长江径流对人为控制作用的响应

【作者】 戴志军； 李九发； 魏稳； 谢华亮； 林益帆； 葛振鹏；

【机构】 上海市华东师范大学河口海岸学国家重点实验室；

【摘要】 自18世纪末人类进入"人类世"以来,由于强烈的人类活动,‘人类世’的环境发生巨大改变,如大气CO₂、CH₄、N₂O在18世纪末期以来出现清晰的增加趋势,地球表层系统的30-50%已经被人为作用改造。与此同时,人类活动如大坝、调水工程以及无节制的工业、农业和生活用水,则深远的影响了河流的自然调节行为。河流以及水一直是当今社会的稀缺性资源之一。V?r?smarty等（2000）曾估算全球1.8billion人口在1985年就处于高度的‘Water stress’中,而到2025年处于‘Water stress’的人口将增加到3.8 billion。在人类活动的胁迫作用下,全球大约每年10%的径流被抽取,水库的容积在逐年增加,全球水库蓄水容积已达到年径流量的16～18%（V?r?smarty and Sahagian,2000）。目前,世界上大约22%的大河河流径流出现下降趋势,径流的水循环发生改变（Walling and Fang,2003）。如,埃伯河就是一个人类活动影响流域水变化的明显例子。由于森林砍伐和上世纪大坝的修筑,埃伯河的水减少了50%,洪峰小于历史平均值的15%（Garcia—Ruiz,2010）。印度河的径流因几个大坝的修建径流减少了90%（Milliman and Farnsworth,2011）。日本萨克拉亚河流则因大坝的修建,流量几乎下降了50%（Isik et al.,2008）。法国莱茵河则在修建大坝后,流量减少89%,尼罗河则减少了98%（Milliman and Farnsworth,2011）。亚马逊河河虽然流量没有变化,但因为气候和农业膨胀的影响而改变了水循环（Davidson et al.,2012）。此外,科罗拉多河则因径流的减少导致河口高盐水现象的出现（Kowalewski et al.,2000）。因此,研究人类世期间,人类活动如何影响河流径流的变化过程、趋势以及河流径流受约束的程度,这对于河流水文过程以及水资源管理和利用具有非常重要的作用。长江是欧亚大陆第一条大河,径流量在世界排名第三。长江以宜昌、湖口为界,分别分为长江上游、中游和下游,而大通是河流与河口分界线。然而,随着长江流域成为中国人口最多、经济发展最强的地带,在用水需求日益增强的情景下,未来长江的水资源前景堪忧!目前,除了已经正在运行的世界最大的大坝三峡大坝外,长江还将面临中上游修建一系列新的大坝（如预期到2020年新建大坝将超过600亿立方米）、长江三角洲地区则出现高强度抽水引水,全流域各类用水需求明显增强,加之为解决中国北方用水危机而正在实施的举世闻名的南水北调工程（预期总调水达到448亿立方米）。无疑,长江的径流变化将出现新的形势,而长江径流对人为控制作用的变化研究尤显重要。基于自1880年到2011年的长江主要控制站的水文序列、全流域自1950s以来的建坝库容、长江下游的抽水引水以及1980-2010年流域的总用水量,进而利用Mann—Kendall以及小波分析技术进行处理。结果发现（1） 130年来长江干流径流呈现多到少—多—少的波动变化,目前长江正处于径流相对较少的时期,然而有意思的是,Mann—Kendall技术检验表明,长江上、中、下游在1880年以来径流无论是年平均、还是在洪季或者枯季都呈现明显减少趋势,而且都通过了显著统计性检验。但在1950年以来,长江宜昌、汉口和大通三个站在洪季仍旧呈现显著性减少,与洪季比较,枯季则出现增加趋势。此外,长江上游年平均径流出现减少,而长江中、下游径流的Z统计量（Mann-Kendall）虽然呈现正值,但均没有通过置信度为0.1的检验。这表明,Mann-Kendall技术在研究径流的增减变化时,很可能会存在较大偏差,这取决于径流时间序列的长度。未来长江径流的变化与否仍然值得进一步探索。（2）通过分析130年来各站月内极大值和极小值的比率,发现比率处于减小状态,这反映了130年来长江非周期性的径流变化成分似乎正处于被约束（regulation）的状态,即向极端干旱年2006年出现的"洪季不洪,枯季不枯"(No flood in the flood season,no drought in the drought season’的状态转移（Dai et al.,2008）。此外,当对长江干流各控制站的径流量进行年代际统计,则表明年代际的径流量出现急剧下降,特别是2000年来的年平均径流量是远低于1880-2010的平均径流量,其中寸滩、宜昌、汉口以及大通约以每百年34×10⁹m³/100yr,36×10⁹ m³/100yr,51×10⁹ m³/100yr,5 1×10⁹ m³/100yr的速率下降。（3）目前长江径流130年的水文序列表明或许自人类世以来长江径流可能就处于递减状态,但人类活动对径流量的支配却处于增长状态,这种径流减少和需求增加的矛盾迫切需要理解长江的径流是否能满足日益增长的用水需求,即长江径流的约束程度及其变化过程究竟如何。根据Nillson等的建议（Nilsson et al.,2008）,将1950年以来的流域建坝库容、抽水引水和流域总用水量和1950—2009年的长江入海年平均径流量相比,比值的大小反映了长江受约束的程度。本文由此将比值定义为约束指数(regulation index （RI）,其中当RI分别介于0-0.25,0.25-0.50,0.50-0.75,0.75-1之间时,认为河流对人为控制作用的响应,即被约束的程度为:弱约束,中等约束、强约束和完全约束。显然,长江流域的径流在20世纪80年代前RI是小于0.25,即长江径流被约束状态处于弱的影响阶段,20世纪80年代后是中国改革开发的年代,各类用水需求高涨,导致流域的RI自1980到2010年由0.25到0.5,即流域处于中等约束的程度。与此同时,根据RI的线形拟合回归曲线表明,自2010年以后的20年,长江的约束程度为0.5～0.7之间,可见2010-2035年长江可能处于强约束的状态。综上所述,从多种统计方法得出的结果,显示出长江径流量略呈减少趋势,尽管与流域径流总量相比减少量较小,但这种不良预兆需引起高度关注。本文较全面和系统分析长江径流受约束的过程,同时定量揭示长江径流的约束程度以及对未来径流受约束变化的预测,相信对今后进一步研究长江流域径流响应人类活动的水文过程具有重要意义。更多还原