長(zhǎng)江源區(qū)近32年徑流變化及影響因素分析

朱延龍，陳 進(jìn)，陳廣才

長(zhǎng)江源區(qū)近32年徑流變化及影響因素分析

朱延龍1，陳 進(jìn)2a，陳廣才2b

（1.青海省水文局，西寧 810001；2.長(zhǎng)江科學(xué)院，a.院長(zhǎng)辦公室；b.水資源利用研究所，武漢 430010）

以長(zhǎng)江源區(qū)控制站直門達(dá)1978－2009年實(shí)測(cè)徑流量序列為基礎(chǔ)，運(yùn)用Mann-Kendall趨勢(shì)分析法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)方法，對(duì)徑流量的趨勢(shì)變化和突變進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對(duì)其影響因素降水、氣溫和下墊面條件等進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：長(zhǎng)江源區(qū)近32年來(lái)年徑流量總體呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著，年徑流序列2004年前后發(fā)生突變；長(zhǎng)江源區(qū)降水序列在2002年前后發(fā)生突變，氣溫序列呈顯著增加趨勢(shì)，長(zhǎng)江源區(qū)降水增加和冰雪消融是長(zhǎng)江源區(qū)徑流增加的主要原因。

長(zhǎng)江源區(qū)；徑流變化；氣候變化；Mann-Kendall趨勢(shì)分析法；滑動(dòng)T檢驗(yàn)法

1 概 述

徑流是一定時(shí)期內(nèi)氣候因素、下墊面自然因素、人類活動(dòng)（下墊面人為因素）等綜合作用的產(chǎn)物。近年來(lái)，在氣候變化和人類活動(dòng)的共同作用下，徑流序列形成的物理背景發(fā)生了較大變化，直接影響了流域水資源的合理配置、開(kāi)發(fā)與利用，以及河流系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物過(guò)程［1］。長(zhǎng)江源區(qū)是青藏高原上高原濕地主要分布地區(qū)之一，也是江河源區(qū)冰川分布最集中的地區(qū)，其冰川面積占整個(gè)三江源區(qū)的89%以上，冰川融水占長(zhǎng)江源區(qū)徑流的25%以上［2］。長(zhǎng)江源區(qū)是中國(guó)海拔最高的天然濕地和生物多樣性分布區(qū)以及生物物種形成、演化的區(qū)域之一，具有水源涵養(yǎng)與調(diào)節(jié)、生物多樣性保護(hù)、長(zhǎng)江流域生態(tài)安全保障等生態(tài)功能［3］。然而，近幾十年來(lái)，在過(guò)度放牧等人為因素和全球氣候變化的共同影響下，長(zhǎng)江源區(qū)氣候暖干化趨勢(shì)明顯，造成了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如冰川退縮，凍土退化，土地荒漠化，濕地與草場(chǎng)退化，以及水文系統(tǒng)發(fā)生了變化［3］。氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境的影響已成為社會(huì)日益關(guān)注的焦點(diǎn)和研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

本文將應(yīng)用Mann-Kendall趨勢(shì)分析法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法等方法，分析長(zhǎng)江源區(qū)徑流的變化趨勢(shì)，揭示近期長(zhǎng)江源區(qū)的水資源變化規(guī)律及其制約因素，為長(zhǎng)江源區(qū)水資源管理與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供支撐。

2 資料和方法

2.1 資料條件

長(zhǎng)江源區(qū)范圍選擇以直門達(dá)水文站為界，大致范圍介于90°43′－96°45′E，32°30′－35°35′N之間，流域控制面積約13.78萬(wàn)km2（見(jiàn)圖1）。地貌上以高原丘陵為主，河網(wǎng)水系發(fā)達(dá)，分布大小河流100余條，分屬沱沱河、當(dāng)曲和楚瑪爾河為主的3個(gè)源區(qū)水系［4］。本文選取直門達(dá)1978－2009年共達(dá)32年的逐月徑流數(shù)據(jù)和長(zhǎng)江源區(qū)沱沱河、五道梁、曲麻萊、玉樹(shù)、清水河共5個(gè)氣象站1978－2007年共30年的逐月降水、氣溫序列進(jìn)行長(zhǎng)江源區(qū)徑流變化規(guī)律及其影響因素的分析。

圖1 長(zhǎng)江源區(qū)示意圖Fig.1 Study area of the headwaters of the Yangtze River

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall趨勢(shì)分析法

利用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法分析長(zhǎng)江源區(qū)水資源趨勢(shì)變化。Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)是Mann（1945）創(chuàng)建的一種時(shí)間序列趨勢(shì)分析方法，后經(jīng)Kendall（1975）完善。該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用水文、氣象等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)，計(jì)算簡(jiǎn)便。它是世界氣象組織推薦的非參數(shù)檢驗(yàn)方法之一，目前已被廣泛地用來(lái)分析降水、徑流和氣溫等要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化。

Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量可定義如下：

2.2.2 滑動(dòng) T檢驗(yàn)法

利用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法分析長(zhǎng)江源區(qū)水資源要素的突變。

首先介紹傳統(tǒng)的T檢驗(yàn)法。

設(shè)滑動(dòng)點(diǎn)τ前后，2序列總體的分布函數(shù)各為F1（x）和 F2（x），今從總體 F1（x）和 F2（x）中分別抽取容量為n1和n2的2個(gè)樣本，要求檢驗(yàn)原假設(shè)：F1（x）＝F2（x）。定義統(tǒng)計(jì)量為

式中：

T服從t（n1＋n2－2）分布，選擇顯著性水平 α，查 t分布表得到臨界值 tα／2，當(dāng)｜T｜＞tα／2時(shí)，拒絕原假設(shè)，說(shuō)明其存在顯著性差異，當(dāng)｜T｜＜tα／2時(shí)，則接受原假設(shè)。

傳統(tǒng)的T檢驗(yàn)法只能對(duì)已知變異點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證而無(wú)法找出變異點(diǎn)，滑動(dòng)T檢驗(yàn)法是利用傳統(tǒng)的T檢驗(yàn)法對(duì)序列逐點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)于滿足｜T｜＞tα／2所有可能的點(diǎn)τ，選擇使T統(tǒng)計(jì)量達(dá)到極大值的那一點(diǎn)作為所求的最可能變異點(diǎn)τ0。

圖2 直門達(dá)水文站年徑流量序列滑動(dòng)T檢驗(yàn)圖Fig.2 Slide T test of annual runoff series at Zhimenda Station

3 徑流變化特征

3.1 徑流年內(nèi)分布特征

地表徑流的年內(nèi)分配，主要取決于河流的補(bǔ)給類型［5］。長(zhǎng)江源區(qū)徑流主要以降水和融雪補(bǔ)給為主，因而徑流年內(nèi)分配主要受降水和氣溫影響。長(zhǎng)江源區(qū)徑流年內(nèi)分配不均，6－9月份徑流總量約占全年徑流量的72.5%。

3.2 變化趨勢(shì)分析

取顯著性水平α＝0.05，對(duì)直門達(dá)水文站逐月平均流量序列和年徑流序列進(jìn)行趨勢(shì)分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 長(zhǎng)江源區(qū)徑流序列趨勢(shì)分析匯總表Table 1 Statistical analysis on the trend of runoff series

由表1可以看出，直門達(dá)水文站徑流序列5月和7月呈遞減態(tài)勢(shì)，其它月徑流序列呈增加態(tài)勢(shì)，8－10月徑流序列增加最為明顯，年徑流序列也呈增加態(tài)勢(shì)，但趨勢(shì)都不顯著。

3.3 突變分析

取顯著性水平α＝0.05對(duì)直門達(dá)水文站逐月平均流量序列和年徑流序列進(jìn)行突變分析（見(jiàn)圖3），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖3 直門達(dá)水文站年徑流序列突變圖Fig.3 The change points of annual runoff at Zhimenda Station

表2 長(zhǎng)江源區(qū)徑流序列突變分析匯總表Table 2 Statistical analysis on the sudden change point of runoff series

由表2可以看出，1－3月、8－10月徑流序列、年徑流序列發(fā)生顯著突變，變異時(shí)間多在2004年前后。

4 徑流變化的影響因素分析

4.1 氣候因素

4.1.1 降 水

取顯著性水平 α＝0.05，采用 Mann-Kendall法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)典型站1978－2007年的年降水序列進(jìn)行趨勢(shì)分析和突變，結(jié)果見(jiàn)3。分析發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江源區(qū)不同區(qū)域降水呈現(xiàn)不同的態(tài)勢(shì)（如圖4所示），玉樹(shù)站呈現(xiàn)減少態(tài)勢(shì)，其他站則呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，不過(guò)趨勢(shì)均不顯著。突變分析表明，長(zhǎng)江源區(qū)降水序列發(fā)生了顯著的變異，五道梁和玉樹(shù)站在80年代發(fā)生突變，其他站突變點(diǎn)多在2002年前后（見(jiàn)圖4，表3）。

圖4 長(zhǎng)江源區(qū)典型站年降水趨勢(shì)圖Fig.4 Trends of annual precipitation change at weather stations in the headwaters of Yangtze River

4.1.2 氣 溫

在顯著性水平 α＝0.05下，采用 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)典型站1978－2007年的年平均氣溫序列分析發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江源區(qū)各站年平均氣溫均呈顯著增加趨勢(shì)（圖5）。

表3 長(zhǎng)江源區(qū)年降水序列變化分析結(jié)果匯總表Table 3 Analysis on annual precipitation variation

圖5 長(zhǎng)江源區(qū)典型站年平均氣溫序列趨勢(shì)圖Fig.5 Trends of average annual air temperature change at weather stations in the headwaters of Yangtze River

氣候變暖使得長(zhǎng)江源區(qū)冰川融化。據(jù)調(diào)查［6］，2009年長(zhǎng)江源區(qū)冰川總面積為1 051 km2，比《長(zhǎng)江源志》記載的1 247 km2減少了196 km2，冰川年消融量達(dá)9.89億m3。長(zhǎng)江源區(qū)冰川主要分布在北部的昆侖山、南部的唐古拉山及西部的祖爾肯烏拉山；在冰川持續(xù)大規(guī)模消融中，昆侖山玉珠峰冰川與1971年相比，冰舌退縮了1 500 m，平均每年退縮達(dá)42.86 m；唐古拉山口東側(cè)冰川側(cè)向最大退縮量為125 m，正面退縮265 m，與1970年相比，正面每年退縮量為7.57 m，退縮速度驚人。

4.2 下墊面因素

下墊面因素直接影響植被截流、蒸騰、下滲等水文過(guò)程，對(duì)徑流產(chǎn)生一定的影響。長(zhǎng)江源區(qū)以草地為主，其面積占源區(qū)面積的58.9%，未利用土地面積占源區(qū)面積的32.3%，水域、林地、耕地、城鄉(xiāng)工礦居民用地，分別占源區(qū)面積的7.2%，1.6%，0.01%，0.004%。氣候變暖使高寒草甸發(fā)生逆向演替趨勢(shì)：高寒草甸→輕度退化高寒草地→中度退化高寒草地→重度退化高寒草甸→荒漠化地區(qū)［2］。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，長(zhǎng)江源區(qū)不斷加劇的高寒草甸草地退化使流域徑流系數(shù)減小、流域常遇徑流減少、稀遇洪水徑流發(fā)生頻率增加，這與嚴(yán)重退化極易形成暴雨洪水有關(guān)［4］。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)徑流序列和降水、氣溫序列的分析發(fā)現(xiàn)：

（1）長(zhǎng)江源區(qū)近32年來(lái)年徑流量總體呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著，且滑動(dòng)T檢驗(yàn)表明年徑流序列2004年前后發(fā)生突變。

（2）長(zhǎng)江源區(qū)近32年來(lái)年降水序列和年平均氣溫序列呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)，區(qū)域暖化趨勢(shì)沒(méi)有發(fā)生顯著變化，但近期干化趨勢(shì)有所緩解。降水序列在2002年前后發(fā)生突變，長(zhǎng)江源區(qū)降水增加和冰雪消融是長(zhǎng)江源區(qū)徑流增加的主要原因。

［1］ 王兆禮，陳曉宏，楊 濤.近50年?yáng)|江流域徑流變化及影響因素分析［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2010，25（8）：1365－1374.（WANG Zhao-li，CHEN Xiao-hong，YANG Tao.Runoff Variation and Its Impacting Factors in the Dongjiang River Basin During 1956－2005［J］.Journal of Natural Resources，2010，25（8）：1365－1374.（in Chinese））

［2］ 逯軍峰，董治寶，胡光印，等.長(zhǎng)江源區(qū)土地利用／覆蓋現(xiàn)狀及成因分析［J］.中國(guó)沙漠，2009，29（6）：1043－1048.（LU Jun-feng，DONG Zhi-bao，HU Guang-yin，et al.Land Use／Land Cover Status and Forming Causes in Source Regions of Yangtze River［J］.Journal of Desert Research，2009，29（6）：1043－1048.（in Chinese））

［3］ 陳 芳，馬英芳，申紅艷，等.長(zhǎng)江源區(qū)近44年氣候變化的若干統(tǒng)計(jì)分析［J］.氣象科技，2007，35（3）：340－344.（CHEN Fang，MA Ying-fang，SHEN Hong-yan，et al.Statistical Analysis of Climate Changes for Recent 44 Years over Source Region of Yangtze River［J］.Meteorological Science and Technology，2007，35（3）：340－344.（in Chinese））

［4］ 徐 明，馬超德.長(zhǎng)江流域氣候變化脆弱性與適應(yīng)性研究［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.（XU Ming，MA Chao-de.Vulnerability and Adaptation of Climate Change in Yangtze River Basin［M］.Beijing：China Water Power Press，2009.（in Chinese））

［5］ 王菊英，丘玉俐.長(zhǎng)江源年徑流量變化趨勢(shì)分析［J］.水利水電快報(bào)，2008，29（S1）：62－64，67.（WANG Juying，QIU Yu-li.Analysis on Annual Runoff Trend in the Headwaters of the Yangtze River［J］.Express Water Resources＆Hydropower Information，2008，29（S1）：62－64，67.（in Chinese））

［6］ 《節(jié)能環(huán)?！肪庉嫴?長(zhǎng)江源區(qū)冰川急劇退縮消融退縮速度令人堪憂［J］.節(jié)能環(huán)保，2009，（3）：6.（Editorial Office of Energy Conservation and Environmental Protection.Rapid Glacier Melting in the Headwaters of Yangtze River［J］.Energy Conservation and Environmental Protection，2009，（3）：6.（in Chinese） ）

Runoff Variation and Its Impacting Factors in the Headwaters of the Yangtze River in Recent 32 Years

ZHU Yan-long1，CHEN Jin2，CHEN Guang-cai2
（1.Qinghai Hydrology Bureau，Xining 810001，China；2.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The runoff data measured from 1978 to 2009 at Zhimenda hydrological station in the headwaters of Yangtze River are analyzed by Mann-Kendall test and slide T test to study the trend of runoff variation.Impacting factors including precipitation，temperature，and underlying surface condition are also elaborated in this paper.The results show that the overall annual runoff increased slightly during 1978-2009；while there was an abrupt change around 2004 according to slide T test.With regard to the impacting factors，the annual precipitation witnessed slight changes in general and a sudden change around 2002，and the annual air temperature series within the basin increased remarkably.It is concluded that the runoff increase during 1978-2009 is mainly caused by the increase of precipitation and ice melting.

headwaters of the Yangtze River；runoff variation；climate change

S157

A

1001－5485（2011）06－0001－04

2010-02-24

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)長(zhǎng)江流域用水總量控制管理與示范研究（201001005）

朱延龍（1962-），男，湖北襄陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事水文測(cè)量及預(yù)報(bào)工作，（電話）13519703118（電子信箱）zhuyl208＠126.com。

（編輯：趙衛(wèi)兵）