變化環(huán)境下瀾滄江—湄公河流域徑流演變及年內分配特征

李 楊, 王 婕, 唐雄朋, 羅 賢, 談曉珊, 王國慶,6

(1.內蒙古自治區(qū)水資源與水權收儲中心, 呼和浩特010020;2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室, 南京 210029;3.水利部 應對氣候變化研究中心, 南京 210029; 4.云南大學 國際河流與生態(tài)安全研究院,昆明 650500; 5.水利部 南京水利水文自動化研究所, 南京 210012; 6.長江保護與綠色發(fā)展研究院, 南京 210098)

近半個世紀以來，由于全球氣候變化和人類活動的影響，全球乃至區(qū)域的河川徑流普遍發(fā)生一定的變化，并且大部分干旱脆弱區(qū)徑流變化顯著[1-2]。河川徑流作為主要的地表水資源，其變化特征直接影響著水資源管理及社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[3-4]，對于跨境河流來說，河川徑流的變化甚至影響到地區(qū)或國家之間的水資源分配或戰(zhàn)爭[5-6]。因此，研究河川徑流演變特征對流域水資源高效利用、科學配置等方面均具有重要意義[7]。

變化環(huán)境下流域水文響應是國際水文科學協(xié)會(International Association of Hydrological Sciences,IAHS)新一輪十年計劃(Panta Rhei—Everything Flows)的核心主題[8]，一直是國內外水文學者及流域管理部門關注的重要內容[9-13]。鮑振鑫等利用Mann-Kendall方法分析了1956—2016年期間黃河流域徑流的演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)除源頭區(qū)年徑流變化不顯著以外，黃河流域其余地區(qū)徑流呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢[11]；黃河最大支流渭河流域自20世紀70年代以來的大規(guī)模水土保持措施是中游徑流減少的主要原因[12]。肖紫薇等采用線性傾向估計法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法及滑動T檢驗等多種數(shù)理統(tǒng)計方法相結合的途徑，研究了長江流域1954—2008年的徑流演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)徑流年內分配不均勻性存在較為明顯的時間變化和空間變化[13]，大型水利工程運行調度氣候因素是徑流季節(jié)變化的重要原因之一[14]。劉靜等對塔里木河等中國西部流域的研究結果表明，阿克蘇河和葉爾羌河徑流量增長趨勢明顯，和田河徑流呈現(xiàn)輕微增長趨勢[15]。目前已有研究結果表明，Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法是徑流演變最為常用和有效的分析方法；河川徑流對氣候變化響應敏感，強烈人類活動對水文節(jié)律影響顯著，變化環(huán)境下河川徑流演變對水資源利用提出新的挑戰(zhàn)[16-17]。

瀾滄江—湄公河是一條貫穿東南亞的重要跨國河流，受不同氣候帶和季風影響，在旱季及雨季的流量差異極大，其徑流量對沿岸國家在農(nóng)業(yè)灌溉、水電、漁業(yè)和生態(tài)等方面有顯著影響[18-20]。孫周亮等對瀾湄流域干流徑流的演變特征分析認為，干流實測徑流量呈現(xiàn)豐枯交替的演變態(tài)勢[21]。王若蘭對瀾滄江—湄公河水資源競爭利用情況進行了分析，認為未來瀾湄流域國水資源需求將更加多元化和復雜化，變化環(huán)境下水資源利用沖突可能會進一步加劇[5]。目前對瀾湄流域徑流變化的研究多集中在干流水文站徑流特性的分析[5,18-21]，而區(qū)間徑流的演變趨勢、變異特征及年內分配變化對水資源利用及下游航運等方面具有更為直接的影響?；跒憸娼毓恿饔?個干流水文站1960—2012年的實測徑流資料，本文重點分析區(qū)間徑流量演變趨勢和變異特征，以及變化環(huán)境特別是水電開發(fā)下不同階段實測徑流季節(jié)分配的變化，以期為瀾湄流域水資源開發(fā)利用和水電開發(fā)決策提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 流域概況及資料來源

瀾滄江—湄公河地處94°—107°E和10°—34°N，流域面積81.1萬km2，是東南亞地區(qū)最大的國際河流。該河發(fā)源于青藏高原唐古拉山北麓，自西北向東南流經(jīng)中國、緬甸、老撾、泰國、柬埔寨和越南6個國家，干流全長4 880 km，是世界第9長河。湄公河在中國的部分稱為瀾滄江，流域面積16.5萬km2，約占全流域的20%。流出中國國境以后稱湄公河，流域包括了幾乎整個老撾以及柬埔寨、泰國的大部分地區(qū)。瀾滄江—湄公河流域上窄下寬，支流眾多；大于5 000 km2的支流有22條，主要集中在中下游地區(qū)。河流上游落差較大，水電資源豐富；下游地勢相對平坦，洪澇災害突出。流域5—9月受西南季風的影響，氣候炎熱潮濕；11月至次年3月受東北季風影響，氣候干燥少雨。收集整理了湄公河干流昌都、舊州、允景洪、清盛、瑯勃拉邦、萬象、穆達漢和上丁站共8個水文站1960—2012年的實測徑流量資料，表1給出了水文站的基本信息。瀾湄流域水資源豐富，多年平均徑流量4 750億m3，居東南亞主要江河首位。上丁站多年平均年徑流量4 076億m3，占流域徑流量的86%，該站徑流量的變化基本上代表了整個流域的水資源豐枯情勢。瀾滄江允景洪站多年平均徑流量548億m3，約占下游上丁站年徑流量的13.4%。

表1 瀾滄江-湄公河流域干流水文站基本信息

1.2 研究方法

1.2.1 瀾滄江—湄公河流域區(qū)劃及區(qū)間徑流量計算為分析徑流量的空間變化，根據(jù)水文站點將瀾滄江—湄公河流域上丁站以上劃分為8個區(qū)域，分別為：(1) 一區(qū)：昌都以上，(2) 二區(qū)：昌都—舊州，(3) 三區(qū)：舊州—允景洪，(4) 四區(qū)：允景洪—清盛，(5) 五區(qū)：清盛—瑯勃拉邦，(6) 六區(qū)：瑯勃拉邦—萬象，(7) 七區(qū)：萬象—穆達漢，(8) 八區(qū)：穆達漢—上丁。

上述8個區(qū)間的河長距離多在700 km之內，在年尺度區(qū)間徑流量計算上可以不考慮區(qū)間匯流過程，因此，區(qū)間年徑流量可根據(jù)下式計算：

W區(qū)=W上-W下

(1)

式中:W區(qū)為區(qū)間年徑流量；W上和W下分別為區(qū)間上下站年徑流量。

1.2.2 水文序列趨勢與突變診斷方法 Mann-Kendall法是一種常用于水文、氣象系列變化趨勢診斷的分析方法。該方法為通過非正態(tài)分布數(shù)據(jù)系列計算統(tǒng)計量Zs(M-K值)，當Zs<0時，為遞減趨勢，當Zs>0時，系列為遞增趨勢。若統(tǒng)計量Zs不滿足-Z1-α/2≤Z≤Z1-α/2(α為給定的顯著水平)時，即表明序列趨勢顯著，反之，則趨勢不顯著。

有序聚類分析法是廣泛應用于水文、氣象等序列變異性診斷的數(shù)理統(tǒng)計方法，該方法的原理是優(yōu)化尋找最佳分割點，使同類之間的離差平方和較小，而異類之間的離差平方和較大；總離差平方和計算如下：

(2)

2 結果與分析

2.1 1960-2012年實測年徑流量演變趨勢

采用Mann-Kendall趨勢檢驗法診斷了8個水文站及區(qū)間實測年徑流量的演變趨勢(表2)，由于一區(qū)為源頭區(qū)，區(qū)間徑流量即為昌都站實測徑流量，圖1給出了8個區(qū)間1960—2012年徑流量距平百分率過程。

表2 瀾滄江-湄公河流域區(qū)間及站點1960-2012年實測年流量趨勢診斷

由表2可以看出：(1) 舊州站和穆達漢站實測徑流量為非顯著性增加趨勢，平均線性傾向率分別為1.23,14.66 m3/(s·a)；其余6個水文站的實測年徑流量均呈現(xiàn)減少趨勢，其中，允景洪站減少趨勢顯著，平均線性遞減率為-6.69 m3/(s·a)；(2) 在區(qū)間徑流量的變化方面，一區(qū)、三區(qū)、五區(qū)和八區(qū)年徑流量呈現(xiàn)減少趨勢，其中，三區(qū)(舊州—允景洪)徑流量減少趨勢顯著，平均線性遞減率為-7.92 m3/(s·a)；其余4個區(qū)間徑流量為增加趨勢，二區(qū)和七區(qū)年徑流量為顯著性增加，線性增加率分別為2.00,24.13 m3/(s·a)；(3) 徑流量的傾向率變化與站點或區(qū)間徑流量的大小和徑流變化趨勢的顯著性都有很大的關系；一般來說，徑流量較大的站點或區(qū)間，其線性傾向率一般也會較大；譬如，盡管允景洪站實測徑流量顯著減小，瑯勃拉邦和萬象站為非顯著性減小，但瑯勃拉邦和萬象站徑流量的線性傾向率高于允景洪站。(4) 區(qū)間徑流量匯入下游站點，勢必對下游站點徑流量的變化有一定影響，有時會產(chǎn)生非常顯著的影響。如昌都站徑流量呈現(xiàn)減少趨勢，由于二區(qū)徑流量的顯著增多，導致下游舊州站實測徑流量呈現(xiàn)增加趨勢。(5) 相比而言，舊州、允景洪、穆達漢和上丁站徑流量變化主要受該站的上游區(qū)間來水影響明顯；而清盛、萬象站徑流量的變化受上游區(qū)間的入流站點的影響明顯。

由圖1可以看出：(1) 一區(qū)(昌都站以上)最大和最小徑流量均發(fā)生在1980年之前，在20世紀60年代水量相對偏豐，70年代相對偏枯；實測徑流量以自然波動為主，變化幅度有減小趨勢；六區(qū)(瑯勃拉邦—萬象)徑流量變化特征與一區(qū)相反，極值流量出現(xiàn)在2000年之后，變化幅度具有增大趨勢。(2) 四區(qū)(允景洪—清盛)和七區(qū)(萬象—穆達漢)徑流量演變態(tài)勢類似，均為先減小后增加的趨勢，這兩個區(qū)間在20世紀70，80年代為一個近20 a的相對枯水期。(3) 三區(qū)(舊州—允景洪)和八區(qū)(穆達漢—上丁)徑流量在2000年之前均為自然波動，21世紀以來出現(xiàn)明顯的減少態(tài)勢。(4) 二區(qū)(昌都—舊州)徑流量變化兼并具有二區(qū)和四區(qū)徑流的演變特征，區(qū)間徑流量在20世紀80年代中期之前具有減少趨勢，隨后上升趨勢明顯，在2000年前后達到峰值然后下降。而五區(qū)(清盛—瑯勃拉邦)徑流量以自然波動為主，最初和最后的兩個十年徑流量均相對偏低。

圖1 1960-2012年瀾滄江—湄公河區(qū)間年徑流量距平過程

圖2統(tǒng)計給出了湄公河8個區(qū)間在1960—2012年期間各個年代的年徑流距平百分率及其多元趨勢過程。可以看出：(1) 有4個區(qū)間徑流量年代際變化趨勢總體一致，分別為昌都以上、允景洪—清盛、瑯勃拉邦—萬象和萬象—穆達漢區(qū)間，均表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢。(2) 昌都—舊州和清盛—瑯勃拉邦區(qū)間徑流量年代際變化趨勢總體相反，昌都—舊州在1990s和2000—2012年徑流量較多年均值分別增加13.2%和8.7%，而清盛—瑯勃拉邦區(qū)間徑流量在這兩個時期較多年均值分別減少4.9%和12.2%。(3) 穆達漢—上丁區(qū)間徑流量年代際變化具有明顯的豐枯交替特征，而舊州—允景洪區(qū)間徑流量則出現(xiàn)較為明顯的減少趨勢，該區(qū)間2000—2012年徑流量較多年均值偏少25.2%。

圖2 瀾滄江-湄公河流域8個區(qū)間年代徑流量距平過程

2.2 干流水文站及區(qū)間徑流量的變異特征

當流域受到氣候要素的劇烈變化或者高強度人類活動的影響，水文過程會相應地發(fā)生突然增加或減少的變化。采用有序聚類方法診斷了站點及區(qū)間徑流量系列的突變點(表3)，圖3給出了清盛、瑯勃拉邦及清盛—瑯勃拉邦區(qū)間徑流量離差平方和序列過程。

區(qū)間下游站流量不同程度上受區(qū)間徑流量和區(qū)間上游站流量的影響，清盛站徑流量在1973年發(fā)生突變，瑯勃拉邦站及清盛—瑯勃拉邦區(qū)間徑流量均在1985年和2003年發(fā)生突變?，槻顝搅髁客蛔兲卣髋c其上游區(qū)間徑流量突變特征完全一致，與區(qū)間上游站清盛站突變特征不同，說明瑯勃拉邦站徑流量變化主要受區(qū)間來水影響，相對來說，受區(qū)間上游入流影響相對較小(圖3)。

表3 瀾滄江—湄公河流域站點及區(qū)間徑流量突變年份診斷結果

圖3 湄公河第五區(qū)間(清盛-瑯勃拉邦)及區(qū)間入流站、出流站徑流量突變診斷

由表3可以看出：(1) 7個區(qū)間實測徑流量突變年份存在差異；三區(qū)、五區(qū)和六區(qū)實測徑流量序列存在兩個突變年份，另外4個區(qū)域徑流量只存在一個突變年份；最早的突變點發(fā)生在1985年(五區(qū)徑流量)，最晚的突變點發(fā)生在2008年(三區(qū)和六區(qū)徑流量)。(2) 8個水文站中有4個水文站(昌都、清盛、萬象和穆達漢)的徑流量只存在一個突變年份，另外4個水文站實測徑流量存在2個或3個突變點，最早的突變點發(fā)生在上丁站徑流量系列的1964年，最晚的突變年份發(fā)生在2008年(允景洪站)。(3) 區(qū)間徑流量突變年份多集中在1999年及其以后的時期，只有二區(qū)和五區(qū)徑流量的兩個突變年份發(fā)生在20世紀80年代；與區(qū)間徑流量不同，站點徑流量的突變年份多發(fā)生在20世紀，其中，超過一半的突變年份(7個)發(fā)生在20世紀90年代之前。(4) 區(qū)間徑流量變異點之間的關聯(lián)性不大；相比而言，一些站點徑流量變異點與其上游區(qū)間徑流量的變異性密切相關，譬如，三區(qū)(舊州—允景洪區(qū)間)徑流量在2002年、2008年發(fā)生突變，與區(qū)間下游允景洪站徑流量序列突變特征完全一致。

2.3 變化環(huán)境下瀾滄江-湄公河徑流量的年內分配特征

水電能源開發(fā)是瀾湄流域重要的人類活動之一。統(tǒng)計結果表明，截至2016年，在瀾滄江—湄公河干支流上修建了259座水庫，其中，泰國修建水庫數(shù)量最多，超過150座，其次為越南，為51座，老撾和中國修建的水庫數(shù)量分別為29,30座。已有研究表明，水庫等水利工程的修建在運行初期，由于水庫蓄水會對年徑流量產(chǎn)生一定影響，水庫蓄水完成后的運行調度期間，其對年徑流量的影響相對較小，但對徑流年內分配的影響相對明顯[22]。

以干流水文站實測月徑流量資料為基礎，圖4統(tǒng)計給出了8個水文站前期(1960—1989年)和后期(1990—2012年)兩個時期徑流量年內分配的變化過程，圖4中灰色區(qū)域上下邊界分別為1969—1989年期間各月徑流量變化的范圍，黑色圓點線為該時期多年平均月徑流量；上下灰色虛線和星號灰色虛線分別代表1990—2012年時期各月最大值、最小值和多年均值。

由圖4可以看出：(1) 瀾滄江—湄公河從上游到下游所有8個水文站徑流量年內分配模式一致，7—9月份是流量較大的主汛期，12月份到次年的4月份流量偏低，是湄公河的枯水季節(jié)。(2) 1990—2012年時期3個峰值月份的最大流量和最小流量大多小于1960—1989年，特別是允景洪到萬象之間的站點，峰值月份徑流量變化區(qū)間普遍下移，下游穆達漢站和上丁站峰值月份流量變化區(qū)間在兩個時段基本相當；說明由于環(huán)境變化的影響，允景洪至萬象站主汛期流量變小，湄公河該河段的防洪壓力會有所減輕。(3) 1990—2012年時期枯水季節(jié)各月的最大流量大多高于前期(1960—1989年)相應各月的最大流量；同時發(fā)現(xiàn)，后期枯水季節(jié)各月的最小流量也大多小于前期相應月份的最小流量；說明1990—2012年期間枯水季節(jié)月徑流量變化幅度大于前期?？菟竟?jié)各月最大流量變大有利于湄公河枯季航運和沿河工農(nóng)業(yè)發(fā)展用水，而各月最小流量的減小會對沿河兩岸用水需求滿足帶來一定挑戰(zhàn)。(4) 從多年平均來看，舊州、穆達漢和上丁站在1990—2012年的各月多年流量大多高于前期(1960—1989年)多年平均流量，盡管對枯期水資源利用有利，但同時增大了汛期的防洪壓力；昌都源頭區(qū)后期平均各月流量多低于前期，雖然利于防洪，但不利于水資源利用；允景洪至萬象之間的4個水文站后期(1990—2012年)多年平均8月、9月份流量低于前期均值，可以有效減輕沿岸的防洪壓力。

圖4 瀾滄江-湄公河干流水文站1960-1989年和1990-2012年時期徑流量的年內月分配過程

2.4 討 論

目前已有研究多集中在瀾滄江—湄公河干流水文站實測徑流量的演變分析[18-21]，由于干流水文站實測徑流量的變化反映了該站以上整個區(qū)域的水文情勢，并不能較好的體現(xiàn)區(qū)域徑流量的變化態(tài)勢。本文在計算區(qū)間徑流量的基礎上，分析了不同區(qū)域徑流量及其演變情勢，可以更好地支撐區(qū)域水資源利用與管理。

氣溫升高、降水變化通過改變水文循環(huán)進而對區(qū)域徑流量產(chǎn)生影響，而水庫建設、水電開發(fā)和工農(nóng)業(yè)發(fā)展引起的用水量增加均對河川徑流量產(chǎn)生直接的影響[4,22-24]。盡管不同區(qū)域徑流量呈現(xiàn)豐枯交替的演變特征，但一些區(qū)域的最近十年徑流量明顯偏低(舊州—允景洪區(qū)間)或偏高(萬象—穆達漢區(qū)間)，同時，一些站點徑流量年內分配也發(fā)生了一定的變化。這些區(qū)域徑流量及其年內分配變化是由氣候因素造成的自然變化還是人類活動影響造成的趨勢性變化，是需要值得進一步研究的科學問題。

3 結 論

(1) 受變化環(huán)境的影響，瀾滄江—湄公河流域上丁站以上的8個子區(qū)間徑流量均出現(xiàn)不同程度的變化，其中，舊州—允景洪區(qū)間徑流量呈現(xiàn)顯著性減少趨勢，而昌都—舊州和萬象—穆達漢區(qū)間徑流量呈現(xiàn)顯著性增加趨勢，其余區(qū)域徑流量演變趨勢均未達到顯著性水平。

(2) 瀾滄江—湄公河區(qū)間徑流量及上下水文站徑流量的突變年份大多具有一定的相依性，說明上游入流、區(qū)間徑流對區(qū)間出口徑流具有一定的影響；但也存在三者突變年份完全不同的情況。從1960—2012年系列來看，2000年以后徑流突變發(fā)生的頻次明顯高于前期。

(3) 以1960—1989年為基準，1990—2012年期間允景洪、清盛、瑯勃拉邦、萬象4個水文站汛期徑流量變化范圍較基準期明顯下移，水電開發(fā)對該區(qū)間河川徑流削峰補枯的調節(jié)作用明顯，對下游防洪壓力減小起到了積極的作用。