清源河小流域气候与水资源变化相关性研究

(甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000)

1 气候变化

1.1 气温变化及特征

清源河是渭河流域的源头河，受地形的影响小流域平均海拔高气温低降水量大。清源河小流域地处渭源县城以上，气温变化采用渭源县气象站的观测资料代表小流域的平均气温进行分析研究。选取渭源气象站的1981-2017年37年气温长期观测资料，应用算术平均法求得流域平均气温序列并绘制各站气温变化年过程图。从气温变化年过程图中可以看出，渭源站具有0.299℃/10a的正倾向率，即37 a间气温升高了1.136 2℃，清源河小流域气温呈现出波动性上升，周期性变化的规律，见图1。

图1 清源河小流域气温变化及年降水波幅变化过程图

按照全流域的统一气温系列1981-2017年分析，37 a间气温平均升高了1.136 2℃，以0.029 9℃/a的速度增加。与小流域实测径流系列相对应的1991-2017年的27年间气温平均升高了1.366 4℃，以0.048 8℃/a的速度增加，比前10 a的增速快，表明上世纪80年代的平均气温不但没有升高且有降低的过程。同时，年平均升温幅度占到多年平均气温的0.808%。

图2 清源河小流域降水及月流量FDC曲线图

1.2 降水变化及特征

对清源河小流域1981-2017年的年降水系列分析，总体上是存在逐年减小但无周期性变化的负倾向趋势性。37 a间降水平均减少了88.34 mm，以2.155 mm/a的速度减少。这种年平均减少的量只占到多年平均降水量的0.48%，与气温的变化相比要小的多。采用降水的相临年之间的差值建立降水波幅变化系列，分析降水变化的周期性，即：

⊿pi=Pi+1-Pi

式中：Pi代表i年的流域平均降水量，⊿pi代表i年与次年降水波幅。从⊿pi系列变化分析(见图1)，没有明显的多年变化周期，其倾向率为0，由此可以判定降水的变化过程不存在周期性规律，趋势性变化成为主导过程。

采用延时分布频率分析不同时期逐月降水的分布，从图2中可以看出，1981-2000年与2001-2017年相比，前20 a月降水量的总体分布频率要大于后17 a的月降水量分布频率，但是小于3%频率的月降水量后17 a大于前20 a且差值较大，也就表明了后17 a的月降水波动性变大。从三个不同年代看，1981-1992年比均值大5.45%，1993-2005年比均值小3.41%，是降水低值时期，2006-2017年比均值小2.55%，降水量有所回升，见表1。

1.3 气温与降水变化趋势性特征

根据上述对气候要素的主要指标降水与气温变化分析，可以认为全球气候变化也引起渭河流域清源河小流域局部气候的趋势性变化。变化的结果是小流域的局部气温也随着全球气温的升高而升高，并且气温的升幅大于全球平均升幅。降水变化趋势与我国北方整体变化趋势相反，形成了趋势的负倾向变化，但降水的变化幅度要小于气温的变化幅度，倾向率约近气温倾向率的一半。

2 水资源变化

采用渭源水文站1981-2017年实测年平均流量分析，清源河多年平均流量为0.68 m3/s，1981-1992年的12 a间多年平均流量为0.85 m3/s，比平均值增多0.18 m3/s，相对多出25.1%；1993-2005年的13 a间多年平均流量为0.58 m3/s，比平均值减少0.10 m3/s，相对减少了15.2%；2006-2017年的12年间多年平均流量为0.60 m3/s，比平均值减少0.08 m3/s，相对减少了12.3%有所回升，见表1。

表1 清源河流域水资源不同年代变化程度统计表

三个阶段的径流变化与降水变化有相似性。多年径流的变化趋势呈现出显著的负倾向变化，倾向率为-0.014 2 m3/s·a,年均差占均值的2.08%。径流的趋势倾向率和年均差占均值的比例约达到了降水的5.92倍，没有形成线型变化关系而是几何变化关系。见图2。

从1981-2000年和2001-2017年两个不同阶段的月流量延时分布频率看(见图2)，前20 a的月流量分布要明显地大于后17 a的月流量分布，月流量后17 a要比前20 a平均值小的多。绘制多年的逐月年流量分配过程曲线(见图3)。从图3中可以看出，清源河小流域的径流年内变化比较复杂，最大流量分别在6-10月都会出现，其中8月份出现最大流量的次数较少，与我国北方河流的一般特征不相符。

图3 清源河流量年内逐月变化过程图

3 径流系数变化

分析清源河小流域年降水径流系数变化采用了时段内流域降水量与同时段内地表径流量比的方法，不考虑地下水汇流与降水延时径流量。即：

式中：r代表径流系数； R代表计算时段内径深,mm；P代表计算时段内的降水量,mm。

对年降水径流系数进行趋势分析可以看出，径流系数变化与径流的变化比较接近，总体上仍是负倾向变化，变幅小于径流的变幅，远大于降水的变幅，见表1。

年径流系数的趋势倾向率为-0.004 7，约是降水倾向率的2倍。从汛期的6-9月的多年变化过程看，月径流系数变化较大，倾向率最大的是汛末的9月份为-0.014 1,其次是汛初的6月份为-0.005 2，第三是7月份为-0.004 1，最小的是8月份为-0.002 4与降水的倾向率相同，分别计算出逐年降水与径流的积分，再求出对应年份的积分差，绘制积分差过程线(见图5)。从图5中可以看出前20年积分差是近似线型变化，表明前20 a的降水与径流的相关性较强；后17 a积分差产生了非线型变化，表明后17 a的降水与径流的相关性变弱，前后不同时期的变化不同步，各自的趋势性产生分化。

图4 清源河年降水、流量变化过程线

图5 清源河降水径流积分差曲线

4 降水径流相关性分析

4.1 年降水径流关系分析

清源河小流域的年降水与径流的相关性较好且成指数函数关系，相关系数达到0.85。汛期5-9月的降水与径流的相关性也较好，相关系数达到0.82，见图6。

图6 清源河小流域汛期及年降水与径流关系图

非汛期的降水与径流的相关性相对较差，除5月份的降水径流相关关系为0.68, 10月份的降水径流相关关系为0.62外，其余各月的相关性均较差，见图7。

图7 清源河小流域非汛期降水与径流关系图

从上世纪80年代降水与径流关系看，径流随着降水的变化比较平缓，接近于线性变化关系。之后的变化关系成为不同的规律，径流随着降水的减少形成快速减小的态势，变化关系也呈现出指数函数关系，见图8。

可以看出降水径流关系随着时期的不同存在逐步系统性变化，表明了相同降水条件下不同时期所产生的径流量在减少。

4.2 次降水径流关系分析

渭源水文站是渭河上游设立的小河站，其主要目的就是研究降水径流的关系，渭源水文站于1981年设站观测，每年整编2～3场次较大的暴雨径流成果，根据1981-2017年整编成果资料，选取渭源水文站50场次资料，点绘次降水径流关系曲线，见图9。可以看出，渭源站次降水径流关系较好，相关系数达0.859。

渭源站次降水径流关系表达式为：

R=0.294 8×P-5.142 5

图8 清源河小流域前20 a与37 a降水与径流关系对比

图9 清源河渭源水文站次降水径流关系曲线图

5 结语

清源河小流域37 a系列资料研究表明，气温呈现出波动性上升，周期性变化的规律。降水变化趋势与我国北方整体变化趋势相反，形成了趋势的负倾向变化，但降水的变化幅度要小于气温的变化幅度，倾向率约近气温倾向率的一半。从降水与径流关系看，径流随着降水的变化比较平缓，接近于线性变化关系，之后的变化关系成为不同的规律，径流随着降水的减少形成快速减小的态势。从逐年降水径流系数的变化过程来看也是持续性的趋势性变化，年降水系列变化的趋势性与径流系列变化的趋势相比，径流系列变化要大的多，存在着不同时期降水径流关系的显著的规律性变化，而径流年内变化比较复杂，最大流量分别在6-10月出现。