三江源區徑流演變規律分析

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(青海省水文水資源勘測局，西寧 810000)

三江源區徑流演變規律分析

蔡宜晴，李其江，劉希勝，唐洪波，李燕

(青海省水文水資源勘測局，西寧 810000)

通過線性回歸、滑動平均、Mann-Kendall檢驗、累積距平、滑動t檢驗和Morlet小波分析等方法分析了三江源區1956—2012年的年徑流量演變規律。結果表明： 57 a來直門達、吉邁和香達站的年徑流量呈上升趨勢，唐乃亥站的年徑流量呈下降趨勢，直門達站的年徑流量通過顯著性檢驗；直門達和吉邁站均在2004年發生顯著性均值突變，其余站點突變不顯著；三江源區年徑流量均存在6～8 a和23 a左右的主周期，以23 a左右時間尺度上的信號最強，周期相位變化均存在3個偏多期和2個偏少期。研究結果可為我國中下游的水資源保護與管理提供參考依據。

三江源區；徑流演變；Mann-Kendall檢驗；Morlet小波分析；累積距平；滑動t檢驗

1 研究背景

近年來，全球氣溫不斷升高，雪山與冰川的面積逐年減少影響著高原河流、濕地和湖泊的水源補給，生態環境已變得十分脆弱。三江源區人口增加和人類無限度的生產經營開發活動，加速了該地區生態環境惡化的程度。變化環境下的徑流變化已成為各國可持續發展的主要問題[1-3]。徑流變化影響流域內供水狀況，改變生態環境和社會經濟的發展。因此，研究三江源區水文要素的演變規律是十分必要的，并對中國區域經濟結構的調整、資源的合理利用和生態建設具有重要的現實意義[4-5]。

三江源地區位于我國西部青海省的南部，是我國長江、黃河和瀾滄江三大重要水系的源頭。20世紀70年代以來，作為全球氣候變化敏感帶的三江源區相繼出現了如下現象：冰川、雪線退縮，湖泊、濕地面積縮小甚至干涸，沼澤濕地消失，泥炭地大量裸露，沼澤濕地當中的中度濕潤下的草甸植被向中旱生高原植被演化，水源的涵養能力急劇衰減。這些現象導致中下游地區旱澇等災害頻繁發生，社會經濟發展受到嚴重限制。因此，對三江源地區徑流量的演變規律進行深入分析研究是非常必要的。劉光生等[6]利用R/S分析法發現氣溫對三江源區徑流變化的影響大于降水變化的影響，起主導作用；張永勇等[7]發現氣候變化對長江源區的變化最為明顯，黃河源區其次；呂愛鋒等[8]發現三江源地區融雪徑流時間與年徑流量存在一定的正相關關系；王素慧等[9]利用Morlet小波等方法研究發現直門達、香達站在8～9 a的時間尺度下，徑流的變化趨勢相似。目前，系統地分析三江源地區年徑流量的演變規律并揭示區域的整體特征和差異仍有待加強。本文使用了線性回歸、5 a滑動平均法、Mann-Kendall參數檢驗、累積距平、滑動t聯合檢驗和Morlet小波分析等統計方法研究三江源地區徑流量的演變特征。徑流時間序列的趨勢變化和變異分析對三江源地區生態環境保護有重要現實意義，可為我國中下游水資源管理提供參考。

2 流域概況

三江源地區地理位置為31°39′N—36°12′N， 89°45′E—102°23′E，總面積36.3萬km2，約占青海省總面積的一半。行政范圍包括格爾木市的唐古拉鄉和果洛、黃南、海南、玉樹4個藏族自治州的16個縣。三江源區水系分布情況如圖1。

圖1 三江源水系與水文站點分布Fig.1 River regime and hydrologic stations in the source region of Three Rivers

3 資料來源與研究方法

3.1 資料來源

本研究采用的原始數據為三江源區內4個水文站點1956—2012年實測逐月徑流數據，如表1所示。對缺測數據進行插補延長。實測流量資料源于青海省水文局。

表1 三江源區水文站基本狀況Table 1 Basic situation of hydrologic stations in the source region of Three Rivers

3.2 研究方法

3.2.1 趨勢分析

線性回歸法能夠簡單地判斷時間序列的增減情況，并通過斜率指標來判斷序列趨勢的變化率。

滑動平均法[10]可以有效消除水文時間序列異常點波動的影響，直觀地展現水文氣象要素整體變化的趨勢。因此，采用5 a滑動平均法對徑流量進行趨勢分析。

Mann-Kendall 非參數檢驗法[11-12]是由世界氣象組織(WMO)推薦的分析趨勢的方法，該法不受某些異常點的干擾,適用于水文氣象序列服從非正態分布并且得到廣泛應用，相關計算公式參見文獻[11]。

3.2.2 突變分析

累積距平法是判斷變化趨勢的一種較常用的方法。對于水文樣本序列x1,…,xn，在序列的某一時刻t的累積距平值表示為

(1)

點繪出St-t曲線，可進行初步變點分析。再應用滑動t檢驗法[13-14]檢驗變點前后2組樣本平均值是否存在顯著變化。

3.2.3 周期分析

小波變換同時具有頻域和時域上局部化的優點。水文氣象序列時域的變換具有多尺度等性質。小波分析能夠檢測水文氣象要素時間序列在不同層次下的變化尺度[15]。

4 結果與分析

4.1 徑流的年際與年代際變化特征

三江源區年徑流量有顯著的年際變化、年代際變化特征。

由表2可知:

(1) 三江源區中黃河源區多年平均徑流量最大，為202.02億m3，長江源區次之為129.17億m3，瀾滄江源最小為44.29億m3；年徑流量極值比，長江源和黃河源一致，均為3.1，而瀾滄江略小，為2.3。

(2) 三江源區年徑流年際變化程度不一，長江源最大，達0.28；黃河源次之，為0.26；瀾滄江最小，為0.19。長江源20世紀初年際波動較大，變差系數為0.29；而20世紀以前的年際變化較平緩，變差系數為0.20～0.25。黃河源在20世紀初年際波動較大，變差系數為0.3；而20世紀以前的年際變化較平緩，變差系數為0.20～0.25。瀾滄江源20世紀50年代以來年際變化較平緩，變差系數為0.17～0.23。

表2 1956—2012年三江源區年徑流量的平均值、標準差和變差系數Table 2 Mean value,standard deviation and coefficient of variation of annual runoff in the source region of Three Rivers during 1956-2012

由圖2可知：三江源區中西南部徑流呈上升趨勢，直門達和香達變化傾向率分別為6.69億m3/(10 a)和1.1億m3/(10 a)，其中長江源上升趨勢顯著(0.05的顯著性水平);東北部黃河源呈弱下降趨勢，變化傾向率為-1.65億m3/(10 a)。

圖2 三江源區1956—2012年徑流量距平變化Fig.2 Variation of annual runoff anomalies in the source region of Three Rivers during 1956-2012

通過Mann-Kendall趨勢檢驗獲得各水文站點徑流量的統計量Z值(表3)。95%的置信區間下，直門達、吉邁和香達3個站點的年徑流量呈上升趨勢，唐乃亥站的年徑流量呈下降趨勢，與采用線性回歸法的結果一致。其中上升趨勢最為明顯的是直門達水文站，通過顯著性水平檢驗。

表3 三江源區年徑流量M-K統計量Z值Table 3 Statistical Z value of M-K test of runoff in the source regions of Three Rivers

4.2 徑流的突變分析

通過三江源區各水文站的標準化序列的累積距平值極值確定初始變點。從圖3可以看出，直門達標準化序列的累積距平最小的年份出現在2004年。因此，選取累積距平最小值2004年為初始變點。同理，選取唐乃亥站1989年和2008年、吉邁站1984和2004年、香達站1979年為初始變點。

圖3 三江源區徑流累積距平曲線Fig.3 Curves of cumulative anomaly of runoff in the source region of Three Rivers

再運用滑動t檢驗法對初步變點進行精確識別。分別在變異點前取n1年和后取n2年(n1=n2)，分別計算出變異點對應的t值；比較|t|與tα/2，若|t|>tα/2，說明存在顯著差異，在該變異點發生均值突變。通過表4可知，直門達和吉邁站的年徑流量在2004年均發生顯著性均值突變，其余站點未發生顯著的均值突變。

表4 三江源區各年徑流量滑動t檢驗結果Table 4 Result of moving t test of annual runoff in the source region of Three Rivers

4.3 徑流的周期分析

采用Morlet小波對近57 a來三江源區的徑流量進行周期分析，得到各站點年徑流序列小波變換系數的二維等值線圖，如圖4所示。

注：圖中年徑流值偏豐通過實線表示，其小波變換系數為正值；年徑流值偏枯通過虛線表示，其小波變換系數為負值圖4 三江源區徑流的小波變換系數二維等值線圖Fig.4 Two-dimensional isograms of wavelet transform coefficient of runoff in the source region of Three Rivers

由圖4可知：

(1) 長江源區直門達站的年徑流量存在8，16，23 a左右的主周期，8 a和23 a周期的相位變化最為明顯。以8 a為中心尺度的周期主要在1956—1972年，豐枯交替劇烈。信號最強的是23 a左右時間尺度，存在3個偏豐期與2個偏枯期的周期相位變化，歷經“豐—枯—豐—枯—豐”的交替變化；處于負相位的為1962—1974年和1991—2003年，年徑流量處于偏枯期。處于正相位的為1956—1961年、1975—1990年和2004—2012年，年徑流量處于偏豐期，且在2012年之后正相位的等值線沒有全部閉合，可以推斷2012年之后的年徑流量仍然可能處于偏豐期。

(2) 黃河源區唐乃亥和吉邁站的年徑流量均存在6～7，11～12，23 a左右的主周期，以6～7,23 a左右周期相位變化最為顯著，以6～7 a為中心尺度的相位變化主要發生在1970—1997年左右，且豐枯變化十分劇烈。以23 a為中心尺度的相位變化經歷了“豐—枯—豐—枯—豐”的交替變化。唐乃亥站1956—1963年、1977—1990年和2005—2012年處于正相位，而吉邁站1956—1960年、1972—1988年和2004—2012年處于正相位，年徑流量為偏豐期，且2012年以后正相位的等值線未完全閉合，可以推斷2012年之后年徑流量可能仍處于偏豐期。

(3) 瀾滄江源區香達站的年徑流量均存在8,15,23 a左右的主周期，8 a和23 a左右周期的相位變化最為明顯，在1962—1977年左右主要發生8 a為中心尺度的相位變化，且豐枯變化十分劇烈。以23 a為中心尺度的相位變化經歷了“豐—枯—豐—枯—豐”的交替變化。處于負相位為1962—1974年和1991—2003年，年徑流量為偏枯期。處于正相位為1956—1961年,1975—1990年和2004—2012年，年徑流量處于偏豐期，且2012年之后的正相位的二維等值線并未全部封閉，可推斷2012年之后徑流量仍可能是偏豐期。

總體上看，三江源區各水文站都主要是23 a左右的周期，且2012年以后都可能是偏豐期。

5 結 論

本文分析了三江源區直門達、唐乃亥、吉邁和香達站的變化趨勢、突變及周期，總結了三江源區近57 a來年徑流量的演變規律，主要結論如下：

(1) 通過線性回歸和5 a滑動平均法分析得到的三江源區直門達、吉邁和香達站的年徑流量呈上升趨勢，唐乃亥的年徑流量呈下降趨勢。且4個水文站點徑流的年際變化在20世紀初波動最大。

(2) 在95%的置信水平下， M-K檢驗法與采用線性回歸法得到的結果一致，僅長江源區直門達站呈顯著上升趨勢，其余站點變化趨勢在不同時期都不顯著。

(3) 通過累積距平聯合滑動t檢驗發現長江源區的直門達和黃河源區的吉邁站的年徑流量均在2004年發生顯著性均值突變，其余站點未發生顯著性突變。

(4)4個水文站點的年徑流量均存在6～8,23 a左右的主周期，均以23 a左右周期相位變化最為明顯，以6～8 a為中心尺度的相位豐枯變化十分劇烈。信號最強的時間尺度是23 a，分別存在3個偏豐期和2個偏枯期的周期相位變化，歷經“豐—枯—豐—枯—豐”的交替變化，不同時段的年徑流共同存在著若干時間尺度，且較小的時間尺度鑲嵌于較大的尺度下。

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(編輯：劉運飛)

Variation Characteristics of Runoff Time Series inthe Source Region of Three Rivers

CAI Yi-qing,LI Qi-jiang,LIU Xi-sheng，TANG Hong-bo，LI Yan

(Hydrology and Water Resources Bureau of Qinghai Province,Xining 810000,China)

The runoff time series during 1956-2012 in the source region of Three Rivers (the Yangtze River,the Yellow River,and the Lancang River) are analyzed by using linear regression,moving average,Mann-Kendall test,accumulative anomaly,movingttest and Morlet wavelet analysis method.Results indicate that: 1)during the past 57 years,the annual runoff at Zhimenda station,Jimai station and Xiangda station presented upward trend,among which the runoff trend at Zhimenda station was significant,whereas at Tangnaihai station the annual runoff presented a downward trend; 2) abrupt change occurred in 2004 at Zhimenda station and Jimai station rather than the other stations; 3)annual runoff in the source region of Three Rivers had main oscillation cycles in common of 6-8 years and 23 years,of which the interval of 23 years experienced the most significant fluctuation.There were three more-than-normal periods and two less-than-normal periods.The research results provide reference for the protection and management of water resources in the middle and lower reaches.

Source Region of Three Rivers; runoff variation; Mann-Kendall test; Morlet wavelet analysis; accumulative anomaly; movingttest

TV21

A

1001-5485(2017)10-0001-05

2016-10-27

國家自然科學基金項目(41375116)

蔡宜晴(1987-)，女，青?；ブ?，工程師，主要從事氣候變化下的水文水資源研究，(電話)18697266767(電子信箱)412968464@qq.com。

10.11988/ckyyb.20161118 2017,34(10):1-5