近50年半干旱典型草原區(qū)域不同時間尺度上的降水、徑流研究

張阿龍, 高瑞忠, 劉廷璽, 秦子元

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 呼和浩特 010018)

水文氣象要素之間的關(guān)系及其相互作用十分復(fù)雜，其中周期性和突變性是兩個重要的特征[1-3]。近年來，由于氣候變化和人類活動的影響，半干旱區(qū)內(nèi)陸河草原流域水資源短缺，生態(tài)環(huán)境惡化[4]，水文過程發(fā)生了不容忽視的變化[5-7]。氣候波動(如極端降水事件的發(fā)生，溫度的時空分布變化等)導(dǎo)致空間水資源的重新分布，增加旱澇災(zāi)害發(fā)生的幾率。眾多學(xué)者對流域溫度、降水量和徑流量的周期變化、趨勢分析和突變分析進行割裂研究[8-13]，對水文要素的相關(guān)分析局限在年數(shù)據(jù)相關(guān)[10-14]，未考慮溫度、降水、徑流間復(fù)雜的相互作用，缺乏對氣象要素的日數(shù)據(jù)分析研究。

本文以內(nèi)蒙古錫林河流域為研究對象，基于多年水文、氣象要素日數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對降水天數(shù)與降水量、徑流天數(shù)與徑流量的多年日數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和長序列水文年、豐、枯水季的Mann-Kendall突變分析研究，降水、徑流與其他水文要素日數(shù)據(jù)非線性Spearman相關(guān)分析，系統(tǒng)分析錫林河流域氣溫、降水和徑流影響因素與演變規(guī)律。旨在探討以錫林河流域為代表的半干旱地區(qū)流域氣候是否持續(xù)趨于極端化，為北方半干旱地區(qū)發(fā)展過程中生態(tài)水文變化分析、生態(tài)環(huán)境保護和水資源合理利用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

錫林河是內(nèi)蒙古典型的草原型內(nèi)陸河，發(fā)源于赤峰市克什克騰旗境內(nèi)，繞錫林浩特市而過，錫林河全長268 km，其中自錫林浩特水庫以下近124.7 km的河流已斷流[14]，位于115°32′—117°16′E,43°26′—44°39′N，流域面積多達11 000 km2。屬于半干旱大陸性季風(fēng)氣候。春季干燥少雨，夏季炎熱，雨水多集中在7—9月，秋季涼爽，冬季漫長寒冷[5]。據(jù)錫林浩特市氣象站的資料統(tǒng)計，多年平均降水量為282.5 mm，多年平均蒸發(fā)能力為1 862.89 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)。取錫林浩特氣象站1963—2015年的日數(shù)據(jù)，其中包括降水量(mm)、蒸發(fā)量(mm)、相對濕度(%)、平均氣溫(℃)、日照時數(shù)(h)、風(fēng)速(m/s)等，降水?dāng)?shù)據(jù)選用1963—2015年國家氣象信息中心氣象資料實驗室建立的0.5°×0.5°降水格點日值數(shù)據(jù)，經(jīng)檢驗，該氣象站點的氣象數(shù)據(jù)沒有隨機變化和明顯的突變點，可以代表該流域的氣候狀況。錫林浩特站1963—2015年日徑流實測數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)水文總局，該站水文觀測資料時間序列較長且完整，數(shù)據(jù)來源也比較可靠。研究區(qū)氣象站點及水文氣象測站分布見圖1。

圖1 錫林河流域地理位置及水文氣象站點分布

1.3 研究方法

趨勢變化使用線性趨勢法將序列表示為時間t的函數(shù):y=at+b,其中a,b為常數(shù),用最小二乘法通過各要素時間序列計算出a與b,a為要素的線性趨勢,b為正(負)表示該要素隨時間變化有線性增加(減少)趨勢[15]。

改進Mann-Kendall檢驗方法來檢測研究區(qū)徑流和降水序列在顯著水平α=0.05時的趨勢性，降水或徑流序列趨勢判定：當(dāng)Z*為正值時，說明降水或徑流序列為增加趨勢；當(dāng)Z*為負值時，說明降水或徑流序列為減少趨勢。Z*大于標準正態(tài)95%分位數(shù)時，表明降水或徑流序列在顯著性水平α=0.05時存在顯著趨勢[1,5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水、徑流和徑流系數(shù)的統(tǒng)計特征

錫林河流域多年降水總量最大月、多年降水量最大月均出現(xiàn)在7月，分別占多年(水文年)降水總量、多年(水文年)最大降水量的28.89%，55%，多年徑流深總量最大月、多年徑流深最大月出現(xiàn)在4月，分別占多年(水文年)徑流總深和多年(水文年)最大徑流深的35.69%，57.74%，平均降水最小月出現(xiàn)在1月，占多年(水文年)平均降水量的0.7%，平均徑流深最小月出現(xiàn)在12月、1月、2月，占多年(水文年)平均徑流深的0%；降水和徑流標準差最大月分別出現(xiàn)在7月、4月，降水和徑流最小月均出現(xiàn)在冬季；降水、徑流偏度和峰度最大月均分別出現(xiàn)在4月和6月；降水、徑流變異系數(shù)最大月均分別出現(xiàn)在4月和3月；多年(水文年)最大降水、最小降水和平均降水天數(shù)和降水量分別為106 d，57 d，78.52 d，512.2 mm，126 mm，276.17 mm，最大徑流、最小徑流、平均徑流天數(shù)和徑流深分別為263 d，71 d，207.88 d，10.08 mm，1.58 mm，4.47 mm；多年豐水季最大降水、最小降水、平均降水天數(shù)和降水量分別為56 d，27 d，41.56 d，451.6 mm，89.9 mm，213.68 mm，最大徑流、最小徑流、平均徑流天數(shù)和徑流深分別為112 d，0 d，99.75 d，5.79 mm，0 mm，1.67 mm；多年枯水季最大降水、最小降水、平均降水天數(shù)和降水量分別為57 d，21 d，36.96 d，141.5 mm，24.1 mm，62.49 mm，最大徑流、最小徑流、平均徑流天數(shù)和徑流深分別為141 d，32 d，108.13 d，8.12 mm，0.49 mm，2.8 mm；多年豐水季降水總天數(shù)和枯水季降水總天數(shù)分別占多年降水總天數(shù)的52.9%，47.1%，多年豐水季徑流總天數(shù)和枯水季徑流總天數(shù)分別占多年徑流總天數(shù)的48%，52%，多年豐水季降水總量和枯水季降水總量分別占多年降水總量的77.4%，22.6%，多年豐水季徑流深總量和枯水季徑流深總量分別占多年徑流深總量的37.3%，62.7%(表1)。

綜上表明該區(qū)降水量最大月與徑流量最大月存在差異，除4月外，降水量與徑流量的變化是一一對應(yīng)的，4月北方徑流主要來源于山丘區(qū)融冰雪水，而7月徑流主要來源于降水，且夏季地表地下水開采量較大，取水耗水量較多，造成徑流4月份大于7月份的現(xiàn)象；豐枯季明顯，降水天數(shù)明顯小于徑流天數(shù)，且降水量遠大于徑流深，豐水季降水天數(shù)略小于枯水季降水天數(shù)，多年豐水季降水總量近似于枯水季的3倍，而多年枯水季徑流總量是豐水季的2倍。

2.2 降水和徑流的趨勢變化

錫林河流域年徑流量多年來呈現(xiàn)顯著減少的趨勢(表2，圖2)，而降水的整體變化趨勢不太明顯(表2，圖3)。流域年降水量在2010s達到最大，除了1960s，1980s，2000s有所減少以外，其余年代均小幅度增加；豐水季降水是在1950s達到最大，而枯水季降水量在2010s達到最大，除了1960s，1980s，2000s減少以外，其余年代為增加(表2，圖3)。

流域年徑流在1990s最大，在2000s最小，除在1990s和2010s有所增加以外，其余年代均為減少。尤其是2000s相對于1990s減少了54.90%；豐水季徑流在1990s達到最大，除了1970s和1990s增加以外，其余年代均為減少，2000s相對于1990s減少了67.97%；而枯水季的徑流變化類似年徑流的變化趨勢(表2)。

從圖2可以看出，降水量、降水天數(shù)變化不明顯，年降水量與豐水季降水量波動較大，具有相似的變化規(guī)律，突變現(xiàn)象不明顯。年降水天數(shù)周期性較明顯，存在約30 a的大周期，降水天數(shù)與降水量相呼應(yīng)，降水天數(shù)多的年份，降水量較大，降水天數(shù)少的年份，降水量較小，豐水季降水天數(shù)與枯水季降水天數(shù)接近，但總體上大于枯水季降水天數(shù)，5年滑動平均值可看出降水天數(shù)與降水量自1998—2011年均處于減少趨勢，2011年后略有增加；如圖3所示，徑流天數(shù)與徑流量整體呈現(xiàn)出明顯遞減趨勢，突變現(xiàn)象明顯，突變年份為2001年，年徑流量變化起伏較大，呈現(xiàn)出5～7 a的小周期，枯水季徑流量明顯大于豐水季徑流量，且豐水季存在斷流現(xiàn)象，徑流天數(shù)2001年以前基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，2001年后變化起伏較大。且徑流天數(shù)減少速度較快，豐水季徑流天數(shù)接近于枯水季徑流天數(shù)，但存在枯水季徑流天數(shù)大于豐水季徑流天數(shù)的現(xiàn)象，5年滑動平均值可看出徑流天數(shù)與徑流量自1998—2011年均處于下降趨勢，2011年后略有增加，與降水趨勢一致。該區(qū)1998—2011年處于由豐變枯階段，2011年后有由枯轉(zhuǎn)豐的跡象。

徑流與徑流天數(shù)變化總體趨勢呈下降趨勢，徑流水文年下降趨勢(-0.012 9)大于豐水年下降趨勢(-0.016 2)大于枯水年下降趨勢(-0.029 1)，且水文年相關(guān)系數(shù)大于豐水季相關(guān)系數(shù)大于枯水季相關(guān)系數(shù)；徑流天數(shù)水文年呈顯著下降趨勢，年徑流天數(shù)下降趨勢最為顯著，下降趨勢為-2.151，相關(guān)系數(shù)高達0.586，豐水季徑流天數(shù)次之，下降趨勢為-1.265 2，相關(guān)系數(shù)為0.529，枯水季徑流天數(shù)下降趨勢相對較弱(-0.885 8)，相關(guān)系數(shù)為0.565(表3)。

降水與降水天數(shù)趨勢變化較小，年降水量、豐水季呈下降趨勢，下降趨勢分別為-0.782，-0.645 4，相關(guān)系數(shù)分別為0.171，0.133，而枯水季降水量卻存在0.136 6的上升趨勢，顯著系數(shù)為0.087；降水天數(shù)年、豐水季變化呈微弱減小趨勢，變化趨勢分別為-0.205 9，-0.228 9，相關(guān)系數(shù)分別為0.287，0.499，枯水季降水天數(shù)呈0.023的微弱上升趨勢，相關(guān)系數(shù)為0.046(表3)。

枯水季降水、降水天數(shù)整體呈微弱的上升趨勢，徑流與徑流天數(shù)下降趨勢相對年、豐水季較低，該區(qū)徑流變化顯著，存在突變，但降水變化相對較弱，突變現(xiàn)象不明顯，說明該區(qū)徑流受到人類活動擾動較大。

表1 多年降水量、降水天數(shù)、徑流量、徑流天數(shù)和徑流深統(tǒng)計分析

注：“—”代表未發(fā)現(xiàn)，下表同。

表2 流域年徑流、豐水季、枯水季徑流年代變化及相對變化率

圖2 水文站點降水天數(shù)與降水量變化趨勢

圖3 水文站點徑流天數(shù)與徑流深變化趨勢

表3 錫林河流域降水徑流變化趨勢的擬合關(guān)系式及相關(guān)系數(shù)

對于錫林河流域水文站的徑流量及降水量的變化趨勢用坎德爾秩次相關(guān)法進行檢驗，由檢驗結(jié)果可知(表4)：年徑流量(p=0.018)及枯水季的徑流量(p=0.005)下降趨勢顯著，說明流域的徑流整體上呈明顯下降的趨勢。而年降水的整體下降趨勢不太明顯(p=0.795)，同時豐水季的下降趨勢也不明顯(p=0.215)。但是枯水季降水的上升趨勢比較顯著(p=0.044)。

2.3 徑流和降水序列的突變年份分析

圖4為研究區(qū)1962—2015年年(豐枯季)區(qū)域徑流、降水要Mann-Kendall突變檢驗，年、豐水季、枯水季徑流發(fā)生突變年份均為2004年，同一時期發(fā)生突變，年、枯水季徑流天數(shù)發(fā)生突變年份為2007年、2004年，豐水季在此期間未發(fā)生突變，說明該區(qū)年徑流天數(shù)枯水季所占比例居多，徑流量年、豐、枯水季突變年限一致，造成突變的驅(qū)動因數(shù)接近，枯水季徑流天數(shù)相對于年徑流天數(shù)突變年份較早，枯水季對引起突變的驅(qū)動因數(shù)更為敏感。

表4 年季尺度徑流和降水趨勢的改進Mann-Kendall檢驗結(jié)果

注：*為在顯著性水平α=0.05下趨勢顯著，↓為下降趨勢。

年、豐水季、枯水季降水發(fā)生突變年份分別為1997年、1998年、2009年，年降水與豐水季降水突變年份接近。與枯水季降水突變年份較遠，豐水季、枯水季降水天數(shù)發(fā)生突變年份為1987年、2009年，年降水在此期間未發(fā)生突變，且豐水季降水天數(shù)從1987年開始處于減少趨勢，枯水季降水天數(shù)從1998年開始處于增加趨勢，降水量年、豐、枯水季突變年限年早于豐水季早于枯水季，造成突變的驅(qū)動因數(shù)年與豐水季接近，而與枯水季突變的驅(qū)動因素可能不同，豐水季降水天數(shù)相對于枯水季降水天數(shù)突變年份較早，豐水季對引起突變的驅(qū)動因數(shù)更為敏感。

圖4 研究區(qū)1962-2015年年(豐枯季)區(qū)域徑流、降水的Mann-Kendall突變檢驗

2.4 氣候要素日數(shù)據(jù)相關(guān)分析

1963—2015年的氣候要素日數(shù)據(jù)Spearman相關(guān)，與降水量日數(shù)據(jù)呈正相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)大小依次為：平均相對濕度(0.338)>平均風(fēng)速(0.128)>平均氣溫(0.099)>徑流(0.019)，呈負相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)大小依次為：日照時數(shù)(-0.400)>小型蒸發(fā)量(-0.019)，影響該區(qū)降水大小的主要氣象因素依次為日照時數(shù)>相對濕度>平均風(fēng)速>平均氣溫>降水量=蒸發(fā)；與徑流日數(shù)據(jù)呈正相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)大小依次為：平均相對濕度(0.047)>平均風(fēng)速(0.029)>20—20時降水量(0.019)，呈負相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)大小依次為：小型蒸發(fā)量(-0.068)>平均氣溫(-0.019)，影響該區(qū)徑流大小的主要氣象因素依次為蒸發(fā)>相對濕度>平均風(fēng)速>平均氣溫=降水量>日照時數(shù)。

表5 1963-2015年的氣候要素日數(shù)據(jù)Spearman相關(guān)

注：**表示相關(guān)性在0上顯著，*表示相關(guān)性在0.05以上顯著。

3 討 論

內(nèi)蒙古錫林河流域典型草原區(qū)域4月北方徑流主要來源于山丘區(qū)融冰雪水，而7月徑流主要來源于降水，且夏季地表地下水開采量較大，取水耗水量較多，造成徑流4月份大于7月份的現(xiàn)象與文獻[4-5,14-17]研究結(jié)論相似；年降水天數(shù)存在約30 a的大周期，降水天數(shù)與降水量自1998—2011年均處于減少趨勢，2011年后略有增加，與宋小園[17]、焦瑋[18]等的研究成果接近；徑流天數(shù)與徑流量整體呈現(xiàn)出明顯遞減趨勢，突變現(xiàn)象明顯，突變年份為2001年，年徑流量變化起伏較大，呈現(xiàn)出5～7 a的小周期，枯水季徑流量明顯大于豐水季徑流量，且豐水季存在斷流現(xiàn)象，徑流天數(shù)2001年以前基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，2001年后變化起伏較大；徑流天數(shù)減少速度較快，豐水季徑流天數(shù)接近于枯水季徑流天數(shù)，徑流天數(shù)與徑流量自1998—2011年均處于下降趨勢，2011年后略有增加，與降水趨勢一致。年、豐水季、枯水季降水發(fā)生突變年份分別為1997年、1998年、2009年，年降水與豐水季降水突變年份接近；枯水季降水突變年份較遠，豐水季、枯水季降水天數(shù)發(fā)生突變年份為1987年、2009年，年降水在此期間未發(fā)生突變，且豐水季降水天數(shù)從1987年開始處于減少趨勢，枯水季降水天數(shù)從1998年開始處于增加趨勢，降水量年、豐、枯水季突變年限年早于豐水季早于枯水季。

4 結(jié) 論

(1) 內(nèi)蒙古錫林河流域典型草原區(qū)域的降水量最大月(7月)與徑流量最大月(4月)不同，豐枯季明顯，降水天數(shù)明顯小于徑流天數(shù)，且降水量遠大于徑流深，豐水季降水天數(shù)略小于枯水季降水天數(shù)，多年豐水季降水總量近似于枯水季的3倍，而多年枯水季徑流總量是豐水季的2倍。

(2) 徑流量多年來呈現(xiàn)顯著減少的趨勢，而降水的整體變化趨勢不太明顯，1998—2011年處于由豐變枯階段，2011年后有由枯轉(zhuǎn)豐的跡象。

(3) 年、豐水季、枯水季徑流發(fā)生突變年份均為2004年，同一時期發(fā)生突變，年、枯水季徑流天數(shù)發(fā)生突變年份為2007年、2004年，豐水季在此期間未發(fā)生突變。

(4) 該區(qū)年徑流天數(shù)枯水季所占比例居多，徑流量年、豐、枯水季突變年限一致，造成突變的驅(qū)動因數(shù)接近，枯水季徑流天數(shù)相對于年徑流天數(shù)突變年份較早，枯水季對引起突變的驅(qū)動因數(shù)更為敏感。

(5) 影響該區(qū)降水大小的主要氣象因素依次為日照時數(shù)>相對濕度>平均風(fēng)速>平均氣溫>降水量=蒸發(fā)；影響該區(qū)徑流大小的主要氣象因素依次為蒸發(fā)>相對濕度>平均風(fēng)速>平均氣溫=降水量>日照時數(shù)。

研究成果可以作為我國北方半干旱流域氣候變化和人類活動對流域徑流量影響的水資源保護利用的參考依據(jù)。