近60 a大通河流域徑流變化和特征分析

魏國晉, 高 強, 劉得俊, 馬登珠, 王統(tǒng)旭

(1.青海省水文水資源測報中心，青海 西寧 810008； 2.青海省水利水電科學(xué)研究院有限公司，青海 西寧 810008)

近年來的研究表明,全球變暖是一個客觀存在的問題[1-3],20世紀中期以來人類產(chǎn)生的溫室氣體是導(dǎo)致氣候變暖的主要因素.氣候變暖對降水以及其他氣候要素產(chǎn)生一系列的影響，而這些影響將在河流徑流中產(chǎn)生放大效應(yīng)[4-6].河流徑流是重要的水循環(huán)過程之一，它不僅與當?shù)厣a(chǎn)生活用水息息相關(guān)，還是水利建設(shè)工作的重中之重[7].水資源是人類經(jīng)濟社會必不可少的基礎(chǔ)性資源.隨著人口數(shù)量增長，水資源的需求越來越多，再加上水資源時空分布不均和水資源浪費等問題，水資源已經(jīng)嚴重制約了社會經(jīng)濟的發(fā)展.因此，研究氣候變化和水文水循環(huán)發(fā)展規(guī)律，對人類和自然社會的可持續(xù)發(fā)展有重要意義[8-9].

1 研究區(qū)

大通河是青藏高原重要的河流之一，它發(fā)源于中國青海省天峻縣托萊南山的崗格爾肖合力冰峰東麓，干流全長572 km，河源海拔4 520 m，河口處海拔降至1 727 m，落差達2 793 m,它是湟水的一級支流、黃河的二級支流.大通河流域地理位置處于φE= 98°54′～102°55′，λN=36°20′～38°20′，地勢自西北向東南逐漸降低，流經(jīng)青海省天峻、剛察、祁連、海晏、門源、互助、樂都等縣區(qū)和甘肅省的天祝、永登兩縣及蘭州市紅古區(qū)西部.流經(jīng)區(qū)域人口主要分布在門源、紅古和永登縣區(qū)，最終在青海省民和縣川口鎮(zhèn)享堂村注入湟水[10].該流域總面積15 130 km2，其中，12 943 km2分布在青海省的東北部，占流域總面積的86%，只有2 187 km2位于甘肅省境內(nèi).

大通河流域全程較為狹長(圖1)，形成于崇山峻嶺之間的河谷地段.根據(jù)其地形地貌特征及社會因素，共設(shè)置尕大灘站、連城站和享堂站3個控制站點.其中，河源至尕大灘為上游段，尕大灘至連城為中游段，以下為下游段.大通河流域上游段地勢較高，水系發(fā)育呈樹枝狀，地處內(nèi)陸高原，為典型的青藏高原氣候，徑流以降水和冰川補給為主，人煙稀少，生態(tài)環(huán)境受人類影響較??；中下游地勢放緩，水系呈羽狀發(fā)育，氣候具有黃土高原特點，降水比較集中，徑流主要以降水補給為主.雖然河流下游段較短，但人口相對稠密.

圖1 大通河流域水文站點分布

筆者基于大通河流域尕大灘站、享堂站的實測水文資料以及該流域內(nèi)野牛溝、門源、祁連、民和4個氣象站點的實測氣溫與降水數(shù)據(jù)，通過小波分析和相關(guān)分析等方法，研究1960—2019年大通河流域河流徑流的年內(nèi)、年際和年代際變化特點及原因，旨在為大通河流域水資源開發(fā)和利用以及今后的水資源調(diào)配等提供參考.

2 數(shù)據(jù)和方法

水文分析數(shù)據(jù)為1960—2019年大通河流域尕大灘、享堂2個水文站實測年(月)流量和徑流量，水文站點見表1.其中，尕大灘站1953年設(shè)立，集水面積7 893 km2.尕大灘站于1997年下遷9 km命名為青石嘴水文站，集水面積8 011 km2.青石嘴站于2020年又遷回原尕大灘站.由于2站點的集水面積相差1.5%，文中統(tǒng)稱為尕大灘站.此外，尕日得水文站在1986年后變?yōu)檠雌谡荆晕闹羞x擇數(shù)據(jù)較全的尕大灘站和享堂站.同時，氣象數(shù)據(jù)包括1960—2019年大通河流域內(nèi)野牛溝、祁連、門源以及民和4個氣象站點的實測年氣溫與降水量.

表1 大通河干流水文測站信息

通過Morlet小波分析檢測河流徑流是否呈現(xiàn)顯著的周期振蕩[11].與其他幾種小波分析方法(Mexican Hat,Morlet,Haar,Symlets)相比，Morlet小波分析在時域和頻域方面都有很好的局部性，在水文學(xué)領(lǐng)域是一種較可靠的周期分析方法[12-14].

3 研究結(jié)果

由于地理位置的差異性，大通河流域不同河段補給方式不同.享堂站和尕大灘站的月平均流量(Qm,a)隨時間變化較一致且均呈現(xiàn)明顯的單峰變化(圖2)，但位于下游享堂站的月平均流量為0～210 m3/s，遠大于位于上游地區(qū)的尕大灘站(0～140 m3/s).1—3月尕大灘站和享堂站的月平均流量較小，4月份開始逐漸增加，到7月份達到頂峰，8月份與7月份基本持平，此后徑流量又開始逐漸下降.在春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至次年2月)，享堂站的徑流量分別占全年的15.95%，47.37%，29.57%，7.10%；尕大灘站的徑流量占全年分別為15.33%，52.26%，28.21%，4.20%.按照汛期劃分，5—10月享堂站和尕大灘站的月流量則分別占全年總流量的80.69%，85.56%.由此可見，大通河流域年內(nèi)徑流分配不均勻.

注：左側(cè)縱坐標為尕大灘站，右側(cè)縱坐標為享堂站.圖2 1960—2019年大通河流域尕大灘站和享堂站的月平均流量

對尕大灘站和享堂站的年徑流量(Qy)和年平均流量(Qy,a)進行原始和5 a滑動后的時間序列分析(圖3).由圖3可知，二者的年徑流量和年平均流量變化一致，但位于下游享堂站的年徑流量為10億～60億m3，而尕大灘站的為8億～30億m3.享堂站的年平均流量遠大于尕大灘站，且波動范圍較大.2個水文站的年徑流量最大值都出現(xiàn)在1989年，分別為29.2，50.2億m3.此外，尕大灘站的年徑流量較小值出現(xiàn)在1973年，1979年，分別為9.306，8.537億m3，而享堂站年徑流量較小值出現(xiàn)的年份較多且分散，分別為1973(20.82億m3)，1991年(20.32億m3)，2008年(20.25億m3)及2015年(19.95億m3).相較于位于上游的尕大灘站，享堂站年徑流量極大值與極小值的差值更小，且尕大灘與享堂站的年際極值比分別為1.52，2.42.這可能是由于享堂站位于下游地區(qū)，干流較多，流域面積較大，河流的自我調(diào)節(jié)能力較強.1985—1992年的年徑流量和年平均流量與其他年份相比明顯較大，1978—1981年的年徑流量明顯處于較小階段，1960—1977年和1993—2004年的變化較平穩(wěn)， 2005年至今，年徑流量和年平均流量逐漸呈上升趨勢，且近5 a上升速度較快.

注：左側(cè)縱坐標為尕大灘站，右側(cè)縱坐標為享堂站.圖3 1960—2019年大通河流域尕大灘站和享堂站的年徑流量和年平均流量

為進一步研究徑流的豐枯變化，分析尕大灘站和享堂站的年徑流量距平值(圖4).由圖4可知，2個水文站的距平為-10億～25億m3，其中距平最大的一年均出現(xiàn)在徑流量異常增多的1989年.尕大灘站在20世紀70—90年代以負距平為主(表2)，20世紀80年代和進入21世紀之后的10 a以正距平為主.享堂站明顯正距平且同尕大灘站一樣,均出現(xiàn)在20世紀80年代，在20世紀60年代和21世紀初的20 a均為負距平.因此，20世紀70和90年代以及21世紀初的10 a,大通河流域處于相對枯水期，徑流量較少，20世紀80年代則處于豐水期.

圖4 1960—2019年大通河流域尕大灘站和享堂站的年徑流量距平

表2 大通河流域年代際徑流量的距平 億m3

通過計算得出，大通河流域尕大灘站徑流量呈線性增加趨勢，其線性方程為y=0.036 1x-55.675，其中,y為年徑流量，x為年份，r2=0.032 6；享堂站則與其相反呈線性減少趨勢，線性方程為y=-0.060 1x+147.02，r2=0.038 7.流域徑流變化主要與自然因素或人類活動有關(guān)，具體來說，自然因素包括氣候變化引起的河流補給源，流域內(nèi)氣溫、降水和蒸發(fā)蒸騰的波動，人類活動有開挖河道、工農(nóng)業(yè)用水等.為進一步探究大通河流域徑流變化的原因，筆者對大通河流域內(nèi)4個氣象站點(野牛溝、祁連、門源和民和)1960—2019年的氣溫和降水進行分析，以此明確徑流量與氣候之間的關(guān)系(表3).

表3 大通河流域年代際氣溫距平 ℃

通過計算1960—2019年4個氣象站的氣溫變化趨勢，得到野牛溝、祁連、門源和民和地區(qū)的氣溫年增長率分別為0.029 7，0.033，0.041 6，0.028 1 ℃/a；降水結(jié)果與此一致，增長率分別為1.999 8，1.468 5，0.845 2，0.344 6 mm/a.19世紀60年代到21世紀20年代,4個氣象站的氣溫距平也由負值逐漸向正值轉(zhuǎn)變(表3)，說明60 a的年代際氣溫逐漸上升，這與全球變暖的趨勢一致.大通河流域60 a,年代際降水距平百分率雖然不如氣溫呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，但是也在波動中逐漸上升(表4).

表4 大通河流域年代際降水距平百分率 %

與下游享堂站相比，上游尕大灘站的徑流量與降水和氣溫更呈一致性變化.21世紀左右，享堂站的徑流量與氣溫和降水呈反向變化，分析原因：一是與人類活動有關(guān)，如下游工農(nóng)業(yè)用水增加，大通河流域自1994年開展“引大入秦”外調(diào)水工程，該工程的輸水渠首樞紐就位于大通河下游的天堂寺； 二是氣候變暖所引起的流域內(nèi)蒸發(fā)量增加幅度較大；三是雪線上移或消失帶來的冰雪融水補給的減少，導(dǎo)致徑流量減小.

享堂站和尕大灘站的年徑流量小波分析見圖5.由圖5可知，2個水文站的徑流量都存在著4，8，16，25 a左右的振蕩周期.其中，4 a的振蕩周期主要表現(xiàn)在1985—1995年，8 a的振蕩周期主要表現(xiàn)在1975—1993年和尕大灘站的2012—2016年，而16，25 a的振蕩周期則貫穿60 a的大部分時段.從全局小波譜圖看，享堂站徑流量的周期顯著性大于尕大灘站的.該結(jié)論與報道的結(jié)論一致[15-16].

圖5 1960—2019年大通河流域尕大灘站和享堂站年徑流量小波功率譜分析和全局小波譜

4 結(jié)論和討論

1)大通河流域的月平均流量年內(nèi)季節(jié)分配不均.在3—5月、6—8月、9—11月和12月至次年2月，位于下游享堂站的徑流量分別占全年的15.95%，47.37%，29.57%，7.10%；上游尕大灘站的徑流量占全年分別為15.33%，52.26%，28.21%，4.20%.

2)尕大灘站和享堂站的年徑流量和年平均流量變化趨勢一致，且最大值都出現(xiàn)在1989年.尕大灘站的年徑流量較小值出現(xiàn)在1973，1979年，享堂站的則出現(xiàn)年份較多且分散，分別為1973，1991，2008，2015年.20世紀70，90年代以及21世紀初的10 a,徑流量以負距平為主，此時整個流域處于一個相對枯水期，而在20世紀80年代,徑流量以正距平為主，流域處于相對豐水期.

3)上游尕大灘站的徑流量與降水和氣溫呈正相關(guān).21世紀，下游享堂站的徑流量變化與氣溫和降水呈現(xiàn)反向變化，這可能與“引大入秦”外調(diào)水工程、流域內(nèi)蒸發(fā)量增加、冰雪融水補給的減少等因素有關(guān).

4)大通河流域的徑流變化存在明顯的4，8，16，25 a周期變化，其中，16，25 a的振蕩周期在60 a的大部分時段都較顯著.