近60 a大通河流域径流变化和特征分析

魏国晋, 高 强, 刘得俊, 马登珠, 王统旭

(1.青海省水文水资源测报中心，青海 西宁 810008； 2.青海省水利水电科学研究院有限公司，青海 西宁 810008)

近年来的研究表明,全球变暖是一个客观存在的问题[1-3],20世纪中期以来人类产生的温室气体是导致气候变暖的主要因素.气候变暖对降水以及其他气候要素产生一系列的影响，而这些影响将在河流径流中产生放大效应[4-6].河流径流是重要的水循环过程之一，它不仅与当地生产生活用水息息相关，还是水利建设工作的重中之重[7].水资源是人类经济社会必不可少的基础性资源.随着人口数量增长，水资源的需求越来越多，再加上水资源时空分布不均和水资源浪费等问题，水资源已经严重制约了社会经济的发展.因此，研究气候变化和水文水循环发展规律，对人类和自然社会的可持续发展有重要意义[8-9].

1 研究区

大通河是青藏高原重要的河流之一，它发源于中国青海省天峻县托莱南山的岗格尔肖合力冰峰东麓，干流全长572 km，河源海拔4 520 m，河口处海拔降至1 727 m，落差达2 793 m,它是湟水的一级支流、黄河的二级支流.大通河流域地理位置处于φE= 98°54′～102°55′，λN=36°20′～38°20′，地势自西北向东南逐渐降低，流经青海省天峻、刚察、祁连、海晏、门源、互助、乐都等县区和甘肃省的天祝、永登两县及兰州市红古区西部.流经区域人口主要分布在门源、红古和永登县区，最终在青海省民和县川口镇享堂村注入湟水[10].该流域总面积15 130 km2，其中，12 943 km2分布在青海省的东北部，占流域总面积的86%，只有2 187 km2位于甘肃省境内.

大通河流域全程较为狭长(图1)，形成于崇山峻岭之间的河谷地段.根据其地形地貌特征及社会因素，共设置尕大滩站、连城站和享堂站3个控制站点.其中，河源至尕大滩为上游段，尕大滩至连城为中游段，以下为下游段.大通河流域上游段地势较高，水系发育呈树枝状，地处内陆高原，为典型的青藏高原气候，径流以降水和冰川补给为主，人烟稀少，生态环境受人类影响较小；中下游地势放缓，水系呈羽状发育，气候具有黄土高原特点，降水比较集中，径流主要以降水补给为主.虽然河流下游段较短，但人口相对稠密.

图1 大通河流域水文站点分布

笔者基于大通河流域尕大滩站、享堂站的实测水文资料以及该流域内野牛沟、门源、祁连、民和4个气象站点的实测气温与降水数据，通过小波分析和相关分析等方法，研究1960—2019年大通河流域河流径流的年内、年际和年代际变化特点及原因，旨在为大通河流域水资源开发和利用以及今后的水资源调配等提供参考.

2 数据和方法

水文分析数据为1960—2019年大通河流域尕大滩、享堂2个水文站实测年(月)流量和径流量，水文站点见表1.其中，尕大滩站1953年设立，集水面积7 893 km2.尕大滩站于1997年下迁9 km命名为青石嘴水文站，集水面积8 011 km2.青石嘴站于2020年又迁回原尕大滩站.由于2站点的集水面积相差1.5%，文中统称为尕大滩站.此外，尕日得水文站在1986年后变为汛期站，所以文中选择数据较全的尕大滩站和享堂站.同时，气象数据包括1960—2019年大通河流域内野牛沟、祁连、门源以及民和4个气象站点的实测年气温与降水量.

表1 大通河干流水文测站信息

通过Morlet小波分析检测河流径流是否呈现显著的周期振荡[11].与其他几种小波分析方法(Mexican Hat,Morlet,Haar,Symlets)相比，Morlet小波分析在时域和频域方面都有很好的局部性，在水文学领域是一种较可靠的周期分析方法[12-14].

3 研究结果

由于地理位置的差异性，大通河流域不同河段补给方式不同.享堂站和尕大滩站的月平均流量(Qm,a)随时间变化较一致且均呈现明显的单峰变化(图2)，但位于下游享堂站的月平均流量为0～210 m3/s，远大于位于上游地区的尕大滩站(0～140 m3/s).1—3月尕大滩站和享堂站的月平均流量较小，4月份开始逐渐增加，到7月份达到顶峰，8月份与7月份基本持平，此后径流量又开始逐渐下降.在春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至次年2月)，享堂站的径流量分别占全年的15.95%，47.37%，29.57%，7.10%；尕大滩站的径流量占全年分别为15.33%，52.26%，28.21%，4.20%.按照汛期划分，5—10月享堂站和尕大滩站的月流量则分别占全年总流量的80.69%，85.56%.由此可见，大通河流域年内径流分配不均匀.

注：左侧纵坐标为尕大滩站，右侧纵坐标为享堂站.图2 1960—2019年大通河流域尕大滩站和享堂站的月平均流量

对尕大滩站和享堂站的年径流量(Qy)和年平均流量(Qy,a)进行原始和5 a滑动后的时间序列分析(图3).由图3可知，二者的年径流量和年平均流量变化一致，但位于下游享堂站的年径流量为10亿～60亿m3，而尕大滩站的为8亿～30亿m3.享堂站的年平均流量远大于尕大滩站，且波动范围较大.2个水文站的年径流量最大值都出现在1989年，分别为29.2，50.2亿m3.此外，尕大滩站的年径流量较小值出现在1973年，1979年，分别为9.306，8.537亿m3，而享堂站年径流量较小值出现的年份较多且分散，分别为1973(20.82亿m3)，1991年(20.32亿m3)，2008年(20.25亿m3)及2015年(19.95亿m3).相较于位于上游的尕大滩站，享堂站年径流量极大值与极小值的差值更小，且尕大滩与享堂站的年际极值比分别为1.52，2.42.这可能是由于享堂站位于下游地区，干流较多，流域面积较大，河流的自我调节能力较强.1985—1992年的年径流量和年平均流量与其他年份相比明显较大，1978—1981年的年径流量明显处于较小阶段，1960—1977年和1993—2004年的变化较平稳， 2005年至今，年径流量和年平均流量逐渐呈上升趋势，且近5 a上升速度较快.

注：左侧纵坐标为尕大滩站，右侧纵坐标为享堂站.图3 1960—2019年大通河流域尕大滩站和享堂站的年径流量和年平均流量

为进一步研究径流的丰枯变化，分析尕大滩站和享堂站的年径流量距平值(图4).由图4可知，2个水文站的距平为-10亿～25亿m3，其中距平最大的一年均出现在径流量异常增多的1989年.尕大滩站在20世纪70—90年代以负距平为主(表2)，20世纪80年代和进入21世纪之后的10 a以正距平为主.享堂站明显正距平且同尕大滩站一样,均出现在20世纪80年代，在20世纪60年代和21世纪初的20 a均为负距平.因此，20世纪70和90年代以及21世纪初的10 a,大通河流域处于相对枯水期，径流量较少，20世纪80年代则处于丰水期.

图4 1960—2019年大通河流域尕大滩站和享堂站的年径流量距平

表2 大通河流域年代际径流量的距平 亿m3

通过计算得出，大通河流域尕大滩站径流量呈线性增加趋势，其线性方程为y=0.036 1x-55.675，其中,y为年径流量，x为年份，r2=0.032 6；享堂站则与其相反呈线性减少趋势，线性方程为y=-0.060 1x+147.02，r2=0.038 7.流域径流变化主要与自然因素或人类活动有关，具体来说，自然因素包括气候变化引起的河流补给源，流域内气温、降水和蒸发蒸腾的波动，人类活动有开挖河道、工农业用水等.为进一步探究大通河流域径流变化的原因，笔者对大通河流域内4个气象站点(野牛沟、祁连、门源和民和)1960—2019年的气温和降水进行分析，以此明确径流量与气候之间的关系(表3).

表3 大通河流域年代际气温距平 ℃

通过计算1960—2019年4个气象站的气温变化趋势，得到野牛沟、祁连、门源和民和地区的气温年增长率分别为0.029 7，0.033，0.041 6，0.028 1 ℃/a；降水结果与此一致，增长率分别为1.999 8，1.468 5，0.845 2，0.344 6 mm/a.19世纪60年代到21世纪20年代,4个气象站的气温距平也由负值逐渐向正值转变(表3)，说明60 a的年代际气温逐渐上升，这与全球变暖的趋势一致.大通河流域60 a,年代际降水距平百分率虽然不如气温呈现明显的增加趋势，但是也在波动中逐渐上升(表4).

表4 大通河流域年代际降水距平百分率 %

与下游享堂站相比，上游尕大滩站的径流量与降水和气温更呈一致性变化.21世纪左右，享堂站的径流量与气温和降水呈反向变化，分析原因：一是与人类活动有关，如下游工农业用水增加，大通河流域自1994年开展“引大入秦”外调水工程，该工程的输水渠首枢纽就位于大通河下游的天堂寺； 二是气候变暖所引起的流域内蒸发量增加幅度较大；三是雪线上移或消失带来的冰雪融水补给的减少，导致径流量减小.

享堂站和尕大滩站的年径流量小波分析见图5.由图5可知，2个水文站的径流量都存在着4，8，16，25 a左右的振荡周期.其中，4 a的振荡周期主要表现在1985—1995年，8 a的振荡周期主要表现在1975—1993年和尕大滩站的2012—2016年，而16，25 a的振荡周期则贯穿60 a的大部分时段.从全局小波谱图看，享堂站径流量的周期显著性大于尕大滩站的.该结论与报道的结论一致[15-16].

图5 1960—2019年大通河流域尕大滩站和享堂站年径流量小波功率谱分析和全局小波谱

4 结论和讨论

1)大通河流域的月平均流量年内季节分配不均.在3—5月、6—8月、9—11月和12月至次年2月，位于下游享堂站的径流量分别占全年的15.95%，47.37%，29.57%，7.10%；上游尕大滩站的径流量占全年分别为15.33%，52.26%，28.21%，4.20%.

2)尕大滩站和享堂站的年径流量和年平均流量变化趋势一致，且最大值都出现在1989年.尕大滩站的年径流量较小值出现在1973，1979年，享堂站的则出现年份较多且分散，分别为1973，1991，2008，2015年.20世纪70，90年代以及21世纪初的10 a,径流量以负距平为主，此时整个流域处于一个相对枯水期，而在20世纪80年代,径流量以正距平为主，流域处于相对丰水期.

3)上游尕大滩站的径流量与降水和气温呈正相关.21世纪，下游享堂站的径流量变化与气温和降水呈现反向变化，这可能与“引大入秦”外调水工程、流域内蒸发量增加、冰雪融水补给的减少等因素有关.

4)大通河流域的径流变化存在明显的4，8，16，25 a周期变化，其中，16，25 a的振荡周期在60 a的大部分时段都较显著.