1960—2019年黃河源區(qū)徑流演變及其驅(qū)動(dòng)因素分析

許美嬌，程學(xué)俊，權(quán) 全，嚴(yán)登華，張飛躍

(1.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048； 2.中國華能集團(tuán)有限公司，北京 100031；3.中國水利水電科學(xué)研究院 水資源研究所，北京 100038)

徑流作為水循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是水量平衡的基本要素，也是流域水資源的重要組成部分。河川徑流量的演變特征及其對氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)問題一直備受學(xué)者們關(guān)注。劉蕊蕊[1]以渭河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，分析徑流變化的影響因素，結(jié)果表明氣候變化對徑流變化的貢獻(xiàn)較大，為59.4%；王國慶等[2]利用水文模擬途徑定量評估氣候變化及人類活動(dòng)對黃河流域河川徑流變化的影響程度，結(jié)果顯示人類活動(dòng)對徑流變化的影響占比在70%以上。

黃河源區(qū)徑流屬典型的寒區(qū)徑流，其變化直接或間接地受到降水、氣溫等氣候因素的影響。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類引水量迅速增加，黃河源區(qū)年徑流量日益減少，導(dǎo)致沿線區(qū)域水資源緊張，因此深入研究黃河源區(qū)徑流的演變特征及影響因素十分必要。本研究以黃河源區(qū)為研究區(qū)，根據(jù)源區(qū)1960—2019年徑流、降水及氣溫觀測資料，采用Mann-Kendall(以下簡稱“M-K”)檢驗(yàn)法分析其變化趨勢及突變點(diǎn)，Morlet小波分析法識(shí)別變化周期，累積量斜率變化率法結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果計(jì)算各因子的貢獻(xiàn)率，確定氣候因素及人類活動(dòng)對黃河源區(qū)徑流量變化的貢獻(xiàn)率，希望能為黃河源區(qū)生態(tài)保護(hù)及水資源合理規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黃河源區(qū)位于青藏高原東北部(32°20′～36°10′N、95°50′～103°30′E)，流域面積僅12.2萬km2，但產(chǎn)流量占黃河流域總量的35%以上，是黃河流域主要的產(chǎn)流區(qū)[3-4]。屬高原高寒氣候區(qū)，降水主要集中在夏季和秋季，年均氣溫-4 ℃左右，一般僅5—9月日平均氣溫在0 ℃以上，年氣溫差異較小，但早晚溫差大[5-6]。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

本研究選用黃河源區(qū)1960—2019年唐乃亥水文站的徑流數(shù)據(jù)，同時(shí)選取源區(qū)內(nèi)及附近的班瑪、達(dá)日、貴南、河南等17個(gè)氣象站的氣溫及降水?dāng)?shù)據(jù)，利用ArcGIS插值成整個(gè)源區(qū)的面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

(1)M-K趨勢及突變檢驗(yàn)。M-K檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)法，適用于任何分布的時(shí)間序列且不受少數(shù)干擾值的影響[7]。本研究根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]，采用M-K檢驗(yàn)法分析黃河源區(qū)徑流、降水及氣溫序列的變化趨勢及突變點(diǎn)。

(2)Morlet小波分析。在進(jìn)行周期分析時(shí)，相比于其他的小波分析方法，Morlet小波分析在時(shí)域和頻域方面都有很好的局部化特性，因此被廣泛應(yīng)用于水文、氣象等時(shí)間序列的周期性分析[10-11]。本研究采用Morlet小波分析方法識(shí)別黃河源區(qū)徑流、降水及氣溫序列的變化周期。

(3)累積量斜率變化率方法?？紤]到用多元回歸方法確定貢獻(xiàn)率時(shí)由于影響因素的權(quán)重賦值不同，得到的結(jié)果大多相差較大的問題[12]，本研究結(jié)合相關(guān)性分析及累積量斜率變化率方法來計(jì)算各因子的貢獻(xiàn)率。具體計(jì)算公式分別為

KQ=(Kb-Ka)/Ka×100%

(1)

KP=(KPb-KPa)/KPa×100%

(2)

KE=(KEb-KEa)/KEa×100%

(3)

ηP=KP/KQ×100%

(4)

ηE=KE/KQ×100%

(5)

ηc=ηp+ηE

(6)

ηh=100-ηc

(7)

上式中：KQ、KP、KE分別為累積徑流量、降水量、蒸發(fā)量(由氣溫變化引起)斜率變化率，%；Ka、Kb分別為基準(zhǔn)期和變化期的累積徑流斜率，億m3/a；KPa、KPb、KEa、KEb分別為基準(zhǔn)期和變化期的累積降水斜率、累積蒸發(fā)斜率，mm/a；ηp、ηE分別為降水和蒸發(fā)變化對徑流量變化的貢獻(xiàn)率，%；ηc、ηh分別為氣候變化及人類活動(dòng)對徑流量變化的貢獻(xiàn)率，%。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流特征分析

(1)趨勢及突變分析。1960—2019年黃河源區(qū)徑流量變化趨勢見圖1。從5 a滑動(dòng)平均過程線可知，源區(qū)徑流量整體呈下降趨勢，線性斜率為-0.329 4億m3/a，其中：1960—2002年徑流量呈下降趨勢，線性斜率為-0.988 6億m3/a；2003—2019年徑流量呈顯著上升趨勢，線性斜率為4.909 8億m3/a；最大年徑流量出現(xiàn)在1989年，最小年徑流量出現(xiàn)在2002年，兩者相差221.30億m3。徑流量M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為-1.103 4，呈不顯著下降趨勢，這與線性趨勢的結(jié)果相一致。徑流量M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果見圖2，可見徑流序列發(fā)生突變的年份為1987年，這與商瀅等[7]的研究結(jié)果基本一致。

圖1 1960—2019年黃河源區(qū)徑流量變化趨勢

圖2 1960—2019年黃河源區(qū)徑流量M-K突變檢驗(yàn)

(2)徑流周期分析。1960—2019年黃河源區(qū)徑流周期變化特征見圖3。由圖3(a)可知，整個(gè)階段只存在1個(gè)豐枯變化，即在1960—1990年經(jīng)過1個(gè)豐水期，隨后1991—2019年過渡為枯水期，時(shí)間尺度為60 a。另外，在1960—1982年存在20 a周期變化，在1983—2019年存在18 a周期變化，且交替變化明顯。由圖3(b)可知，在整個(gè)時(shí)間尺度上小波方差存在2個(gè)明顯的峰值，最大峰值出現(xiàn)在38 a的時(shí)間尺度上，為第一主周期。

圖3 1960—2019年黃河源區(qū)徑流周期變化特征

3.2 徑流影響因素分析

3.2.1 降水特征分析

(1)趨勢及突變分析。1960—2019年黃河源區(qū)降水量變化趨勢見圖4。由5 a滑動(dòng)平均過程線可以看出，源區(qū)年降水量整體波動(dòng)不大，線性斜率為0.923 0 mm/a，整體呈上升趨勢。1960—2019年降水量變化過程可以劃分成4個(gè)階段：第一階段為1960—1971年，降水量以5.311 9 mm/a的速率下降，該階段下降趨勢最為顯著；1972—1983年為第二階段，降水量呈顯著上升趨勢，線性斜率為4.659 5 mm/a；1984—2002年降水量緩慢下降；2003—2019年為降水量緩慢上升階段。由表1可知，源區(qū)降雨量M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為1.843 2，說明降水量呈顯著上升趨勢，這與圖4中線性趨勢結(jié)果一致。17個(gè)站點(diǎn)中只有河南站、久治站、瑪曲站、澤庫站及郎木寺站呈下降趨勢(郎木寺站下降趨勢顯著)，其余均為上升趨勢。降水量M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，可見源區(qū)降水序列的突變年份出現(xiàn)在2017年。

圖4 1960—2019年黃河源區(qū)降水量變化趨勢

圖5 1960—2019年黃河源區(qū)降水量M-K突變檢驗(yàn)

表1 1960—2019年黃河源區(qū)降水量M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值

(2)降水周期分析。黃河源區(qū)降水周期變化特征見圖6。由圖6(a)可知，整個(gè)階段由28～32 a尺度貫穿始終，由以1970年為中心的少水期逐漸過渡到以2015年為中心的多水期，期間共經(jīng)歷2個(gè)交替變化，其中1960—1975年、1990—2005年為少水年，1976—1989年、2006—2019年為多水年。在1960—1987年以8 a尺度為周期，但從1991年開始一直到2017年左右均以11 a尺度為顯著周期變化。由圖6(b)可知，源區(qū)年降水量小波方差存在3個(gè)峰值，時(shí)間尺度分別對應(yīng)為4、7、30 a，其中30 a尺度對應(yīng)最大峰值，作為源區(qū)降水量第一主周期。

圖6 黃河源區(qū)降水周期變化特征

3.2.2 氣溫特征分析

(1)趨勢及突變分析。1960—2019年黃河源區(qū)氣溫變化趨勢見圖7。由5 a滑動(dòng)平均過程線可以看出，源區(qū)平均氣溫以0.055 1 ℃/a的速率緩慢上升，多年平均氣溫為-0.83 ℃，其中氣溫最高值出現(xiàn)在2016年，為1.12 ℃，最低氣溫出現(xiàn)在1983年，為-2.69 ℃。整個(gè)序列只有1974—1984年呈不顯著下降趨勢，線性斜率僅為-0.017 7 ℃/a，其他年份均呈上升趨勢。源區(qū)氣溫M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為7.353 8，說明年均氣溫逐漸升高，且趨勢顯著。17個(gè)站點(diǎn)中除河南站呈不顯著下降趨勢外，其余站點(diǎn)均呈現(xiàn)顯著上升趨勢。氣溫M-K突變檢驗(yàn)分析結(jié)果見圖8，其中UF及UB曲線交于1999年，但是交點(diǎn)超過顯著水平線，借助啟發(fā)式分割方法來判斷，結(jié)果表明黃河源區(qū)氣溫序列的突變年份為1997年，這與王亞迪等[13-14]研究結(jié)果相一致。

圖7 1960—2019年黃河源區(qū)氣溫變化趨勢

圖8 1960—2019年黃河源區(qū)氣溫M-K突變檢驗(yàn)

(2)氣溫周期分析。采用Morlet小波分析法對黃河源區(qū)氣溫周期變化特征進(jìn)行分析，結(jié)果見圖9。由圖9(a)可知，整個(gè)階段只發(fā)生了1個(gè)冷暖周期交替變化，其中1960—1990年為偏冷期，1991—2019年為偏暖期，偏冷期以1980年為中心，偏暖期以2010年為中心。在1972—1986年存在著30 a尺度的震蕩周期。由圖9(b)可知，源區(qū)氣溫小波方差僅有1個(gè)峰值，故將3 a尺度作為第一主周期。

圖9 1960—2019年黃河源區(qū)氣溫周期變化特征

3.3 徑流影響程度分析

(1)徑流變化與氣候因子的相關(guān)性分析。為了對比分析不同影響因子對徑流變化的影響程度，利用Pearson檢驗(yàn)、Spearman檢驗(yàn)和Kendall檢驗(yàn)3種方法進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2?？梢钥吹剑瑥搅鳌邓?種檢驗(yàn)結(jié)果均為正數(shù)，雖然Kendall系數(shù)低于0.6，但是其余兩種系數(shù)均在0.75以上，這表明兩者相關(guān)關(guān)系很強(qiáng)，即隨著降水的增加，徑流量也變大。與之相反，徑流—?dú)鉁氐?種檢驗(yàn)結(jié)果均為負(fù)數(shù)，尤其是Kendall系數(shù)僅為-0.137，其余兩種系數(shù)絕對值也低于0.2，這表明兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系且相關(guān)性不大，即與降水相比，氣溫對徑流的影響并不顯著。

表2 相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果

(2)影響因素貢獻(xiàn)水平分析。引起徑流變化的因素大體上可以分為人類活動(dòng)及氣候因素兩種。研究結(jié)果表明黃河源區(qū)降水對徑流變化的影響明顯大于氣溫對徑流變化的影響[15]，結(jié)合上文徑流—?dú)鉁氐?種檢驗(yàn)相關(guān)性均不顯著的結(jié)果，本研究中將氣候因素簡化為降水量。

由上文可知源區(qū)徑流突變年份為1987年，以此將時(shí)間序列分為基準(zhǔn)期(1960—1986年)和變化期(1987—2019年)。黃河源區(qū)累積徑流量、降水量隨年份的變化曲線見圖10，基準(zhǔn)期和變化期的累積徑流量關(guān)系斜率分別為219.64億、184.40億m3/a。斜率下降，表明源區(qū)徑流量呈現(xiàn)下降趨勢，與上文結(jié)果相一致?；鶞?zhǔn)期和變化期累積降水量關(guān)系斜率分別為517.15、524.97 mm/a，斜率上升，表明源區(qū)降水量呈現(xiàn)上升趨勢，也與上文結(jié)果相一致。計(jì)算可知，KQ=-16.04%，KP=1.51%，ηP=9.42%，ηh=90.58%，說明氣候變化和人類活動(dòng)對徑流變化的影響占比分別為9.42%和90.58%。這表明人類活動(dòng)是影響黃河源區(qū)徑流變化的主導(dǎo)因素。

圖10 1960—2019年黃河源區(qū)累積徑流量、降水量變化曲線

4 結(jié) 語

利用M-K趨勢及突變檢驗(yàn)、Morlet小波分析、累積量斜率變化率等方法對1960—2019年黃河源區(qū)徑流、降水及氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

(1)1960—2019年黃河源區(qū)徑流量呈不顯著下降趨勢，在1987年發(fā)生突變。降水量以0.923 0 mm/a的速率上升，在2018年降水量達(dá)到最大值，并在2017年發(fā)生突變。氣溫以0.055 1 ℃/a的速率緩慢上升，在1997年發(fā)生突變。

(2)黃河源區(qū)徑流在60 a尺度上經(jīng)過了1個(gè)豐水期和1個(gè)枯水期，第一主周期為38 a。降水28～32 a尺度周期貫穿始終，共經(jīng)歷了2個(gè)多水期和2個(gè)少水期，第一主周期為30 a。氣溫整體上只發(fā)生了1個(gè)冷暖周期交替變化。

(3)在氣候因素只考慮降水的情況下，人類活動(dòng)為導(dǎo)致徑流變化的主要因素，其次為氣候因素。