石羊河流域中游流量變化特征及氣候影響因素分析

張成英 李玲萍 盧泰山

摘要 石羊河流域中游流量變化對(duì)該地節(jié)水灌溉、水資源高效利用、生態(tài)治理和水土保持都具有極其重要的意義。采用趨勢(shì)系數(shù)和模比系數(shù)分析了石羊河流域中游流量的變化和豐枯特征，并用Mann-Kendall法進(jìn)行突變檢驗(yàn)，最后采用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析了該區(qū)域流量變化的主要?dú)夂蛞蛩?。結(jié)果表明：近57年來(lái)，石羊河流域中游年平均流量呈略增加趨勢(shì)，各年代基本都是平水年，其中春、夏季流量呈略減少趨勢(shì)，秋、冬季流量呈增加趨勢(shì)，流域中游年平均流量增加貢獻(xiàn)最大的是秋季;從年內(nèi)分布看，石羊河流域中游流量的年內(nèi)分配因受補(bǔ)給條件的影響四季分明，四季流量大小依次為夏季、秋季、春季、冬季;石羊河流域中游流量，年、春季流量出現(xiàn)多個(gè)突變點(diǎn)，夏、秋、冬季流量突變分別發(fā)生在1991、2015和2016年;流域中游流量變化的主要影響因子依次是降水、蒸發(fā)、最高和最低氣溫。隨著流域中游降水的增加趨勢(shì)大于氣溫升高和蒸發(fā)增加的幅度，同時(shí)伴隨氣溫升高，冰川消融加快，石羊河流域中游流量呈略增加趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 石羊河流域中游;流量;特征;氣候因素

中圖分類號(hào)：P461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095–3305（2021）05–0050–04

石羊河是我國(guó)內(nèi)陸河流域中人口密集、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，是國(guó)家商品糧基地，也是水資源和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題最嚴(yán)重的流域之一。近年來(lái)，隨著全球氣候變暖和人類活動(dòng)的雙重影響，石羊河流域來(lái)水量面臨著多變性和不確定性，進(jìn)而引發(fā)植被退化、農(nóng)田次生鹽漬化、綠洲萎縮等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1-3]。石羊河流域水資源矛盾引發(fā)的生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等問(wèn)題引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，關(guān)于石羊河流域生態(tài)、水資源、氣候等方面的研究很多[4-15]，但用最新氣象和水文資料分析影響流量變化主要?dú)夂蛞蛩氐难芯坎欢?。為了全面客觀地反映流域中游水文特征的變化規(guī)律及氣候影響因素，利用流域中游1961—2017年水文和氣象資料，分析該區(qū)域流量在近57年的變化特征及主要?dú)夂蛴绊懸蛩?，為石羊河流域水資源高效利用和植被恢復(fù)等一系列生態(tài)治理的實(shí)施提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部（101°41′～104°16′E，36°29′～?39°27′N）。東部、北部分別在騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠與內(nèi)蒙古自治區(qū)相連，西部靠大黃山與山丹縣接壤，西南部在祁連山分水嶺與青海省相鄰，南部、東南部在烏鞘嶺和毛毛山的山脊與黃河流域交界。河流總長(zhǎng)約300 km，流域面積4.16萬(wàn)km2。

石羊河流域自東向西由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營(yíng)河、東大河、西大河8條河流及多條小溝小河組成（圖1）。河流補(bǔ)給來(lái)源為山區(qū)大氣降水和高山冰雪融水，產(chǎn)流面積1.11萬(wàn)km2，多年平均徑流量15.60億m3。石羊河流域中游的河西營(yíng)河、金塔河、雜木河是石羊大河的3條主要河流。石羊河流域中游，屬大陸性溫帶干旱氣候，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，日照充足，降水少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，空氣干燥。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

利用石羊河流域中游河西營(yíng)河、金塔河、雜木河的3個(gè)代表測(cè)站（四溝嘴、南營(yíng)水庫(kù)、雜木寺水文站）歷年實(shí)測(cè)流量、1961—2017年逐月流量和石羊河流域4個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)（烏鞘嶺、古浪、涼州、永昌）的氣象觀測(cè)資料。

2.2 研究方法

采用趨勢(shì)系數(shù)和模比系數(shù)分析石羊河流域中游流量的變化和豐枯特征，并用Mann-Kendall法進(jìn)行突變檢驗(yàn)，最后用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析該區(qū)域流量變化的主要?dú)夂蛞蛩亍Ｆ渲?—5月代表春季，6—8月代表夏季，9—11月代表秋季，12月—次年2月代表冬季。

3 石羊河流域中游流量的變化特征分析

3.1 年內(nèi)特征

石羊河流域中游年平均流量年內(nèi)分布特征表現(xiàn)為單峰型（圖2），夏季最大，占年平均流量的55.1%。其中，夏季的7月份流量最大，其次是秋季，占年平均流量的23.2%，春季占年平均流量17.5%，最小流量出現(xiàn)在冬季，占年平均流量的4.2%，冬季的2月份流量最小。

石羊河中游流量年內(nèi)變化四季分明，春季流量開(kāi)始增大，夏秋兩季流量最大，冬季流量最小，原因在于春季流域積雪融化和河網(wǎng)儲(chǔ)冰解凍，夏秋季降水較多且集中，冬季河流封凍。

3.2 季節(jié)變化特征

流域中游春、夏季呈減少趨勢(shì)，減小幅都較小，傾向率依次是夏季為0.07 m3/（s·10 a），春季為0.05 m3/（s·10 a），秋、冬季流量都呈增加趨勢(shì)，傾向率秋季為0.22 m3/（s·10 a），冬季為0.05 m3/（s·10 a）（圖3）。

由流域中游四季流量年代際變化看出（表1），20世紀(jì)60年代和2001—2010年除夏季為負(fù)距平外，其他三季均為正距平，60年代正距平最大的是春季，2001—2010年是秋季正距平最大;70年代和60年代正好相反，除夏季為正距平外，其他三季均為負(fù)距平，負(fù)距平最大的是春季;80年代秋、冬季為負(fù)距平，春、夏兩季是正距平，夏季正距平最大;90年代都是負(fù)距平，負(fù)距平最大的是夏季;2011—2017年只有春季表現(xiàn)為負(fù)距平，其他三季均表現(xiàn)為正距平，秋季正距平最大。

3.3 年代變化特征

石羊河流域中游年平均流量呈略增加趨勢(shì)，傾向率為0.03 m3/（s·10 a），未通過(guò)顯著水平檢驗(yàn)（圖4）。近57年來(lái)石羊河流域中游年平均流量為7.62 m3/s，由表2看出，其中80年代正距平最大，平均流量為7.98 m3/s，其次依次為2001—2010、2011—2017和60年代，平均流量分別為7.97、7.89、7.81 m3/s;90年代為負(fù)距平，平均流量為6.89 m3/s，70年代為平水年，平均徑流量為7.62 m3/s。

3.4 突變分析

為了研究流域中游近57年來(lái)的突變情況，通過(guò)M-K法對(duì)近57年來(lái)流域中游流量的時(shí)間序列進(jìn)行突變檢測(cè)（圖5）。流域中游春季流量（a）流量變化較平穩(wěn)，增加和減少趨勢(shì)不明顯，出現(xiàn)多個(gè)突變點(diǎn)，說(shuō)明流量總體基本穩(wěn)定，且通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn);夏季（b）流量70年代末開(kāi)始出現(xiàn)較為穩(wěn)定的上升趨勢(shì)，90年代開(kāi)始增幅更加明顯，一直持續(xù)到2017年均為上升趨勢(shì)，突變主要發(fā)生在1991年;秋季（c）流量總體變化也叫平穩(wěn)，90年代末開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降一直持續(xù)到2008年開(kāi)始緩慢增加，突變主要發(fā)生在2015年，通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn);冬季（d）2000年以前流量變化趨勢(shì)不是很明顯，未通過(guò)0.05信度檢驗(yàn)，2000年以后出現(xiàn)下降趨勢(shì)，總體變化也較為平穩(wěn)，90年代末開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降一直持續(xù)到2008年開(kāi)始緩慢增加，2016年出現(xiàn)突變;年（e）流量總體變化趨勢(shì)和春季相似，增加和減少趨勢(shì)不明顯，出現(xiàn)多個(gè)突變點(diǎn)，通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)不明顯，說(shuō)明整個(gè)流域中游流量變化不明顯。

3.5 豐枯變化

根據(jù)多年年平均流量，計(jì)算模比系數(shù)kp值（kp=某流量/多年平均流量），可以計(jì)算當(dāng)年流量的豐、平、枯水程度[16]。

由石羊河流域中游流量不同年代的豐枯變化可以看出，流域中游各年代都為平水年，和前面幾節(jié)分析結(jié)果較一致（表3）。

4 影響流域流量的氣候因素分析

4.1 降水量

石羊河流域年降水量及春、夏、秋、冬四季降水量均呈不同程度的增加趨勢(shì)（秋季呈小幅度減少），趨勢(shì)系數(shù)分別為0.67、0.18、0.43、-0.00、0.06（表4），但是增加趨勢(shì)沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（冬季通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)）。

通過(guò)計(jì)算石羊河流域降水量和流域中游的相關(guān)性顯示（表5），年流量及四季流量與降水有明顯的正相關(guān)（冬季相關(guān)不顯著），年流量及春、夏、秋季流量與降水的正相關(guān)都通過(guò)0.01信度檢驗(yàn)，說(shuō)明石羊河流域降水量和流量存在較好的一致性，降水量的增加對(duì)流量的增加表現(xiàn)為正貢獻(xiàn)。

4.2 最高氣溫

石羊河流域近57年年最高氣溫及春、夏、秋、冬四季最高氣溫呈明顯增加趨勢(shì)，趨勢(shì)系數(shù)分別為0.60、0.07、0.07、0.11、0.35，增加趨勢(shì)通過(guò)0.01信度顯著性檢驗(yàn)，最高氣溫的季節(jié)變化以冬季的趨勢(shì)系數(shù)最大，春、夏季最小。

石羊河流域最高氣溫與中游流量的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，夏季流量與最高氣溫有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，通過(guò)0.01信度顯著性檢驗(yàn)，冬季流量與最高氣溫有明顯的正相關(guān)關(guān)系，通過(guò)0.05信度顯著性檢驗(yàn)，年及春、秋季流量與最高氣溫的負(fù)相關(guān)都未通過(guò)信度檢驗(yàn)。說(shuō)明氣溫高，對(duì)應(yīng)晴好天氣較多，無(wú)降水或降水量較小，河流補(bǔ)給量少;而冬季氣溫高，流量大，說(shuō)明冬季氣溫高，冰雪融水快，有利于流量的增加。

4.3 最低氣溫

石羊河流域近57年年最低氣溫及春、夏、秋、冬四季最低氣溫也呈明顯的增加趨勢(shì)，趨勢(shì)系數(shù)分別為0.57、0.12、0.15、0.13、0.17，增加趨勢(shì)都通過(guò)0.01信度顯著性檢驗(yàn)，最低氣溫的季節(jié)變化也是以冬季的趨勢(shì)系數(shù)最大，春季最小。

石羊河流域最低氣溫與中游流量的相關(guān)性顯示，流域中游流量與流域最低氣溫基本都呈正相關(guān)，夏季呈負(fù)相關(guān)，只有與秋、冬季的流量正相關(guān)明顯，分別通過(guò)0.01和0.05信度檢驗(yàn)，其他都未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明秋、冬季最低氣溫升高，冰雪融水快，有利于流量的增加。

4.4 蒸發(fā)量

石羊河流域年蒸發(fā)量及四季蒸發(fā)量均呈增加趨勢(shì)，趨勢(shì)系數(shù)分別為0.19、0.23、0.97、0.63、0.47，年及冬季增加趨勢(shì)分別通過(guò)0.05和0.01信度檢驗(yàn)，夏季蒸發(fā)趨勢(shì)系數(shù)最大，春季最小。

計(jì)算石羊河流域蒸發(fā)量與流域中游流量相關(guān)系數(shù)，其中年及春、夏和秋季呈負(fù)相關(guān)，均通過(guò)0.01信度檢驗(yàn)，冬季蒸發(fā)量與流量呈正相關(guān)，未通過(guò)信度檢驗(yàn)。說(shuō)明流域蒸發(fā)大是因?yàn)闅鉁馗咴斐?，蒸發(fā)大，水分散失快，不利于流量的增加;而冬季蒸發(fā)大，冰雪融水快，有利于流量的增加。

從以上分析看出，流域中游降水量增加幅度明顯大于氣溫和蒸發(fā)增加的幅度，對(duì)于以降水補(bǔ)給型為主的石羊河流域中游來(lái)說(shuō)，流量由于降水量的增加而呈略增加趨勢(shì);春、夏季蒸發(fā)的增加趨勢(shì)大于降水增加的趨勢(shì)幅度，春、夏季流域中游流量呈略減少趨勢(shì);秋冬季蒸發(fā)及氣溫的顯著升高，冰川消融加快，流域中游流量呈略增加趨勢(shì)?？傮w來(lái)看，由于氣候變暖導(dǎo)致冰川消融加快和流域中游降水量的增加，石羊河流域中游流量表現(xiàn)為略增加趨勢(shì)，但變化幅度較小。因此石羊河流域氣候因素變化對(duì)中游流量變化起到了關(guān)鍵作用。

5 結(jié)論

（1）從年代變化看，57年來(lái)，石羊河流域中游年平均流量呈略增加趨勢(shì)，傾向率為0.03 m3/（s·10 a）。

（2）從四季變化看，流域中游春、夏季呈減少趨勢(shì)，減小幅度較小，傾向率為分別為0.05、0.07 m3/（s·10 a），秋、冬季流量都呈增加趨勢(shì)，秋季增加較明顯，為0.22 m3/（s·10 a），冬季為0.05 m3/（s·10 a），流域中游年平均流量增加貢獻(xiàn)最大的是秋季。

（3）從年內(nèi)分布看，流域中游春季4月開(kāi)始流量變大，夏秋兩季流量最大，最大流量出現(xiàn)在7月份，冬季流量最小，其中2月份流量最小，究其原因是因?yàn)榇杭玖饔蚍e雪融化和河網(wǎng)儲(chǔ)冰解凍易形成春汛，夏秋季降水較多而且集中，冬季河流封凍，流量主要靠地下水補(bǔ)給。

（4）突變分析顯示，年流量、春季流量增加和減少趨勢(shì)不明顯，出現(xiàn)多個(gè)突變點(diǎn)，夏季流量70年代末開(kāi)始出現(xiàn)較為穩(wěn)定的上升趨勢(shì)，突變主要發(fā)生在1991年;秋、冬季流量90年代末開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，到2008年開(kāi)始緩慢增加，突變分別發(fā)生在2015和2016年。

（5）通過(guò)對(duì)流量的豐枯變化分析顯示，石羊河流域中游各年代都是平水年，這是該流域水資源利用中得天獨(dú)厚的有利條件。

（6）中游流量變化是區(qū)域氣候因子綜合作用的結(jié)果，隨著流域中游降水的增加趨勢(shì)大于氣溫升高和蒸發(fā)增加的趨勢(shì)幅度，同時(shí)伴隨氣溫升高，冰川消融加快，石羊河流域中游流量呈略增加趨勢(shì)，但變化幅度較小，流域中游流量變化的主要?dú)夂蛴绊懸蜃右来问墙邓?、蒸發(fā)、最高和最低氣溫。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Analysis on Changing Character and Climatic Factors of the Runoff in Middle of Shiyang River Basin

ZHANG Cheng-ying et al（Wuwei ?Meteorological Bureau of Gansu Province， Wuwei， Gansu 733000）

Abstract The change of discharge in the middle reaches of the Shiyang river basin is of great significance for water-saving irrigation， efficient utilization， soil and water conservation， ecological management of water resources and ecological management. In this paper， the trend coefficient and the modulus ratio Coefficient are used to analyze the variation of the discharge in the middle reaches of the Shiyang river basin， with the M-K mutation detection and Pearson correlation coefficient method is used to analyze the main climatic factors of discharge variation in this region. The average annual discharge in the middle reaches of the Shiyang river basin has increased slightly in the past 57 years， with no change in each decade， and the annual discharge has decreased in spring and summer slightly. According to the annual distribution， the annual distribution of the discharge in the middle reaches of the Shiyang river basin is affected by the replenishment conditions in four distinct seasons， with the discharge in summer， autumn， spring and winter. The maximum discharge occurs in July， minimum traffic in February. The annual and spring discharge in the middle reaches of the Shiyang river basin had many abrupt changes， and the abrupt change mainly occurred in 1991， 2015 and 2016， respectively. Precipitation， evaporation， maximum and minimum air temperature are the main influencing factors of discharge variation in the middle reaches of the basin.With the increase of precipitation in the middle reaches of the basin more than the increase of temperature and evaporation， and with the increase of temperature and glacier melting， the discharge in the middle reaches of the Shiyang river basin increased slightly.

Key words Middle of Shiyang river basin; Runoff; Character; Climatic factors