近57a 长江黄河源区径流量变化异同特征分析

伍云华 ,秦宁生 ,彭晓滨

（1.青海省水文水资源测报中心,西宁 810008；2.中国气象局成都高原气象研究所,成都 610072；3.青海省互助县水利设施服务中心,互助 810500）

引言

近年来全球变暖问题备受关注，在全球气温急剧升高的背景下，冰川、积雪面积减小，从而影响河流、湖泊等的水体供给，严重影响生态平衡[1]。径流变化影响人类水资源利用率，与人类生活息息相关。因此，研究河流径流量的变化规律十分有必要，可以为水资源规划、水土维护以及水资源管理提供科学依据，并对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[2]。近年来，诸多专家学者针对我国不同区域的河流径流变化特征做了大量研究，发现不同区域河流径流量的变化趋势不同，径流量的影响因子也有差异。黑河流域近几十年是以0.2 ×108m3/10a 的变率减少，上游的极端降水、极端高温与径流量呈正相关，上游洪水对径流量的影响有1～2 年的滞后期[3]。柯新月和汪妮[4]研究了秦岭南北流域的径流量变化，指出两流域变化趋势在1980 年前后相反，总体呈下降趋势，人类活动对两河流域影响超过70%。严栋飞等[5]研究了汉中段近50a 径流变化，表明径流量呈减少趋势，突变年在1991 年，径流量变化周期在7a 左右。刘志斌等[6]研究了天山开都河源区径流，发现径流、降水、气温呈显著增加趋势，周期均在28 a 左右，夏季径流量主要受夏季升温影响，早春径流量与冬季降水呈正相关，相同气温变化下源区上游径流较下游径流变化更敏感。除了气温、降水、人类活动可以影响径流，土地利用率、城市群、植被覆盖率、下垫面变化均会影响径流量[7−12]。

长江、黄河是我国最为重要的两条天然河流，一直被称为“母亲河”，它们均发源于青藏高原腹地。近年来，针对长江源区及黄河源区的径流变化特征以及可能影响因素，已经有了一些研究[13−14]。然而，这些研究主要讨论了同一河流某个区间或多个区间的径流变化特征及影响因素，针对长江源与黄河源径流的异同特征分析还比较少。因此，本文拟利用长江源及黄河源径流观测资料，探讨两者之间变化的异同，以期为长江、黄河水资源保护以及合理开发利用提供一定的科学参考。

1 资料与方法

本研究选用资料是位于长江源区直门达水文站和黄河源区唐乃亥水文站1956～2012 年逐月径流观测资料，水文站点分布如图1 所示。

图1 长江源及黄河源气象站及水文站分布

本文主要利用目前常见的统计方法[15]对2 个水文站的径流特征进行诊断分析，Mann-Kendall 趋势分析及突变检验法、滑动T 检验法、Yamamoto 法分析径流突变，Morlet 小波分析其变化周期。

2 结果与分析

2.1 年内分配及长期变化趋势异同

图2 给出了长江和黄河源区多年平均的逐月流量变化以及两河源各月平均流量的差异情况。如图2a 所示，长江源区流量年内分配呈现单峰型特征，峰值在7 月，多年平均值为1069m3/s；1～3 月以及12月差异不大，月平均流量较小，月均值约为70m3/s；6～9 月是流量的高值期，累计约占全年72.4%。与其相对应，在黄河源区，则具有双峰型的年内分配特征，在7 月和9 月分别出现两次峰值，月均流量分别为1319m3/s、1184m3/s。同时，黄河源各月平均径流量均比长江源大，其中9～11 月差距最明显，10 月两者相差最大，可达523m3/s。

图2b 给出了黄河源减去长江源的两河源各月流量的差异情况，其中在1～5 月和11～12 月均表现为黄河源平均流量大于长江源，并且长期差异无明显波动，但9～10 月在1964～1986 年间黄河源与长江源的流量差非常明显，尤其是1968 年和1981 年的9 月，二者平均流量差分别为1600m3/s、1910m3/s。但1986 年后两河流域的流量差距正在逐渐缩小，直到2000 年，长江源流量反超黄河源流量。而夏季（6～8 月），在2000 年以前，黄河源与长江源流量差主要呈现“+”、“−”、“+”的周期性波动，周期约为2～4a，即黄河源（长江源）流量多（少）、长江源（黄河源）流量多（少）、黄河源（长江源）流量多（少）的变化特征；但是2000 年以后，夏季长江源流量大于黄河源，尤其是2001 年和2005年的8 月，差距分别为700m3/s、1000m3/s。

图2 (a)长江直门达站和黄河唐乃亥站1956～2012 年平均流量逐月变化 和(b)黄河源与长江源两河流量差

图3 给出了不同季节的分配情况。从多年平均来看，长江、黄河源区径流量均在夏季最多，分别占全年总量的43%、55%，夏秋两季之和约为80%，两河流域全年流量基本是由夏秋两季贡献的。在春、冬季，黄河源流量是长江源的2 倍，夏季两河流量差距相对较小，两河的流量差距主要体现在秋季上，二者相差1149m3/s，占全年流量差的40%。

图3 长江直门达站和黄河唐乃亥站1956～2012 年平均四季流量分布

就长江源和黄河源平均流量的长期变化趋势而言，如表1 所示，长江源区各季节及年平均流量均呈现上升趋势，并且夏秋两季的气候倾向率较大，其中夏季气候倾向率高达 151.0m3/(s·10a)，其次是秋季，也达到了76.5m3/(s·10a)，而冬季仅有6.1m3/(s·10a)。但是黄河源区平均流量变化趋势则存在较大差异，其年平均流量在近57a 整体表现为下降趋势，气候倾向率为−5.9m3/(s·10a)；同时，春季和秋季的平均流量也表现为下降趋势，其中秋季的下降趋势更为显著，其气候倾向率可达−96.9m3/(s·10a)；而夏季和冬季则表现为上升趋势。由此可见黄河源近57a 来流量的减少可能主要是由于秋季水流量减少导致的，夏季依然是一个正增长趋势。虽然长江源与黄河源在夏季都是正增长，但是二者的增幅差距非常大（长江源是黄河源3 倍之多）。长江夏季水流量的增多，可能会导致其下游地区夏季洪涝灾害更严重；而黄河秋季水流量减少，则可能会导致下游地区秋冬季缺水更加严重。

表1 1956～2012 年两江源区各季节平均流量气候倾向率(单位：m3/(s·10a))

2.2 突变特征异同

突变是气候、水文研究中的一个重要现象，但是考虑到单一突变检测方法由于自身的限制性，可能会对突变的辨识存在偏差。因此，本文采用Mann-Kendall、滑动T 检验法和Yamamoto 法等3 种检测方法对长江源及黄河源年均流量进行了突变检验。

图4a 给出了长江源径流变化的Mann-Kendall 检测。如图所示，近57a 长江源区径流的变化趋势存在比较明显的波动特征。20 世纪50 年代末～60 年代中期，UF 值多为正值，并在60 年代中期通过0.05 水平的显著性检验，表明长江源区径流在20 世纪50～60年代呈现比较明显的上升趋势；随后60 年代末～70 年代，UF 持续减小，说明此时间段径流量减小，长江源区径流有下降趋势；而80 年代UF 呈波动状态，径流变化趋势不明显；90 年代则UF 再次表现为比较明显的下降趋势，径流呈下降趋势；21 世纪以来UF 持续上升，到2012 年通过了0.05 水平的显著性检验，表明21 世纪以来，长江源区径流上升趋势比较显著。图中UF 和UB 曲线有3 个交叉点，分别出现在1961 年、1966 年和2008 年，表明长江源区年均流量可能在1961 年、1966 年以及2008 年前后出现突变。

图4b 给出了黄河源径流变化的Mann-Kendall 检测。如图所示，近57a 黄河源区径流也存在一定波动性。20 世纪50 年代末～60 年代，UF 值为正值，且持续增加，并在1960 年左右通过0.05 水平的显著性检验，说明黄河源区径流在50 年代末～60 年代，与长江源区径流变化趋势比较一致，均表现为比较显著的上升趋势；70～80 年代呈现宽幅波动；而90 年代以来，UF 值则呈现比较明显的下降趋势。根据UF 和UB曲线交点的位置，UF 和UB 在1991 年出现了1 个交叉点，表明黄河源区径流可能在1991 年前后出现了突变。

图4 长江源（a）和黄河源（b）年均径流量的Mann-Kendall 突变检测

图5 给出了利用滑动T 检验法和Yamamoto 法（子序列长度均取5 年）检验长江和黄河源区径流突变的结果。由图5a、b 可以发现，对于滑动T 检验，长江源区显著突变出现在1960 年、1966 年和1998 年前后，而黄河源区显著突变则在1960 年、1968 年和1980 年出现，均通过0.05 水平的显著性检验。Yamamoto法检测结果（图5c、d）则表明，长江源区显著突变出现在1960 年、1965 年和1998 年前后，而黄河源区显著突变则出现在1960 年和1968 年前后，均通过0.05水平的显著性检验。

图5 长江源（左）和黄河源（右）年均径流量突变的滑动T 检验(a、b）和Yamamoto 检验（c、d）

综合Mann-Kendall 法，滑动T 检验法和Yamamoto法初步辨识的长江及黄河源区径流的可能突变年份，可以发现不同的检测方法得到的结果存在一定差异，其中长江源区径流1960 年前后和1968 年前后的突变点比较可靠，三种突变检测方法均捕捉到了这两次突变，同时，其在1998 年前后可能也存在一次突变（滑动T 检验和Yamamoto 检验能够识别），而2008 年前后的突变点只被Mann-Kendall 法识别，仍需要进一步的验证和讨论。对于黄河源区径流，则没有三种检测方法共同识别的突变点存在，其在1960 年前后和1968 年前后的突变点具有较高的可靠性（被两种检测方法识别），而1991 年前后的突变点则需要进一步检验。

2.3 周期变化异同

采用Morlet 小波分析对近57a 两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实部变化图，如图6 所示，其中正值表示流量偏多，负值表示流量偏少。

图6 长江源（a）和黄河源（b）年径流序列小波分析

图6a 为长江源区径流小波分析。由图可知，长江源区径流量主要存在9～10a 和准22a 的周期变化，其中9～10a 周期的相位变化最为明显，整个研究的时间序列内均存在以9～10a 为中心尺度的周期振荡，丰枯交替剧烈。在准22a 的时间尺度，存在3 个偏枯期与3 个偏丰期的周期相位变化，历经“枯-丰-枯-丰-枯-丰”的交替变化；处于负相位的为1956～1960 年、1970～1980 年、1992～2002 年，年径流量处于偏枯期；处于正相位的为1961～1969 年、1981～1991 年、2003～2012 年，年径流量处于偏丰期，而且在2012 年之后正相位的等值线没有完全闭合，可以推断2012 年之后的年径流量可能仍处于偏丰期。

图6b 为黄河源区径流小波分析。由图可知，黄河源区径流量主要存在4a、7～8a 和准16a 的周期变化，这几个主周期在整个时域内一直存在。在准16a尺度的周期振荡中，黄河源区径流主要经历了7 次丰-枯交替，其中1956～1960 年，1969～1976 年，1986～1993 年和2001～2009 年这些时段的小波实部处于负位相，意味着径流偏少；而1961～1968 年，1977～1985 年，1994～2000 年和2010～2012 年则处于正位相，表示径流偏多。

3 结论

本文利用1956～2012 年长江和黄河两江源区2 个水文站点实测逐月流量数据，分析了黄河源与长江源区径流量的年际、季节、月季变化、突变年份及周期特征，得到如下主要结论：

（1）长江和黄河两江源区流量均在夏季最大，夏季占全年总量百分比分别为43%、55%，夏秋两季之和均在80%左右。长江与黄河源区径流量存在较大差异，主要表现为春、冬季节黄河源径流量是长江源2 倍之多，夏季两河径流量差距相对较小。

（2）从长期变化趋势方面来看，长江源区各季节及年平均流量均呈现上升趋势，尤以夏秋两季的气候倾向率较大，其中夏季气候倾向率高达 151.0m3/(s·10a)；但是黄河源区与长江源区略有不同，黄河源区年平均流量程下降趋势，同时，春季和秋季平均流量也表现为下降趋势，其中秋季下降趋势更为显著，其气候倾向率可达−96.9m3/(s·10a)；而夏季和冬季则表现为上升趋势。

（3）综合Mann-Kendall法，滑动T检验法和Yamamoto法初步辨识的长江及黄河源区径流的可能突变年份发现，不同检测方法所得结果具有一定差异。长江源区在1960 年和1968 年前后的突变点比较可靠，在1998 年前后可能也存在一次突变。对于黄河源区，则没有三种检测方法共同识别的突变点存在，其在1960 年和1968 年前后的突变点具有较高的可靠性。

（4）小波分析结果显示，两江源区径流周期变化也存在一定的差异：长江源区年径流量主要存在9～10a 和准22a 的周期变化，而黄河源区年径流量主要存在4a、7～8a 和准16a 的周期变化。