氣候變化背景下石羊河下游徑流特征

李興宇 丁文魁 蔣菊芳 任麗雯 楊華 程倩 王鶴齡

摘要：利用近50年石羊河下游蔡旗水文站徑流觀測(cè)資料和該站上游涼州、古浪、烏鞘嶺、永昌4個(gè)氣象站氣溫、降水、蒸發(fā)量觀測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用累計(jì)距平、Mann-Kendall（M-K）突變檢驗(yàn)、Morlet小波分析和皮爾遜相關(guān)系數(shù)法分析氣候變化背景下石羊河下游徑流量的變化特征。結(jié)果表明，石羊河的徑流變化存在2年、4年、22年變化周期，其中以22年時(shí)間尺度徑流的變化最為明顯，徑流量在該尺度上表現(xiàn)為豐水期-枯水期-豐水期-枯水期-豐水期交替變化，截至2017年，徑流量表現(xiàn)持續(xù)增加趨勢(shì)。流域內(nèi)氣溫、蒸發(fā)量呈上升趨勢(shì)，降水量變化趨勢(shì)平穩(wěn)，三者變化周期較一致，在2年、3年、4年、5年、20年、22年等年際和年代際尺度上，徑流量變化與氣溫、蒸發(fā)量變化呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，且時(shí)間尺度越大相關(guān)性越強(qiáng);降水量在年際和多時(shí)間尺度上對(duì)徑流量變化有一定影響，但2-5年時(shí)間尺度上無明顯相關(guān)性，20年、22年時(shí)間尺度上卻呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明石羊河徑流量變化可能還與除氣候變化外的人類活動(dòng)等其他因素有很大關(guān)系。

關(guān)鍵詞：氣候變化;石羊河流域;徑流;特征;氣溫;降水;蒸發(fā)量

中圖分類號(hào)：S273.29?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）18-0286-08

收稿日期：2019-09-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41775107、41275118）;公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（重大專項(xiàng)）（編號(hào)：GYHY201506001-2）。

作者簡(jiǎn)介：李興宇（1990—），男，甘肅古浪人，碩士，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)與生態(tài)氣象業(yè)務(wù)和科研工作。E-mail：Daniel_0817@126.com。

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC） 第5次報(bào)告指出，全球變暖加劇[1]，且在北半球中緯度地區(qū)尤為明顯[2]。區(qū)域氣候條件變化會(huì)直接影響陸-氣水循環(huán)結(jié)構(gòu)，使水資源系統(tǒng)配置的時(shí)空分布發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域水資源問題更加突出[3-6]。近幾十年來，我國(guó)西北地區(qū)氣候總體向偏暖偏濕方向發(fā)展，氣溫、降水、蒸發(fā)量等氣候要素發(fā)生明顯變化，對(duì)徑流變化影響顯著[7-11]。

近年來，許多學(xué)者利用時(shí)間序列分析方法通過分析水文觀測(cè)資料研究石羊河徑流變化情況。郭靜等利用小波分析法，指出石羊河流域8條支流出山口徑流的周期變化特征，指出石羊河各支流出山口徑流變化的主要周期是45年和30年[12]。楊正華利用石羊河流域8個(gè)出山口長(zhǎng)度為55年的水文資料，對(duì)石羊河各支流徑流長(zhǎng)期變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，指出流域內(nèi)各支流出山口徑流變化呈減少趨勢(shì)[13]。還有學(xué)者結(jié)合流域內(nèi)氣象觀測(cè)資料，分析徑流變化與氣候演變的關(guān)系，劉明春等以石羊河流域支流西營(yíng)河為例，分析1961—2009年徑流變化趨勢(shì)、年內(nèi)分配特征與氣象因素間的關(guān)系，指出汛期內(nèi)氣溫升高伴隨的蒸發(fā)量增大對(duì)徑流量的減少起主導(dǎo)作用，氣候變暖較不利于流域內(nèi)徑流量的增加[14]。周俊菊等研究了石羊河上游出山徑流對(duì)氣候變化響應(yīng)的情況，指出石羊河上游天祝出山口徑流量呈微弱波動(dòng)并減少的趨勢(shì)，在1956—2009年中存在3個(gè)豐水期、2個(gè)枯水期，出山徑流量變化與降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與氣溫、蒸發(fā)量變化呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[15]。以上研究多是以石羊河各支流出山口徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)為對(duì)象，討論徑流變化特征及其與氣候變化的關(guān)系。目前來看，針對(duì)氣候變化背景下石羊河各支流在祁連山區(qū)匯流穿過河西走廊平原地區(qū)抵達(dá)下游時(shí)演變特征的研究[16-17]并不多。位于石羊河中下游的蔡旗斷面是評(píng)判流域水文狀況的重要位置，上游河道所有來水在這里匯集后流入紅崖山水庫(kù)，這里的來水量與下游民勤綠洲生態(tài)安全密切相關(guān)，研究蔡旗斷面徑流變化狀況及其與流域上游氣候變化的關(guān)系，對(duì)保護(hù)流域生態(tài)平衡具有現(xiàn)實(shí)意義。

1?研究區(qū)概況

石羊河古稱谷水，位于我國(guó)西北地區(qū)甘肅省，屬干旱、半干旱氣候過渡帶，東以烏峭嶺、毛毛山、老虎山與黃河流域?yàn)榻?，西以大黃山、馬營(yíng)灘與黑河流域?yàn)榻?。水資源是影響當(dāng)?shù)厣鐣?huì)發(fā)展和人們生存的重要自然資源，同時(shí)也是區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和自然生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。石羊河河流水系全長(zhǎng) 250 km 左右，自西南向東北貫穿甘肅省武威市、金昌市，行政區(qū)劃上包括金昌市永昌縣，武威市涼州區(qū)、民勤縣、古浪縣及天?？h的一部分。石羊河主要支流包括大靖河、古浪河、黃羊河、金塔河、西營(yíng)河、東大河以及西大河，是河西走廊第三大水系。石羊河發(fā)源于東部祁連山區(qū)冷龍嶺北麓大雪山，位于上游的祁連山區(qū)自然降水資源豐富，還擁有約65 km2的冰川和殘留林木，充沛的降水量和冰雪融水成為整個(gè)河系的重要水流補(bǔ)給。中游流經(jīng)河西走廊平原地區(qū)，形成涼州、永昌等綠洲，灌溉農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)。流域下游為民勤綠洲，擁有亞洲最大的沙漠水庫(kù)紅崖山水庫(kù)和青土湖等終端湖（圖1）。

2?數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1?數(shù)據(jù)來源

本試驗(yàn)所用的石羊河流域蔡旗水文站1967—2017年徑流量數(shù)據(jù)為甘肅省武威市水務(wù)局累年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。氣溫、降水量、蒸發(fā)數(shù)據(jù)來自流域內(nèi)涼州、古浪、烏鞘嶺、永昌4個(gè)國(guó)家基本氣象觀測(cè)站逐年平均（合計(jì)）資料。

2.1?研究方法

2.1.1?累計(jì)距平

累計(jì)距平是在時(shí)間序列距平值的基礎(chǔ)上，按年序疊加得到的距平累計(jì)序列。累計(jì)距平持續(xù)增大表明該時(shí)段序列持續(xù)為正;累計(jì)距平持續(xù)減小表明該時(shí)段序列持續(xù)為負(fù)[18]。

2.1.2?M-K檢驗(yàn)

M-K檢驗(yàn)是非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，由時(shí)間序列標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量（UF值）及其反序列的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量（UB值）判斷序列變化趨勢(shì)，UF值與UB值2條曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)確定為突變點(diǎn)。當(dāng)突變點(diǎn)通過置信檢驗(yàn)，若UF>0，表示增加趨勢(shì);若UF<0，表示減少趨勢(shì)[19]。

2.1.3?Morlet小波分析

Morlet小波是一種使用普遍的復(fù)值小波，母函數(shù)為Ψ（t）=e-t22eiω0t（t為時(shí)間長(zhǎng)度，在本研究中的單位為年;i為虛數(shù);ω0為無量綱頻率），是經(jīng)Gauss函數(shù)平滑得到的諧波，比實(shí)值小波更為實(shí)用[20]。本研究采用Morlet小波變換方法分析多時(shí)間尺度下徑流量和氣候要素的變化周期。

2.1.4?Pearson相關(guān)分析

相關(guān)分析法可以度量不同序列關(guān)系密切程度，Pearson相關(guān)系數(shù)用于度量2個(gè)序列之間的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)定義為2個(gè)變量協(xié)方差和標(biāo)準(zhǔn)差的商[21]。

3?徑流變化趨勢(shì)和多時(shí)間尺度特征

3.1?徑流總體變化趨勢(shì)和突變性

為了解徑流總體變化趨勢(shì)，計(jì)算50年間蔡旗水文站年平均徑流量和累計(jì)距平值。時(shí)間序列突變性分析采用M-K突變檢驗(yàn)方法，置信度水平為005，置信區(qū)間[-1.96，1.96]。從圖2可以看出，過去50年中，石羊河年徑流量呈明顯非線性變化，總體呈減少趨勢(shì)，大致經(jīng)歷了豐水期-平水期-枯水期-豐水期4個(gè)變化階段：1967—1975年累計(jì)距平曲線上升，對(duì)應(yīng)第1個(gè)豐水期;1976—1990年累計(jì)距平曲線起伏不大，整體呈微弱減小趨勢(shì)，15年中徑流量接近多年平均值，為平水期;1991—2009年，累計(jì)距平持續(xù)下降，年徑流量不斷減少，石羊河枯水期長(zhǎng)達(dá)19年，枯水期持續(xù)時(shí)長(zhǎng)超過水文記錄時(shí)長(zhǎng)（50年）的1/3;而2010—2017年，年徑流累計(jì)距平曲線持續(xù)回升，年徑流量高于多年平均值，迎來第2個(gè)豐水期。

圖3結(jié)果較好地對(duì)應(yīng)了累計(jì)距平曲線所反映的徑流變化趨勢(shì)。蔡旗徑流在1973年發(fā)生突變并通過0.05置信度水平的置信檢驗(yàn)（UF<0），序列由波動(dòng)變化轉(zhuǎn)為明顯減少，證實(shí)了1967—1975年為第1個(gè)豐水期的可靠性;而在1974—1993年，UF曲線上下震蕩變化，總體為下降趨勢(shì)，下降速度較緩，較好地對(duì)應(yīng)了1976—1990年的平水期;此后直到2007年，UF曲線呈明顯下降趨勢(shì)，說明徑流量明顯減少，很好地證明了石羊河在1991—2009年經(jīng)歷了枯水期;自2008年開始，UF曲線呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，雖然尚未發(fā)生突變，但能說明石羊河徑流量有變大趨勢(shì)，這與累計(jì)距平曲線呈現(xiàn)的第2個(gè)豐水期非常一致。

3.2?徑流的多時(shí)間尺度特征

為了解徑流量在多時(shí)間尺度上的周期變化特征，利用Morlet小波對(duì)石羊河徑流序列進(jìn)行小波變換分析，得到其小波變換系數(shù)的實(shí)部等值線（圖4-a）和功率譜（圖4-b）。

由圖4-a可知，徑流量變化在多個(gè)時(shí)間尺度上存在周期性變化特征，主要表現(xiàn)為22年尺度周期變化，另外在部分時(shí)段還有微弱的2年、4年、5年3類變化尺度。結(jié)合圖4-b可知，2年、4年、22年的功率譜值通過0.05置信水平顯著性檢驗(yàn)，根據(jù)各尺度周期功率譜值大小，22年尺度為第1主周期，4年和2年尺度分別為第2和第3主周期，這2個(gè)主周期功率譜值雖然通過了顯著性檢驗(yàn)，但是僅出現(xiàn)在1970年之前和2000年之后的個(gè)別時(shí)段，屬非全域周期，因此只討論22年尺度的周期特征。

22年周期在整個(gè)變化時(shí)段表現(xiàn)最為明顯，具有全域性。50年中徑流變化在該周期尺度上經(jīng)歷了5個(gè)強(qiáng)弱變化時(shí)期，在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)交替出現(xiàn)3個(gè)高值中心和2個(gè)低值中心，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)強(qiáng)變化時(shí)期和2個(gè)弱變化時(shí)期，表明石羊河徑流量在過去50年里經(jīng)歷了豐水期-枯水期-豐水期-枯水期-豐水期交替變化。高值中心依次為1969年、1991年、2015年，這3年屬于豐水期，其中第3個(gè)為強(qiáng)變化時(shí)期，截至2017年仍處在未閉合等值線圈，說明石羊河目前仍處在豐水期，徑流量有持續(xù)增加的趨勢(shì);低值中心分別是1980年和2004年，這2個(gè)時(shí)期徑流量偏少，石羊河處于枯水期。

4?氣候趨勢(shì)特征及其突變性和周期性

4.1?石羊河流域年均氣溫變化

圖5-a反映了1967—2017年間石羊河流域年平均氣溫變化情況，近50年里，年平均氣溫呈明顯的線性上升趨勢(shì)（3次多項(xiàng)式擬合曲線：y=-105x3+0001 6x2+0.001 2x+3.938 2，r2=0.761 4），尤其從1997年開始，年平均氣溫持續(xù)升高。M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果（圖5-d）表明，氣溫在1996年發(fā)生突變且通過0.05置信度水平的顯著性檢驗(yàn)（UF>0），UF曲線在此后持續(xù)上升，流域氣溫不斷升高，檢驗(yàn)結(jié)果與氣溫變化特征一致。通過計(jì)算不同時(shí)間尺度氣溫變化功率譜密度（圖5-g）發(fā)現(xiàn)，石羊河流域氣溫變化依次存在明顯的21年、19年、4年、3年和3年周期性變化特征。

4.2?石羊河流域降水變化

降水量在年際和年代際尺度上變化均比較平穩(wěn)，呈微弱線性增加趨勢(shì)（3次多項(xiàng)式擬合曲線：y=-0.008 0x3+0.086 1x2-2.248 0x+298.170 0，r2=0298 0）。結(jié)果表明，徑流變化總體經(jīng)歷了先減少后增多的過程，具體為1967—1985年緩慢減少，大多時(shí)段低于歷年值，自1986年開始緩慢增多，到2002年開始高于歷年值（圖5-b）。分析M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果（圖5-e）發(fā)現(xiàn)，降水在1967年、1994年、2002年、2009年、2013年和2015年發(fā)生多次突變，均未通過0.05置信度水平顯著性檢驗(yàn)，突變不顯著。UF曲線的變化趨勢(shì)和降水量變化特征有較高的一致性，進(jìn)一步說明近50年中石羊河流域降水較為穩(wěn)定，變化不大。在周期變化上表現(xiàn)有23年、18年、5年、30年的變化特征。

4.3?石羊河流域蒸發(fā)量變化

蒸發(fā)量變化趨勢(shì)（圖5-c）與氣溫的變化趨勢(shì)一致性很高，二者相關(guān)系數(shù)為0.723**（**代表通過了0.01置信度水平的顯著性檢驗(yàn)，下同）。蒸發(fā)量呈線性增加趨勢(shì)（3次多項(xiàng)式擬合曲線：y=-0001 3x3+0.055 5x2+4660 5x+1 859.800 0，r2=0.355 0）。在1986—1990年間共計(jì)發(fā)生3次突變，但是均未通過0.05置信度水平的顯著性檢驗(yàn)（圖5-f）。而在第3次突變發(fā)生后UF曲線持續(xù)上升，從1996年開始UF>1.96，蒸發(fā)量明顯增多。蒸發(fā)量在周期特征上表現(xiàn)出17年、23年、27年、3年、4年共5個(gè)時(shí)間尺度（圖5-i）。

前述得出氣溫、降水、蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)和周期特征與蔣菊芳等研究結(jié)果[22-23]一致。

5?徑流與氣候變化的關(guān)系

5.1?徑流與氣候變化的年際關(guān)系

徑流量對(duì)流域內(nèi)氣候變化十分敏感，尤其是內(nèi)陸河[24]。蔡旗徑流序列與流域上游氣溫、降水、蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.401**、0.206、-0.534**。結(jié)合前文得出氣溫和蒸發(fā)量顯著正相關(guān)關(guān)系的結(jié)果，可知?dú)鉁?、蒸發(fā)量變化對(duì)流域徑流量影響明顯：氣溫越高（低）伴隨蒸發(fā)量越多（少），對(duì)應(yīng)有徑流量減少（增加）;降水量偏多（少），雖然對(duì)徑流增加（減少）存在正向有利作用，但相關(guān)性不顯著。由圖6可知，徑流波動(dòng)趨勢(shì)較氣候要素變化更明顯劇烈，說明50年中在年際變化上可能還有除氣候變化外的其他要素影響徑流變化，例如農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、作物種植結(jié)構(gòu)和人為調(diào)控調(diào)水等[25-26]。

5.2?不同時(shí)間尺度上徑流量與氣候變化的關(guān)系

綜上所述，氣溫、降水、蒸發(fā)量變化都存在1個(gè)準(zhǔn)22年的主要變化周期，與徑流量變化的22年周期相同;此外，徑流量變化的周期特征還在2年、4年等年際尺度上與各氣候因子存在很大相似性，這與丁貞玉等的研究結(jié)果[23]一致。充分說明徑流量與氣候因子之間存在相互影響的關(guān)系，氣候變化直接或間接地影響徑流量變化。

因此，結(jié)合前文中得出的各要素變化周期，分別計(jì)算徑流量與氣溫、降水、蒸發(fā)量在2年、3年、4年、5年、20年、22年時(shí)間尺度上的皮爾遜相關(guān)系數(shù)（表1），以便進(jìn)一步了解徑流量變化在不同時(shí)間尺度上與氣溫、降水、蒸發(fā)量各氣候要素變化間的關(guān)系。

結(jié)果表明，徑流量變化與氣溫、蒸發(fā)量在各個(gè)時(shí)間尺度上都有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且隨著時(shí)間的增加相關(guān)性越來越密切，進(jìn)一步說明氣溫起伏和蒸發(fā)量的變化直接影響著徑流量的變化，在各個(gè)時(shí)間尺度上都表現(xiàn)出氣溫偏高伴隨蒸發(fā)量增大，徑流量減小;氣溫降低伴隨蒸發(fā)量減少，徑流量增加。而徑流量演變與降水量變化在2～5年時(shí)間尺度上的相關(guān)性均不顯著，但在20年、22年時(shí)間尺度上卻存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與一般降水量與徑流量間的相互關(guān)系不符合，這可能說明石羊河徑流量變化與近年來西營(yíng)河人工輸水、景電二期工程延伸向民勤調(diào)水及其他人類活動(dòng)影響密切相關(guān)[27-29]。

本研究?jī)H在氣象條件變化的情景中討論了石羊河徑流變化狀況及其與不同氣候要素間的關(guān)系，但是流域內(nèi)徑流量的演變還受到水資源調(diào)配模式、從其他河道人工輸水、興建水電工程等多種人類活動(dòng)的影響。因此，在討論氣象條件變化的同時(shí)應(yīng)考慮人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響，對(duì)有效保護(hù)石羊河流域水資源生態(tài)環(huán)境和優(yōu)化水資源調(diào)控模式具有深遠(yuǎn)意義，這將是下一步的工作。

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