪消融是科西河重要的水量来源,其中冰川融化对径流的年贡献率达到55%,积雪融化对径流的年贡献率达到19%^[12] ...

2016

0.0

... 到21世纪末,由于冰川面积的下降,冰川的贡献率将下降到31%,而积雪融化的贡献率将上升到39%^[13] ...

2015

0.0

... 9 km^{2 [14]} ...

2006

0.0

卫伟, 陈利顶, 傅伯杰, 等. 半干旱黄土丘陵沟壑区降水特征值和下垫面因子影响下的水土流失规律[J]. 生态学报, 2006, 26(11): 3847-3853.

[WEI

, CHEN L

, FU B

, et al. Mechanism of soil and water loss under rainfall and earth surface characteristics in a semiarid loess hilly area. Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(11): 3847-3853. ]

Soil and water loss in the semiarid loess hilly area is influenced by many factors. In this study, fifteen experimental plots were established and located on the north-facing hill-slopes of Anjiapo catchment(35°35′N, 104°39′E) in Dingxi, Gansu province. Three replications (10°, 15° and 20° slope degree, separately) with the following five land cover types were investigated: cropland (Triticum aestivum L. cv Leguan), pastureland (Medicago sativa L.), shrubland (Hippophea rhamnoides L.), woodland (Pinus tabulaeformis Carr.) and grassland (Stipa bungeana Trin.). Surface runoff, erosion amount and initial soil water content were measured. Using partial correlation and analysis of variance (ANOVA), soil erosion and water losses influenced by rainfall features and earth surface characteristics were studied. Results showed some important facts as follows. Runoff rate has significantly positive relations with rainfall values, maximum 30min rainfall intensity and the product of these two factors. Erosion rate, however, is highly influenced by the product of rainfall and maximum 30min intensity, and has weak correlation with other rainfall features such as rainfall amount and average intensity. Land use type is the most vital factor which could reinforce or weaken the soil erosion and water loss. Slope steepness ranging 10°to 20°contributes nothing on runoff but erosion, and erosion rate increases obviously with slope steepness, especially from 15 degree to 20 degree. In general, cropland and pastureland with higher slope degree and severe human disturbance are very prone to occurrence of runoff and soil erosion. Furthermore, antecedent soil moisture in the surface layer (0～20cm) has a more significant positive correlation with rates of runoff and soil erosion than that in other layers.

水土流失是多种因素交互作用的结果，尤其在半干旱黄土丘陵沟壑区更具有典型性。选择定西市安家沟小流域(35°35′N, 104°39′E)为典型区域，在其阴坡中部布设了15个径流小区，包括5种土地利用类型（农田、牧草地、灌丛、乔木林、自然草地）和3个坡度（10°、15°、20°），进行径流、侵蚀和降雨前期土壤水分的测定。利用偏相关和方差分析等统计方法，研究了降水特征值及不同下垫面因子对水土流失的影响规律。结果表明，在黄土丘陵沟壑区：①径流量主要受降水量、最大30min雨强、以及降水量与最大30min雨强之积的影响。影响侵蚀量的决定性降水因子为降水量和最大30min雨强的乘积PI30与最大30min雨强，而与降水量、平均雨强的相关性较差；②坡度在10°～20°范围内的变化对径流量没有显著影响，而对侵蚀量有显著影响，在该范围内随着坡度的升高侵蚀量增加(尤以15°～20°范围内增加较快)；③土地利用类型是影响径流侵蚀的一个极其关键的因素。在坡度和土地利用类型双重作用下，以土地利用为主导因素，坡度作用次之。即在一定范围内，人为扰动强烈且坡度高的农田和人工草地最易遭受土壤侵蚀；④径流与侵蚀主要与表层0～20cm的土壤水分呈正相关关系，而与下部其他层次土壤水分无明显相关关系。

... 不同地表覆盖类型的土壤侵蚀对降水响应的敏感性存在差异,相同降水条件下,降水对耕地和草地的土壤侵蚀强于对森林和灌丛的土壤侵蚀^[15] ...

2007

0.0

王栋, 张洪江, 程金花, 等. 用灰色关联法分析重庆缙云山林冠截留量影响因素[J]. 水土保持研究, 2007, 14(6): 276-279.

[WANG

, ZHANG H

, CHENG J

, et al. Grey correlation analysis on factors influencing canopy interception in Jinyun Mountain in Chongqing. Research of Soil and Water Conservation, 2007, 14(6): 276-279. ]

... 洼地面积越大,空间连接程度越高,截留能力越强^[16,17] ...

2017

0.0

郝红敏, 路荣, 贾超, 等. 水蚀风蚀交错带黑沙蒿灌丛斑块种群结构及动态特征研究[J]. 西北植物学报, 2017, 37(4): 773-781.

[HAO H

, LU

, JIA

, et al. Structure and dynamic characteristics of shrub patch of Artemisia ordosica in the cross areas of wind-water erosion. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2017, 37(4): 773-781. ]

... 洼地面积越大,空间连接程度越高,截留能力越强^[16,17] ...

1986

0.0

郑世清, 王占礼, 陈文亮, 等. 坡地开垦对水土流失的影响[J]. 水土保持通报, 1986, 6(3): 55-56.

[ZHENG S

, WANG Z

, CHEN W

, et al. Effects of slope reclamation on soil and water loss. Bulletin of Soil and Water Conservation, 1986, 6(3): 55-56. ]

... 坡地开垦降低了表面植被覆盖度,使截留能力下降,加剧土壤和养分流失^[18] ...

2015

0.0

李娟, 高建恩, 张元星, 等. 黄土高原泾河流域梯田对河道径流及生态基流影响[J]. 水土保持通报, 2015, 35(5): 106-110.

[LI

, GAO J

, ZHANG Y

, et al. Effects of terrace on runoff and ecological base flow of Jinghe Watershed in Loess Plateau region. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2015, 35(5): 106-110. ]

摘　要： [目的]定量分析泾河流域梯田建设对河道径流、生态基流的影响程度,为流域梯田建设提供一定理论支撑。[方法]采用合作开发的嵌入梯田模块的SWAT（soil and water assessment tool）模型模拟河道径流量。[结果]嵌入梯田模块的SWAT模型在模拟河道径流时可满足模型模拟精度的要求;随着梯田面积增加,河道年径流量减少,生态基流保障程度提高,年、月生态基流不满足天数降低;梯田的年平均减流量为4.25×104 m3/（km2·a）;梯田具有蓄洪补枯作用,且对丰水期的调控效果高于枯水期,对河道生态基流的影响为：枯水期〉平水期〉丰水期。[结论]嵌入梯田模块的SWAT模型在该流域具有较好的适用性,提高流域内梯田面积是滞洪补枯的有效手段之一,在一定程度上保障了河道生态基流。

... 其蓄洪补枯作用对保障河道的生态基流具有重要意义^[19] ...

2013

0.0

... 城市化导致不透水面增加,降低雨水的下渗能力,使地区面临洪水的风险增大^[20] ...

2006

0.0

... 蒸散发的改变与气温、空气湿度和风速等气候因子密切相关,Oki等^[21]通过对全球水资源和水文循环进程进行研究后发现全球的蒸发总量约为65 ...

... Oki等^[21]的研究认为全球的生活用水年取用量占总径流量的0 ...

2018

0.0

... Maestre-Valero等^[22]利用能量平衡模型对西班牙东南平原塞古拉河流域蒸发量的变化进行研究后发现,由于气候变化的影响,到2030年流域的水体蒸发量将比2000#cod#x02014 ...

2017

0.0

... Lecoq等^[23]的研究发现空气流动速率的提高明显加快热量交换速率并加快蒸发 ...

2007

0.0

... Dye等^[24]研究发现,在湿润地区,植被的蒸腾速率与其叶面积指数保持线性正相关,在干旱地区,植被的蒸腾速率与叶面积指数之间关系可能变成曲线 ...

2008

0.0

丛振涛, 倪广恒, 杨大文, 等. “蒸发悖论”在中国的规律分析[J]. 水科学进展, 2008, 19(2): 147-152.

[CONG Z

, NI G

, YANG D

, et al. Evaporation paradox in China. Advances in Water Science, 2008, 19(2): 147-152. ]

It is now well established that the surface of Earth has,on average,warmed over the past 50 years. One expected consequence of this warming is that the air near the surface should be drier,which should result in an increase in the rate of evaporation from terrestrial open water bodies. However,lots of observations show that the rate of evaporation from open pans of water has been steadily decreasing all over the world over the past 50 years,and it is similar for the reference evapotranspiration. The contract between expectation and observation is called the evaporation paradox. Based on the data of 353 weather stations from 1956 to 2005,the trends in pan evaporation,air temperature and precipitation are obtained,and then the evaporation paradox and the relation between precipitation and evaporation are analyzed. The conclusions include:(1) in the past 50 years,the air temperature increased and the pan evaporation decreased,therefore the evaporation paradox actually exist in China;(2) the paradox is not consistent in space or time,for example,the pan evaporation in northeast and after 1980s increased with the increasing of air temperature;and (3) in the past 50 years,the precipitation and the pan evaporation exhibit contrary trend in rest areas.

State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

利用全国353个气象站1956-2005年的气象资料,系统分析了过去50年间蒸发皿蒸发量、气温及降水的变化趋势,重点对"蒸发悖论"在中国的规律进行分析,并研究了蒸发皿蒸发量与降水的长期变化趋势的关系。研究结果表明:(1)过去50年间,全国范围内气温增加显著、蒸发皿蒸发量呈下降趋势,总体上存在"蒸发悖论";(2)"蒸发悖论"具有空间上和时间上的不一致,表现在:随着气温增加,东北地区蒸发皿蒸发量呈上升趋势,20世纪80年代中期以后全国范围蒸发皿蒸发量呈上升趋势;(3)过去50年间,降水量变化趋势不明显,降水量与蒸发皿蒸发量变化趋势在空间分布上大体呈逆向关系。

... 丛振涛等^[25]通过对1965#cod#x02014 ...

2012

0.0

... 未利用地^[26] ...

... _L^[26] ...

2017

0.0

... 城市扩张导致不透水面增加,同时由于建筑物遮挡,导致空气流动速度下降,城市热岛效应使地表的潜热通量下降,不利于地表的蒸发^[27] ...

2017

0.0

... 工业气体和汽车尾气的排放使大气中气溶胶厚度增加,并在一定程度上降低了太阳辐射的透射率,使到达地球表面的太阳辐射降低,同时促使大气逆辐射增加^[28] ...

2010

0.0

顾世祥, 何大明, 崔远来, 等. 近50多年来澜沧江流域农业灌溉需水的时空变化[J]. 地理学报, 2010, 65(11): 1355-1362.

[GU S

, HE D

, CUI Y

, et al. Variations of agricultural water requirements in Lancang River Basin in last 50 years. Acta Geographica Sinica, 2010, 65(11): 1355-1362. ]

摘　要：利用澜沧江流域云南境内8个气象站1950s-2007年的逐月气象数据,现状作物种植、农业耕作、田间水分管理等资料,应用Mann-Kendall法和R/S分析法,探索50多年来流域区的干湿变化、农业灌溉定额转折变化趋势及分布规律。结果表明：年、季平均温度普遍地显著升高,降水量干季增加、湿季减少;大部分地区的参照作物腾发量ET0在年度及干、湿季都呈增加趋势,仅在流域中段大理、剑川、耿马的部分时段为减少,干湿指数大多数地区都是降低;水稻及农业综合灌溉需水定额从流域上游到下游逐渐呈减少、增-减并存到增加的趋势。气象因子、ET0、干湿指数、水稻灌溉及农业综合灌溉定额发生转折变异现象都集中在澜沧江中下段的耿马、思茅、景洪、勐腊等地,且时间系列的转折变异点在1960s-1990s的各个时期均有出现。水稻灌溉定额随纬度方向变化的相关系数为0.513,随海拔高程变化为0.610,最高值出现在维西,最低值为勐腊;农业综合灌溉定额受作物种植结构和水稻种植面积的影响较大,二者相关系数达到0.826,但其与纬度、海拔的变化规律不明显,最高值在大理,最低值在维西。灌溉定额在小范围内的多样性变化,表明在纵向岭谷特殊环境对地表水汽输送、气温和气流场分布等的＂通道-阻隔＂作用下,澜沧江河谷农业灌溉需水量时空变化的复杂性。

... 通过对近50多年来的澜沧江流域农业灌溉需水要求的时空变化进行研究后发现,在不同的年份水稻灌溉定额的差距较大,丰水年对灌溉水量需求较低,平水年对灌溉水量需求较高,干旱年对灌溉水量需求最高^[29] ...

2010

0.0

... 10⁶ hm²,导致农业生产对水的要求大幅度提升^[30] ...

2012

0.0

... 10⁶ m^{3 [31]} ...

2017

0.0

... 常用的突变点检验方法包括Mann-Kendall突变检验法、Pettitt突变检验法、滑动t检验法、双累积曲线法等^{[32,33,34,35]} ...

2012

0.0

... 常用的突变点检验方法包括Mann-Kendall突变检验法、Pettitt突变检验法、滑动t检验法、双累积曲线法等^{[32,33,34,35]} ...

2012

0.0

... 常用的突变点检验方法包括Mann-Kendall突变检验法、Pettitt突变检验法、滑动t检验法、双累积曲线法等^{[32,33,34,35]} ...

2016

0.0

... 常用的突变点检验方法包括Mann-Kendall突变检验法、Pettitt突变检验法、滑动t检验法、双累积曲线法等^{[32,33,34,35]} ...

2014

0.0

... 最后利用公式计算出气候变化和人类活动对径流变化的贡献率^[36],其中：径流变化量公式同式（1） ...

2012

0.0

梁国付, 丁圣彦. 气候和土地利用变化对径流变化影响研究——以伊洛河流域伊河上游地区为例[J]. 地理科学, 2012, 32(5): 635-640.

[LIANG G

, DING S

. The impacts of climate and land use changes on the runoff effects: Case in the upper reaches of the Yihe River, the Yiluo River Basin. Scientia Geographica Sinica, 2012, 32(5): 635-640. ]

This paper investigated the climate and landuse changes in the upper reaches of the Yihe River since the 1980s. Based on the field investigation, remote sensing and GIS technology, the distributed hydrological model, SWAT (the Soil and Water Assessment Tool) model, was constructed for the studied basin. The results showed that: in the study area, woodland was the dominant landuse type. In 1987-2008, the area of woodland, pond and construction land increased, while the area of the grassland, river and unused land decreased. The area of arable land increased at first, then reduced. Since the 1980s, landuse changes led to the annual average runoff decreased at different stages. From the 1980s to the 1990s, climate changes caused the annual average runoff to decrease, while increase after 2000. All these had a close relation with the annual average precipitation, which was low in the 1990s and increased after 2000.

Institute of Natural Resources and Environmental Science Research, Henan University; College of Environment & Planning, Henan University, Kaifeng, Henan 475001,China

在实际调查基础上,利用遥感和地理信息系统技术,分析伊洛河流域伊河上游地区气候和土地利用变化对径流变化的影响。结果显示,在研究区域中,林地面积最大,1987~2008 年,林地、库塘和建设用地面积持续增加,草地、河流和未利用地面积持续减少,耕地面积则先增加后减少。20 世纪80 年代以来,土地利用变化在不同阶段都使得年平均径流量减小;80~90 年代,气候变化使得年平均径流量减小,而90 年代到2000 年以后,气候变化使得年平均径流量增加,这与90年代年平均降水量减少,而2000 年以后年平均降水量增加密切相关。

... 利用突变后时间段的气象数据和土地利用数据模拟出气候变化和人类活动双重因素作用下的模拟径流量,并利用如下公式完成对气候变化和人类活动的贡献率计算^[37]： ...

2016

0.0

柏玲. 气候变化对天山南坡典型流域径流过程的影响 [D]. 上海: 华东师范大学, 2016.

[BO

. Climate Change and Its Impacts on Runoff Process for Typical River Basin in the Southern Slopes of Tianshan Mountains. Shanghai: East China Normal University, 2016. ]

全球气候变暖已经成为一个不争的事实,以气候变暖为主要特征的气候变化影响最直接和最重要的领域之一就是水资源,而作为干旱区的新疆地区以山、盆相间地貌格局为特点,对气候变化尤为敏感,气候变暖加剧了水循环过程,使得这一特殊地区的气候变化更为复杂,加剧了该地区内陆河流域水文水资源的不确定性。因此,加强干旱区典型流域气候变化及其对径流过程的影响评估,预测未来气候

... 利用突变后的气象数据和土地利用数据并结合最小二乘法,确定动态变化过程模拟模型中的权重系数^[38] ...

2016

0.0

... 利用累积斜率变化率比较法区分气候和人类活动对径流量的影响,通过绘制多年累积径流量、累积降水量和累积蒸发量曲线求出突变前后拟合直线的斜率,分别计算累积径流量、累积降水量和累积蒸发量在突变前后的斜率变化率^[39] ...

... 2）不同研究尺度和范围不完全相同,有全流域、部分子流域和单一子流域之分^[39,56] ...

2006

0.0

王国庆, 张建云, 贺瑞敏. 环境变化对黄河中游汾河径流情势的影响研究[J]. 水科学进展, 2006, 17(6): 853-858.

[WANG G

, ZHANG J

, HE R

. Impacts of environmental change on runoff in Fenhe River Basin of the middle Yellow River. Advances in Water Science, 2006, 17(6): 853-858. ]

Runoff in many rivers in China have presented decreasing trend over the past decades. How to identify the effects of climate change and human activities in the trend variation are a current hot topic,a difficulty problem as well. An assessment method to quantitatively distinguish the effects of climate change and human activities was put forward in the paper. SIMHYD rainfall runoff model was briefly introduced and calibrated with "natural" hydro-meteorological data in Fenhe River basin. Based on simulation of natural runoff in human-disturbed period with hydrological model,causes of runoff variation were analyzed. And results show that SIMHYD rainfall runoff model has good performance for natural monthly discharge simulation. On average,35.9% and 64.1% of total annual runoff reduction from 1970-1999 were induced by climate change and human activities respectively. Human activities are main reasons of runoff reduction in Fenhe River basin.

20世纪70年代后我国许多河流的径流量呈下降的趋势.在这些趋势变化中,如何区分人类活动及气候变化的影响是当前流域水文研究的热点和难点.提出了区分人类活动和气候变化影响的分析思路以及定量计算方法.介绍了SIMHYD概念性降水径流模型,并应用黄河中游汾河流域"天然"时期的水文、气象资料率定了模型参数,通过水文模拟还原了人类活动影响期间的天然径流量,进而分析了汾河流域径流情势的变化原因.结果表明:SIMHYD降水径流模型对汾河流域天然月径流过程具有良好的模拟效果;就1970-1999年的平均状况而言,气候因素和人类活动对径流的影响量分别占径流减少总量的35.9%和4.1%,人类活动是汾河流域径流减少的主要因素.

2008

0.0

2007

0.0

陈利群, 刘昌明. 黄河源区气候和土地覆被变化对径流的影响[J]. 中国环境科学, 2007, 27(4): 559-565.

[CHEN L

, LIU C

. Influence of climate and land -cover change on runoff of the source regions of Yellow River. China Environmental Science, 2007, 27(4): 559-565. ]

采用2个分布式水文模型(SWAT和VIC)分析了1960～2000年黄河源区气候变化和土地覆被对径流的影响.分析表明,气候变化是径流减少的主要原因,20世纪90年代以前,土地覆被变化对径流影响很小,气候变化对径流的影响在95%以上.70～90年代,气候变化的水文效应大约为65%～80%;土地利用变化的影响大致为6%～16%;生态退化,冻土融化等的水文效应大约为14%～20%.20世纪90年代气候变化主要体现在黄河源区降水的时空分布发生改变和气温的升高上.

1974

0.0

2001

0.0

1981

0.0

傅抱璞. 论陆面蒸发的计算[J]. 大气科学, 1981, 5(1): 23-31.

[FUH B

. On the calculation of the evaporation from land surface. Scientia Atmospherica Sinica, 1981, 5(1): 23-31. ]

2012

0.0

赵阳, 余新晓, 郑江坤, 等. 气候和土地利用变化对潮白河流域径流变化的定量影响[J]. 农业工程学报, 2012, 28(22): 252-260.

[ZHAO

, YU X

, ZHENG J

, et al. Quantitative effects of climate variations and land -use changes on annual streamflow in Chaobai River Basin. Transactions of the CSAE, 2012, 28(22): 252-260. ]

In order to make the quantitative analysis of the impacts of climate variation and land use change on annual streamflow, Chaobai River watershed located in rocky mountain area of north China was selected as research object. AWY model and separation evaluation method were applied to quantify the respective contribution of climate and land use change to annual streamflow of the area from 1956 to 2010. The results indicated that the precipitation among years presented significantly a decreasing tendency, and the annual runoff also had a significant decreasing trend with the change point occurred in 1979. Climate variations was the strongest contributor to the reduction in mean annual streamflow of Chaohe and Baihe watershed, and the contribution rate reached 59.3% and 93.5%, respectively, while the remaining caused by land-use change. The effects of different type of land-use on the reduction in annual streamflow were quite different, for instance, the contribution rates of forest land was about 67%, which was more than the farmland of 18% and the grassland of 15%. The water body and unused land, which have a small proportion and a small change ranges in this region, were not observed to have a clear impact on annual streamflow. The results provide a theoretical reference for basin water resources management and land-use planning in Chaobai river basin.

为量化气候和土地利用变化对流域径流的影响，该文以华北土石山区潮白河流域为研究对象，利用AWY（annual water yield）模型及分离评判法定量分析了1956－2010年气候和土地利用变化对流域年径流的影响。结果表明：研究时段内，潮白河流域年降水量和年径流量呈显著下降趋势；流域年径流量在1979年发生减少突变；气候变化是潮河、白河流域年径流减少的主要原因，贡献率分别为59.3%和93.5%；土地利用变化贡献率相对较小，分别为40.7%和6.5%；不同土地利用类型对流域年径流变化的影响差异较大：林地对径流变化贡献率平均达到67%，耕地和草地分别为18%和15%，水域、未利用地因所占面积比例小，与流域年径流变化相关性并不显著。研究结果可为流域内水土资源规划及管理提供参考。

2010

0.0

陈宁, 赵红莉, 蒋云钟. 汉江上游不同气候情景下土地利用变化对径流的影响研究[J]. 北京师范大学学报(自然科学版), 2010, 46(3): 366-370.

[CHEN

, ZHAO H

, JIANG Y

. Effects of land -use changes on runoff in the upper stream of the Han River Basin in different climate scenarios. Journal of Beijing Normal University (Natural Science Edition), 2010, 46(3): 366-370. ]

摘　要：研究了3种气候情景下,汉江上游丹江口以上流域土地利用变化对径流的影响.收集了1980、1995和2000年的土地利用和相应年代的气象数据,用SWAT模型进行汉江上游丹江口以上流域的水文模拟,利用模型进行了9种气候和土地利用组合情景的径流模拟,对比分析不同气候条件、不同土地利用下的径流变化.结果表明,土地利用变化对汉江上游流域产汇流特性有一定的影响.不同气候条件下,径流对土地利用变化的响应程度不同,其中相对干旱的20世纪90年代,径流对土地利用变化最敏感.相同的土地利用变化情况,在不同气候条件下,对径流的影响也不同.

2016

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2009

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2015

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周俊菊, 雷莉, 石培基, 等. 石羊河流域河川径流对气候与土地利用变化的响应[J]. 生态学报, 2015, 35(11): 3788-3796.

[ZHOU J

, LEI

, SHI P

, et al. Response of runoff to the climate and land use pattern changes in Shiyang River Basin. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(11): 3788-3796. ]

Shiyang River Basin is one of the inland rivers, which have the highest population density, the highest utilization level of water resources, the most prominent contradiction with water, and the most serious ecological environment problems. Under the background of climate change, the landscape patterns based on desert of Shiyang River Basin have taken place great changes, and thus affected the hydrological processes profoundly, including a decrease in runoff and an increase in conflicts between water demands and water supplies. In this case, the government had made policies on social and economic development, and also enforced a series of the ecological restoration project to slow ecological deterioration down, but the trend was not reversed. In order to achieve sustainable use of soil and water resources, it is very urgent for use to study on the relationship between the evolvement of water resources and the pattern of land use, and to evaluate the role of climate change and the contribution of land use change in the changes of water resources in distribution patterns respectively. In this paper, based on the long-term observed data of meteorological and hydrological process and four periods of TM image data of Shiyang River Basin, the runoff process simulation model was established, which only focused on the factors of climate and land use change. And the the response characteristic of runoff to the climate and land use change were explored, and also the trend of runoff was predicted. The meteorological data from 1956 to 2009 of Wushaoling and Wuwei weather stations were all from China Meteorological Data Sharing Service System and the remote sensing information was from the Landsat/TM4 image data received by China's remote sensing satellite ground station, including the year of 1986, 2000, 2006 and 2010. The monthly and annual runoff data of upstream six rivers and Caiqi section in Shiyang River basin were partly from electronic material provided by Shiyang river basin administration, and partly from water resources bulletin of it. The results show: Firstly, the annual amount of river runoff arriving at Caiqi section were decreased to 1.096×10 8 m 3 at present from 5.392×10 8 m 3 of the 1950's during the period of 1956 to 2009, and before 1968, the runoff fluctuation of Caiqi section was mainly caused by climate change. However, after 1968 it was affected by the interaction of climate and land use change. Secondly, the average contribution rate of climate to the change of downstream river runoff was 4.1 percent, while the contribution rate of land use change, especially the cultivated land change, was up to 88.8 percent in recent 30 years. If the midstream irrigation water reduced by 5 percent,10 percent,15 percent and 20 percent respectively, the simulation value of downstream river runoff would be up to 1.591×10 8 m 3 、2.427×10 8 m 3 、3.262×10 8 m 3 ,and 4.098×10 8 m 3 , respectively. This suggested that if water-saving facilities and water-saving technology, especially high and new irrigation technology were adopted, the governance goal of increasing the amount of water from 2.600×10 8 m 3 to 2.900×10 8 m 3 in Caiqi section in 2010 would be achieved early without the irrigated areas decrease. In a word, the fundamental way of ecological restoration lies in water saving in Shiyang River basin.

应用流域气象和水文过程长期观测数据及四期TM影像数据,在建立基于气候及土地利用两种因素变化的径流过程模拟模型的基础上,分析河川径流对气候与土地利用变化的响应特征,并对其未来可能的变化趋势做出预测。结果表明,(1) 1956-2009年,到达石羊河流域下游标志站蔡旗断面的河川径流量,由20世纪50年代的年平均5.392×10 8 m 3 减少到目前的年平均1.096×10 8 m 3 ;1968年之前蔡旗断面径流量的波动主要是气候变化的结果,而1968之后,蔡旗断面径流量的变化是气候与土地利用变化共同作用的结果;(2) 近30年来,气候变化对下游河川径流变化的贡献率平均为4.1%,而土地利用变化,尤其是耕地面积变化的贡献率平均为88.8%;中游灌溉定额平均分别减少5%、10%、15%和20%的情景下,下游河川径流量模拟值分别为1.591×10 8 m 3 、2.427×10 8 m 3 、3.262×10 8 m 3 和4.098×10 8 m 3 左右。

2005

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王根绪, 张钰, 刘桂民, 等. 马营河流域1967~2000年土地利用变化对河流径流的影响[J]. 中国科学D辑地球科学, 2005, 35(7): 671-681.

[WANG G

, ZHANG

, LIU G

, et al. Impacts of land use change on river runoff in Maying River Basin from 1967 to 2000. Scientia Sinica Terrae, 2005, 35(7): 671-681. ]

自1960年代以来,干旱内陆流域土地利用格局发生了以耕地持续扩张和天然林草地不断减少的剧烈变化,分析流域土地利用变化对水文过程的影响对于流域管理十分重要.以河西走廊中部的马营河流域为例,选择年径流量、基流量、最大洪峰流量以及流域典型的春季和秋季汛期流量为径流过程参量,基于流域降水和径流各参量的变化趋势分析和显著的统计回归关系分析,区别了气候变化对径流过程的影响.利用1956年以来4期土地利用变化数据,分析了耕地土地利用和径流过程各参量之间的定量关系,建立了基于降水和耕地面积两种因素的径流过程统计模拟模型,研究结果表明,1967年以来,由于流域土地利用变化,尤其是上游林草地大规模转为耕地,使流域年均径流量减少28.12%,基流量减少35.32%,最大洪峰流量减少35.77%,春季和秋季的平均季节流量分别减少了36.05%和24.87%,其中耕地面积扩张对年径流量的影响贡献率在77%~80%,对春季流量的影响贡献率在73%~80%,对基流量的影响贡献率在62%~65%之间,流域冬春季节的持续升温也对春季径流减少具有一定影响;合理规划流域土地利用格局,对于流域水资源可持续利用河流域可持续发展具有重要意义.

2013

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王随继, 李玲, 颜明. 气候和人类活动对黄河中游区间产流量变化的贡献率[J]. 地理研究, 2013, 32(3): 395-402.

[WANG S

, LI

, YAN

. The contributions of climate change and human activities to the runoff yield changes in the middle Yellow River Basin. Geographical Research, 2013, 32(3): 395-402. ]

黄河中游产流量在过去几十年发生了明显减小的变化趋势,鉴于迄今有关气候及人类活动对该区产流量减小的影响比重仍存争议,本研究利用累积距平方法分析了研究区近60年来的产流量变化趋势,识别出1971年和1985年两个拐点年份,利用累积量斜率变化率分析方法(SCRCQ)估算了降水量和人类活动在产流量变化中的贡献率。与基准时期1950-1970年(TA)相比,在不考虑蒸散量影响的情况下,降水量和人类活动对黄河中游区间产流量变化的贡献率在1971-1985年(TB)分别为25.94%和74.06%,在1986-2009年(TC)分别为25.13%和74.87%;如果考虑蒸散量的影响,则人类活动的贡献率在TB和TC时期分别增大到91.74%和93.41%。显然,人类活动是该区间地表产流量减小的最重要影响因素。人类活动对黄河中游区间产流量变化的主要影响方式是拦蓄滞留,这些拦蓄滞留的水量大多数最终通过蒸散作用而从地表径流循环进入大气循环,即人类活动改变了部分水循环的途径。

2015

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2014

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夏智宏, 刘敏, 王苗, 等. 1990s 以来气候变化和人类活动对洪湖流域径流影响的定量辨识[J]. 湖泊科学, 2014, 26(4): 515-521.

[XIA Z

, LIU

, WANG

, et al. Quantitative identification of the impact of climate change and human activity on runoff in Lake Honghu Basin since 1990s. Journal of Lake Sciences, 2014, 26(4): 515-521. ]

... 其中主要原因包括：1）不同研究的起止时间、选取水文站点的空间分布和数量不同^[54,55] ...

2015

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... 其中主要原因包括：1）不同研究的起止时间、选取水文站点的空间分布和数量不同^[54,55] ...

2012

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... 2）不同研究尺度和范围不完全相同,有全流域、部分子流域和单一子流域之分^[39,56] ...

2017

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... 欧洲西部河网密度大、水量充沛,纬度较高,太阳辐射提供的热量无法满足种植业的需要,较适宜草场种植和发展畜牧业,畜牧业对灌溉水量要求较低,地区能源多样化,流域中上游水电和水利设施较少,较低的人口密度同样促使其对水量的需求较低^[57] ...

2017

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... 5 km以内96%以上的森林都被砍伐,导致流域径流量增加、土壤侵蚀和水质恶化程度加剧,亚马逊河上已有140座水库建成或者正在建造之中,未来还计划修建428座水库^[58] ...

2010

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... 非洲的尼日尔河有27个大型水坝和5 000多个小型水坝,这些水电水利设施的修建在改变地表径流时空分布的同时也会导致流域年总径流量下降^[59,60] ...

2015

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... 非洲的尼日尔河有27个大型水坝和5 000多个小型水坝,这些水电水利设施的修建在改变地表径流时空分布的同时也会导致流域年总径流量下降^[59,60] ...

2007

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... 印度河、恒河和黄河流域人类活动对地表径流变化的贡献率高于气候变化^[61] ...

2017

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... 07亿人口定居,约占印度人口总数的三分之一,流域肥沃的土壤是印度和孟加拉国农业经济的重要支撑,该区农业采用大水漫灌方式灌溉,水资源利用效率低^[62] ...

2016

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2016

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2016

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2011

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2016

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... 针对不同流域水文站点空间分布和水文环境特征的差异合理选择最佳的方法组合有利于精准识别地表径流变化突变位置^[67] ...

2016

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... 如何更好地耦合这两种方法,提高量化气候变化和人类活动对地表径流变化贡献率的准确性是未来的研究重点^[68] ...