长江源区基流变化规律及其气象影响因素分析

邵 骏，熊 莹，卜 慧，王 政 祥

(长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010)

0 引 言

径流过程是在流域尺度上一系列复杂过程的结果[1]，包含有不同的水源组成，其中河川基流是河流最稳定的水源，也是枯水季节河流的基本流量，其对于流域内生活生产用水和河流水生态环境具有重要作用。Hall[2]于1968年提出基流的定义，即来源于地下水或是其他延迟部分的径流。也有学者将其定义为下渗水到达地下水面并注入河道的部分[3]。如何区分径流的不同组分，需要对径流进行地表径流和基流的划分。但是到目前为止，由于无法通过实验对基流分割的结果进行科学论证[1]，因此基流分割不仅是水文水资源研究的热点，亦是难点[4]。基流分割方法主要包括图形分割法、水量平衡法、同位素法和数值模拟法等[5-7]。其中，对于数值模拟法中的加里宁(加里宁-阿巴里扬)试算法是根据河川基流量一般由基岩裂隙地下水所补给的特点，假定地下水含水层向河道排泄的水量(即河川基流量)与地表径流量之间存在比例关系，利用试算法确定合理的比例系数，再利用水平衡方程演算得出年河川基流量。该方法具有一定的理论基础，物理意义明确，可减少人为因素影响的任意性[8]。郑继尧等[9]对加里宁法进行了改进，认为基流量是由前期所有的地下径流量加权计算得到的。改进后的加里宁法对径流过程的拟合程度较好，在基流计算方法中相对成熟，并多次应用于高寒旱区[10-14]。因此，本文采用改进加里宁法作为河川基流分割方法。

长江源区地处青藏高原腹地，海拔高、气温低，存在大量的冰川、积雪和冻土等固态水，同时也存在着沼泽、湖泊等液态水，被誉为“中华水塔”“亚洲水塔”，是中国重要的生态安全屏障、战略资源储备基地[15]。在全球气候变化背景下，长江源区水资源发生了很大的变化，具体表现在冰川融化、降水变化以及湿地面积变化[16]。冰川融水是长江源区河川径流补给的重要来源，近几十年来在气候变暖的影响下，长江源区冰川加剧退缩、湖泊显著扩张、冰川径流增加[17]，由此导致的河川径流变化将会影响整个长江流域的供水安全、生态安全[18]。现有研究表明，长江源区对全球气候变暖的响应最为敏感[19]。长江源区的沱沱河站、直门达站径流量呈现显著增加趋势[20-21]，从而河川基流也必然存在相应变化。目前研究大多关注长江源区地表径流变化，对河川基流变化规律研究成果较少。因此，本文以长江源区为研究区域，利用直门达水文站1957～2020年实测日流量数据和气象数据为基础，研究长江源区基流变化规律，探讨影响基流变化的气象因素及相应的影响程度。研究成果对揭示气候变化条件下长江源区河川径流组成及其水文响应规律有着重要的科学与现实意义。

1 研究区域与研究方法

长江源区通常是指玉树直门达水文站以上的流域，由长江正源沱沱河、南源当曲、北源楚玛尔河和通天河组成，干流全长1 174 km，流域面积14.2万km2(含巴塘河)。沱沱河与当曲汇合于囊极巴陇，长346 km；囊极巴陇至玉树市巴塘河口称通天河，长828 km。其中囊极巴陇至楚玛尔河河口为通天河上段，长278 km；楚玛尔河河口以下至巴塘河口为通天河下段，长550 km。长江源区及通天河水系及测站分布见图1。

图1 长江源区和通天河水系测站分布

本文径流数据采用长江源区控制站直门达水文站建站后1957～2020年逐日流量资料。降水、气温数据以沱沱河、五道梁、曲麻莱、玉树、清水河、治多6个气象站1961～2018年逐日气象数据为基础，采用克里金插值法计算加权平均值[22]，得到1961～2018年流域面平均降水量、平均气温。

本文采用改进加里宁法进行河川基流分割，该方法具体原理及计算步骤详见参考文献[9]。采用双累积曲线法研究基流变化的影响程度。绘制基流和气象因素之间的双累积曲线，分析双累积曲线的斜率变化。若斜率发生了转折，表明气象因素在基准期和变化期的一致性发生变化，从而影响了基流。将变化期的数据带入基准期的拟合关系式中，可得到变化期内逐年基流量的理论值。实测值与理论值之差即为该气象因素对基流的影响值，从而得出不同气象因素对基流的影响程度。

2 结果与讨论

2.1 基流计算结果及比较分析

采用改进加里宁法对长江源区直门达水文站1957～2020年实测径流进行基流分割，得到逐年基流量，成果如图2所示。经分析计算，长江源区直门达水文站1957～2020年多年平均河川基流为53.4亿 m3，多年平均基径比(基流量比径流量)为0.4。基流年内分配差别较大，其中丰水期6～9月基流量约占全年基流总量的70%以上，枯水期约占全年基流总量的30%左右，其中12月至次年3月河川径流基本上以基流补给为主，基径比在0.9以上。将本次计算结果与第三次全国水资源调查评价1956～2016年河川基流量成果进行比较(见图2)，该成果采用斜割法和加里宁法[10]计算得到。从图2中可见两者变化规律及趋势基本吻合，表明本次采用改进加里宁法计算的长江源区河川基流成果合理，也与现有研究成果基本相符[13，23]。

图2 改进加里宁法计算的基流量与已有成果对比

2.2 长江源区径流与基流的年际变化

采用滑动平均法与Mann-Kendall非参数检验研究长江源区径流与基流的年际变化规律。如图3所示，分别为直门达水文站年径流量与年基流量的滑动平均曲线和Mann-Kendall曲线。从图3中可见，两者的变化规律基本一致，总体上呈现振荡上升的趋势，两者均在1960年代、1980年代、2008年以后较均值偏丰，1970年代、1990年代较均值偏枯。1957～2020年整体线性倾向率分别为0.801亿m3/a和0.312亿m3/a，说明径流增加的幅度较基流更为明显。Mann-Kendall曲线在2008，2014年和2017年出现交叉，即从2008年左右发生突变，表明2008年之后长江源区径流和基流均开始突变增加。采用Mann-Kendall检验、Spearman检验对直门达水文站年径流和年基流量变化趋势进行检验，成果列于表1。在显著性水平α=0.05下，Uα/2=1.96，rs=0.213，两者均呈现出显著的上升趋势。

图3 直门达水文站年径流量与年基流量的滑动平均曲线与Mann-Kendall曲线

表1 直门达水文站年径流量与年基流量变化趋势检验结果

2.3 气象因素对基流的影响分析

影响基流的因素众多，包括下垫面条件、气象因素、流域蒸散发、人类活动影响等[1]。直门达以上的长江源区，受人类活动影响较小，下垫面条件改变不大，因此本次研究重点关注气象因素对基流的可能影响。陈利群等[24]在研究黄河源区基流变化特征时，发现降水与基流具有很好的相关关系，年降水量决定年基流量，而气温同时也影响基流。因此，本文选取降水量、气温两种气象要素进行分析。

首先分析降水量、气温1961～2018年的变化规律。绘制1961～2018年降水量、气温的Mann-Kendall曲线(见图4)，降水量、气温突变点分别发生在2007年和1999年，与现有研究成果结论一致[21]。根据Mann-Kendall非参数检验结果，以突变年份为界将时间系列分为前后两个时期，绘制降水量和气温单累积曲线图，如图4所示。从图4中可知，长江源区的降水、气温均呈现显著的上升趋势。降水突变增加的时间点与径流和基流突变时间较为接近。由表2可知：2008～2018年长江源区降水量在变化期内增加幅度为5.4 mm/a；气温在1999年前后发生突变上升，变化期内升温幅度为0.07 ℃/a，表明长江源区近20 a来整体呈现暖湿化趋势。

图4 长江源区降水量、气温的单累积曲线和Mann-Kendall曲线

表2 长江源区气象因素的累积量斜率及均值变化

在分析气象因素突变规律后，绘制基流与气象因素之间的双累积曲线，由此讨论气象因素对基流的可能影响。图5为降水量、气温与基流量之间的双累积曲线，绘制基准期和变化期的线性拟合曲线，不同时期R2均在0.98以上，表明拟合精度较高。从图5(a)可见，基流与降水量相关程度最好，两者在变化期内偏离程度并不大，表明基流增加与降水增加之间存在密切的关联性，主要原因是由于降水引起的径流增加从而导致基流增加。图5(b)为基流与气温的双累积曲线，2000年以后气温突变升高使得基流增加，由此导致基流发生了明显的转折，表明对于长江源区，基流受气温变化影响较为敏感。

图5 长江源区降水量、气温与基流量之间的双累积曲线

依据变化期的累积降水量、累积气温，采用基准期的线性拟合关系计算出变化期的理论基流累积量，同时计算出变化期内的年均影响值，成果见表3。从表3中可见，长江源区气温升高、降水增加均对基流产生影响，其中气温升高使得基流增加达33.5亿m3/a，由降水增加使得基流增加幅度为6.5亿m3/a。

表3 长江源区气象因素对基流的影响程度

气候变化对基流的影响机制十分复杂。降水对基流的影响是最直接的，由于降水是河川径流的主要来源，因此降水增加直接造成地下水补给量增加[13，25-27]。关于气温对基流的影响，虽然物理机制尚不明确，但与长江源区特殊的地理环境和基流形成机制紧密相关。长江源区地处高海拔寒区，气温影响长江源区内广布的冰川、积雪、冻土、湿地、湖泊和河流。根据现有成果，进入21世纪以来，长江源区的径流量随着温度升高和降水增加逐渐增大，且随温度增加其变化趋势增大，可能与长江源区径流受冰川、积雪和冻土影响有关[20，25]。长江源区气温升高有助于冰川和积雪融化，对径流的补给起到促进作用，特别是2001年之后径流的显著增加跟温度急剧上升导致的冰川和积雪融水关系密切[26]。随着全球变暖，青藏高原温度升高，位于青藏高原腹地的长江源区气温显著升高，以冬季气温升高幅度最大[25]。冬季气温与基流量存在一定关联，冬季气温升高，使得冰雪消融和土壤冻结推后，冻土退化、释放地下水，补给河流，同时冻土活动层厚度增加，季节性冻结减少，土壤冻融的变化加强了水分向地下的迁移，使得基流增多[13，26]。

3 结论与展望

针对气候变化背景下长江源区径流变化事实，本文采用改进加里宁法计算长江源区河川基流，在此基础上分析基流变化规律，探讨影响基流变化的气象因素及相应的影响程度。研究结果表明：

(1) 长江源区直门达水文站基流变化规律与径流变化基本同步，两者在总体上呈现振荡上升的趋势，2008年之后长江源区基流和径流均开始突变增加。

(2) 分析基流与降水量和气温之间的关系发现，长江源区近20 a来整体呈现暖湿化趋势，源区降水增加和气温升高均对基流增加产生影响。基流增加受降水影响较大，同时对气温变化较为敏感。

(3) 基流的影响因素众多，长江源区基流变化与气象因素之间的联系非常复杂。本文仅从统计分析角度初步分析了降水和气温要素对基流的影响。由于降水是河川径流的主要来源，降水增加直接造成地下水补给量增加，而气温升高有助于冰川、积雪和冻土融化，对基流的补给起到促进作用。后期将建立寒区水文模型，从物理机制角度进一步研究长江源区基流变化的作用机理。