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        近57a 長江黃河源區(qū)徑流量變化異同特征分析

        2021-05-24 09:18:12伍云華秦寧生彭曉濱
        高原山地氣象研究 2021年4期
        關(guān)鍵詞:長江源源區(qū)徑流量

        伍云華 ,秦寧生 ,彭曉濱

        (1.青海省水文水資源測報(bào)中心,西寧 810008;2.中國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,諸多專家學(xué)者針對(duì)我國不同區(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在1980 年前后相反,總體呈下降趨勢,人類活動(dòng)對(duì)兩河流域影響超過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,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,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]。

        長江、黃河是我國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,針對(duì)長江源區(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,本文擬利用長江源及黃河源徑流觀測資料,探討兩者之間變化的異同,以期為長江、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 年逐月徑流觀測資料,水文站點(diǎn)分布如圖1 所示。

        圖1 長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)分配及長期變化趨勢異同

        圖2 給出了長江和黃河源區(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江源,并且長期差異無明顯波動(dòng),但9~10 月在1964~1986 年間黃河源與長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(長江源)流量多(少)、長江源(黃河源)流量多(少)、黃河源(長江源)流量多(少)的變化特征;但是2000 年以后,夏季長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。從多年平均來看,長江、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

        就長江源和黃河源平均流量的長期變化趨勢而言,如表1 所示,長江源區(qū)各季節(jié)及年平均流量均呈現(xiàn)上升趨勢,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,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,其中秋季的下降趨勢更為顯著,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。由此可見黃河源近57a 來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)正增長趨勢。雖然長江源與黃河源在夏季都是正增長,但是二者的增幅差距非常大(長江源是黃河源3 倍之多)。長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 種檢測方法對(duì)長江源及黃河源年均流量進(jìn)行了突變檢驗(yàn)。

        圖4a 給出了長江源徑流變化的Mann-Kendall 檢測。如圖所示,近57a 長江源區(qū)徑流的變化趨勢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0.05 水平的顯著性檢驗(yàn),表明長江源區(qū)徑流在20 世紀(jì)50~60年代呈現(xiàn)比較明顯的上升趨勢;隨后60 年代末~70 年代,UF 持續(xù)減小,說明此時(shí)間段徑流量減小,長江源區(qū)徑流有下降趨勢;而80 年代UF 呈波動(dòng)狀態(tài),徑流變化趨勢不明顯;90 年代則UF 再次表現(xiàn)為比較明顯的下降趨勢,徑流呈下降趨勢;21 世紀(jì)以來UF 持續(xù)上升,到2012 年通過了0.05 水平的顯著性檢驗(yàn),表明21 世紀(jì)以來,長江源區(qū)徑流上升趨勢比較顯著。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。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0.05 水平的顯著性檢驗(yàn),說明黃河源區(qū)徑流在50 年代末~60 年代,與長江源區(qū)徑流變化趨勢比較一致,均表現(xiàn)為比較顯著的上升趨勢;70~80 年代呈現(xiàn)寬幅波動(dòng);而90 年代以來,UF 值則呈現(xiàn)比較明顯的下降趨勢。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 長江源(a)和黃河源(b)年均徑流量的Mann-Kendall 突變檢測

        圖5 給出了利用滑動(dòng)T 檢驗(yàn)法和Yamamoto 法(子序列長度均取5 年)檢驗(yàn)長江和黃河源區(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0.05 水平的顯著性檢驗(yàn)。Yamamoto法檢測結(jié)果(圖5c、d)則表明,長江源區(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0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

        圖5 長江源(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)不同的檢測方法得到的結(jié)果存在一定差異,其中長江源區(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 長江源(a)和黃河源(b)年徑流序列小波分析

        圖6a 為長江源區(qū)徑流小波分析。由圖可知,長江源區(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 年長江和黃河兩江源區(qū)2 個(gè)水文站點(diǎn)實(shí)測逐月流量數(shù)據(jù),分析了黃河源與長江源區(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)黃河源徑流量是長江源2 倍之多,夏季兩河徑流量差距相對(duì)較小。

        (2)從長期變化趨勢方面來看,長江源區(qū)各季節(jié)及年平均流量均呈現(xiàn)上升趨勢,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)與長江源區(qū)略有不同,黃河源區(qū)年平均流量程下降趨勢,同時(shí),春季和秋季平均流量也表現(xiàn)為下降趨勢,其中秋季下降趨勢更為顯著,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。

        (3)綜合Mann-Kendall法,滑動(dòng)T檢驗(yàn)法和Yamamoto法初步辨識(shí)的長江及黃河源區(qū)徑流的可能突變年份發(fā)現(xiàn),不同檢測方法所得結(jié)果具有一定差異。長江源區(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。

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