在全球气候变暖和人类活动干扰的背景下，流域水文过程发生了巨大的变化。一方面，水文循环过程对气候变化极其敏感，降水、蒸发等随着气候的改变而改变，进而影响水文循环过程^[1-2]；另一方面，随着经济发展和科技进步，水利工程建设、毁林造林、城市化等人类活动引起了流域内土地利用和覆被变化，显著改变了下垫面条件，使水文过程更加复杂多变^[3]。

气候变化和人类活动对流域水文过程的影响是水文学领域的热点问题之一。许多学者通过全球气候模式（GCMs）、降尺度的区域气候模式（RCMs）或者水文模型来研究气候变化对水文过程的影响，较好地揭示了气候变化对水文过程的影响程度及机制，并对未来的气候模式演变做了一般性地预测^[4-5]。气候变化改变了全球降雨的再分配模式，使湿润地区更加湿润，干旱地区更加干旱，在中国的具体表现就是降水量的下降^[6]以及洪涝和干旱等极端气候事件明显增多。尽管气候变化对水文水资源效应的影响非常显著，但近几十年来，人类活动正逐渐成为影响流域水文过程的另一关键因素。Barnett等^[7]在研究20世纪50—90年代美国西部干旱区水文过程演变时指出，该地区径流量、冬季温度、积雪等的变化有60%是人类活动导致的。相似的，王随继等^[8]研究表明，降水和人类活动对皇甫川流域径流量变化的贡献率在1980—1997年分别为36%和64%，在1998—2008年分别为17%和83%，人类活动对径流量的影响明显增加。然而，这些研究大多单从气候变化或人类活动的角度分析其对水文过程的影响，而且由于时空尺度问题、水文模型参数率定的不确定性以及定量化人类活动比较困难等，如何定量区分气候变化和人类活动对水文过程的影响仍有待深入探讨。张晓娅等^[9]认为气候变化和人类活动对长江径流量的影响相互削弱，使长江年入海径流量下降了1%，且对流域内不同分区的影响存在显著差异。Ye等^[10]采用水文敏感性分析方法定量化研究了气候变化和人类活动在不同年代对鄱阳湖流域径流量的影响，指出气候变化是流域水文变化最主要的影响因素。在前人研究的基础上，笔者通过累积距平分析和Mann-Kendall趋势检验相结合的方法寻找洞庭湖流域地表径流量变化的突变点，并根据径流量变化定量分析方法计算了气候变化和人类活动对径流的改变量及其贡献率。该研究对洞庭湖流域水资源的规划、开发、评估和管理具有重要意义。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

洞庭湖流域位于长江中下游地区，流域总面积约为26万km²，占长江流域总面积的12%，年平均降水量为1429 mm。湖区水系十分发达，入湖径流包括长江三口（松滋、太平、藕池）分流，湘江、资水、沅江、澧水四水径流以及新墙河、汨罗江等区间河湖径流三部分，经湖泊调蓄后由城陵矶注入长江。近年来，三口径流量逐渐减少且分流比下降，年内断流天数不断增加，而四水年径流量总体上相对稳定，与区间河湖径流一起约占全部入湖水量的78%^[11]。整个流域可分为湘江、资水、沅江、澧水4个子流域以及环湖区，具体如图 1所示。

洞庭湖流域具有明显的干湿季节性交替特征，汛期（4—9月）降水量为1009 mm，约占全年降水量的71%。由于降水量年内年际分配极不均衡，加上人类对土地和水资源的不合理开发与利用，流域内洪涝和干旱灾害频发，一年内大约分别有84 d和72 d表现为流域性的洪涝和干旱^[12]，严重危及流域生态系统健康和人民生命财产安全。

1.2 数据与方法 1.2.1 数据

水文数据来源于湖南省水文局和长江水利委员会，包括湘潭、桃江、桃源、石门4个水文站1985—2010年逐日平均流量（桃源站1985年数据缺失，通过插值补充），并以此为基础分别计算洞庭湖流域及湘江、资水、沅江、澧水4个子流域的年径流量。气象数据由国家气象中心提供，该数据集包括洞庭湖流域内16个国家气象台站1985—2010年的降水、温度、相对湿度、风速、日照时数、水汽压等指标，并根据联合国粮农组织（FAO）推荐的Penman-Monteith公式计算了洞庭湖流域及其子流域的潜在蒸散发量。径流量、降水量、潜在蒸散发量的单位均换算为mm。水文站及气象站分布如图 1所示。

1.2.2 累积距平分析

累积距平分析是表征离散数据点变化趋势的一种统计学方法，能直观地区分气象或水文要素的阶段性变化特征。对于序列x（x₀表示序列x的多年平均值），其在时刻t的累积距平X_t 为：

累积距平值表示气象或水文要素偏离多年平均值的程度，若累积距平值持续增大，表明该时段某要素的值大于其多年平均值，反之则小于其平均值。某一时段曲线斜率的绝对值越大，说明该时段某要素的变化幅度越大。当曲线斜率异号时，转折点即为可能的突变点。

1.2.3 Mann-Kendall检验

非参数化Mann-Kendall检验（简称MK检验）广泛应用于水文、气象等数据的趋势及突变检验。该方法以时间序列平稳且独立为前提，但不要求数据遵循正态分布^[13]。设原假设H0：数据序列为x₁，x₂，…，x_n，以ni表示样本x_i >x_j（1≤j≤i）的累计数，定义统计量dk：

则dk的均值E（d_k）和方差var（d_k）分别为：

将d_k标准正态化，得到标准正态统计量UF（d_k）：

给定显著性水平α，当UF（d_k）<U_α/2时，接受原假设H0，即无显著上升或下降趋势；当UF（d_k）>U_α/2时，拒绝原假设H0，即存在显著上升或下降趋势，且UF（d_k）>0表明具有上升趋势，UF（d_k）<0表明具有下降趋势。逆序列UB（d_k）采用同样的方法计算，且UB（d_k）= -UF（d_k），若其与UF（d_k）存在交点且位于置信区间内，则交点即为可能的突变点。

1.2.4 径流量变化定量分析方法

在长时间尺度上，任何一个自然流域的水量总保持着平衡状态，其水量平衡方程为：

式中：P表示降水量；Q表示径流量；E表示实际蒸发量；ΔS表示水量变化量，在长时间尺度上（≥10 a）ΔS近似为0。

基于水量平衡方程，Zhang等^[14]提出了一个关于降水、实际蒸发和潜在蒸散发的经验公式：

式中：E₀表示潜在蒸散发量；λ表示植被可利用水量系数，其值的大小反映植物蒸腾作用的强弱，可由水文和气象数据计算得出。

水文条件的改变是气候变化和人类活动共同作用的结果，而水文状况可用径流量来表示，气候变化可以通过降水和潜在蒸散发来反映^[14]。因此，径流量的变化可以通过气候变化和人类活动来定量描述^[15]：

式中：ΔQ表示径流变化量；ΔQ_C表示由气候变化引起的径流改变量；ΔQ_H表示由人类活动引起的径流改变量；ΔP表示降水变化量；ΔE₀表示潜在蒸散发变化量。

2 结果与讨论 2.1 流域气候变化特征

研究时段内，洞庭湖流域年降水量总体呈下降趋势，下降速率为5 mm·a^-1；而年潜在蒸散发量则呈上升趋势，上升速率为3 mm·a^-1，且通过了0.05显著性水平检验。降水量年际波动幅度较大，最小值为2005年的1181 mm，最大值为2002年的1921 mm，后者是前者的1.63倍。2002年后，降水量急剧下降；相反地，潜在蒸散发量则快速上升。潜在蒸散发量多年变化范围在846~962 mm，多年平均值为900 mm。图 2中累积距平曲线表明，洞庭湖流域的年降水量和年潜在蒸散发量具有明显的阶段性变化特征。降水量变化过程大致可分为两个阶段：2002年以前，大多数年份的年降水量高于多年平均值，正距年数为16 a；2002年以后，大多数年份的年降水量低于多年平均值，负距年数为9 a，且降水量在2002年以后的变化幅度更大。相似的，潜在蒸散发量的变化过程也分为两个阶段，其正负距年数与降水量相当，但变化趋势则与降水量恰恰相反。降水量和潜在蒸散发量的累积距平曲线分别在2002年和2003年发生转折，显然，2002—2003年是洞庭湖流域干湿交替变化的一个转折期。

2.2 流域径流量变化特征

图 3为各水文站1985—2010年年径流量及其累积距平变化过程曲线。除石门站外，其他水文站年径流量均具有明显的阶段性变化特征。湘江流域在1985—1991年和2003—2010年为两个显著枯水期，1992—2002年为显著丰水期，其中1991年和2002年为丰、枯水期转折点（图 3a）。图 3b表明，资水流域具有两个显著枯水期（1985—1987年和2003—2010年），一个平水期（1988—1992年）和一个显著丰水期（1993—2002年）。桃源站年径流量变化过程与桃江站类似，即沅江流域有两个显著枯水期（1986—1989年和2005—2010年）和一个显著丰水期（1990—2004年），丰、枯水期转折点为1990年和2004年（图 3c）。图 3d中的累积距平曲线无显著变化趋势，说明澧水流域年径流量无明显阶段性变化特征。总的来说，各子流域径流量年际波动幅度都较大，多年平均波动幅度超过600 mm，其中湘江、资水和沅江流域的径流量累积距平曲线各有一个波谷和一个波峰，阶段性变化特征明显，而澧水流域径流量波动频率较高，无明显变化趋势。湘潭站和桃江站年径流量累积距平值均在2002年达到最大，桃源站在2004年为最大值。这与洞庭湖流域干湿转折期基本一致。

通过MK检验对各流域年径流量序列进行检验，进而分析各流域径流量变化趋势，并寻找其可能的突变点，结果如图 4所示。除1985—1987年出现短暂下降外，湘潭站年径流量整体上呈增加趋势，其中1992—2004年通过了0.05显著性水平检验，说明该时段径流量显著上升（图 4a）。桃江站和桃源站年径流量变化趋势基本一致，2008年以前径流量呈增加趋势，2008—2010年逐渐下降，其径流量在1993—2000年显著上升。在95%的置信区间内，图 4b和图 4c中的UF-UB曲线存在唯一交点，即资水流域和沅江流域径流量变化可能的突变点分别为2006年和2005年。图 4d中UF值在1985—2005年始终大于0，其后均小于0，即澧水流域年径流量在1985—2005年呈上升趋势，在2006—2010年呈下降趋势，但是这种变化趋势并不显著。从整个时间序列来看，桃江站、桃源站和石门站的年径流量前期均表现为上升趋势，最后3~5年才开始下降；而湘潭站的年径流量变化趋势明显不同，径流量在前3年为下降趋势，其余时段均为上升趋势。湘潭站、桃江站和桃源站的径流量在20世纪90年代均通过了0.05显著性水平检验，具有显著上升的趋势。

综合各水文站径流量累积距平分析和MK检验的结果，湘江、资水、沅江和澧水4个子流域径流量变化的突变点分别为2002、2006、2005年和2005年，洞庭湖流域径流量变化的突变点为2002年。

2.3 气候变化和人类活动对流域径流量变化的影响

洞庭湖流域径流量的改变主要受气候变化和人类活动的双重影响，通过径流量变化定量分析方法可以定量区分ΔQC和ΔQH及其对径流量变化的贡献率。模型参数λ的取值会影响计算结果的精度，这里通过式（6）和式（7）计算出湘江、资水、沅江、澧水4个子流域及整个洞庭湖流域的λ分别为1.29、0.83、0.61、0.69和0.86。根据公式（6）~（9），计算出各流域突变前后的径流量变化如表 1所示。

发生突变后，各流域的降水量和径流量均减少，而潜在蒸散发量则有小幅度增加，湘江、资水、沅江和澧水4个子流域及整个洞庭湖流域的降水量分别减少了20、198、213、116、100 mm，径流量分别减少了15、130、112、102、28 mm，潜在蒸散发量分别增加了40、87、32、32、44 mm。从ΔQC和ΔQH的变化量和实际贡献率来看，气候变化对径流量的减少起促进作用，而人类活动则在一定程度上对径流量起补充作用；从ΔQC和ΔQH的绝对贡献率来看，各流域径流量的减少主要受气候变化的影响，尽管人类活动对径流量的减少有抑制作用，但是与气候变化的叠加影响整体上还是表现出流域径流量的减少，两者对径流量的影响既相互补充又相互抵消。区域气候的差异性和人类活动的强弱导致了不同流域的ΔQC和ΔQH及其贡献率在时空尺度上并不完全相同。在4个子流域中，气候变化对澧水流域径流量变化的贡献率最大，其次为资水流域和沅江流域，对湘江流域的贡献率最小。在整个洞庭湖流域尺度上，气候变化仍然是径流减少的主要影响因素，其绝对贡献率为64%，人类活动的绝对贡献率为36%。各流域径流突变年份都集中在2002—2006年，这也是洞庭湖流域洪涝和干旱灾害多发期。

进入21世纪以来，在强烈的气候变化和人类活动影响下，洞庭湖流域洪涝和干旱等极端气候事件明显增多，尤其是季节性的水文干旱愈演愈烈^[16]。随着干旱形势的发展，整个洞庭湖流域及其4个子流域突变后的径流量均有所下降，主要原因是流域降水减少且时空分布不均匀^[17]。气候变化对径流量的影响主要通过降水量和潜在蒸散发量来反映，其中降水是洞庭湖流域内河流的主要补给形式，对流域水量丰枯有直接影响，潜在蒸散发量是通过多种气象因子综合计算得出的，能较好地反映气候变化的整体特征。人类活动对径流量的影响具有双向性，如充分发挥河湖水利工程的拦洪补枯和抗灾减灾功能，有利于流域水资源合理配置，而经济的快速发展又会进一步增加流域用水负担。Huang等^[18]研究表明洞庭湖水文干旱是自然环境演变的结果，三峡水库蓄水虽然对洞庭湖水文干旱有影响，但并不是主要影响因素。肖鹏^[19]根据水热耦合平衡和水文模型分别计算了气候变化和人类活动对洞庭湖流域径流变化的影响，研究结果表明气候变化是径流减少的主要原因，而人类活动扮演着增加径流的角色，两种方法计算出的人类活动的绝对贡献率分别为4%~24%和20%~31%，与表 1中11%~38%的结果相差不大，但与人类活动对洞庭湖流域径流变化影响不大的认识存在一定偏差，故仍需要进一步深入探讨。洞庭湖流域的现代化建设显著改变了下垫面条件，使湖区建设用地面积在20世纪90年代增长了9%^[20]，耕地和林地转化为建设用地使地表蒸发和入渗减少，进而导致产流量增加。据统计，湖南省1951—1998年间因破坏森林和水土流失造成森林和土壤两大“天然蓄水库”损失的蓄水量约为180亿m3^[21]，不合理的毁林造林和严重的水土流失极大地削弱了森林和土壤涵养水源的能力，从而促使径流增加。由于人类活动的多样性、不确定性以及数据的有限性，该研究并未就具体的人类活动加以区分，而是将所有的人类活动作为一个整体来研究其对流域径流量变化的影响。

3 结论

（1）研究时段内（1985—2010年），洞庭湖流域的年降水量呈不显著下降趋势，下降速率为5 mm·a^-1，而年潜在蒸散发量则呈显著上升趋势，上升速率为3 mm·a^-1，且2002年为洞庭湖流域干湿交替变化的转折期。

（2）通过径流量累积距平分析和Mann-Kendall检验发现，洞庭湖流域及湘江、资水、沅江、澧水等子流域径流量变化的突变点分别为2002、2002、2006、2005年和2005年，突变后相对于突变前分别减少了28、15、130、112、102 mm，流域干旱形势更加严峻。

（3）径流量变化定量分析方法揭示了气候变化和人类活动对洞庭湖流域径流量变化的影响结果和程度明显不同，径流量的减少主要受气候变化的影响，其绝对贡献率为64%。虽然人类活动起到补充径流量的作用，但是与气候变化的叠加影响整体上仍使径流量减少，其绝对贡献率为36%。