内蒙古典型草原区流域在不同时间尺度下的径流深动态变化——以锡林河流域为例

薛 浩， 于瑞宏,2†， 张艳霞， 多 兰， 胡海珠,2， 郝艳玲， 吕喜玺

(1.内蒙古大学生态与环境学院，内蒙古自治区河流与湖泊生态重点实验室，010021，呼和浩特；2.蒙古高原生态学与资源利用教育部重点实验室，010021，呼和浩特)

流域径流是水文循环过程中的重要组成部分，径流过程分析对实现水资源合理优化配置及可持续利用具有重要作用；因此，及时、准确地掌握全球气候变化背景下径流变化特征具有重要意义[1]。Vassilev等[2]研究了保加利亚气候变化对径流的影响，通过研究发现该地区持续的干旱和水资源紧缺的加剧与气候变化息息相关。Labat等[3]通过研究得到全球年度温度与径流间存在一致的相关性，以此来证明全球变暖与全球水文循环加剧之间的联系。Pelto等[4]通过研究表明北瀑布冰川对气候的响应具有广泛的区域连续性，冰川的不平衡状态与当前气候变暖的趋势相关，得出河流流量变化为冬季河流流量增加，春季径流量略有下降，夏季径流量下降27%。

近年来，中国学者在部分典型大流域开展了径流变化特征和变化趋势研究[5-6]。曹建延等[7]利用Mann-Kendall趋势检验法对长江源区1956—2000年径流量的变化进行了分析，得出长江源区年径流量呈微弱减小趋势；沈楠等[8]采用距平分析、滑动平均分析和Mann-Kendall趋势检验等方法分析了黄河流域三门峡站近500年的径流演变特征，其中三门峡径流量随时间变化整体上呈现微弱的下降趋势；孙鹏等[9]利用非参数Mann-Kendall趋势检验和小波转换等方法系统分析了淮河流域不同时空变化下的径流过程变化特征，认为1956—2015年径流量整体呈震荡下降趋势；Wang等[10]通过非参数Mann-Kendall趋势检验和累积曲线法等方法，得出塔里木河干流径流量在人类活动和气候变化影响下呈下降趋势;焦玮等[11]采用累积距平法对锡林河近50年径流年际变化序列进行分析，结果表明人类活动是影响锡林河流域径流变化的主要驱动因素；杨立哲等[12]分析了锡林河流域近50年的径流资料，得出年径流量有微弱的降低趋势。不难看出，已有研究大多集中于大型流域及湿润区，而对干旱草原区流域的径流变化研究较少，尤其缺少不同时间尺度下径流变化规律的系统研究，急需深入探讨。

锡林河流域地处干旱、半干旱草原区的内陆河流域，锡林河则为季节性河流，河网密度小，弯曲系数大，下游河床不明显，极易成为无尾河而消失在干湖、洼地或沙地中，产流机制复杂，相关研究尚不足[12]。在这种背景下，深入开展锡林河流域不同时间尺度径流变化特征研究，对于区域水资源合理开发利用与管理规划以及草地生态系统的可持续发展均具有重要的应用价值和指导意义。

1 研究区域与数据来源

锡林河流域位于内蒙古自治区锡林郭勒盟东南部，地处E115°00′～117°30′，N43°26′～44°39′之间(图1)，流域面积为1万542 km2，平均海拔为988.5 m，相对高程差约为600 m。锡林河起源于赤峰市克什克腾旗宝尔图西南山顶，是内蒙古典型的草原型内陆河[13]，全长268.1 km，河道平均比降1.25%，现今自锡林浩特水库以下近124.7 km的河流已断流。锡林河流域气候类型为温带半干旱大陆性季风气候，具有降水量少、蒸发量多、日温差大等气候特征。根据1968—2015年锡林浩特气象站气象资料[14-15]统计，多年平均降水量278.9 mm，多年平均蒸发量1 862.9 mm (20 cm蒸发皿)，多年平均气温2.8 ℃，多年平均风速为3.4 m/s。

笔者所用1968—2015年共48年的实测流量数据均来源于锡林浩特水文站，其为锡林河流域唯一的水文站，该站位于内蒙古自治区锡林浩特市南9 km的锡林河干流上，控制流域面积3 852 km2，占锡林河流域总面积的36.5%。

图1 锡林河流域研究区地理位置Fig.1 Geographical location of the Xilin River Basin study area

2 研究方法

Mann-Kendall检验法是由世界气象组织推荐，Mann和Kendall最早提出[16-17]，广泛运用于趋势检验中。在Mann-Kendall检验中，原假设H0为时间序列数据x1,x2,x3,…,xn是n个随机且独立分布的样本；备择假设H1是双边检验，对于所有的k,j≤n，且k≠j，xk和xj的分布是不相同的，检验的统计变量S计算如下：

(1)

其中

(2)

S为正态分布，其均值为0。

方差

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。

(3)

当n>10时，标准的正态统计变量通过下式计算：

(4)

式中：Z为正态分布的统计量，Var(S)为方差。在给定的置信水平上，如果|Z|≥Z1-α/2，则拒绝原假设，即时间序列数据存在明显的上升或者下降趋势。其变化趋势的大小用β表示，计算如下：

(5)

式中：1

由标准正态分布表中查得Z1-α/2的值，当显著水平为0.05时，Z1-α/2值为1.96。当显著性水平分别设定为0.01、0.05和0.10时，对应的统计量临界检验值分别为±2.58、±1.96和±1.65。

3 结果与分析

3.1 径流的动态变化趋势

根据1968—2015年锡林河水文站的实测年径流量资料，对48年来径流年代际变化、年际变化、年内变化、年次变化及趋势进行分析。

3.1.1 径流深年代际变化特征与趋势 锡林河流域1968—2015年平均径流深的年代际变化如图2所示。由图2可以看出：自20世纪80年代以来，径流深波动较大，80年代后期和90年代初期呈增加趋势；90年代高于多年平均值；20世纪末至21世纪初呈现极显著减少趋势。

表1给出锡林河流域不同年代径流深变化特征，多年平均径流深为4.193 mm，最大年径流深10.249 mm(1993年)，最小年径流深1.678 mm(2006年)，径流深极值比为6.11。20世纪90年代平均径流深最大，为6.128 mm，高出多年平均径流深(4.193 mm)46.1%，且变幅较大；其余年代都表现为减少趋势，尤其21世纪以来径流深最小，为2.601 mm，低于多年平均径流深38%。

图2 锡林河流域1968—2015年径流深年代分布Fig.2 Decade distribution of runoff depth in the Xilin River Basin during 1968-2015

表1 1968—2015年锡林河流域不同年代径流深变化特征Tab.1 Variation characteristics of runoff in Xilin River Basin during 1968-2015

3.1.2 径流年际变化特征 锡林河流域1968—2015年实测径流深变化过程如图3所示。由图可知，21世纪之前，锡林河流域径流深呈现出不规则的周期性波动，其后呈现阶段性变化。由线性回归拟合结果可知，自1968年以来，锡林河流域径流深以0.050 9 mm/a的速率下降。Mann-Kendall趋势检验结果表明，锡林河流域1968—2015年径流深的统计量通过P<0.01的显著性检验，随着时间推移，锡林河流域年径流深呈显著下降趋势。

图3 锡林河流域1968—2015年径流深变化趋势Fig.3 Annual variation trend of runoff depth in Xilin River Basin during 1968-2015

3.1.3 径流深四季变化特征与趋势 锡林河流域属于典型的冰雪融水和降水混合补给型河流，径流深大小与季节紧密相关。冬天及初春为冰冻期及枯水期，径流深为零，本文不进行研究。随着气温上升，冻土解冻，冰雪融化，融雪下渗补给径流，四月通常出现第1次峰值，春季径流深占全年总径流深的53.25%；由于夏季降水补给，出现第2个峰值，夏季径流深占全年径流深的32.39%；秋末冬初再次进入枯水期。各季节径流深变化趋势如图4所示，各季节平均径流Mann-Kendall特征值见表2。

图4 锡林河流域春、夏、秋季径流深的变化趋势Fig.4 Runoff depth trend of spring, summer, and autumn in the Xilin River Basin

从图4和表2可以看出：锡林河流域1968—2015年各季节径流深总体上呈现显著下降趋势，其中，秋季变化率最大，下降速率为0.024 5 mm/a，且趋势统计量>2.58，说明秋季径流深通过了P<0.01的显著性检验，表现为极显著下降趋势，且2005年后秋季径流深几乎为零。春季和夏季径流深均呈减少趋势，但趋势不显著。从变差系数来看，秋季变差系数最大，达到0.99，夏季次之，为0.85，春季为0.42，与全年变差系数相近。1987年春季及1974年夏季径流深均达到峰值，超过4.49 mm，与历史记载中两次特大洪水时间节点吻合。

3.1.4 径流深年内变化特征与趋势 锡林河流域1968—2015年不同年代年内径流深分布如图5所示，结果表明，年内径流深分布不均匀，变化趋势呈现为“双峰型”，分别在4月和8月出现峰值，且径流深分别占全年总径流深的35.9%和11.7%。年内径流的主要补给方式为融雪补给和降水补给，其中融雪水是4月份春汛波峰形成的主要原因。

表2 1968—2015年锡林河流域四季平均径流Mann-Kendall特征值及趋势变化结果Tab.2 Mann-Kendall characteristic values and trend changes of seasonal mean runoff depth in Xilin River Basin during 1968-2015

4月气温升高，地表积雪大量融化，而土壤层仍然冻结，但不透水层的存在阻止了融雪水的渗透，加之草地植被还未返青，覆盖度低，蒸散发量小，导致大量融雪水和融冰水汇入河流，形成春汛。进入5月，温度继续上升，积雪和浮冰已经全部融化，随着草地植被等返青，下垫面蒸散发量相应增加，径流深逐步下滑趋势，直到6月降至低谷。7月降水成为径流的主要补给方式，随着降水量增加，径流深也呈现增加趋势，直到8月份径流深出现第2次波峰，但峰值远小于春汛，原因在于，尽管夏汛期降水(6—9月)达到全年降水量的76%，但植被生长旺盛，下垫面的蒸散发作用消耗了很大一部分水量。9月径流减少，10月中旬之后流域进入冰封期，12月河流冻结，直到次年3月底解冻。

图5 锡林河流域1968—2015年径流深年内分配特征Fig.5 Inter-annual distribution characteristics of runoff depth in the Xilin River Basin during 1968-2015

此外，本研究划分的5个年代月径流深最大值均出现在4月春汛期，5—6月均呈下降趋势。然而，第2次峰值出现的时间有所差异，20世纪70年代和21世纪初出现在8月；20世纪80年代出现在9月；90年代出现在7月；2010—2015年未出现第二次峰值。究其原因，20世纪80年代夏汛推后可能与降水较少有关；90年代降水充沛，加之水利工程[21]修建和过度放牧，造成下垫面改变，从而削弱了雨水的拦蓄作用，使雨水直接进入河道，导致夏汛提前；进入21世纪以来人类活动以及气候变化的双重作用直接导致径流严重减小并且打破径流分配规律。

从图6来看，1968—2015年期间径流深峰值分布较为分散，主要集中在4月、7月、8月，也有少数年份集中在5、6、9月，其中，径流量峰值出现在4月的有27年，充分体现春汛对于锡林河径流深影响的重要性。

图6 1968—2015年锡林河流域径流深年次变化特征Fig.6 Annual variation characteristics of runoff depth in Xilin River Basin during 1968-2015

3.2 径流深的突变检验

本研究采用气象组织推荐的Mann-Kendall非参数检验对研究区径流深进行突变检验[16-17]识别突变临界年份。对锡林河流域1968—2015年径流深用Mann-Kendall检验方法进行突变检验，结果如图7所示。

图7 锡林河流域1968—2015年径流深Mann-Kendall突变检验Fig.7 Mann-Kendall abrupt change test of runoff depth in Xilin River Basin during 1968-2015

由图7可知，1968—1985年径流深呈减少趋势，20世纪90年代出现一定程度的增加，从2001年开始又出现明显的减少趋势，且超过0.05显著性水平(U0.05=-1.96)，甚至超过0.01显著性水平(U0.01=-2.58)，表明锡林河流域径流深减少趋势极其显著。根据UF和UB二曲线交点的位置，初步确定了在1984、1985、2000年锡林河流域径流深发生突变，但根据径流深累积曲线[18](图8)进一步检验结果，锡林河流域径流深在1984年和2000年发生突变，1985年非径流突变点，这与宋小园[19]和焦玮等[11,20]所得结果基本一致。

图8 锡林河流域1968—2015年径流深累计曲线图Fig.8 Cumulative curve of runoff depth in Xilin River Basin during 1968-2015

综上所述，本研究将径流变化过程分为3个阶段：1968—1984年、1985—2000年和2001—2015年。其中：1968—1984年为近似天然径流阶段，人类活动对锡林河流域的干预较少，其径流量主要受降水等自然条件的影响；1985—2000年、2001—2015年为气候变化和人类活动双重作用影响变强阶段，降水对其造成影响，人类活动通过导致的下垫面变化也造成了间接影响，尤其进入21世纪径流变化趋势显著，该结果与Mann-Kendall检验UF-UB统计结果一致。

3.3 径流变化的驱动因子

3.3.1 气候变化因子 为进一步分析各气象因子与径流深的密切程度，以及各气象因子间的相关关系，对锡林河流域各气象因子和径流深进行Pearson相关分析，结果如表3所示。

由表3可得出：径流深与潜在蒸发呈现显著相关(0.01)，相关系数分别为0.488，潜在蒸发量的蒸发直接导致径流深的减少；降水与径流深[21]呈现显著相关关系，降水对径流夏季波峰的直接影响较大，从而年均降水和径流深呈现出显著水平为0.01的相关性；温度对径流的直接影响较小，但年均温度与蒸发量相关系数大，呈显著相关，温度通过对潜在蒸发的直接影响从而间接影响径流深。

表3 气候因子与径流深的Pearson相关性分析Tab.3 Pearson correlation analysis of climate factors and runoff

注：**表示P<0.01. Notes: ** indicatesP<0.01.

3.3.2 人类活动因子 人类活动是影响锡林河径流量减少的主要原因，其主要包括人口数量、载畜量、人均生产总值以及第一、二、三产业等指标。

人口是指示人类活动强度的基础变量，与耕地面积、生活用水量及工农业用水量等多项指标息息相关，是间接体现人类活动对径流影响的重要指标。锡林郭勒盟人口呈持续上涨趋势，由1968年的54万人增加到2015年的103万人(图9)，人口的增加会引起耕地面积、生活用水量及工农业用水量的变化，从而对径流变化造成影响；自20世纪80年代中期开始，人口增长速度有所减缓，但2000年后又有所增加，这恰好与该时段内径流量先增加后减少的结论相吻合。

图10 1968—2015年锡林郭勒盟GDP变化Fig.10 GDP changes in Xilingol League during 1968-2015

图9 锡林郭勒盟1968—2015年人口数变化Fig.9 Population variation in Xilingol League during 1968-2015

自1985年以来，锡林郭勒盟实际载畜量呈增长的趋势，已经远大于正常载畜量水平，大幅度超过了流域内草地的承载能力[22]，草原生态环境被逐渐破坏。由于过度放牧和超载养畜等一系列人类活动造成了植被退化，导致下垫面类型改变，对雨水的拦蓄作用明显减弱，水土流失严重，在一定程度上影响径流规律，导致径流量增加[23-25]。尽管从2000年开始锡林郭勒盟实施了一系列如“退耕还林(草)”“天然林保护工程”等生态保护措施，在一定程度上减轻了人类活动对锡林河流域径流量的影响，但2000年后经济指标迅猛增长，第二、三产业发展迅速(图10)，第一产业中农林牧业、第二产业中工业依然是主要发展方面，以煤炭为主导的工业发展带动了整个区域的经济发展。由于采矿业的快速发展，2000年后对煤炭、石油等矿产资源过度开采，2010年锡盟地区原煤产量已经超过1亿t，大量工矿企业以地下水为供水水源，地下水的不断开采导致了地下水位的下降，由此可见工农业发展对径流量带来显著的影响，特别是2001—2015年径流量明显减少。2000年以来农林牧业迅猛发展，2015年锡盟地区农林牧业总产值达到191亿元，农林牧业灌溉饮水强度加大使得锡林河流域径流量明显下降。

3.4 国内外河流径流量趋势变化分析对比

为了进一步阐明草原型河流径流量变化特征，笔者将国内外河流径流量时空变化进行比对(表4)，以期阐明草原型河流与大型河流及湿润区河流的差异性。由表4可知：在近40年时间尺度内，河流的年均径流都呈现不同的下降趋势，锡林河相对于国内外大型河流及湿润区河流径流量变化幅度较大，且呈显著下降趋势；锡林河年均径流远小于大型河流及湿润区河流，其径流量大小与季节紧密相关，大型河流及湿润区河流年内径流量峰值大都出现在8月，而锡林河流域年内径流量出现4月和8月2个峰值，可见春汛对于草原型河流径流量影响的重要性。

表4 国内外河流径流量趋势变化对比Tab.4 Comparison of trends in domestic and foreign river runoff

注：“—”为在参考文献中未出现所需数据。Notes: “—” refers to the data not available in the references.

4 结论

1)锡林河流域20世纪90年代，平均径流深最大，且变幅较大；其余年代都表现为减少趋势，尤其21世纪以来径流深最少；1968—2015年间锡林河流域年际径流深变化呈显著下降趋势，21世纪以来变化极为明显；锡林河流域1968—2015年各季节径流深总体上呈现显著下降趋势；锡林河流域径流深年内分布呈现“双峰型”，4月份和8月份为2个峰值，两个波峰径流补给分别为春季的融雪补给和降水的补给。

2)基于突变分析及径流累积曲线，锡林河流域径流深在1984年和2000年发生突变，将1968—1984年划分为基准期，1985—2000年和2001—2015年划分为突变期。1985—2000年间径流呈增加趋势，与基准期相比，径流深增加22.84%；2001—2015年间径流呈显著减少趋势，与基准期相比，径流减少42.89%。

3)锡林河流域径流量减少的主要因素为人类活动，其中人口增加、工业以及畜牧业发展等社会经济因素共同影响锡林河流域的径流。

5 展望

系列生态保护措施的开展可减轻人类活动对流域径流的影响，主要包括：1)开展以人工饲草料地为主要内容的牧区水利建设，结合舍饲、半舍饲等措施，对天然草场实行围封轮牧、休牧和禁牧，不仅可为草原生态的自我修复提供基本条件，起到“建设小绿洲，保护大生态”的作用，而且还能有效提高草地生产力，增加牧民收入，促进牧区经济发展；2)水资源的合理配置必须依照各流域规划，严格执行总量控制，定额管理，以确保生态用水，避免造成新的流域生态问题；3)各流域管理单位和水行政管理单位要按照各自的管理权限进行科学管理、调度，从而建立水资源保障体系，维护草原生态安全。