1960—2005年湄公河流域徑流量演變趨勢

周 婷,于福亮,李傳哲,柴增凱

(中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所,北京 100038)

水是自然資源的重要組成部分,是生物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ),也是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本支撐條件.河川徑流作為水資源的重要組成部分,對流域水資源的開發(fā)利用、配置和保護(hù)具有重要意義.近些年來,隨著全球氣候變化以及人類活動的影響,河川徑流量的變化趨勢在水科學(xué)研究中的重要地位更加突顯.

瀾滄江-湄公河發(fā)源于中國青藏高原唐古拉山北麓,自北向南先后流經(jīng)中國的青海、西藏和云南以及緬甸、老撾、泰國、柬埔寨和越南,在越南的胡志明市西部入海,是東南亞地區(qū)最大的國際河流,在中國境內(nèi)稱瀾滄江,出境后稱湄公河.河流上下游較寬闊,中游狹窄,流域內(nèi)地形起伏劇烈,地勢復(fù)雜.從河源到河口,干流全長4880km,總流域面積81.1萬km2,總落差5167m,平均比降0.104%,多年平均徑流量4750億m3,入海多年平均流量1.2萬m3/s.湄公河流域位于亞洲熱帶季風(fēng)區(qū)的中心,為雨水、地下水、冰雪融水混合補(bǔ)給類型的河流,受地形、緯度、海拔、西南和東南季風(fēng)等多種因素影響,其河川徑流特征在時空分布上也呈現(xiàn)出多樣性和區(qū)域差異性[1].湄公河作為東南亞唯一穿越5個國家的重要國際河流,是沿岸各國生活用水和工農(nóng)業(yè)用水的重要保障.2009年入秋以來,在中國西南地區(qū)遭受嚴(yán)重干旱的同時,湄公河次區(qū)域有關(guān)國家也出現(xiàn)嚴(yán)重旱情.東南亞5國6500萬人口視為生命線的湄公河水位下降到近20年來的最低點,其中湄公河北部的水位降至歷史最低水平.由于干旱,瀾滄江-湄公河流域的糧食生產(chǎn)、旅游、航運(yùn)、漁業(yè)等都受到了嚴(yán)重影響.因此,本文采用滑動平均法和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法量化分析湄公河流域徑流量的變化特征及演變趨勢,有助于對流域水資源的時空分布有更加全面的認(rèn)識,同時也為流域未來水資源合理調(diào)配和使用提供科學(xué)依據(jù).

1 研究數(shù)據(jù)與資料

綜合考慮地理位置的代表性以及資料的完整性和同步性,選取湄公河流域干流上6個代表性水文站(清盛、瑯勃拉邦、萬象、穆達(dá)漢、巴色、上丁)1960—2005年逐日實測徑流資料作為研究基礎(chǔ)資料.從統(tǒng)計意義上考慮,46a的時間序列能夠獲得比較可信的分析結(jié)果.6個水文站及流域相關(guān)信息見表1,站點分布如圖1所示.

表1 湄公河流域代表水文站Table 1 Information of representative hydrological stations in Mekong River basin

2 研究方法

2.1 滑動平均法

滑動平均法采用確定時間序列的平滑值來顯示變化趨勢.對樣本量為n的序列x,其滑動平均序列表示為

其中k為滑動長度.經(jīng)過滑動平均后,序列中短于滑動長度的周期大大削弱,獨立性和自由度降低,顯現(xiàn)出變化趨勢[2].

2.2 Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法

Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法(以下簡稱Mann-Kendall法)可以進(jìn)行徑流量趨勢的檢驗.非參數(shù)檢驗亦稱無分布檢驗,樣本不必遵從某一特定規(guī)律,同時也不受個別異常值的干擾,能客觀地表征樣本序列的整體變化趨勢,在國內(nèi)外的氣候研究和河流徑流量變化趨勢研究中得到廣泛的應(yīng)用[3-8].

對于具有n個樣本量的時間序列X=(x1,x2,…,xn),構(gòu)造一秩序列:

本研究基于統(tǒng)計值:

對于隨機(jī)序列X=(x1,x2,…,xn),當(dāng)n增加時Z很快收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布.當(dāng)原假設(shè)為該序列無趨勢時,一般采用雙邊趨勢檢驗,在給定顯著性水平 α下,于正態(tài)分布表中查出臨界檢驗值時,原假設(shè)被接受,表示序列變化趨勢不顯著;當(dāng)時,拒絕原假設(shè),認(rèn)為序列變化趨勢顯著.Z為正時表示序列呈上升趨勢,Z為負(fù)時表示序列呈下降趨勢.Z的絕對值越大,說明序列變化趨勢越顯著,對顯著性水平 α=0.05,Zα/2=1.96.

3 結(jié)果與分析

3.1 年際變化

3.1.1 年際變化特征值

反映年徑流量年際變化幅度和不同徑流量出現(xiàn)概率的特征值主要是年徑流量變差系數(shù)Cv、年徑流量年際極值比和年徑流量偏態(tài)系數(shù)Cs[9-10].從表2可以看出,湄公河流域6個水文站年徑流量變差系數(shù)Cv值都在0.15左右,年際變化幅度基本相同,豐枯變化比較平緩.6個站點年際極值比基本在2左右,表明最豐年徑流量為最枯年徑流量的2倍左右,這也說明年際變化幅度較小.但從偏態(tài)系數(shù)Cs值可以看出,湄公河不同河段的大小徑流量出現(xiàn)概率有較大差別,6個站點為正偏態(tài)分布或者正態(tài)分布,河段小于平均流量的低流量概率較高,其中以清盛站Cs值最大,高達(dá)0.85,從上游到下游依次減小,巴色站和上丁站基本接近正態(tài)分布,河段小于與大于平均流量的概率相當(dāng).

表2 湄公河流域代表水文站年徑流量年際變化特征值Table 2 Eigenvalues of inter-annual variation of runoffs at representative hydrological stations in Mekong River basin

3.1.2 年際變化趨勢

從6個代表性水文站1960—2005年徑流的變化過程以及線性回歸趨勢線可以看出(圖2),各水文站徑流量變化有一定的相似性,但是仍然存在差異.清盛、瑯勃拉邦、萬象和巴色4個站點年徑流量呈下降的趨勢,穆達(dá)漢和上丁年徑流量則顯示出微小的上升趨勢.表3為Mann-Kendall法檢驗?zāi)陱搅髁磕觌H變化趨勢結(jié)果,6個站點年徑流量變化均未達(dá)到顯著水平,年際變化較平緩[11].

圖2 湄公河流域代表水文站年徑流變化過程及趨勢Fig.2 Variation process and trend of annual runoffs at representative hydrological stations in Mekong River basin

3.1.3 年際變化階段性

由以上的分析可知,6個站點年際變化并沒有明顯的趨勢性,采用滑動平均法可以更加明顯地分辨出徑流量年際變化的階段性特征.從圖2所示5年滑動平均曲線可以看出,湄公河流域6個站點1960—2005年徑流變化大致都經(jīng)歷了3個階段,但由于降水、氣溫以及人類活動等的空間差異性,不同站點的豐枯水階段不同.清盛和穆達(dá)漢在20世紀(jì)60年代至70年代中期為豐水階段,70年代后期至90年代后期為枯水階段,90年代末期至21世紀(jì)初為豐水階段.瑯勃拉邦、萬象、巴色和上丁則是在20世紀(jì)60年代至80年代中期為豐水階段,80年代后期至90年代后期為枯水階段,90年代末期至21世紀(jì)初為豐水階段.

表3 湄公河流域代表水文站年徑流變化趨勢Table 3 Trend of perennial runoffs at representative hydrological stations in Mekong River basin

3.2 年代變化

統(tǒng)計6個水文站年平均流量年代變化趨勢,如圖3所示(圖中,1960s表示20世紀(jì)60年代,其中2000s代表2000—2005年).總體來看,上游3個站點的變化趨勢較小,而下游3個站點呈現(xiàn)先減小后顯著上升的趨勢.其中20世紀(jì)60年代到70年代,6個站點年平均流量變化都較小;70年代到80年代,各站點年平均流量均下降,其中上丁站下降趨勢比較明顯;80年代到90年代期間,除上丁站上升趨勢較顯著外,其他站點年平均流量變化都十分微小;從90年代到21世紀(jì)初,6個站點年平均流量均呈上升趨勢,其中上游的清盛、瑯勃拉邦和萬象3個站點上升較小,下游的穆達(dá)漢、巴色和上丁3個站點上升趨勢十分明顯.

圖3 湄公河流域代表水文站年平均流量年代變化過程Fig.3 Inter-decadal variation of average annual runoffs at representative hydrological stations in Mekong River basin

3.3 年內(nèi)變化

3.3.1 年內(nèi)分配

湄公河流域為亞熱帶季風(fēng)區(qū)的中心,徑流主要來自降水,受季風(fēng)氣候影響,一年出現(xiàn)一次汛期,徑流量主要集中于汛期.上下游年內(nèi)分配特征類似,流量過程線總體呈單峰狀.6個站點多年月平均徑流量占全年比例如表4所示,可以看出湄公河徑流量年內(nèi)分配極不均勻.上游3個站點的最大徑流量出現(xiàn)在8月,占年徑流量的20%左右,最小徑流量出現(xiàn)在3月,占年徑流量的2.5%左右,汛期6個月(6—11月)徑流量占全年的80%左右,非汛期6個月(12—5月)徑流量占全年的20%.下游3個站點的最大徑流量除穆達(dá)漢站以外都出現(xiàn)在9月,占年徑流量的23%左右,最小徑流量都出現(xiàn)在4月,占年徑流量的1.5%左右,汛期6個月(6—11月)徑流量占全年的87%左右,非汛期6個月(12—5月)徑流量占全年的13%.由于匯流時間的差異,下游站點流量的時間相對上游站點都要滯后.而且從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中可以看出,上游站點最大月徑流量與最小月徑流量之比大約為8,而下游站點高達(dá)15,汛期與非汛期的比值也更大,因此下游相對上游站點年內(nèi)分配更加不均勻.

3.3.2 年內(nèi)變化趨勢

表4 1960—2005年湄公河流域代表水文站多年月平均徑流量年內(nèi)分配比例Table 4 Ratio of intra-annual distribution of monthly runoffs at representative hydrological stations in Mekong River basin during1960-2005 %

采用Mann-Kendall法對6個水文站1960—2005年各月徑流量的變化趨勢進(jìn)行檢驗,結(jié)果如表5所示.其中清盛站8月,瑯勃拉邦站2月、11月和12月的徑流量下降趨勢顯著,穆達(dá)漢站3月、4月和5月,巴色站3月和4月,上丁站4月和5月的徑流量上升趨勢顯著.各站點其他月份則無顯著變化.除了清盛站顯著下降發(fā)生在8月處于汛期以外,其他站點的顯著變化均發(fā)生在非汛期月份;并且上游清盛、瑯勃拉邦和萬象3個站點徑流量主要是下降趨勢,而下游穆達(dá)漢、巴色和上丁3個站點徑流量主要是上升趨勢.除了穆達(dá)漢站點非汛期徑流量呈現(xiàn)顯著上升的趨勢外,其他站點汛期和非汛期徑流量都沒有顯著變化.但總體來看,汛期主要是下降趨勢,而非汛期大部分是上升趨勢[12].

表5 湄公河流域代表水文站徑流量年內(nèi)變化趨勢Mann-Kendall法檢驗結(jié)果Table 5 Results of Mann-Kendall tests on intra-annual variation trend of runoffs at representative hydrological stations in Mekong River basin

4 結(jié) 論

a.從年際變化來看,6個水文站年徑流量變差系數(shù)都在0.15左右,年際極值比基本在2左右,年際變化幅度較小;清盛、瑯勃拉邦、萬象和巴色4個站點年徑流量在1960—2005年呈現(xiàn)弱下降趨勢,穆達(dá)漢站和上丁站則顯示出弱上升趨勢,但都不顯著;不同站點都經(jīng)歷了3個不同的豐枯水階段.

b.從年代變化來看,20世紀(jì)60年代到70年代徑流量變化都比較小;70年代到80年代6個站點徑流量均下降;80年代到90年代除上丁站上升趨勢較顯著外,其他站點徑流量變化都十分微小;從90年代到21世紀(jì)初,6個站點徑流量均呈上升趨勢,并且從上游到下游上升趨勢越來越明顯.

c.從年內(nèi)變化來看,最大月徑流量與最小月徑流量之比為8～15,年內(nèi)分布極不均勻;下游地區(qū)來水比上游地區(qū)更加向汛期集中;月徑流量有顯著變化趨勢的主要發(fā)生在非汛期月份,上游主要是下降趨勢,下游主要是上升趨勢,大部分站點汛期呈下降趨勢,非汛期呈上升趨勢.

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