探究人类活动对水文产生的影响

人类生产的发展,越来越快地改变着自然环境,从而在一定条件下改变水文循环状况和流域的产汇流条件。目前,快速的经济发展和人口增长对水文循环已经产生了巨大的影响,致使人们在水文计算、流域规划、水资源评价等各个方面都不可避免地考虑这种影响。

从水文循环角度出发,人类活动对水文水资源影响的主要因素包括:

(1)引起流域水文特性变化的土地利用等下垫面变化。包括农田开垦、放牧、森林砍伐、围湖造田以及大规模城镇化建设等人类活动造成流域下垫面变化,从而改变了流域蒸散发、土壤下渗、地表糙率和包气带水力传导度等天然状态下的水循环机制。

(2)通过拦截蓄水等直接改变原有径流方式的水利工程的建设。由于我国洪涝干旱灾害严重、能源紧张等原因,造成了对水利工程建设的强有力的社会发展需求,在社会经济发展的推动下,修建了一系列具有防洪、发电、灌溉以及供水等功能的水利设施。这些水利设施直接影响了河川径流、造成河道形态改变甚至是流域水系的结构变化,对自然水循环造成了直接影响。

(3)人类直接取用水影响,包括生活用水和生产用水等。随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,形成了生产生活用水的强大需求,人们对地表地下水大量开发开采,造成了天然水资源时空上的重新分配,进而直接影响了自然水循环的空间分布状况。

如何科学地评估人类活动对水文情势的影响已成为国内外专家学者的研究焦点。国际水文十年(IHD)和国际水文计划(IHP)自20世纪60年代就将这作为重要课题,组织各国的水文学者开展相关研究。IHP第6阶段计划的第1个主题就是全球变化与水资源,将气候变化和土地利用对水文的影响作为重要课题研究。国际地圈生物圈计划(IGBP)的核心项目(GAIM/BAHC/GCTE/LUCC)也将水文模拟和土地利用变化的水文响应作为核心内容,土地利用变化不仅将直接影响到流域水资源的分布、洪涝灾害、流域管理,而且关系到社会经济的可持续发展。人类活动的水文效应也逐步引起了我国科学家的重视,1980年10月在武汉召开了“人类对水文要素影响的研究”学术交流会,拟定了展开研究的主要专题,包括水利工程、农业措施对水文要素的影响,森林的水文效应和城市化的水文效应。(www.xing528.com)

对比试验是研究土地利用变化等人类活动对区域水文影响、认识水文循环规律的基本途径。1889年,在瑞士Emmental试验区就开始了森林流域与牧场流域水文特性差异的对比分析研究,并得出森林流域的洪水及径流均比牧场流域小的结论；1902年,在阿尔卑斯建立的Sperbelgraben和Rappengraben试验流域是较早研究森林水文效应的试验流域；1909年,在科罗拉多的Wagon Weel峡谷设立了试验径流站,首先采用“控制流域法”研究森林的水文效应,并提出了选择试验流域的准则；1935年,南非的Jonkershoek森林水文研究站设立了6个对比流域,系统地深入分析了森林对水文要素的影响,同一时期,苏联设立的Valday水文实验流域也系统分析了流域水平衡要素的变化规律和各种农业、森林的水文效应；此后,北卡罗林纳的Coweeta、东非的Mokobulaan、英国的Plynlimon、印度的Niligris和澳大利亚的Perth供水区也开展了类似研究(Maidment,2002)。Bosch和Hewlett(1982)通过对比分析世界94个流域的试验结果认为,对草地覆盖的流域来讲,当10%的面积改为松树时,年径流量将减少40mm；当10%的面积改为灌木或者落叶林时,相应的年径流量将减少10～25mm。Bavaria的研究结果表明,造林后,随着树木的生长,洪峰流量也随着削减,大部分削减出现在最初的10年,而且对于较小的暴雨,削减的比例较大。Douglas(1981)对美国Coweeta流域的研究结果认为,森林砍伐对雨洪过程的影响是渐增的,一般是洪量和雨洪历时增加,这种影响随着树林的恢复呈现对数减小。Buytaert等人(2006)利用对比试验的方法研究了放牧、耕种、种植松树等人类活动对Andean地区的水文影响；Alvarez-Rogel等(2007)基于对比观测数据(1991—1993年和2002—2004年),分析了地中海湿地人类活动引起的植被和土壤变化。

我国对人类活动影响的试验研究,始于20世纪50年代,在1958年前后,先后设立了一大批径流实验站,其中比较著名的有:安徽省的青沟、湖北省的石桥铺、浙江省的姜湾、辽宁省的叶柏寿、湖南省的宝盖洞、水利部黄河水利委员会在陕西省设立的子洲、水利部长江水利委员会在四川省设立的凯江实验站等。郝建中(1985)分析了黄河流域韭园沟流域综合治理对年径流泥沙的影响,认为治理后的径流较治理前减少44.9%～94.9%,尽管其中包含了降水变化的影响,但流域治理的影响也是非常明显的。周圣杰等(1985)采用相邻相似流域对比分析方法研究了水土保持措施对水文的影响,结果表明:在同一降水条件下,治理流域的平均入渗率较未治理流域增大20%～40%,同一径流深下,较未治理的洪峰模数平均削减59%左右；洪水越小,径流深减小的百分数越大,洪水越大,径流深减小的百分数越小,但到一定大水时,径流深的减小量不再增加,而是趋于一定值,减小范围在8%～50%之间。扈祥来(2000)分析了黄土丘陵地森林植被对水资源的影响,对比分析结果表明,森林地区的年径流系数明显高于植被较差的流域,这点除了受流域岩性的影响外,森林植被在涵养水分和保蓄径流方面有明显的作用,对于植被好的流域,径流的年内分配也相对均匀。对于暴雨洪水而言,森林植被区的暴雨洪水径流系数明显小于植被稀少地区,说明森林植被区的下渗能力和调蓄能力较强,从而可以有效地削减洪峰,延长洪水历时,减缓洪水过程。

土地利用/覆被变化(land use/cover change,LUCC)是引起地表各种物理过程变化的主要原因之一,进而对产流规律、流域蒸散发、土壤下渗、水质、水循环产生显著影响。众多的水库、堤坝、引水工程、灌区建设等,大大改变了河川径流,对河流生态系统、河道形态等也产生了一定影响。由于大量生产、生活用水需求,人类从河湖等地表水体以及地下含水层中大量取用水,直接影响了水文循环,造成了河川径流锐减甚至断流以及大面积地下漏斗,如河北省沧州市地下水漏斗等现象。上述人类活动均是通过改变水文循环进而直接或间接影响河川径流的,而流域水文模型是对区域水文循环的定量数学描述,流域水文模拟技术的快速发展无疑为定量评估人类活动对区域水文影响的评估提供了良好的工具。

20世纪60年代以来,国外许多学者采用模型模拟手段来评估LUCC对流域水文过程的影响。Onstad C A等(1970)最先尝试运用水文模型预测土地利用变化对径流的影响；Legesse等(2004)利用水文模型研究了人类取用水活动对Abiyata湖水位的影响；王浩等(2005)应用分布式流域水文模型WEP_L模型对比是否考虑人工取用水条件的模拟结果,分析了其对水文水资源的影响；王纲胜等(2006)通过建立分布式月水量平衡模型研究了人类活动在潮白河流域径流量影响的贡献率；Li等(2007)应用生态系统模型(IBIS)和分布式水文模型THMB相结合,研究了南非西部地区土地利用变化对水循环的响应；栾兆擎等(2008)基于统计的方法研究了人类活动对别拉洪河流域水文情势的影响；王国庆等(2008)以黄河中游三川河流域为例,采用流域水文模拟途径分析评估了气候变化和人类活动对该流域径流量的影响；欧春平等(2009)应用SWAT模型定量评估了海河流域土地覆被变化对径流、蒸发和洪峰流量的影响；Cong等(2009)采用GBHM模型,基于不同气候及土地利用情景模拟出未考虑人工取用水的径流,通过该模拟径流与实际径流对比得到人工取用水对水文的定量影响；史艳华等(2009)以故县水库为例,基于Richter提出的IHA法分析了洛河流域长水站的生态水文特征变化,探求了故县水利枢纽对河流天然径流的影响；李帆等(2010)分析了葛洲坝水利枢纽工程对宜昌河段水位—流量关系、断面形状和水位变化规律的影响。目前主要通过对比水利工程相关数据加入/不加入模型的计算结果来评价水利工程对水文的影响,如用SWAT。

水文循环过程是一个涉及多个圈层的复杂的非线性过程,人类活动与气候变化等多个因素共同影响着水文水循环,很难直接量化两者对水文产生影响的贡献,通过长期水文观测资料的对比分析以及水文模拟天然径流量,是评估人类活动和气候变化的重要途径。