1960—2005年湄公河流域径流量演变趋势

周 婷,于福亮,李传哲,柴增凯

(中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京 100038)

水是自然资源的重要组成部分,是生物赖以生存的物质基础,也是社会经济发展的基本支撑条件.河川径流作为水资源的重要组成部分,对流域水资源的开发利用、配置和保护具有重要意义.近些年来,随着全球气候变化以及人类活动的影响,河川径流量的变化趋势在水科学研究中的重要地位更加突显.

澜沧江-湄公河发源于中国青藏高原唐古拉山北麓,自北向南先后流经中国的青海、西藏和云南以及缅甸、老挝、泰国、柬埔寨和越南,在越南的胡志明市西部入海,是东南亚地区最大的国际河流,在中国境内称澜沧江,出境后称湄公河.河流上下游较宽阔,中游狭窄,流域内地形起伏剧烈,地势复杂.从河源到河口,干流全长4880km,总流域面积81.1万km2,总落差5167m,平均比降0.104%,多年平均径流量4750亿m3,入海多年平均流量1.2万m3/s.湄公河流域位于亚洲热带季风区的中心,为雨水、地下水、冰雪融水混合补给类型的河流,受地形、纬度、海拔、西南和东南季风等多种因素影响,其河川径流特征在时空分布上也呈现出多样性和区域差异性[1].湄公河作为东南亚唯一穿越5个国家的重要国际河流,是沿岸各国生活用水和工农业用水的重要保障.2009年入秋以来,在中国西南地区遭受严重干旱的同时,湄公河次区域有关国家也出现严重旱情.东南亚5国6500万人口视为生命线的湄公河水位下降到近20年来的最低点,其中湄公河北部的水位降至历史最低水平.由于干旱,澜沧江-湄公河流域的粮食生产、旅游、航运、渔业等都受到了严重影响.因此,本文采用滑动平均法和Mann-Kendall非参数检验法量化分析湄公河流域径流量的变化特征及演变趋势,有助于对流域水资源的时空分布有更加全面的认识,同时也为流域未来水资源合理调配和使用提供科学依据.

1 研究数据与资料

综合考虑地理位置的代表性以及资料的完整性和同步性,选取湄公河流域干流上6个代表性水文站(清盛、琅勃拉邦、万象、穆达汉、巴色、上丁)1960—2005年逐日实测径流资料作为研究基础资料.从统计意义上考虑,46a的时间序列能够获得比较可信的分析结果.6个水文站及流域相关信息见表1,站点分布如图1所示.

表1 湄公河流域代表水文站Table 1 Information of representative hydrological stations in Mekong River basin

2 研究方法

2.1 滑动平均法

滑动平均法采用确定时间序列的平滑值来显示变化趋势.对样本量为n的序列x,其滑动平均序列表示为

其中k为滑动长度.经过滑动平均后,序列中短于滑动长度的周期大大削弱,独立性和自由度降低,显现出变化趋势[2].

2.2 Mann-Kendall非参数统计检验方法

Mann-Kendall非参数统计检验方法(以下简称Mann-Kendall法)可以进行径流量趋势的检验.非参数检验亦称无分布检验,样本不必遵从某一特定规律,同时也不受个别异常值的干扰,能客观地表征样本序列的整体变化趋势,在国内外的气候研究和河流径流量变化趋势研究中得到广泛的应用[3-8].

对于具有n个样本量的时间序列X=(x1,x2,…,xn),构造一秩序列:

本研究基于统计值:

对于随机序列X=(x1,x2,…,xn),当n增加时Z很快收敛于标准正态分布.当原假设为该序列无趋势时,一般采用双边趋势检验,在给定显著性水平 α下,于正态分布表中查出临界检验值时,原假设被接受,表示序列变化趋势不显著;当时,拒绝原假设,认为序列变化趋势显著.Z为正时表示序列呈上升趋势,Z为负时表示序列呈下降趋势.Z的绝对值越大,说明序列变化趋势越显著,对显著性水平 α=0.05,Zα/2=1.96.

3 结果与分析

3.1 年际变化

3.1.1 年际变化特征值

反映年径流量年际变化幅度和不同径流量出现概率的特征值主要是年径流量变差系数Cv、年径流量年际极值比和年径流量偏态系数Cs[9-10].从表2可以看出,湄公河流域6个水文站年径流量变差系数Cv值都在0.15左右,年际变化幅度基本相同,丰枯变化比较平缓.6个站点年际极值比基本在2左右,表明最丰年径流量为最枯年径流量的2倍左右,这也说明年际变化幅度较小.但从偏态系数Cs值可以看出,湄公河不同河段的大小径流量出现概率有较大差别,6个站点为正偏态分布或者正态分布,河段小于平均流量的低流量概率较高,其中以清盛站Cs值最大,高达0.85,从上游到下游依次减小,巴色站和上丁站基本接近正态分布,河段小于与大于平均流量的概率相当.

表2 湄公河流域代表水文站年径流量年际变化特征值Table 2 Eigenvalues of inter-annual variation of runoffs at representative hydrological stations in Mekong River basin

3.1.2 年际变化趋势

从6个代表性水文站1960—2005年径流的变化过程以及线性回归趋势线可以看出(图2),各水文站径流量变化有一定的相似性,但是仍然存在差异.清盛、琅勃拉邦、万象和巴色4个站点年径流量呈下降的趋势,穆达汉和上丁年径流量则显示出微小的上升趋势.表3为Mann-Kendall法检验年径流量年际变化趋势结果,6个站点年径流量变化均未达到显著水平,年际变化较平缓[11].

图2 湄公河流域代表水文站年径流变化过程及趋势Fig.2 Variation process and trend of annual runoffs at representative hydrological stations in Mekong River basin

3.1.3 年际变化阶段性

由以上的分析可知,6个站点年际变化并没有明显的趋势性,采用滑动平均法可以更加明显地分辨出径流量年际变化的阶段性特征.从图2所示5年滑动平均曲线可以看出,湄公河流域6个站点1960—2005年径流变化大致都经历了3个阶段,但由于降水、气温以及人类活动等的空间差异性,不同站点的丰枯水阶段不同.清盛和穆达汉在20世纪60年代至70年代中期为丰水阶段,70年代后期至90年代后期为枯水阶段,90年代末期至21世纪初为丰水阶段.琅勃拉邦、万象、巴色和上丁则是在20世纪60年代至80年代中期为丰水阶段,80年代后期至90年代后期为枯水阶段,90年代末期至21世纪初为丰水阶段.

表3 湄公河流域代表水文站年径流变化趋势Table 3 Trend of perennial runoffs at representative hydrological stations in Mekong River basin

3.2 年代变化

统计6个水文站年平均流量年代变化趋势,如图3所示(图中,1960s表示20世纪60年代,其中2000s代表2000—2005年).总体来看,上游3个站点的变化趋势较小,而下游3个站点呈现先减小后显著上升的趋势.其中20世纪60年代到70年代,6个站点年平均流量变化都较小;70年代到80年代,各站点年平均流量均下降,其中上丁站下降趋势比较明显;80年代到90年代期间,除上丁站上升趋势较显著外,其他站点年平均流量变化都十分微小;从90年代到21世纪初,6个站点年平均流量均呈上升趋势,其中上游的清盛、琅勃拉邦和万象3个站点上升较小,下游的穆达汉、巴色和上丁3个站点上升趋势十分明显.

图3 湄公河流域代表水文站年平均流量年代变化过程Fig.3 Inter-decadal variation of average annual runoffs at representative hydrological stations in Mekong River basin

3.3 年内变化

3.3.1 年内分配

湄公河流域为亚热带季风区的中心,径流主要来自降水,受季风气候影响,一年出现一次汛期,径流量主要集中于汛期.上下游年内分配特征类似,流量过程线总体呈单峰状.6个站点多年月平均径流量占全年比例如表4所示,可以看出湄公河径流量年内分配极不均匀.上游3个站点的最大径流量出现在8月,占年径流量的20%左右,最小径流量出现在3月,占年径流量的2.5%左右,汛期6个月(6—11月)径流量占全年的80%左右,非汛期6个月(12—5月)径流量占全年的20%.下游3个站点的最大径流量除穆达汉站以外都出现在9月,占年径流量的23%左右,最小径流量都出现在4月,占年径流量的1.5%左右,汛期6个月(6—11月)径流量占全年的87%左右,非汛期6个月(12—5月)径流量占全年的13%.由于汇流时间的差异,下游站点流量的时间相对上游站点都要滞后.而且从统计数据中可以看出,上游站点最大月径流量与最小月径流量之比大约为8,而下游站点高达15,汛期与非汛期的比值也更大,因此下游相对上游站点年内分配更加不均匀.

3.3.2 年内变化趋势

表4 1960—2005年湄公河流域代表水文站多年月平均径流量年内分配比例Table 4 Ratio of intra-annual distribution of monthly runoffs at representative hydrological stations in Mekong River basin during1960-2005 %

采用Mann-Kendall法对6个水文站1960—2005年各月径流量的变化趋势进行检验,结果如表5所示.其中清盛站8月,琅勃拉邦站2月、11月和12月的径流量下降趋势显著,穆达汉站3月、4月和5月,巴色站3月和4月,上丁站4月和5月的径流量上升趋势显著.各站点其他月份则无显著变化.除了清盛站显著下降发生在8月处于汛期以外,其他站点的显著变化均发生在非汛期月份;并且上游清盛、琅勃拉邦和万象3个站点径流量主要是下降趋势,而下游穆达汉、巴色和上丁3个站点径流量主要是上升趋势.除了穆达汉站点非汛期径流量呈现显著上升的趋势外,其他站点汛期和非汛期径流量都没有显著变化.但总体来看,汛期主要是下降趋势,而非汛期大部分是上升趋势[12].

表5 湄公河流域代表水文站径流量年内变化趋势Mann-Kendall法检验结果Table 5 Results of Mann-Kendall tests on intra-annual variation trend of runoffs at representative hydrological stations in Mekong River basin

4 结 论

a.从年际变化来看,6个水文站年径流量变差系数都在0.15左右,年际极值比基本在2左右,年际变化幅度较小;清盛、琅勃拉邦、万象和巴色4个站点年径流量在1960—2005年呈现弱下降趋势,穆达汉站和上丁站则显示出弱上升趋势,但都不显著;不同站点都经历了3个不同的丰枯水阶段.

b.从年代变化来看,20世纪60年代到70年代径流量变化都比较小;70年代到80年代6个站点径流量均下降;80年代到90年代除上丁站上升趋势较显著外,其他站点径流量变化都十分微小;从90年代到21世纪初,6个站点径流量均呈上升趋势,并且从上游到下游上升趋势越来越明显.

c.从年内变化来看,最大月径流量与最小月径流量之比为8～15,年内分布极不均匀;下游地区来水比上游地区更加向汛期集中;月径流量有显著变化趋势的主要发生在非汛期月份,上游主要是下降趋势,下游主要是上升趋势,大部分站点汛期呈下降趋势,非汛期呈上升趋势.

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