金沙江上游河段水温变化规律及其影响因素探讨

邵 骏，杜 涛，郭 卫，欧阳硕，王 琨

(长江水利委员会水文局，武汉 430010)

1 研究背景

金沙江上游作为长江的源头地区，具有特殊的生态环境功能，自然生态环境较为脆弱，部分河段分布有金沙江上游和长江上游特有鱼类的产卵场、索饵场和越冬场等重要生物栖息地。在全球气候变暖的大背景下，河流水温对于水体的物化特征、水生生物的生长和繁殖、水生生态环境等具有重要意义[1-2]。金沙江上游被列入国家“十四五”九大清洁能源基地之一，目前正在进行梯级水电开发，叶巴滩水电站已于2019年实现截流，苏洼龙水电站已于2021年下闸蓄水。因此，研究金沙江上游梯级水电站建成前的天然河流水温变化规律、分析其影响因素，对于未来更好地进行金沙江上游水资源规划、水环境保护、水生态修复具有十分重要的意义。

以往的研究主要聚焦于长江源区或金沙江下游，目前尚未见有关金沙江上游水温变化的相关研究。熊明等[3]研究表明长江源区沱沱河流域水温与气温的相关关系密切，认为气温变化是影响水温变化的主要原因之一；刘昭伟等[4]探讨了金沙江干流的水温变化特征，辨识了气候变化和水电工程对水温变化的影响；邹珊等[5]探讨了气候变化、梯级水库运行及支流入汇等多重因素对长江上游水温的综合影响；李雨等[6]分析了金沙江下游及川江段水温沿程时空变化规律；刘睿[7]建立二维水温模型研究了金沙江上游梯级水库联合调度运行对下游河道水温累积的影响。本文以金沙江上游河流水温作为研究对象，利用金沙江上游干流岗拖、巴塘、石鼓3个水文站长系列逐日水温以及气象数据，研究金沙江上游干流水温的年内、年际变化及沿程分布规律，分析影响水温的主要因素。

2 研究区域与数据来源

金沙江为长江上游河段，位于我国青藏高原、云贵高原和四川盆地的西部边缘。主源沱沱河由南向北出唐古拉山后折向东流，至囊极巴陇由南岸汇入当曲后称通天河。通天河流至青海玉树汇入巴塘河后称金沙江，流经青、藏、川、滇四省(区)，至宜宾左岸支流岷江汇合后称长江。其中，金沙江玉树(巴塘河口)至石鼓为金沙江上游河段。

本文采用的水温数据为岗拖、巴塘、石鼓3个水文站1961—2018年逐日水温，数据来源于长江水利委员会水文局。岗拖、巴塘、石鼓站上游没有较大城市，人类干扰少，水电开发尚未成库，可以基本反映天然条件下的水温变化情况。采用的气象数据为各水文站以上流域气象站点1961—2018年逐日气象数据，包括降水、风速、相对湿度、水面蒸发量、日照时数、最高气温、最低气温、平均气温，数据来源于国家气象科学数据中心。本文所采用的金沙江上游水文站及气象站分布如图1所示。本文采用的方法主要为数理统计方法，包括滑动平均法、Mann-Kendall检验、Spearman检验、主成分分析、Pearson相关分析等，具体计算方法详见参考文献[8]。

3 水温变化规律分析

3.1 水温的年内变化规律

金沙江上游岗拖、巴塘、石鼓3个水文站月均水温的年内变化可按季节分为4个时段，其中3—5月份为春季、6—8月份为夏季、9—11月份为秋季、12月份—翌年2月份为冬季，月均水温最高值一般出现在7—8月份，最低值一般出现在1月份。各站水温分月统计特征值如表1和图2所示。

最高水温的月均值与平均水温相比，一般温差在1～2 ℃之间，冬季与夏季温差相对较小，秋季温差最为明显，比如岗拖站10月份最高水温与平均水温相差高达3.3 ℃，而1月份温差为0.8 ℃。最低水温的月均值变化规律与最高水温类似，春秋季的最低水温与月均水温相差较大，冬季与夏季温差相对较小。

3.2 水温的年际变化规律

本文采用滑动平均法与Mann-Kendall非参数检验研究金沙江上游水温的年际变化规律。图3为岗拖、巴塘、石鼓站年均水温的滑动平均曲线(左)和Mann-Kendall曲线(右)。从图3易见，3个站的年水温变化规律基本一致。岗拖站位于最上游，除1968年和1969年水温出现较大幅度变化外，其余年份基本维持在均值附近变动，总体上呈现震荡上升的趋势，Mann-Kendall曲线在1998年出现交叉，表明从1998年开始出现突变。以1998年为分界点，1998年以前位于均值以下，1998年之后水温位于均值以上。同样，巴塘站和石鼓站也存在类似变化规律，水温均呈现上升趋势，其中巴塘站于1992年、石鼓站于2003年出现突变点。

采用Mann-Kendall检验、Spearman检验对岗拖、巴塘、石鼓3站年水温变化趋势进行检验，成果列于表2。在显著性水平α=0.05下，Mann-Kendall检验统计量的临界值Ua/2=1.96，Spearman检验统计量的临界值rs=0.213时，3个站年水温均呈现出显著的上升趋势。

3.3 水温的沿程变化规律

从水温的沿程分布来看，上游岗拖站以上主要为江源地区，海拔高气温低，因此水温也低于其余两站。石鼓站为金沙江上游段的止点，其水温较上游有大幅度的升高。点绘沿程水温与海拔之间的关系，如图4所示，可见水温随着海拔的降低逐渐升高。岗拖、巴塘、石鼓3站多年平均水温分别为7.4、9.2、12.1 ℃，随海拔的降低，岗拖—巴塘、巴塘—石鼓河段水温升高幅度分别为0.33、0.44 ℃/(100 m)，向下游水温随河段距离的升高幅度分别为0.62、0.80 ℃/(100 km)。现有研究表明，河流水温沿程变化的原因与海拔、气温及径流的补给来源有较大关系[9-10]，本文将进一步研究上述水温变化规律的成因及主要影响因素。

表2 金沙江上游水文站年水温变化趋势检验结果

4 水温影响因素分析

4.1 水温与影响因素之间的相关关系

天然河流中水温的变化反映了水气界面复杂的热力交换过程。根据现有研究，气象因子是影响水温的重要因子，包括气温、太阳辐射、相对湿度、风速等[11-12]，同时还发现水温与降水[13]、流量[9-10]等紧密相关。为分析金沙江上游河流水温的主要影响因素，根据各水文站上游气象站点实测气象要素资料，利用经验贝叶斯克里金插值法[14]得到流域面气象因子，得到1961—2018年月平均降水量、平均气温、平均风速、相对湿度、水面蒸发量、日照时数、最高气温、最低气温，绘制各站水温与影响因子之间的相关关系图，见图5，同时采用Pearson相关分析统计水温与各影响因素之间的相关系数，结果如表3所示。

表3 岗拖、巴塘、石鼓水文站月均水温与各影响因子间的相关关系

从表3可知，岗拖、巴塘、石鼓3个水文站月平均水温与影响因素相关关系基本趋同，水温与气温(包括平均气温、最低气温、最高气温)之间的关系最为紧密，相关系数达到0.950以上。其次与水温存在高相关性的是降水、径流、相对湿度、蒸发和日照时数。

究其原因，主要是由于空气是直接与水体相接触的，并且以长波辐射和感热交换的方式直接作用于水体影响水面温度，因此气温对水温的影响是最大的[11]。

由于降水与大气水分关系密切，而水汽与气温变化之间存在正反馈机制[15]，因此河流水温与降水之间存在的相关关系反映了大气水分与气温之间的关联性。在金沙江上游等高海拔地区，气温通过引起冰川和积雪消融的间接影响方式调控补给河流的径流量[15-17]，冰川和积雪融水是地表径流的重要补给来源之一[18-20]，因此河川径流也同样通过间接方式映射了气温变化对水温的影响。

在其他条件不变的情况下，空气中相对湿度越大，水面蒸发越小，水温越高。风速影响水-气界面紊动扩散的强度[11]，风速越大，水分子扩散越快，水面蒸发散热越强烈，水温越低。因此，相对湿度、蒸发和日照时数也间接影响水温的变化。

4.2 水温沿程变化与影响因素之间的关系

从水温变化的沿程分布(见图6)来看，岗拖站位于最上游，石鼓站位于最下游。从上游至下游，水温与径流、风速、水面蒸发相关系数沿程减小，水温与降水、气温、相对湿度相关系数沿程增加，其主要原因与金沙江上游流域水文气象特征息息相关。

从地形、地貌和气候划分，金沙江上游地区大部分属青藏高原区和横断山纵谷区。金沙江流域在30°N以北地区，也就是巴塘站以上地区，主要为青藏高原区东南部，海拔高程5 000 m左右，地势由西北向东南倾斜，为保存较完整的高原地貌，现代冰川发育。该区大部分地处现代雪线以上，远离水汽源地，故气候寒冷而干燥，属典型的高原气候亚湿润区(长江源区则为高原气候干旱区)，以荒漠草甸为主。降雪为本区降水的主要形式，由于气候寒冷，蒸发量小，湿度亦较小。横断山纵谷区为云贵高原、四川盆地与青藏高原之间的过渡地带，位于30°N—26°N之间，即巴塘以下流域，海拔高程一般为2 000～5 000 m。本区北部海拔较高的高山地区及山顶属温带及寒带气候，其余地区大部分属亚热带气候湿润区，河谷地带则属亚热带气候亚湿润区。植被以森林、草甸为主。由于地形影响，该区气候在水平和垂直方向上差异很大，立体气候明显。

由于金沙江上游不同地区水文气象的差异性，巴塘以上流域径流组成中冻土层上水、冰川和积雪消融补给占比较大，至下游石鼓降水补给比重逐渐增加，因此河流水温从上游至下游与径流的相关性越小，与降水的相关性越大。根据气象数据统计，下游较之上游风速、蒸发都相对较小，气温、湿度逐渐增加，因此也呈现出水温与径流、风速、水面蒸发相关系数沿程减小，水温与降水、气温、相对湿度相关系数沿程增加的变化规律。

4.3 水温与影响因素之间的主成分分析

通过以上分析可知，影响金沙江上游水温变化的主要因素为气温，同时水温与径流、降水、气温、风速、相对湿度、水面蒸发、日照时数等因素相关或显著相关。为进一步研究水温变化与主要影响因素之间的关联性，对上述7个因子进行主成分分析，选取特征值>1的成分作为影响水温的主成分[21]。表4为岗拖、巴塘和石鼓3个水文站水温影响因素特征值及主成分贡献率，由表4可见3个站分别提取出2个、2个和3个主成分，主成分贡献率均达到75%以上，可基本反映原始数据的主要信息。

表4 岗拖、巴塘和石鼓水文站水温影响因素特征值及主成分贡献率

表5表示3个站水温主要影响因素主成分与原始变量之间的因子载荷，绝对值越大表明关系越密切。从表5可以看出，岗拖、巴塘站水温影响因素第一主成分中，与气温、降水、径流、相对湿度4个因子呈现正相关，因子载荷较高，均在0.85以上。在第二主成分中，水面蒸发、日照时数远高于其他因子。石鼓站3个主成分中，第一主成分与径流、降水、气温、相对湿度关系较密切，第二主成分与水面蒸发关系较密切，第三主成分与风速关系较密切。主成分分析结果与4.1节结果基本吻合。

表5 岗拖、巴塘和石鼓水文站水温影响因素主成分因子载荷

5 结论与探讨

本文根据金沙江上游干流岗拖、巴塘、石鼓3个水文站实测水温数据，以河段天然水温作为研究对象，对金沙江上游干流水温的年内、年际变化及沿程分布规律进行了研究，并探讨了影响水温的主要水文、气象因素，得出以下结论：

(1)从年内变化来看，金沙江上游岗拖、巴塘、石鼓3个水文站月均水温最高值一般出现在7—8月份，最低值一般出现在1月份。从年际变化来看，3站年水温均呈现出显著的上升趋势。

(2)分析水温与影响因素之间的相关关系可知，气温对水温的影响最为紧密，相关系数达到0.950以上，其次是降水和径流，相对湿度、蒸发和风速也对该河段水温变化产生一定影响，日照与水温之间的关系最弱。

(3)从水温变化的沿程分布来看，从上游至下游，水温与径流、风速、水面蒸发相关系数沿程减小，与降水、气温、相对湿度相关系数沿程增加，其主要原因与金沙江上游流域水文气象特征关系密切。

(4)由影响水温因素的主成分分析结果可知，第一主成分与气温、降水、径流、相对湿度4个因子正相关，与风速负相关；第二主成分与水面蒸发、日照时数相关。通过主成分分析，进一步验证了影响水温的主要因素。