三江源区径流演变规律分析

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(青海省水文水资源勘测局，西宁 810000)

三江源区径流演变规律分析

蔡宜晴，李其江，刘希胜，唐洪波，李燕

(青海省水文水资源勘测局，西宁 810000)

通过线性回归、滑动平均、Mann-Kendall检验、累积距平、滑动t检验和Morlet小波分析等方法分析了三江源区1956—2012年的年径流量演变规律。结果表明： 57 a来直门达、吉迈和香达站的年径流量呈上升趋势，唐乃亥站的年径流量呈下降趋势，直门达站的年径流量通过显著性检验；直门达和吉迈站均在2004年发生显著性均值突变，其余站点突变不显著；三江源区年径流量均存在6～8 a和23 a左右的主周期，以23 a左右时间尺度上的信号最强，周期相位变化均存在3个偏多期和2个偏少期。研究结果可为我国中下游的水资源保护与管理提供参考依据。

三江源区；径流演变；Mann-Kendall检验；Morlet小波分析；累积距平；滑动t检验

1 研究背景

近年来，全球气温不断升高，雪山与冰川的面积逐年减少影响着高原河流、湿地和湖泊的水源补给，生态环境已变得十分脆弱。三江源区人口增加和人类无限度的生产经营开发活动，加速了该地区生态环境恶化的程度。变化环境下的径流变化已成为各国可持续发展的主要问题[1-3]。径流变化影响流域内供水状况，改变生态环境和社会经济的发展。因此，研究三江源区水文要素的演变规律是十分必要的，并对中国区域经济结构的调整、资源的合理利用和生态建设具有重要的现实意义[4-5]。

三江源地区位于我国西部青海省的南部，是我国长江、黄河和澜沧江三大重要水系的源头。20世纪70年代以来，作为全球气候变化敏感带的三江源区相继出现了如下现象：冰川、雪线退缩，湖泊、湿地面积缩小甚至干涸，沼泽湿地消失，泥炭地大量裸露，沼泽湿地当中的中度湿润下的草甸植被向中旱生高原植被演化，水源的涵养能力急剧衰减。这些现象导致中下游地区旱涝等灾害频繁发生，社会经济发展受到严重限制。因此，对三江源地区径流量的演变规律进行深入分析研究是非常必要的。刘光生等[6]利用R/S分析法发现气温对三江源区径流变化的影响大于降水变化的影响，起主导作用；张永勇等[7]发现气候变化对长江源区的变化最为明显，黄河源区其次；吕爱锋等[8]发现三江源地区融雪径流时间与年径流量存在一定的正相关关系；王素慧等[9]利用Morlet小波等方法研究发现直门达、香达站在8～9 a的时间尺度下，径流的变化趋势相似。目前，系统地分析三江源地区年径流量的演变规律并揭示区域的整体特征和差异仍有待加强。本文使用了线性回归、5 a滑动平均法、Mann-Kendall参数检验、累积距平、滑动t联合检验和Morlet小波分析等统计方法研究三江源地区径流量的演变特征。径流时间序列的趋势变化和变异分析对三江源地区生态环境保护有重要现实意义，可为我国中下游水资源管理提供参考。

2 流域概况

三江源地区地理位置为31°39′N—36°12′N， 89°45′E—102°23′E，总面积36.3万km2，约占青海省总面积的一半。行政范围包括格尔木市的唐古拉乡和果洛、黄南、海南、玉树4个藏族自治州的16个县。三江源区水系分布情况如图1。

图1 三江源水系与水文站点分布Fig.1 River regime and hydrologic stations in the source region of Three Rivers

3 资料来源与研究方法

3.1 资料来源

本研究采用的原始数据为三江源区内4个水文站点1956—2012年实测逐月径流数据，如表1所示。对缺测数据进行插补延长。实测流量资料源于青海省水文局。

表1 三江源区水文站基本状况Table 1 Basic situation of hydrologic stations in the source region of Three Rivers

3.2 研究方法

3.2.1 趋势分析

线性回归法能够简单地判断时间序列的增减情况，并通过斜率指标来判断序列趋势的变化率。

滑动平均法[10]可以有效消除水文时间序列异常点波动的影响，直观地展现水文气象要素整体变化的趋势。因此，采用5 a滑动平均法对径流量进行趋势分析。

Mann-Kendall 非参数检验法[11-12]是由世界气象组织(WMO)推荐的分析趋势的方法，该法不受某些异常点的干扰,适用于水文气象序列服从非正态分布并且得到广泛应用，相关计算公式参见文献[11]。

3.2.2 突变分析

累积距平法是判断变化趋势的一种较常用的方法。对于水文样本序列x1,…,xn，在序列的某一时刻t的累积距平值表示为

(1)

点绘出St-t曲线，可进行初步变点分析。再应用滑动t检验法[13-14]检验变点前后2组样本平均值是否存在显著变化。

3.2.3 周期分析

小波变换同时具有频域和时域上局部化的优点。水文气象序列时域的变换具有多尺度等性质。小波分析能够检测水文气象要素时间序列在不同层次下的变化尺度[15]。

4 结果与分析

4.1 径流的年际与年代际变化特征

三江源区年径流量有显著的年际变化、年代际变化特征。

由表2可知:

(1) 三江源区中黄河源区多年平均径流量最大，为202.02亿m3，长江源区次之为129.17亿m3，澜沧江源最小为44.29亿m3；年径流量极值比，长江源和黄河源一致，均为3.1，而澜沧江略小，为2.3。

(2) 三江源区年径流年际变化程度不一，长江源最大，达0.28；黄河源次之，为0.26；澜沧江最小，为0.19。长江源20世纪初年际波动较大，变差系数为0.29；而20世纪以前的年际变化较平缓，变差系数为0.20～0.25。黄河源在20世纪初年际波动较大，变差系数为0.3；而20世纪以前的年际变化较平缓，变差系数为0.20～0.25。澜沧江源20世纪50年代以来年际变化较平缓，变差系数为0.17～0.23。

表2 1956—2012年三江源区年径流量的平均值、标准差和变差系数Table 2 Mean value,standard deviation and coefficient of variation of annual runoff in the source region of Three Rivers during 1956-2012

由图2可知：三江源区中西南部径流呈上升趋势，直门达和香达变化倾向率分别为6.69亿m3/(10 a)和1.1亿m3/(10 a)，其中长江源上升趋势显著(0.05的显著性水平);东北部黄河源呈弱下降趋势，变化倾向率为-1.65亿m3/(10 a)。

图2 三江源区1956—2012年径流量距平变化Fig.2 Variation of annual runoff anomalies in the source region of Three Rivers during 1956-2012

通过Mann-Kendall趋势检验获得各水文站点径流量的统计量Z值(表3)。95%的置信区间下，直门达、吉迈和香达3个站点的年径流量呈上升趋势，唐乃亥站的年径流量呈下降趋势，与采用线性回归法的结果一致。其中上升趋势最为明显的是直门达水文站，通过显著性水平检验。

表3 三江源区年径流量M-K统计量Z值Table 3 Statistical Z value of M-K test of runoff in the source regions of Three Rivers

4.2 径流的突变分析

通过三江源区各水文站的标准化序列的累积距平值极值确定初始变点。从图3可以看出，直门达标准化序列的累积距平最小的年份出现在2004年。因此，选取累积距平最小值2004年为初始变点。同理，选取唐乃亥站1989年和2008年、吉迈站1984和2004年、香达站1979年为初始变点。

图3 三江源区径流累积距平曲线Fig.3 Curves of cumulative anomaly of runoff in the source region of Three Rivers

再运用滑动t检验法对初步变点进行精确识别。分别在变异点前取n1年和后取n2年(n1=n2)，分别计算出变异点对应的t值；比较|t|与tα/2，若|t|>tα/2，说明存在显著差异，在该变异点发生均值突变。通过表4可知，直门达和吉迈站的年径流量在2004年均发生显著性均值突变，其余站点未发生显著的均值突变。

表4 三江源区各年径流量滑动t检验结果Table 4 Result of moving t test of annual runoff in the source region of Three Rivers

4.3 径流的周期分析

采用Morlet小波对近57 a来三江源区的径流量进行周期分析，得到各站点年径流序列小波变换系数的二维等值线图，如图4所示。

注：图中年径流值偏丰通过实线表示，其小波变换系数为正值；年径流值偏枯通过虚线表示，其小波变换系数为负值图4 三江源区径流的小波变换系数二维等值线图Fig.4 Two-dimensional isograms of wavelet transform coefficient of runoff in the source region of Three Rivers

由图4可知：

(1) 长江源区直门达站的年径流量存在8，16，23 a左右的主周期，8 a和23 a周期的相位变化最为明显。以8 a为中心尺度的周期主要在1956—1972年，丰枯交替剧烈。信号最强的是23 a左右时间尺度，存在3个偏丰期与2个偏枯期的周期相位变化，历经“丰—枯—丰—枯—丰”的交替变化；处于负相位的为1962—1974年和1991—2003年，年径流量处于偏枯期。处于正相位的为1956—1961年、1975—1990年和2004—2012年，年径流量处于偏丰期，且在2012年之后正相位的等值线没有全部闭合，可以推断2012年之后的年径流量仍然可能处于偏丰期。

(2) 黄河源区唐乃亥和吉迈站的年径流量均存在6～7，11～12，23 a左右的主周期，以6～7,23 a左右周期相位变化最为显著，以6～7 a为中心尺度的相位变化主要发生在1970—1997年左右，且丰枯变化十分剧烈。以23 a为中心尺度的相位变化经历了“丰—枯—丰—枯—丰”的交替变化。唐乃亥站1956—1963年、1977—1990年和2005—2012年处于正相位，而吉迈站1956—1960年、1972—1988年和2004—2012年处于正相位，年径流量为偏丰期，且2012年以后正相位的等值线未完全闭合，可以推断2012年之后年径流量可能仍处于偏丰期。

(3) 澜沧江源区香达站的年径流量均存在8,15,23 a左右的主周期，8 a和23 a左右周期的相位变化最为明显，在1962—1977年左右主要发生8 a为中心尺度的相位变化，且丰枯变化十分剧烈。以23 a为中心尺度的相位变化经历了“丰—枯—丰—枯—丰”的交替变化。处于负相位为1962—1974年和1991—2003年，年径流量为偏枯期。处于正相位为1956—1961年,1975—1990年和2004—2012年，年径流量处于偏丰期，且2012年之后的正相位的二维等值线并未全部封闭，可推断2012年之后径流量仍可能是偏丰期。

总体上看，三江源区各水文站都主要是23 a左右的周期，且2012年以后都可能是偏丰期。

5 结 论

本文分析了三江源区直门达、唐乃亥、吉迈和香达站的变化趋势、突变及周期，总结了三江源区近57 a来年径流量的演变规律，主要结论如下：

(1) 通过线性回归和5 a滑动平均法分析得到的三江源区直门达、吉迈和香达站的年径流量呈上升趋势，唐乃亥的年径流量呈下降趋势。且4个水文站点径流的年际变化在20世纪初波动最大。

(2) 在95%的置信水平下， M-K检验法与采用线性回归法得到的结果一致，仅长江源区直门达站呈显著上升趋势，其余站点变化趋势在不同时期都不显著。

(3) 通过累积距平联合滑动t检验发现长江源区的直门达和黄河源区的吉迈站的年径流量均在2004年发生显著性均值突变，其余站点未发生显著性突变。

(4)4个水文站点的年径流量均存在6～8,23 a左右的主周期，均以23 a左右周期相位变化最为明显，以6～8 a为中心尺度的相位丰枯变化十分剧烈。信号最强的时间尺度是23 a，分别存在3个偏丰期和2个偏枯期的周期相位变化，历经“丰—枯—丰—枯—丰”的交替变化，不同时段的年径流共同存在着若干时间尺度，且较小的时间尺度镶嵌于较大的尺度下。

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(编辑：刘运飞)

Variation Characteristics of Runoff Time Series inthe Source Region of Three Rivers

CAI Yi-qing,LI Qi-jiang,LIU Xi-sheng，TANG Hong-bo，LI Yan

(Hydrology and Water Resources Bureau of Qinghai Province,Xining 810000,China)

The runoff time series during 1956-2012 in the source region of Three Rivers (the Yangtze River,the Yellow River,and the Lancang River) are analyzed by using linear regression,moving average,Mann-Kendall test,accumulative anomaly,movingttest and Morlet wavelet analysis method.Results indicate that: 1)during the past 57 years,the annual runoff at Zhimenda station,Jimai station and Xiangda station presented upward trend,among which the runoff trend at Zhimenda station was significant,whereas at Tangnaihai station the annual runoff presented a downward trend; 2) abrupt change occurred in 2004 at Zhimenda station and Jimai station rather than the other stations; 3)annual runoff in the source region of Three Rivers had main oscillation cycles in common of 6-8 years and 23 years,of which the interval of 23 years experienced the most significant fluctuation.There were three more-than-normal periods and two less-than-normal periods.The research results provide reference for the protection and management of water resources in the middle and lower reaches.

Source Region of Three Rivers; runoff variation; Mann-Kendall test; Morlet wavelet analysis; accumulative anomaly; movingttest

TV21

A

1001-5485(2017)10-0001-05

2016-10-27

国家自然科学基金项目(41375116)

蔡宜晴(1987-)，女，青海互助人，工程师，主要从事气候变化下的水文水资源研究，(电话)18697266767(电子信箱)412968464@qq.com。

10.11988/ckyyb.20161118 2017,34(10):1-5