近57a 長(zhǎng)江黃河源區(qū)徑流量變化異同特征分析

伍云華 ,秦寧生 ,彭曉濱

（1.青海省水文水資源測(cè)報(bào)中心,西寧 810008；2.中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所,成都 610072；3.青海省互助縣水利設(shè)施服務(wù)中心,互助 810500）

引言

近年來(lái)全球變暖問題備受關(guān)注，在全球氣溫急劇升高的背景下，冰川、積雪面積減小，從而影響河流、湖泊等的水體供給，嚴(yán)重影響生態(tài)平衡[1]。徑流變化影響人類水資源利用率，與人類生活息息相關(guān)。因此，研究河流徑流量的變化規(guī)律十分有必要，可以為水資源規(guī)劃、水土維護(hù)以及水資源管理提供科學(xué)依據(jù)，并對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、資源的合理利用和生態(tài)建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。近年來(lái)，諸多專家學(xué)者針對(duì)我國(guó)不同區(qū)域的河流徑流變化特征做了大量研究，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域河流徑流量的變化趨勢(shì)不同，徑流量的影響因子也有差異。黑河流域近幾十年是以0.2 ×108m3/10a 的變率減少，上游的極端降水、極端高溫與徑流量呈正相關(guān)，上游洪水對(duì)徑流量的影響有1～2 年的滯后期[3]?？滦略潞屯裟輀4]研究了秦嶺南北流域的徑流量變化，指出兩流域變化趨勢(shì)在1980 年前后相反，總體呈下降趨勢(shì)，人類活動(dòng)對(duì)兩河流域影響超過(guò)70%。嚴(yán)棟飛等[5]研究了漢中段近50a 徑流變化，表明徑流量呈減少趨勢(shì)，突變年在1991 年，徑流量變化周期在7a 左右。劉志斌等[6]研究了天山開都河源區(qū)徑流，發(fā)現(xiàn)徑流、降水、氣溫呈顯著增加趨勢(shì)，周期均在28 a 左右，夏季徑流量主要受夏季升溫影響，早春徑流量與冬季降水呈正相關(guān)，相同氣溫變化下源區(qū)上游徑流較下游徑流變化更敏感。除了氣溫、降水、人類活動(dòng)可以影響徑流，土地利用率、城市群、植被覆蓋率、下墊面變化均會(huì)影響徑流量[7?12]。

長(zhǎng)江、黃河是我國(guó)最為重要的兩條天然河流，一直被稱為“母親河”，它們均發(fā)源于青藏高原腹地。近年來(lái)，針對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)及黃河源區(qū)的徑流變化特征以及可能影響因素，已經(jīng)有了一些研究[13?14]。然而，這些研究主要討論了同一河流某個(gè)區(qū)間或多個(gè)區(qū)間的徑流變化特征及影響因素，針對(duì)長(zhǎng)江源與黃河源徑流的異同特征分析還比較少。因此，本文擬利用長(zhǎng)江源及黃河源徑流觀測(cè)資料，探討兩者之間變化的異同，以期為長(zhǎng)江、黃河水資源保護(hù)以及合理開發(fā)利用提供一定的科學(xué)參考。

1 資料與方法

本研究選用資料是位于長(zhǎng)江源區(qū)直門達(dá)水文站和黃河源區(qū)唐乃亥水文站1956～2012 年逐月徑流觀測(cè)資料，水文站點(diǎn)分布如圖1 所示。

圖1 長(zhǎng)江源及黃河源氣象站及水文站分布

本文主要利用目前常見的統(tǒng)計(jì)方法[15]對(duì)2 個(gè)水文站的徑流特征進(jìn)行診斷分析，Mann-Kendall 趨勢(shì)分析及突變檢驗(yàn)法、滑動(dòng)T 檢驗(yàn)法、Yamamoto 法分析徑流突變，Morlet 小波分析其變化周期。

2 結(jié)果與分析

2.1 年內(nèi)分配及長(zhǎng)期變化趨勢(shì)異同

圖2 給出了長(zhǎng)江和黃河源區(qū)多年平均的逐月流量變化以及兩河源各月平均流量的差異情況。如圖2a 所示，長(zhǎng)江源區(qū)流量年內(nèi)分配呈現(xiàn)單峰型特征，峰值在7 月，多年平均值為1069m3/s；1～3 月以及12月差異不大，月平均流量較小，月均值約為70m3/s；6～9 月是流量的高值期，累計(jì)約占全年72.4%。與其相對(duì)應(yīng)，在黃河源區(qū)，則具有雙峰型的年內(nèi)分配特征，在7 月和9 月分別出現(xiàn)兩次峰值，月均流量分別為1319m3/s、1184m3/s。同時(shí)，黃河源各月平均徑流量均比長(zhǎng)江源大，其中9～11 月差距最明顯，10 月兩者相差最大，可達(dá)523m3/s。

圖2b 給出了黃河源減去長(zhǎng)江源的兩河源各月流量的差異情況，其中在1～5 月和11～12 月均表現(xiàn)為黃河源平均流量大于長(zhǎng)江源，并且長(zhǎng)期差異無(wú)明顯波動(dòng)，但9～10 月在1964～1986 年間黃河源與長(zhǎng)江源的流量差非常明顯，尤其是1968 年和1981 年的9 月，二者平均流量差分別為1600m3/s、1910m3/s。但1986 年后兩河流域的流量差距正在逐漸縮小，直到2000 年，長(zhǎng)江源流量反超黃河源流量。而夏季（6～8 月），在2000 年以前，黃河源與長(zhǎng)江源流量差主要呈現(xiàn)“+”、“?”、“+”的周期性波動(dòng)，周期約為2～4a，即黃河源（長(zhǎng)江源）流量多（少）、長(zhǎng)江源（黃河源）流量多（少）、黃河源（長(zhǎng)江源）流量多（少）的變化特征；但是2000 年以后，夏季長(zhǎng)江源流量大于黃河源，尤其是2001 年和2005年的8 月，差距分別為700m3/s、1000m3/s。

圖2 (a)長(zhǎng)江直門達(dá)站和黃河唐乃亥站1956～2012 年平均流量逐月變化 和(b)黃河源與長(zhǎng)江源兩河流量差

圖3 給出了不同季節(jié)的分配情況。從多年平均來(lái)看，長(zhǎng)江、黃河源區(qū)徑流量均在夏季最多，分別占全年總量的43%、55%，夏秋兩季之和約為80%，兩河流域全年流量基本是由夏秋兩季貢獻(xiàn)的。在春、冬季，黃河源流量是長(zhǎng)江源的2 倍，夏季兩河流量差距相對(duì)較小，兩河的流量差距主要體現(xiàn)在秋季上，二者相差1149m3/s，占全年流量差的40%。

圖3 長(zhǎng)江直門達(dá)站和黃河唐乃亥站1956～2012 年平均四季流量分布

就長(zhǎng)江源和黃河源平均流量的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)而言，如表1 所示，長(zhǎng)江源區(qū)各季節(jié)及年平均流量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并且夏秋兩季的氣候傾向率較大，其中夏季氣候傾向率高達(dá) 151.0m3/(s·10a)，其次是秋季，也達(dá)到了76.5m3/(s·10a)，而冬季僅有6.1m3/(s·10a)。但是黃河源區(qū)平均流量變化趨勢(shì)則存在較大差異，其年平均流量在近57a 整體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，氣候傾向率為?5.9m3/(s·10a)；同時(shí)，春季和秋季的平均流量也表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，其中秋季的下降趨勢(shì)更為顯著，其氣候傾向率可達(dá)?96.9m3/(s·10a)；而夏季和冬季則表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。由此可見黃河源近57a 來(lái)流量的減少可能主要是由于秋季水流量減少導(dǎo)致的，夏季依然是一個(gè)正增長(zhǎng)趨勢(shì)。雖然長(zhǎng)江源與黃河源在夏季都是正增長(zhǎng)，但是二者的增幅差距非常大（長(zhǎng)江源是黃河源3 倍之多）。長(zhǎng)江夏季水流量的增多，可能會(huì)導(dǎo)致其下游地區(qū)夏季洪澇災(zāi)害更嚴(yán)重；而黃河秋季水流量減少，則可能會(huì)導(dǎo)致下游地區(qū)秋冬季缺水更加嚴(yán)重。

表1 1956～2012 年兩江源區(qū)各季節(jié)平均流量氣候傾向率(單位：m3/(s·10a))

2.2 突變特征異同

突變是氣候、水文研究中的一個(gè)重要現(xiàn)象，但是考慮到單一突變檢測(cè)方法由于自身的限制性，可能會(huì)對(duì)突變的辨識(shí)存在偏差。因此，本文采用Mann-Kendall、滑動(dòng)T 檢驗(yàn)法和Yamamoto 法等3 種檢測(cè)方法對(duì)長(zhǎng)江源及黃河源年均流量進(jìn)行了突變檢驗(yàn)。

圖4a 給出了長(zhǎng)江源徑流變化的Mann-Kendall 檢測(cè)。如圖所示，近57a 長(zhǎng)江源區(qū)徑流的變化趨勢(shì)存在比較明顯的波動(dòng)特征。20 世紀(jì)50 年代末～60 年代中期，UF 值多為正值，并在60 年代中期通過(guò)0.05 水平的顯著性檢驗(yàn)，表明長(zhǎng)江源區(qū)徑流在20 世紀(jì)50～60年代呈現(xiàn)比較明顯的上升趨勢(shì)；隨后60 年代末～70 年代，UF 持續(xù)減小，說(shuō)明此時(shí)間段徑流量減小，長(zhǎng)江源區(qū)徑流有下降趨勢(shì)；而80 年代UF 呈波動(dòng)狀態(tài)，徑流變化趨勢(shì)不明顯；90 年代則UF 再次表現(xiàn)為比較明顯的下降趨勢(shì)，徑流呈下降趨勢(shì)；21 世紀(jì)以來(lái)UF 持續(xù)上升，到2012 年通過(guò)了0.05 水平的顯著性檢驗(yàn)，表明21 世紀(jì)以來(lái)，長(zhǎng)江源區(qū)徑流上升趨勢(shì)比較顯著。圖中UF 和UB 曲線有3 個(gè)交叉點(diǎn)，分別出現(xiàn)在1961 年、1966 年和2008 年，表明長(zhǎng)江源區(qū)年均流量可能在1961 年、1966 年以及2008 年前后出現(xiàn)突變。

圖4b 給出了黃河源徑流變化的Mann-Kendall 檢測(cè)。如圖所示，近57a 黃河源區(qū)徑流也存在一定波動(dòng)性。20 世紀(jì)50 年代末～60 年代，UF 值為正值，且持續(xù)增加，并在1960 年左右通過(guò)0.05 水平的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明黃河源區(qū)徑流在50 年代末～60 年代，與長(zhǎng)江源區(qū)徑流變化趨勢(shì)比較一致，均表現(xiàn)為比較顯著的上升趨勢(shì)；70～80 年代呈現(xiàn)寬幅波動(dòng)；而90 年代以來(lái)，UF 值則呈現(xiàn)比較明顯的下降趨勢(shì)。根據(jù)UF 和UB曲線交點(diǎn)的位置，UF 和UB 在1991 年出現(xiàn)了1 個(gè)交叉點(diǎn)，表明黃河源區(qū)徑流可能在1991 年前后出現(xiàn)了突變。

圖4 長(zhǎng)江源（a）和黃河源（b）年均徑流量的Mann-Kendall 突變檢測(cè)

圖5 給出了利用滑動(dòng)T 檢驗(yàn)法和Yamamoto 法（子序列長(zhǎng)度均取5 年）檢驗(yàn)長(zhǎng)江和黃河源區(qū)徑流突變的結(jié)果。由圖5a、b 可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于滑動(dòng)T 檢驗(yàn)，長(zhǎng)江源區(qū)顯著突變出現(xiàn)在1960 年、1966 年和1998 年前后，而黃河源區(qū)顯著突變則在1960 年、1968 年和1980 年出現(xiàn)，均通過(guò)0.05 水平的顯著性檢驗(yàn)。Yamamoto法檢測(cè)結(jié)果（圖5c、d）則表明，長(zhǎng)江源區(qū)顯著突變出現(xiàn)在1960 年、1965 年和1998 年前后，而黃河源區(qū)顯著突變則出現(xiàn)在1960 年和1968 年前后，均通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

圖5 長(zhǎng)江源（左）和黃河源（右）年均徑流量突變的滑動(dòng)T 檢驗(yàn)(a、b）和Yamamoto 檢驗(yàn)（c、d）

綜合Mann-Kendall 法，滑動(dòng)T 檢驗(yàn)法和Yamamoto法初步辨識(shí)的長(zhǎng)江及黃河源區(qū)徑流的可能突變年份，可以發(fā)現(xiàn)不同的檢測(cè)方法得到的結(jié)果存在一定差異，其中長(zhǎng)江源區(qū)徑流1960 年前后和1968 年前后的突變點(diǎn)比較可靠，三種突變檢測(cè)方法均捕捉到了這兩次突變，同時(shí)，其在1998 年前后可能也存在一次突變（滑動(dòng)T 檢驗(yàn)和Yamamoto 檢驗(yàn)?zāi)軌蜃R(shí)別），而2008 年前后的突變點(diǎn)只被Mann-Kendall 法識(shí)別，仍需要進(jìn)一步的驗(yàn)證和討論。對(duì)于黃河源區(qū)徑流，則沒有三種檢測(cè)方法共同識(shí)別的突變點(diǎn)存在，其在1960 年前后和1968 年前后的突變點(diǎn)具有較高的可靠性（被兩種檢測(cè)方法識(shí)別），而1991 年前后的突變點(diǎn)則需要進(jìn)一步檢驗(yàn)。

2.3 周期變化異同

采用Morlet 小波分析對(duì)近57a 兩江源區(qū)的徑流量進(jìn)行周期分析，得到各站點(diǎn)年徑流序列小波變換系數(shù)實(shí)部變化圖，如圖6 所示，其中正值表示流量偏多，負(fù)值表示流量偏少。

圖6 長(zhǎng)江源（a）和黃河源（b）年徑流序列小波分析

圖6a 為長(zhǎng)江源區(qū)徑流小波分析。由圖可知，長(zhǎng)江源區(qū)徑流量主要存在9～10a 和準(zhǔn)22a 的周期變化，其中9～10a 周期的相位變化最為明顯，整個(gè)研究的時(shí)間序列內(nèi)均存在以9～10a 為中心尺度的周期振蕩，豐枯交替劇烈。在準(zhǔn)22a 的時(shí)間尺度，存在3 個(gè)偏枯期與3 個(gè)偏豐期的周期相位變化，歷經(jīng)“枯-豐-枯-豐-枯-豐”的交替變化；處于負(fù)相位的為1956～1960 年、1970～1980 年、1992～2002 年，年徑流量處于偏枯期；處于正相位的為1961～1969 年、1981～1991 年、2003～2012 年，年徑流量處于偏豐期，而且在2012 年之后正相位的等值線沒有完全閉合，可以推斷2012 年之后的年徑流量可能仍處于偏豐期。

圖6b 為黃河源區(qū)徑流小波分析。由圖可知，黃河源區(qū)徑流量主要存在4a、7～8a 和準(zhǔn)16a 的周期變化，這幾個(gè)主周期在整個(gè)時(shí)域內(nèi)一直存在。在準(zhǔn)16a尺度的周期振蕩中，黃河源區(qū)徑流主要經(jīng)歷了7 次豐-枯交替，其中1956～1960 年，1969～1976 年，1986～1993 年和2001～2009 年這些時(shí)段的小波實(shí)部處于負(fù)位相，意味著徑流偏少；而1961～1968 年，1977～1985 年，1994～2000 年和2010～2012 年則處于正位相，表示徑流偏多。

3 結(jié)論

本文利用1956～2012 年長(zhǎng)江和黃河兩江源區(qū)2 個(gè)水文站點(diǎn)實(shí)測(cè)逐月流量數(shù)據(jù)，分析了黃河源與長(zhǎng)江源區(qū)徑流量的年際、季節(jié)、月季變化、突變年份及周期特征，得到如下主要結(jié)論：

（1）長(zhǎng)江和黃河兩江源區(qū)流量均在夏季最大，夏季占全年總量百分比分別為43%、55%，夏秋兩季之和均在80%左右。長(zhǎng)江與黃河源區(qū)徑流量存在較大差異，主要表現(xiàn)為春、冬季節(jié)黃河源徑流量是長(zhǎng)江源2 倍之多，夏季兩河徑流量差距相對(duì)較小。

（2）從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)方面來(lái)看，長(zhǎng)江源區(qū)各季節(jié)及年平均流量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，尤以夏秋兩季的氣候傾向率較大，其中夏季氣候傾向率高達(dá) 151.0m3/(s·10a)；但是黃河源區(qū)與長(zhǎng)江源區(qū)略有不同，黃河源區(qū)年平均流量程下降趨勢(shì)，同時(shí)，春季和秋季平均流量也表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，其中秋季下降趨勢(shì)更為顯著，其氣候傾向率可達(dá)?96.9m3/(s·10a)；而夏季和冬季則表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。

（3）綜合Mann-Kendall法，滑動(dòng)T檢驗(yàn)法和Yamamoto法初步辨識(shí)的長(zhǎng)江及黃河源區(qū)徑流的可能突變年份發(fā)現(xiàn)，不同檢測(cè)方法所得結(jié)果具有一定差異。長(zhǎng)江源區(qū)在1960 年和1968 年前后的突變點(diǎn)比較可靠，在1998 年前后可能也存在一次突變。對(duì)于黃河源區(qū)，則沒有三種檢測(cè)方法共同識(shí)別的突變點(diǎn)存在，其在1960 年和1968 年前后的突變點(diǎn)具有較高的可靠性。

（4）小波分析結(jié)果顯示，兩江源區(qū)徑流周期變化也存在一定的差異：長(zhǎng)江源區(qū)年徑流量主要存在9～10a 和準(zhǔn)22a 的周期變化，而黃河源區(qū)年徑流量主要存在4a、7～8a 和準(zhǔn)16a 的周期變化。