黑河干流出山径流对气候变化的响应

黑河干流出山径流对气候变化的响应

王玉英1， 李建松2， 郝仕龙3

(1.南召县水土保持科学试验站，河南 南召 474650； 2.南阳市水土保持监督监测站，河南 南阳 473000；

3.华北水利水电大学 资源与环境学院，河南 郑州 450045)

摘要：根据黑河干流河源区气象及水文台站50 a的观测资料,采用Mann-Kendall及多元线性回归分析方法，研究了黑河干流河源区50 a气候变化的特征及其对地表径流的影响.结果表明:1959—2008年,黑河干流河源区气候发生了显著的变化,主要表现在气温升高和降水量增加;从变化的时间段来看，1980年之前气候变化较为平稳，1980年以后变化剧烈;地表径流量总体呈增加态势，其年际变化特征与气候变化特征较为同步，反映了气候变化因素对地表径流的影响起主导作用，特别是在1980年之后，气候变化引起冰川消融的变化，进而对地表径流产生重要影响;受气候变化影响，冰川的融水特征经历了由强消融期—稳定消融期—消融增强期变化的特征，冰川消融变化对降水因子的变化较为敏感.

关键词：黑河干流;出山地表径流量;气候变化;Mann-Kendall秩相关分析;多元线性回归中图分类号：TV211文献标识码：A文章编号：1002-5634(2015)03-0017-04

收稿日期:2015-02-17

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51209091).

作者简介：郭文献(1979—)，男,河南安阳人,副教授，博士,主要从事水资源与水环境领域规划管理以及生态水利等方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.005

以增温为特点的全球气候变化已是一个不争的事实[1]，全球气候变化对区域水资源具有重要影响，气候变化将改变水文循环,对水资源的数量以及时空分布产生重大影响,从而进一步影响区域的生态环境和社会经济的发展.因此，气候变化对区域水资源的影响逐渐成为全球气候变化研究的重要组成部分[2-4].分析气候变化对区域水资源的定量影响，并提出相应的对策，对于区域水资源的优化利用、调度和管理具有重要的意义[5-6].

黑河流域地处我国西北内陆干旱区，多年平均降水量为128.0 mm，干旱缺水是当地经济社会可持续发展的主要限制因素.由于人口增长及经济的发展，工农业和生活需水量急剧增加,水资源供需矛盾日益突出，气候变化可能加剧这些不利现象，黑河流域的水问题以及一系列由水资源短缺衍生出的生态环境问题已经成为目前该地区经济发展最突出的重大问题.因此，研究水文水资源对气候变化的响应就显得十分迫切，研究结论可为区域水资源的合理规划提供参考.笔者根据黑河干流河源区1959—2008年的气象和水文资料，研究该区50 a气候变化的特征及其对地表径流的影响.

1研究区概况及研究方法

1.1　研究区概况

黑河为我国西北第二大内陆河流，发源于祁连山北麓，流经青海、甘肃和内蒙古,干流全长约821 km，流域面积14.3×104km2,河川径流95%靠山地降水和积雪融水补给.黑河流域以莺落峡和正义峡为界,被分为上、中、下3部分：莺落峡以上为上游，是主要产流区；莺落峡至正义峡区间为中游，是主要用水区；正义峡以下为下游，是河湖尾闾消失区.

1.2　数据来源

1)气象数据：根据黑河干流河源区的分布情况，笔者选取祁连山气象站及野牛沟气象站的气象资料作为黑河源头区域气候变化的参考资料.收集历年气象资料包括1959—2008年逐月的气温、降雨量等；降雨资料选取上述两站年平均值，代表黑河源区的年降水量情况；气温资料选取上述两气象站主要融雪季节5—9月的年平均气温，代表黑河源区主要融雪期间年气温变化情况.

2)水文数据：来源于莺落峡水文站自建站以来的逐月水文数据(1959—2008年)，以年地表径流总量为指标分析气候变化对其水文水资源的影响.

1.3　研究方法

1.3.1Mann-Kendall秩相关分析法

年径流量的变化趋势和突变点采用Mann-Kendall秩相关分析法进行统计分析.该方法是一种非参数统计检验方法，其核心是通过统计学方法检验时间序列要素均值变化的确切时间来确定跃变变化的确切时间.

Mann-Kendall法的分析原理[7]：给定信度值α，Xt(t=1,2,…)为一时间序列,先确定其序列的对偶值(Xi

1.3.2多元线性回归

影响流域径流量变化的主要气象要素是降水和气温[7]，根据黑河干流上游莺落峡水文站历年径流量资料，祁连山及野牛沟气象站历年5—9月的平均温度和年总降水量的平均值，采用多元线性回归分析方法来建立地表径流量与气温及降水的多元线性回归方程，模拟并分析不同时期气候变化对黑河上游地表径流量变化的影响，公式如下：

R=b0+b1P+b2T.

(1)

式中：R为年径流总量；b0为待定常数；b1、b2为待定系数；P为年降水量；T为年平均温度.

2结果与分析

2.1　气候变化特征分析

2.1.1温度变化分析

1959—2008年祁连山区平均气温整体呈上升趋势，年平均温度线性拟合增长率为0.281 ℃/10 a，高于全国的升温速率(0.208 ℃/10 a)[8]，其中历年5—9月平均温度线性拟合增长率为0.241 ℃/10 a，如图1所示.由图可知：1959—1980年，5—9月平均温度线性拟合增长率为-0.05 ℃/10 a，温度基本保持平稳，略有下降；1981—2008年，5—9月平均温度线性拟合增长率为0.568 ℃/10 a，呈快速增长的态势.

图1　 1959—2008年黑河干流河源区

由图1分析表明：祁连山黑河干流河源区主要融雪季节气温在1980年发生突变，即1959—1980年为稳定期，1981—2008为快速增温期.20世纪60年代5—9月年平均气温为8.17 ℃；20世纪70年代5—9月年平均气温为8.15 ℃，略低于20世纪60年代平均水平；20世纪80年代的年平均气温为8.10 ℃，总体比20世纪70年代平均气温降低了0.05 ℃；20世纪90年代的平均气温为8.76 ℃，较20世纪80年代升高了0.66 ℃；21世纪前8 a的年平均气温为9.16 ℃，比20世纪90年代升高了0.40 ℃.

2.1.2降水量变化分析

1959—2008年黑河干流河源区年降水量变化明显，多年平均降水量为365.22 mm，年降水量波动大.1959—1979年降水量偏少,各年降水量基本低于平均值，年平均降水量只有299.3 mm，1980—2008年降水量波动式地有所增加，各年降水量基本高于平均值，年平均降水量达到412.96 mm，如图2所示.分析图2可知：1980年以前年降水量偏少，且振幅较小；1980年以后降水量有增多趋势,且振幅较大.

图2　 1959—2008年黑河干流河源区降水量的年际变化

2.1.3气候变化的特征分析

根据降水及气温的年际变化情况，黑河干流河源区1980年之前，降水及气温的年际变化相对较小，属于气候变化的相对稳定期；1980—2008年，降水及气温的年际变化幅度增大，总体呈增加态势，属于气候变化的剧烈期.整个研究期内，黑河干流河源区气候变化的特征表现为由暖干向热湿转型.

2.2　气候变化对地表径流的影响

根据已往相关研究结论，河流的水文特征主要受气候因素的影响，其中降水和气温是影响流域径流量变化的主要因子[9-10].黑河干流河源区分布有大小冰川428条，年补给河流的冰川融水量约3.65亿m3，占流域地表径流量37.28亿 m3的9.8%[11].因此，黑河流域地表径流量受气候变化影响的同时，也受河流源头冰川融水的影响，冰川消融和积累的时间主要发生在每年的5—9月.

根据黑河干流莺落峡水文站地表径流数据，采用Mann-Kendall分析方法，发现从1980—2008年，黑河干流年地表径流量波动性较大，突变点较多，如图3所示.分析其原因可能是由于这段时期黑河干流河源区年地表径流受气候变化的影响较大，这一时期正处于气候变化的剧烈动荡期的缘故.

图3　 黑河干流出山口历年径流量

通过建立1985—2000年黑河干流上游莺落峡径流量与黑河干流上游河源区降水量及5—9月年平均温度二元线性回归方程，发现其相关性较好，相关系数为0.897，求得式(1)中的各系数：b0=1.129,b1=0.036 2,b2=0.032 3.建立的相关方程如下：

R=1.129+0.036 2P+0.032 3T.

(2)

式中：R为年地表径流量，108m3；P为年降水量，m3；T为每年5—9月平均气温，℃.

式(2)表明黑河干流上游年地表径流量与降水量及5—9月年平均气温成正比例关系，说明这一期间气温上升使冰川融水对地表径流的补给量大于由于地表蒸发对径流损失的量，间接说明黑河源头区冰川的融水是地表径流的重要来源之一.根据式(2)模拟黑河干流上游莺落峡水文站1959—2008年径流量变化，结果如图4所示.

图4　黑河干流出山口历年径流量实测值与模拟值

由图4可知：1959—1978年历年径流量的模拟值普遍低于实测值，1979—2004年模拟值与实测值吻合较好，2005—2007年模拟值低于实测值，2008年模拟值与实测值一致.模拟值与实测值的差异表明：1959—1978年黑河源区冰川融水对地表径流量补给相对较多，冰川处于强消融期，冰川的平均融水对地表径流量的补充相对于稳定期增加23.3%，其中1959年达到最大，为55.4%；1979—2004年为冰川消融相对稳定期，随着气候变化的加剧，2005—2007年冰川融水开始加速,冰川的平均消融对地表径流量的补充相对于稳定期增加12.5%,其中2007年达到最大值，为40.5%.

从气候变化特征来看，1959—1978年为暖干时期，1979—2004年为热湿时期，2005—2007年为相对热干时期.从冰川的融水与气候因子的关系来看，冰川的融水效应对降水量因子的敏感性强于气温，表明冰川的消融和降水存在明显的负相关,这一变化特征与祁连山区其他冰川的消融规律基本一致[12]，冰川的消融变化也与祁连山区其他冰川消融变化特点较为类似[13].1959—1978年,降水少，冰川处于强消融期；1979—2004年,温度上升，冰川消融加速，降水多，冰川积累也增多，这期间冰川的积累和消融处于相对稳定的消融期；2005—2007年，温度继续上升，降水的增幅相对较小，冰川又表现为强消融态势；2008年温度相对下降，降水增加，冰川积累与消融又回到相对稳定的消融状态.

3结语

1)50 a来，黑河干流河源区气候变化历经稳定期和动荡期.1959—1980年，黑河干流上游河源区气候变化相对稳定；1980—2008年，气候变化处于剧烈的动荡期，年降水量及主要融雪期间的气温呈明显的增加态势，气候变化的特征表现为由暖干向热湿转变.

2)50 a来，在气候变化条件下，黑河干流地表径流量总体呈增加态势，地表径流变化过程历经平稳期和动荡期.1959—1980年，黑河干流上游河源区气候变化相对平稳；从20世纪80年代中期以后至2008年，年地表径流量波动性增大，地表径流的变化特征与气候变化的特征相一致，说明这一时期，气候变化对径流的影响起主导作用.

3)根据气候变化特点及其对黑河干流地表径流变化的影响，说明冰川融水是黑河地表径流的重要补给源.50 a来黑河干流上游河源区冰川的融水历经强消融期、相对稳定的消融期及消融增强期.降水量的变化是影响冰川融水的关键因素，降水量减少，冰川融水加速；降水量增加，冰川的融水相对减少.因此，在气候变化条件下，黑河干流河源区年地表径流量呈总体增加的态势，这主要与降水量的增加有关外，还与冰川的融水作用有着直接的关系.

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Response of Runoff from the Mountainous Area of Heihe River to Climatic Changes

WANG Yuying1, LI Jiansong2, HAO Shilong3

(1.Water and Soil Conservation Scientific Experiment Station in Nanzhao County, Nanzhao 474650, China;

2.Supervision and Monitoring Station of Soil and Water Conservation in Nanyang City, Nanyang 473000, China;

3.School of Resources and Environment， North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:According to the observational datum of the meteorological and hydrological stations in the source area of Heihe River for 50 years, and with the methods of Mann-Kendall and multiple linear regression, this paper analyses the climate change and its impacts on the surface runoff during the recent 50 years. The results show: from 1959 to 2008, the climate in the source area of Heihe River changes obviously, which highlights that the temperature and precipitation increase; from the time region of variation, the climate change is stable before 1980, and it is drastic after 1980; the surface runoff is of a increasing trend, and its annual variation characteristics is more synchronized with the variation characteristics of climate, which reflects the climate change plays a leading role in influences on the surface runoff; especially after 1980, the climate change can result in the change of glacial ablation, which will have an important influence on the surface runoff; the melt water of glacier appears the change characteristics from the strong ablation period, and the stable ablation period to the strengthened ablation period, and the change of glacial ablation is sensitive to the change of rainfall.

Keywords:Heihe River; surface runoff from mountainous area; climate change; Mann-Kendall rank correlation analysis; multiple linear regression

(责任编辑：乔翠平)