气候变化和人类活动对全球以及区域的水资源以及水文循环产生的影响是水文科学中研究的热点问题,国内外学者针对水文与水资源开展了大量的研究工作并取得了丰硕的成果。如联合国教育、科学及文化组织于1964年批准的第十三次大会国际水文计划,该计划于1965年1月1日开始实施,其研究的重点在于研究人类活动、水资源与自然环境之间的相互关系^[1]。1980年由世界气象组织(WMO)、国际科学理事会(ICSU)以及联合国教育、科学及文化组织共同建立的世界气候研究计划(WCRP),该计划主要研究气候变化和人类活动在多大程度上影响全球气候变化,并且在多大程度上可以预测气候变化对人类所带来的影响^[2-4]。1996年开展的全球水系统项目,重点研究水循环、环境和资源问题,其中,“变化环境下的水文循环研究”是全球水系统(GWSP)的核心科学问题^[5-6],而定量评估水文过程对气候变化和人类活动的响应成为全球水系统研究的热点和前沿内容。

流域水文循环要素一般受到气候变化和人类活动的共同影响。在较长时间尺度上,气候变化是影响流域水文过程的主要因素之一,而在较短时段内,土地利用格局演变、城市化进程、产业格局变化与土地规划等人类活动是导致流域水文过程变化的主要原因^[7-8]。气候变化主要是由降水、气温、蒸散以及地表湿度等因素的改变从而对陆地生态系统水文循环过程产生影响。人类活动通过改变地表蒸发、截留、填洼及下渗等水文过程从而对流域水文水资源过程产生影响^[9-10]。径流量变化受到年际降水量的影响,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^[11],而人类活动如修建水利设施对地表径流的年内分配也起到一定的调节作用。在喀斯特地区,流域径流量受到地表地下二元水文地质结构的影响,径流表现出显著的时空不均一性,其变化趋势以及变化过程与非喀斯特流域存在着巨大的差异。因此,查明喀斯特流域径流量变化趋势和突变特征,量化气候变化和人类活动对地表径流变化的影响对喀斯特流域合理规划水资源工程、石漠化治理以及流域水资源保护具有重要的意义。

桐梓河流域是赤水河流域最大的支流,属于典型的喀斯特流域。近年来周边人类活动对流域进行陡坡开荒、乱砍乱伐导致水土流失,区域的景观格局发生了显著的变化,直接影响着流域的水文循环过程,但是目前针对该流域径流量变化过程对气候变化的响应机制与机理目前尚不明晰,同时该流域气候变化和人类活动对径流量的贡献率目前也未见报道。大部分的研究成果集中在黄河流域^[12]、渭河流域^[13]、黑河流域^[14]以及其他典型非喀斯特流域^[15-16]。而对于地表径流偏枯形势更为严峻的中国南方典型喀斯特流域研究较少,对喀斯特流域水资源问题仅有的研究也只侧重于水资源利用技术研发^[17]、径流模拟^[18]及水土流失等方面^[19],而很少研究气候因素和人类活动对径流量变化的影响。喀斯特流域径流量的变化过程是水—岩石—土壤—气候—生物等自然因素、气候因素和人类活动共同作用的结果,具有高度的非线性和随机性特征,但是对于喀斯特流域水文过程的对气候和人类活动的响应鲜有文献报道。基于此,本文以典型喀斯特流域桐梓河流域为研究对象,基于二郎坝水文监测断面的长时间序列水文气象监测资料,通过累积距平和滑动T检验方法诊断流域径流量的突变特征,并应用累积量斜率变化率比较法定量评估流域气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率。本研究对于认识变化环境背景下喀斯特流域水文水资源演变过程具有重要意义,也可为流域新时期水土保持工作,生态环境建设、水资源可持续利用以及流域生态系统可持续性管理等工作的开展提供科技支撑。

桐梓河流域(图1)是赤水河最大的支流,属长江水系支流。流域海拔高程介于484～1 843 m,面积3 348 km²,发源于桐梓楠牛石大火土。流域气候类型属中亚热带季风性湿润气候,气候垂直变化明显,温和且湿润,雨量较丰沛,降水分布不均。冷暖气流常被海拔高的山脉阻挡,局部地区形成强对流天气。多年平均气温17.7℃,极端最高气温39.9℃,极端最低气温-2.7℃,平均全年积温5 392℃。桐梓河属于典型的雨源型山区河流,径流的时空分布变化与降水基本一致,年际变化较大,年内分配不均匀。流域内人类活动主要包括水土资源的开发利用、植被恢复、水利工程建设等方面,人类活动的变化规律可归结为土地利用的变化,并被认为是人类活动的主要表现形式。

图1 桐梓河流域地理位置

喀斯特地区占地球陆地面积的7%～12%,为世界近25%的人口提供饮用水源^[24]。由于特殊的地质条件,喀斯特地区表层土壤浅薄,入渗能力强,地形复杂,其水文过程与非喀斯特地区有很大差异,因此,喀斯特和非喀斯特地区的气候和人类活动对水文过程中的径流量影响也可能不同。黄河流域作为中国第二大河流,该流域属于典型的非喀斯特流域,径流量自20世纪70年代以来出现大幅度的衰减,有观点认为该流域的径流量在90年代早期或者中期发生突变,其中降水量的减少是该流域径流量减少的主要原因^[25]。但是根据王随继等在黄河流域的研究结果显示,在忽略蒸散量的影响后,变异期降雨量和人类活动对皇甫川流域径流量减小的贡献率分别为36.43%和63.57%,在措施期分别为16.81%和83.19%^[4]。在对黄河流域中游区间的相关研究中,王随继认为如果不考虑蒸散量的影响,降雨量、蒸发和人类活动对黄河中游区间产流量变化的贡献率在变异期分别为25.94%,-17.68%和74.06%,在措施期分别为25.13%,-18.54%和74.87%; 如果考虑蒸散量的影响,则人类活动对黄河中游区间产流量变化的贡献率在变异期和措施期分别增大到91.74%和93.41%^[23]。导致这种原因一方面与拦蓄滞留改变流域的蒸散量从而使流域的径流量发生改变有关,另一方面则与该时期大规模的生态修复工程有关。

针对于中国南方流域而言,该区域既有喀斯特地区又有非喀斯特地区,不同区域径流量对气候变化和人类活动的响应和贡献率存在着显著的不均一性。有研究表明中国南方的珠江流域以气候变化影响为主,气候变化的影响值为92.0%,而长江流域和东南诸河则以人类活动影响为主,人类活动影响量分别为60.9%和84.8%^[26]。这与本研究的研究结果保持一致,本文中的桐梓河流域属于赤水河流域(长江流域支流)最大的支流,同时也属于典型的喀斯特流域,本研究认为如果考虑蒸发量对桐梓河流域径流量的影响,则人类活动对桐梓河流域径流量变化的贡献率在TB时期会增加到86.83%。这与该流域位于亚热带喀斯特地区,表层土壤稀薄,且表层岩溶带发到,渗透率极高的特性有关^[27],这种特征与非喀斯特地区显著不同,在喀斯特地区只有当土壤和碳酸盐岩裂缝和裂缝完全被水饱和时,才会发生地表径流。大多数降雨通过碳酸盐岩裂缝和裂缝输送到地下水系统,而少量则以地表径流形式输送。由于岩溶碳酸盐岩裂缝和裂缝具有较大的储存能力和较高的入渗率,土—表层岩溶系统在径流产生中起着重要作用,这与本研究中降水在1975—2015年下降不显著也可能有一定的关系,因此,这种特殊的土壤—表层岩溶构造是造成喀斯特和非喀斯特地区气候和人类活动对流域径流量影响的主要原因。

20世纪80 年代中国逐渐实施了西南喀斯特地区石漠化工程,包括“长防”和“长治”工程、“珠治”试点工程在内的一系列生态工程^[28]。由于此类生态工程项目的大量实施,加强了地表坡面水土保护措施,实现了生态恢复,地表植被覆盖呈现出显著增加的趋势,根据MODIS13Q1植被NDVI的监测结果(图5和图6)可知,流域植被NDVI呈现出增加趋势,增加的速率为0.107/10 a,且在空间上增加的区域所占的面积达到78.20%。石漠化工程的实施减缓了区域的水土流失速率,使得流域径流量呈现出减少趋势,另外该流域近年来通过坡改梯、堤坝建设、植林种草、引水灌溉等各种形式拦蓄滞留了地表大量径流量,而且随着人口不断增加和经济的快速发展,城市生活、工矿企业等对用水量的需求量也日益渐增,径流耗水量大大增加。另外,由于桐梓河流域的天门河水库、九盆水水库、火石水库以及高坎水库等中小型水库的修建致使流域径流量呈现出减少趋势。即人类活动对喀斯特流域径流量变化的影响主要是通过在喀斯特坡面的拦—蓄—引—用等形式拦截减小了坡面产流量,导致径流集流面积大大减小,河道汇流效率降低。相对于非喀斯特流域,喀斯特流域人类活动对径流量变化的影响作用相对较弱,因而贡献率稍有偏低,但却与非喀斯特流域呈现共同的增强趋势。

图5 桐梓河流域NDVI年际变化趋势及其阶段性特征

图6 桐梓河流域NDVI空间变化趋势

(1)1975—2015年流域径流量和降水量均呈先出减少趋势,减少的速率分为0.05亿m³/a和-3.10 mm /a。

(2)由径流量累积距平和滑动T检验方法可知,两种方法所诊断出的径流量突变年份均为2003年,其中1975—2003年为丰水年阶段(多年平均径流量为15.26亿m³)和2003—2015年为枯水年阶段(多年平均径流量为12.44亿m³),突变年份后径流量较突变年份前减少了18.48%。

(3)降水和径流之间的交叉小波功率谱主要集中在0.8～2.8年以及3.8～6.5年的时间尺度,其中最强的相关性出现在3.8～6.5年,主要集中在1990—1998年,而0.8～2.8年尺度上降水和径流的相关性比较弱。降水对径流的变化具有超前作用,超前作用的时间尺度大体在1～2 a。

(4)以1975—2003年为基准期,降水量和人类活动对桐梓河流域径流量的贡献在2003—2015年时期分别达到43.42%和56.58%; 如果考虑蒸发量对桐梓河流域径流量的影响,则人类活动对桐梓河流域径流量变化的贡献率在2003—2015年时期会增加到86.83%。