气候变化和人类活动影响下径流演变研究进展

气候变化和人类活动影响下径流演变研究进展
作者：慕星赵勇刘欢何国华
来源：《人民黄河》2021年第05期
摘要：受气候变化和人类活动的双重影响，流域/区域径流量发生了明显改变。

分析气候变化和人类活动影响下的径流时空变化特征，并量化分解两者对径流的影响，已成为水文学领域研究的热点。

综述了径流演变趋势检验方法和归因分析方法的研究进展，归纳具有代表性的国内外研究成果，总结各类方法的优势、局限性及应用范围，进一步指出该领域研究的薄弱环节和未来研究趋势，提出利用高新技术手段加强对极端水文事件和无资料地区的径流演变研究，探索气候变化和人类活动对径流演变的驱动机理。

关键词：气候变化;人类活动;径流演变;趋势检验;归因分析
中图分类号：TV121;P333文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.007
Abstract： Variations in streamflow are influenced by climate change and human activities. Hydrological research has been focused on analyzing the spatial and temporal variability of streamflow and quantifying their responses to climate change and human activities. This paper summarized the research advances of the methods of trend detection and attribution analysis for streamflow variation. Meanwhile， the representative research results at home and abroad had been reviewed. Advantages， limitations and applications of different methods also had been discussed. Finally， it further pointed out the weaknesses in this field and development trend of future research.It is necessary to strengthen the study of streamflow variation in extreme hydrological events and areas without data by means of high and new technology. Additionally， the driving mechanism of climate change and human activities on streamflow variation remain to be explored.
Key words： climate change; human activities; streamflow variation; trend detection; attribution analysis
在气候变化和人类活动的共同影响下，径流发生或增或减且程度不同的变化，流域/区域水资源时空分布不均等问题愈发突出[1-2]，直接影响经济社会用水和生态需水保障[3-4]。

近几十年来，关于径流演变规律及驱动因素的研究一直是水文领域的热点[4-6]，国内外学者的研究已经从起初的定性分析转变到当前的定量计算阶段[7]。

气候变化和人类活动产生的作用是复杂和综合的，如何定量解析两者对径流演变的影响是研究中的一个核心问题[8-10]，其关键手段是径流演变的趋势检验和归因分析，宋晓猛等[11]定义了两者的概念，指出检验是为了讨论序列的变化以及变化的趋势，归因是为了研究哪些驱动因素导致了序列的变化、定量半定量地分解驱动因素对序列所产生变化的贡献率。

笔者对国内外该领域的相关研究进行梳理，归纳气候变化和人类活动影响下径流演变的趋势检验方法和归因分析方法，总结各类方法的优势、局限性及应用范围，展望未来研究的发展方向，旨在为气候变化和人类活动影响下的水资源合理开发及可持续利用提供借鉴和参考。

气候变化和人类活动影响下径流演变研究思路如图1所示。

1气候变化和人类活动的影响表征
气候变化主要通过大气环流和冰雪消融等条件的改变，导致降水、气温（蒸发）、湿度、太阳辐射、风速等气象因子发生变化。

水文循环的分析中，主要将降水和蒸发作为定量描述的气象因子[12-13]，其他气象因子对水文循环的直接影响相比降水和蒸发的影响要小得多，而这些因子通过影响降水和蒸发，间接引起了水文循环的变化，统一反映在降水和蒸发的影响中[14]。

降水和蒸发的变化引起了水文循环变化，从而影响径流过程[8，15-17]，导致流域/区域水资源的总量发生变化，以及在时间和空间上的分布发生变化[18]。

除此之外，气候变化还会引发流域/区域极端水文事件发生概率的增大和持续时间的延长[19]。

伴随经济社会的高速发展，人类活动对流域水文循环的影响愈发显著，相关研究也更加關注人类活动对径流的影响。

人类活动对径流的影响，一是流域内的河湖引水、机井开采以及跨流域引调水等水资源开发利用带来的直接影响;二是人口增长、城市化快速推进，以及水土保持、河道整治等措施，导致植被覆盖度、土壤湿度等下垫面条件改变所产生的间接影响[11-12]。

这种间接作用影响流域产流机制，进而影响流域的径流过程，导致水资源时空分布特征变化。

不合理或者过度的人类活动，可能引发严重的地下水位下降、水土流失、极端水文事件等环境和社会问题[20-21]。

2径流演变趋势分析
2.1多尺度径流特征分析
气候变化和人类活动对径流演变的影响在不同时间尺度上存在一定差异[22]，目前大部分研究以年代、年尺度开展分析[10，19，23-24]。

在年内尺度的径流特征分析中，气候变化和人类活动在年内的分布规律被充分考虑，例如汛期和非汛期降水对径流影响的差异[25]、水田灌溉在泡田期和其他时期因需水量不同而对径流的影响不同[26]，这些分析有助于掌握径流在年内的变化特征，尤其对于变化条件下的水资源配置与调度具有重要意义[27-28]。

近年来越来越多的学者开始关注年内季节尺度或月尺度的径流变化，采用年代、年、年内多尺度相结合的方式分析径流演变特征[29-31]。

另外，伴随极端气候的出现以及剧烈的人类活动，极端水文事件（极端降水、极端洪涝和极端干旱）的发生概率明显增大，对流域/区域水资源安全提出了更严峻的挑战[11]。

赵庆云等[32]分析了1960—2000年西北地区东部干旱半干旱区的降水变化特征和极端降水事件;李红军等[33]分析了塔里木河流域在降水变化背景下旱涝事件的时空变化特征。

这些着眼于干旱半干旱区内陆河流域极端水文事件的研究，主要是对其发生的频率和强度进行统计分析[18]。

为了满足不同空间尺度的应用需求和模型精度，气候变化和人类活动影响下径流演变特征分析，有针对试验小流域的研究，如王国庆等[34]分析了汾河一级支流岚河流域1955—2015年不同变化期内年和季节尺度河川径流较基准期的变化情况;有针对国内水资源一级区的大流域尺度研究，如Bao等[35]分析了海河流域1951—2007年降水、气温以及径流的年际变化特征和年内变化特征，结果表明近几十年海河流域径流量和降水量显著下降，而平均气温呈上升趋势;随着信息技术的发展，也有扩展到国家尺度的研究，如Liu等[36]、Tan等[37]、Chiew[38]分别对中国、加拿大、澳大利亚全国范围的径流时空变化特征进行分析。

虽然国内外不同空间尺度的研究成果日趋丰富，但是对于无资料地区和资料缺乏地区的径流演变特征分析，还是该领域的薄弱环节。

2.2趋势分析及突变点检验方法
数理统计是分析径流等水文要素变化趋势的有效方法[20，39]。

突变点检验是径流演变趋势分析中的关键环节，研究期可被突变点从时间尺度上分为基准期和变化期，一般认为流域在
基准期处于天然状态，径流变化仅受气候变化的影响;变化期的显著特征是人类活动强烈作用于流域，因而径流变化受气候变化和人类活动的双重影响[10，40-41]。

双累积曲线（MC）法简单且直观，广泛应用于水文气象要素的一致性和长期演变趋势分析中[42]。

该方法最初由Merriam[43]提出，用于解释流域降雨资料的一致性。

MC法认为两个满足一致性条件且有比例关系的水文变量，其累积量同样存在比例关系，将两者的累积量分别作为横纵坐标，由此绘成的曲线称为双累积曲线。

如果两个水文变量之间的关系变化，即水文一致性改变，则双累积曲线的斜率也会发生变化[44]。

然而在利用双累积曲线法进行突变点检验時，也存在一定局限性：一是突变点的确定受人为判断影响较大[45];二是要选择具有相同的物理成因或成因关系好的两个变量[42]，但即使这样仍存在突变点个数不等或突变时间不一致的情况。

Mann-Kendall（M-K）检验是目前被普遍应用的一种非参数统计检验法，具有样本无须服从某一种分布、不受少数异常值的干扰、计算过程简单等优点[46]。

起初该方法仅用于检验序列的变化趋势，后来经其他学者改进完善，能够较好地应用于非正态分布数据的突变分析，其优势和便利在于可以将UFk、UBk曲线的交点作为突变点。

实际分析中若发现有多个交点，张建军等[47]提出可通过滑动t检验法和Yamamoto法验证来剔除杂点;胡慧杰等[48]采用M-K等多种检验法综合判断序列突变点。

此外，有序聚类分析法[49]、线性趋势回归法和累积距平法[50]也都是检验序列演变趋势及突变点的有效方法，在此不再赘述。

3径流演变归因分析
3.1归因分析方法
在定量解析气候变化和人类活动对径流演变的影响方面，目前广泛采用的方法主要有基于数理统计的分析法[29，51]、基于物理机制的水文模拟法[9，41]、基于Budyko假设和弹性概念的弹性系数法[9，41]。

（1）数理统计法。

数理统计法中较具代表性的是累积量斜率变化率比较法，其自变量是年份，因变量分别是累积降水量（或其他影响因子）和累积径流深，将累积降水量—年份的斜率变化率与累积径流深—年份的斜率变化率的比值作为降水量变化对径流深变化的贡献率[27]。

该方法由王随继等[52]提出，并成功应用于黄河中游一级支流皇甫川流域。

白勇等[7]利用该方法研究内蒙古自治区巴拉格尔河流域的径流演变，结果表明人类活动是径流量减少的主要原因。

累积量斜率变化率比较法广泛应用于干旱半干旱地区径流趋势分析和归因分析中，之后越来越多的研究[27，53-54]表明，该方法在南方湿润地区同样适用。

累积量斜率变化率比较法计算简便，依靠长期的水文数据作数理统计，便能清晰地得出气候变化和人类活动对径流变化的贡献率，因而得到广泛应用[17]。

（2）水文模拟法。

水文模拟法采用水文模型来解析气候变化对径流的影响[55]，分析精度较高，物理机制强[11]，在国内外被广泛采用[12]。

水文模型主要分为集总式模型和分布式模型，集总式模型虽然在结构和参数上被赋予特征差异，但其没有考虑气象因子和下垫面等条件对产流机制的影响;而分布式模型具有物理基础，可以充分利用地理信息系统（GIS）和遥感（RS）提供的大量空间信息反映流域的空间变异性[20，56-58]，进而更客观地模拟水文过程。

建模者可根据给定的下垫面条件改变气象条件输入，量化气候变化对径流变化的影响[59];也可根据给定的气象条件改变下垫面输入，量化人类活动对径流变化的影响[60]。

2径流演变趋势分析
2.1多尺度径流特征分析
气候变化和人类活动对径流演变的影响在不同时间尺度上存在一定差异[22]，目前大部分研究以年代、年尺度开展分析[10，19，23-24]。

在年内尺度的径流特征分析中，气候变化和人类活动在年内的分布规律被充分考虑，例如汛期和非汛期降水对径流影响的差异[25]、水田灌溉在泡田期和其他时期因需水量不同而对径流的影响不同[26]，这些分析有助于掌握径流在年内的变化特征，尤其对于变化条件下的水资源配置与调度具有重要意义[27-28]。

近年来越来越多的学者开始关注年内季节尺度或月尺度的径流变化，采用年代、年、年内多尺度相结合的方式分析径流演变特征[29-31]。

另外，伴随极端气候的出现以及剧烈的人类活动，极端水文事件（极端降水、极端洪涝和极端干旱）的发生概率明显增大，对流域/区域水资源安全提出了更严峻的挑战[11]。

赵庆云等[32]分析了1960—2000年西北地区东部干旱半干旱区的降水变化特征和极端降水事件;李红军等[33]分析了塔里木河流域在降水变化背景下旱涝事件的时空变化特征。

这些着眼于干旱半干旱区内陆河流域极端水文事件的研究，主要是对其发生的频率和强度进行统计分析[18]。

为了满足不同空间尺度的应用需求和模型精度，气候变化和人类活动影响下径流演变特征分析，有针对试验小流域的研究，如王国庆等[34]分析了汾河一级支流岚河流域1955—2015年不同变化期内年和季节尺度河川径流较基准期的变化情况;有针对国内水资源一级区的大流域尺度研究，如Bao等[35]分析了海河流域1951—2007年降水、氣温以及径流的年际变化特征和年内变化特征，结果表明近几十年海河流域径流量和降水量显著下降，而平均气温呈上升趋势;随着信息技术的发展，也有扩展到国家尺度的研究，如Liu等[36]、Tan等[37]、Chiew[38]分别对中国、加拿大、澳大利亚全国范围的径流时空变化特征进行分析。

虽然国内外不同空间尺度的研究成果日趋丰富，但是对于无资料地区和资料缺乏地区的径流演变特征分析，还是该领域的薄弱环节。

2.2趋势分析及突变点检验方法
数理统计是分析径流等水文要素变化趋势的有效方法[20，39]。

突变点检验是径流演变趋势分析中的关键环节，研究期可被突变点从时间尺度上分为基准期和变化期，一般认为流域在
基准期处于天然状态，径流变化仅受气候变化的影响;变化期的显著特征是人类活动强烈作用于流域，因而径流变化受气候变化和人类活动的双重影响[10，40-41]。

双累积曲线（MC）法简单且直观，广泛应用于水文气象要素的一致性和长期演变趋势分析中[42]。

该方法最初由Merriam[43]提出，用于解释流域降雨资料的一致性。

MC法认为两个满足一致性条件且有比例关系的水文变量，其累积量同样存在比例关系，将两者的累积量分别作为横纵坐标，由此绘成的曲线称为双累积曲线。

如果两个水文变量之间的关系变化，即水文一致性改变，则双累积曲线的斜率也会发生变化[44]。

然而在利用双累积曲线法进行突变点检验时，也存在一定局限性：一是突变点的确定受人为判断影响较大[45];二是要选择具有相同的物理成因或成因关系好的两个变量[42]，但即使这样仍存在突变点个数不等或突变时间不一致的情况。

Mann-Kendall（M-K）检验是目前被普遍应用的一种非参数统计检验法，具有样本无须服从某一种分布、不受少数异常值的干扰、计算过程简单等优点[46]。

起初该方法仅用于检验序列的变化趋势，后来经其他学者改进完善，能够较好地应用于非正态分布数据的突变分析，其优势和便利在于可以将UFk、UBk曲线的交点作为突变点。

实际分析中若发现有多个交点，张建军等[47]提出可通过滑动t检验法和Yamamoto法验证来剔除杂点;胡慧杰等[48]采用M-K等多种检验法综合判断序列突变点。

此外，有序聚类分析法[49]、线性趋势回归法和累积距平法[50]也都是检验序列演变趋势及突变点的有效方法，在此不再赘述。

3径流演变归因分析
3.1归因分析方法
在定量解析气候变化和人类活动对径流演变的影响方面，目前广泛采用的方法主要有基于数理统计的分析法[29，51]、基于物理机制的水文模拟法[9，41]、基于Budyko假设和弹性概念的弹性系数法[9，41]。

（1）数理统计法。

数理统计法中较具代表性的是累积量斜率变化率比较法，其自变量是年份，因变量分别是累积降水量（或其他影响因子）和累积径流深，将累积降水量—年份的斜率变化率与累积径流深—年份的斜率变化率的比值作为降水量变化对径流深变化的贡献率[27]。

该方法由王随继等[52]提出，并成功应用于黄河中游一级支流皇甫川流域。

白勇等[7]利用该方法研究内蒙古自治区巴拉格尔河流域的径流演变，结果表明人类活动是径流量减少的主要原因。

累积量斜率变化率比较法广泛应用于干旱半干旱地区径流趋势分析和归因分析中，之后越来越多的研究[27，53-54]表明，该方法在南方湿润地区同样适用。

累积量斜率变化率比较法计算简便，依靠长期的水文数据作数理统计，便能清晰地得出气候变化和人类活动对径流变化的贡献率，因而得到广泛应用[17]。

（2）水文模拟法。

水文模拟法采用水文模型来解析气候变化对径流的影响[55]，分析精度较高，物理机制强[11]，在国内外被广泛采用[12]。

水文模型主要分为集总式模型和分布式模型，集总式模型虽然在结构和参数上被赋予特征差异，但其没有考虑气象因子和下垫面等条件对产流机制的影响;而分布式模型具有物理基础，可以充分利用地理信息系统（GIS）和遥感（RS）提供的大量空间信息反映流域的空间变异性[20，56-58]，进而更客观地模拟水文过程。

建模者可根据给定的下垫面条件改变气象条件输入，量化气候变化对径流变化的影响[59];也可根据给定的气象条件改变下垫面输入，量化人类活动对径流变化的影响[60]。

2径流演变趋势分析
2.1多尺度径流特征分析
氣候变化和人类活动对径流演变的影响在不同时间尺度上存在一定差异[22]，目前大部分研究以年代、年尺度开展分析[10，19，23-24]。

在年内尺度的径流特征分析中，气候变化和人类活动在年内的分布规律被充分考虑，例如汛期和非汛期降水对径流影响的差异[25]、水田灌溉在泡田期和其他时期因需水量不同而对径流的影响不同[26]，这些分析有助于掌握径流在年内的变化特征，尤其对于变化条件下的水资源配置与调度具有重要意义[27-28]。

近年来越来越多的学者开始关注年内季节尺度或月尺度的径流变化，采用年代、年、年内多尺度相结合的方式分析径流演变特征[29-31]。

另外，伴随极端气候的出现以及剧烈的人类活动，极端水文事件（极端降水、极端洪涝和极端干旱）的发生概率明显增大，对流域/区域水资源安全提出了更严峻的挑战[11]。

赵庆云等[32]分析了1960—2000年西北地区东部干旱半干旱区的降水变化特征和极端降水事件;李红军等[33]分析了塔里木河流域在降水变化背景下旱涝事件的时空变化特征。

这些着眼于干旱半干旱区内陆河流域极端水文事件的研究，主要是对其发生的频率和强度进行统计分析[18]。

为了满足不同空间尺度的应用需求和模型精度，气候变化和人类活动影响下径流演变特征分析，有针对试验小流域的研究，如王国庆等[34]分析了汾河一级支流岚河流域1955—2015年不同变化期内年和季节尺度河川径流较基准期的变化情况;有针对国内水资源一级区的大流域尺度研究，如Bao等[35]分析了海河流域1951—2007年降水、气温以及径流的年际变化特征和年内变化特征，结果表明近几十年海河流域径流量和降水量显著下降，而平均气温呈上升趋势;随着信息技术的发展，也有扩展到国家尺度的研究，如Liu等[36]、Tan等[37]、Chiew[38]分别对中国、加拿大、澳大利亚全国范围的径流时空变化特征进行分析。

虽然国内外不同空间尺度的研究成果日趋丰富，但是对于无资料地区和资料缺乏地区的径流演变特征分析，还是该领域的薄弱环节。

2.2趋势分析及突变点检验方法
数理统计是分析径流等水文要素变化趋势的有效方法[20，39]。

突变点检验是径流演变趋势分析中的关键环节，研究期可被突变点从时间尺度上分为基准期和变化期，一般认为流域在
基准期处于天然状态，径流变化仅受气候变化的影响;变化期的显著特征是人类活动强烈作用于流域，因而径流变化受气候变化和人类活动的双重影响[10，40-41]。

双累积曲线（MC）法简单且直观，广泛应用于水文气象要素的一致性和长期演变趋势分析中[42]。

该方法最初由Merriam[43]提出，用于解释流域降雨资料的一致性。

MC法认为两个满足一致性条件且有比例关系的水文变量，其累积量同样存在比例关系，将两者的累积量分别作为横纵坐标，由此绘成的曲线称为双累积曲线。

如果两个水文变量之间的关系变化，即水文一致性改变，则双累积曲线的斜率也会发生变化[44]。

然而在利用双累积曲线法进行突变点检验时，也存在一定局限性：一是突变点的确定受人为判断影响较大[45];二是要选择具有相同的物理成因或成因关系好的两个变量[42]，但即使这样仍存在突变点个数不等或突变时间不一致的情况。

Mann-Kendall（M-K）检验是目前被普遍应用的一种非参数统计检验法，具有样本无须服从某一种分布、不受少数异常值的干扰、计算过程简单等优点[46]。

起初该方法仅用于检验序列的变化趋势，后来经其他学者改进完善，能够较好地应用于非正态分布数据的突变分析，其优势和便利在于可以将UFk、UBk曲线的交点作为突变点。

实际分析中若发现有多个交点，张建军等[47]提出可通过滑动t检验法和Yamamoto法验证来剔除杂点;胡慧杰等[48]采用M-K等多种检验法综合判断序列突变点。

此外，有序聚类分析法[49]、线性趋势回归法和累积距平法[50]也都是检验序列演变趋势及突变点的有效方法，在此不再赘述。

3径流演变归因分析
3.1归因分析方法
在定量解析气候变化和人类活动对径流演变的影响方面，目前广泛采用的方法主要有基于数理统计的分析法[29，51]、基于物理机制的水文模拟法[9，41]、基于Budyko假设和弹性概念的弹性系数法[9，41]。

（1）数理统计法。

数理统计法中较具代表性的是累积量斜率变化率比较法，其自变量是年份，因变量分别是累积降水量（或其他影响因子）和累积径流深，将累积降水量—年份的斜率变化率与累积径流深—年份的斜率变化率的比值作为降水量变化对径流深变化的贡献率[27]。

该方法由王随继等[52]提出，并成功应用于黄河中游一级支流皇甫川流域。

白勇等[7]利用该方法研究内蒙古自治区巴拉格尔河流域的径流演变，结果表明人类活动是径流量减少的主要原因。

累积量斜率变化率比较法广泛应用于干旱半干旱地区径流趋势分析和归因分析中，之后越来越多的研究[27，53-54]表明，该方法在南方湿润地区同样适用。

累积量斜率变化率比较法计算简便，依靠长期的水文数据作数理统计，便能清晰地得出气候变化和人类活动对径流变化的贡献率，因而得到广泛应用[17]。