石羊河流域中游流量变化特征及气候影响因素分析

张成英 李玲萍 卢泰山

摘要 石羊河流域中游流量变化对该地节水灌溉、水资源高效利用、生态治理和水土保持都具有极其重要的意义。采用趋势系数和模比系数分析了石羊河流域中游流量的变化和丰枯特征，并用Mann-Kendall法进行突变检验，最后采用Pearson相关系数法分析了该区域流量变化的主要气候因素。结果表明：近57年来，石羊河流域中游年平均流量呈略增加趋势，各年代基本都是平水年，其中春、夏季流量呈略减少趋势，秋、冬季流量呈增加趋势，流域中游年平均流量增加贡献最大的是秋季;从年内分布看，石羊河流域中游流量的年内分配因受补给条件的影响四季分明，四季流量大小依次为夏季、秋季、春季、冬季;石羊河流域中游流量，年、春季流量出现多个突变点，夏、秋、冬季流量突变分别发生在1991、2015和2016年;流域中游流量变化的主要影响因子依次是降水、蒸发、最高和最低气温。随着流域中游降水的增加趋势大于气温升高和蒸发增加的幅度，同时伴随气温升高，冰川消融加快，石羊河流域中游流量呈略增加趋势。

关键词 石羊河流域中游;流量;特征;气候因素

中图分类号：P461 文献标识码：A 文章编号：2095–3305（2021）05–0050–04

石羊河是我国内陆河流域中人口密集、农业发达地区，是国家商品粮基地，也是水资源和生态环境问题最严重的流域之一。近年来，随着全球气候变暖和人类活动的双重影响，石羊河流域来水量面临着多变性和不确定性，进而引发植被退化、农田次生盐渍化、绿洲萎缩等一系列生态环境问题[1-3]。石羊河流域水资源矛盾引发的生态环境及农业产业结构调整等问题引起了社会各界的广泛关注。近年来，关于石羊河流域生态、水资源、气候等方面的研究很多[4-15]，但用最新气象和水文资料分析影响流量变化主要气候因素的研究不多。为了全面客观地反映流域中游水文特征的变化规律及气候影响因素，利用流域中游1961—2017年水文和气象资料，分析该区域流量在近57年的变化特征及主要气候影响因素，为石羊河流域水资源高效利用和植被恢复等一系列生态治理的实施提供科学数据。

1 研究区概况

石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部（101°41′～104°16′E，36°29′～ 39°27′N）。东部、北部分别在腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠与内蒙古自治区相连，西部靠大黄山与山丹县接壤，西南部在祁连山分水岭与青海省相邻，南部、东南部在乌鞘岭和毛毛山的山脊与黄河流域交界。河流总长约300 km，流域面积4.16万km2。

石羊河流域自东向西由大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河、西大河8条河流及多条小沟小河组成（图1）。河流补给来源为山区大气降水和高山冰雪融水，产流面积1.11万km2，多年平均径流量15.60亿m3。石羊河流域中游的河西营河、金塔河、杂木河是石羊大河的3条主要河流。石羊河流域中游，属大陆性温带干旱气候，太阳辐射强，日照充足，降水少，蒸发强烈，空气干燥。

2 数据与方法

2.1 数据来源

利用石羊河流域中游河西营河、金塔河、杂木河的3个代表测站（四沟嘴、南营水库、杂木寺水文站）历年实测流量、1961—2017年逐月流量和石羊河流域4个气象观测站点（乌鞘岭、古浪、凉州、永昌）的气象观测资料。

2.2 研究方法

采用趋势系数和模比系数分析石羊河流域中游流量的变化和丰枯特征，并用Mann-Kendall法进行突变检验，最后用Pearson相关系数法分析该区域流量变化的主要气候因素。其中3—5月代表春季，6—8月代表夏季，9—11月代表秋季，12月—次年2月代表冬季。

3 石羊河流域中游流量的变化特征分析

3.1 年内特征

石羊河流域中游年平均流量年内分布特征表现为单峰型（图2），夏季最大，占年平均流量的55.1%。其中，夏季的7月份流量最大，其次是秋季，占年平均流量的23.2%，春季占年平均流量17.5%，最小流量出现在冬季，占年平均流量的4.2%，冬季的2月份流量最小。

石羊河中游流量年内变化四季分明，春季流量开始增大，夏秋两季流量最大，冬季流量最小，原因在于春季流域积雪融化和河网储冰解冻，夏秋季降水较多且集中，冬季河流封冻。

3.2 季节变化特征

流域中游春、夏季呈减少趋势，减小幅都较小，倾向率依次是夏季为0.07 m3/（s·10 a），春季为0.05 m3/（s·10 a），秋、冬季流量都呈增加趋势，倾向率秋季为0.22 m3/（s·10 a），冬季为0.05 m3/（s·10 a）（图3）。

由流域中游四季流量年代际变化看出（表1），20世纪60年代和2001—2010年除夏季为负距平外，其他三季均为正距平，60年代正距平最大的是春季，2001—2010年是秋季正距平最大;70年代和60年代正好相反，除夏季為正距平外，其他三季均为负距平，负距平最大的是春季;80年代秋、冬季为负距平，春、夏两季是正距平，夏季正距平最大;90年代都是负距平，负距平最大的是夏季;2011—2017年只有春季表现为负距平，其他三季均表现为正距平，秋季正距平最大。

3.3 年代变化特征

石羊河流域中游年平均流量呈略增加趋势，倾向率为0.03 m3/（s·10 a），未通过显著水平检验（图4）。近57年来石羊河流域中游年平均流量为7.62 m3/s，由表2看出，其中80年代正距平最大，平均流量为7.98 m3/s，其次依次为2001—2010、2011—2017和60年代，平均流量分别为7.97、7.89、7.81 m3/s;90年代为负距平，平均流量为6.89 m3/s，70年代为平水年，平均径流量为7.62 m3/s。

3.4 突变分析

为了研究流域中游近57年来的突变情况，通过M-K法对近57年来流域中游流量的时间序列进行突变检测（图5）。流域中游春季流量（a）流量变化较平稳，增加和减少趋势不明显，出现多个突变点，说明流量总体基本稳定，且通过0.05显著性水平检验;夏季（b）流量70年代末开始出现较为稳定的上升趋势，90年代开始增幅更加明显，一直持续到2017年均为上升趋势，突变主要发生在1991年;秋季（c）流量总体变化也叫平稳，90年代末开始出现下降趋势，下降一直持续到2008年开始缓慢增加，突变主要发生在2015年，通过0.05显著性水平检验;冬季（d）2000年以前流量变化趋势不是很明显，未通过0.05信度检验，2000年以后出现下降趋势，总体变化也较为平稳，90年代末开始出现下降趋势，下降一直持续到2008年开始缓慢增加，2016年出现突变;年（e）流量总体变化趋势和春季相似，增加和减少趋势不明显，出现多个突变点，通过0.05显著性水平检验不明显，说明整个流域中游流量变化不明显。

3.5 丰枯变化

根据多年年平均流量，计算模比系数kp值（kp=某流量/多年平均流量），可以计算当年流量的丰、平、枯水程度[16]。

由石羊河流域中游流量不同年代的丰枯变化可以看出，流域中游各年代都为平水年，和前面几节分析结果较一致（表3）。

4 影响流域流量的气候因素分析

4.1 降水量

石羊河流域年降水量及春、夏、秋、冬四季降水量均呈不同程度的增加趋势（秋季呈小幅度减少），趋势系数分别为0.67、0.18、0.43、-0.00、0.06（表4），但是增加趋势没有通过显著性检验（冬季通过0.01显著性检验）。

通过计算石羊河流域降水量和流域中游的相关性显示（表5），年流量及四季流量与降水有明显的正相关（冬季相关不显著），年流量及春、夏、秋季流量与降水的正相关都通过0.01信度检验，说明石羊河流域降水量和流量存在较好的一致性，降水量的增加对流量的增加表现为正贡献。

4.2 最高气温

石羊河流域近57年年最高气温及春、夏、秋、冬四季最高气温呈明显增加趋势，趋势系数分别为0.60、0.07、0.07、0.11、0.35，增加趋势通过0.01信度显著性检验，最高气温的季节变化以冬季的趋势系数最大，春、夏季最小。

石羊河流域最高气温与中游流量的相关性发现，夏季流量与最高气温有明显的负相关关系，通过0.01信度显著性检验，冬季流量与最高气温有明显的正相关关系，通过0.05信度显著性检验，年及春、秋季流量与最高气温的负相关都未通过信度检验。说明气温高，对应晴好天气较多，无降水或降水量较小，河流补给量少;而冬季气温高，流量大，说明冬季气温高，冰雪融水快，有利于流量的增加。

4.3 最低气温

石羊河流域近57年年最低气温及春、夏、秋、冬四季最低气温也呈明显的增加趋势，趋势系数分别为0.57、0.12、0.15、0.13、0.17，增加趋势都通过0.01信度显著性检验，最低气温的季节变化也是以冬季的趋势系数最大，春季最小。

石羊河流域最低气温与中游流量的相关性显示，流域中游流量与流域最低气温基本都呈正相关，夏季呈负相关，只有与秋、冬季的流量正相关明显，分别通过0.01和0.05信度检验，其他都未通过显著性检验，说明秋、冬季最低气温升高，冰雪融水快，有利于流量的增加。

4.4 蒸发量

石羊河流域年蒸发量及四季蒸发量均呈增加趋势，趋势系数分别为0.19、0.23、0.97、0.63、0.47，年及冬季增加趋势分别通过0.05和0.01信度检验，夏季蒸发趋势系数最大，春季最小。

计算石羊河流域蒸发量与流域中游流量相关系数，其中年及春、夏和秋季呈负相关，均通过0.01信度检验，冬季蒸发量与流量呈正相关，未通过信度检验。说明流域蒸发大是因为气温高造成，蒸发大，水分散失快，不利于流量的增加;而冬季蒸发大，冰雪融水快，有利于流量的增加。

从以上分析看出，流域中游降水量增加幅度明显大于气温和蒸发增加的幅度，对于以降水补给型为主的石羊河流域中游来说，流量由于降水量的增加而呈略增加趋势;春、夏季蒸发的增加趋势大于降水增加的趋势幅度，春、夏季流域中游流量呈略减少趋势;秋冬季蒸发及气温的显著升高，冰川消融加快，流域中游流量呈略增加趋势。总体来看，由于气候变暖导致冰川消融加快和流域中游降水量的增加，石羊河流域中游流量表现为略增加趋势，但变化幅度较小。因此石羊河流域气候因素变化对中游流量变化起到了关键作用。

5 结论

（1）从年代变化看，57年来，石羊河流域中游年平均流量呈略增加趋势，倾向率为0.03 m3/（s·10 a）。

（2）从四季变化看，流域中游春、夏季呈减少趋势，减小幅度较小，倾向率为分别为0.05、0.07 m3/（s·10 a），秋、冬季流量都呈增加趨势，秋季增加较明显，为0.22 m3/（s·10 a），冬季为0.05 m3/（s·10 a），流域中游年平均流量增加贡献最大的是秋季。

（3）从年内分布看，流域中游春季4月开始流量变大，夏秋两季流量最大，最大流量出现在7月份，冬季流量最小，其中2月份流量最小，究其原因是因为春季流域积雪融化和河网储冰解冻易形成春汛，夏秋季降水较多而且集中，冬季河流封冻，流量主要靠地下水补给。

（4）突变分析显示，年流量、春季流量增加和减少趋势不明显，出现多个突变点，夏季流量70年代末开始出现较为稳定的上升趋势，突变主要发生在1991年;秋、冬季流量90年代末开始出现下降趋势，到2008年开始缓慢增加，突变分别发生在2015和2016年。

（5）通过对流量的丰枯变化分析显示，石羊河流域中游各年代都是平水年，这是该流域水资源利用中得天独厚的有利条件。

（6）中游流量變化是区域气候因子综合作用的结果，随着流域中游降水的增加趋势大于气温升高和蒸发增加的趋势幅度，同时伴随气温升高，冰川消融加快，石羊河流域中游流量呈略增加趋势，但变化幅度较小，流域中游流量变化的主要气候影响因子依次是降水、蒸发、最高和最低气温。

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责任编辑：黄艳飞

Analysis on Changing Character and Climatic Factors of the Runoff in Middle of Shiyang River Basin

ZHANG Cheng-ying et al（Wuwei  Meteorological Bureau of Gansu Province， Wuwei， Gansu 733000）

Abstract The change of discharge in the middle reaches of the Shiyang river basin is of great significance for water-saving irrigation， efficient utilization， soil and water conservation， ecological management of water resources and ecological management. In this paper， the trend coefficient and the modulus ratio Coefficient are used to analyze the variation of the discharge in the middle reaches of the Shiyang river basin， with the M-K mutation detection and Pearson correlation coefficient method is used to analyze the main climatic factors of discharge variation in this region. The average annual discharge in the middle reaches of the Shiyang river basin has increased slightly in the past 57 years， with no change in each decade， and the annual discharge has decreased in spring and summer slightly. According to the annual distribution， the annual distribution of the discharge in the middle reaches of the Shiyang river basin is affected by the replenishment conditions in four distinct seasons， with the discharge in summer， autumn， spring and winter. The maximum discharge occurs in July， minimum traffic in February. The annual and spring discharge in the middle reaches of the Shiyang river basin had many abrupt changes， and the abrupt change mainly occurred in 1991， 2015 and 2016， respectively. Precipitation， evaporation， maximum and minimum air temperature are the main influencing factors of discharge variation in the middle reaches of the basin.With the increase of precipitation in the middle reaches of the basin more than the increase of temperature and evaporation， and with the increase of temperature and glacier melting， the discharge in the middle reaches of the Shiyang river basin increased slightly.

Key words Middle of Shiyang river basin; Runoff; Character; Climatic factors