1956—2012年黃河源區徑流變化特征分析

蘇中海++陳偉忠

摘要 以黃河源為研究區，采用集中度、集中期、線性傾向估計、Mann-Kendall突變檢驗等方法，研究了黃河源區徑流的年內、年際、年代際趨勢性變化，突變點檢測。結果表明：黃河源區上游1956—2012年徑流量總體呈弱增加趨勢，下游呈弱減少趨勢，上游徑流量年際變化較下游劇烈。黃河源徑流集中度主要集中在40%～60%，上游集中度高于下游。集中期主要分布在7月下旬到8月下旬且有提前趨勢。21世紀以來，黃河源徑流上游偏豐，下游偏枯。吉邁站年徑流量突變點發生在1988年、2008年。瑪曲站和唐乃亥站年徑流量突變均發生在1991年。

關鍵詞 黃河源區；徑流；變化特征；1956—2012年

中圖分類號 P339 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）22-0178-03

Abstract Based on the source region of the Yellow River as research area，using concentration，concentrated period，the linear trend estimation，Mann-Kendall mutation testing，runoff during the year，interannual and interdecadal trend changes，and sudden change detection were studied. Results showed that during 1956-2012，the runoff increased slightly in upstream of source region of Yellow River，and decreased slightly in downstream，and interannual variability of upstream was drastically compared with downstream. Runoff concentration was mainly concentrated in 40%～60%，and concentration of runoff in upstream was higher than that in downstream. Concentrated period of runoff was mainly distributed from late July to late August，and this trend became much earlier. Since the 21 Century，runoff was abundant in upstream of source region of Yellow River，and low in downstream. Annual runoff sudden change at Jimai Station occurred in 1988 and 2008，and at Maqu Station and Tangnaihai Station，annual runoff sudden changes all occurred in 1991.

Key words source region of Yellow River；runoff；change characteristics；1956-2012

黃河發源于青海省巴顏喀拉山北麓的約古宗列盆地。本文研究范圍為唐乃亥水文站以上流域，位于青藏高原腹地，面積12.20萬km2。黃河源區是整個黃河起始地，其水資源狀況和變化對西部地區和中、下游地區的資源環境有重要影響[1-2]。近年來，研究黃河源徑流的論著較多。鄭紅星和劉昌明[3]采用1952—1997年月天然徑流資料，從年內分配不均勻系數、集中度和集中期、變化幅度等角度分析了黃河源區徑流年內分配變化規律；張少文等[4]采用1724—1997年的年徑流資料，利用小波分析展示了在不同時間尺度下黃河上游年徑流豐、枯變化過程；楊建平等[5]采用兩期遙感影像資料分析了冰川變化及其對河川徑流的影響；賈仰文等[6]應用WEP-L模型分析了氣溫和降水變化對黃河源區年、月徑流過程的影響；趙仁榮等[7]采用1956—1997年徑流數據采用斯波曼秩次相關法分析了黃河源區20世紀60年代以來徑流變化情況，并從降水、氣溫、下墊面等影響因素定性探討了黃河源區徑流變化原因。隨著2005年一期三江源生態保護和建設工程的實施，源區生態狀況明顯好轉。同時，在全球氣候變化的背景下，青藏高原出現暖濕化特征。氣候變化和人類活動對黃河源區水資源和生態環境的影響已成為社會日益關注的焦點和研究的熱點問題。河川徑流的變化特征影響社會系統的安全和生態系統的健康。因此，多角度認知黃河源區最新的徑流變化特征顯得更為迫切。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源與處理

本研究收集到黃河水利委員會水文局4處黃河干流長系列站點（黃河沿、吉邁、瑪曲、唐乃亥4處水文站）1956—2012年徑流資料。黃河沿站由于受上游扎陵湖、鄂陵湖的影響比其他三站嚴重，徑流數據難以反映上游產流情況，故未采用。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流集中期和集中度的計算。集中期是最大徑流量出現的時段，反映全年徑流量集中月份，以徑流向量合成后的方位進行計算。徑流集中度是反映徑流量在年內的集中程度的指標，通過各月徑流量向量累加的合成量占全年總量的比例來計算。

本文對徑流集中度和集中期進行概化處理（表1），設0°為1月徑流向量的位置，30°為2月徑流向量的位置，以此類推[8]。集中期出現的時間按照其代表月份的起始角度來計算。

1.2.2 線性傾向估計法。以xi為因變量，樣本量為n，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程：

xi=a+bti（i=1，2，…，n）

式中，xi為某一變量，a為回歸常數，ti為時間，b為回歸系數（其符號表示變量x的趨勢傾向）；a和b利用最小二乘法進行估計[9]。采用t檢驗法對擬合優度R2進行顯著性檢驗，確定變量x與時間t之間線性變化趨勢是否顯著。取顯著性水平α1=0.05，n=57，查表得臨界值rα1=0.271，則r2α1=0.073 4。取顯著性水平α2=0.001，n=57，查表得臨界值rα2=0.439，則r2α2=0.192 7。

1.2.3 突變檢驗。采用Mann-Kendall法（The sequential vers-ion of the Mann-Kendall test）對突變現象進行檢驗，確定其時間序列上的變化趨勢和突變點[10]。在此基礎上，Sneyers[9]發展了改進的方法，可以檢測水文氣象要素且精度較高[11]。其基本原理如下：對于一個時間序列數據X={x1，x2，x3，…，xn-1，xn}，假設該序列無趨勢，并構造統計變量dk，其計算方法如下：

產生的隨機序列dk（2≤k≤N）近似的服從正態分布，其期望值E（dk）和方差Var（dk）為：

根據以上假設，計算統計變量UF（dk）：

然后將以上過程運用于X的逆序列X′={x1，x2，x3，…，xn-1，xn}，再重復以上過程產生UF′（dk），計算UB（dk）：

最后將獲得的UF（dk）和UB（dk）以正向時間序列繪制曲線UF和UB；在顯著性水平下α=0.05時，若曲線UF超過置信區間UF=±1.96，說明存在顯著的向上或向下的趨勢；若曲線UF和UB在置信區間內相交，該交點為突變點[12-13]。

1.2.4 模比系數差積曲線。差積曲線法是將每一年的系列資料與多年平均系列資料的離差逐年依次累加，然后繪制這種差值與時間的關系曲線進行周期分析。而系列第i年的模比系數等于這年的系列資料與多年平均系列資料的比值。模比系數差積曲線法的基本特點：曲線上一個完整的上升段表示一個豐水期。曲線上圍繞一個數值小范圍的波動，這一段時間過程表示一個平水期，一個完整的下降段則表示一個枯水期。經分析整理模比系數差積公式為：

Zi=Zi-1+（ki-1）

式中，Zi—系列第i年的差積值。

2 結果與分析

2.1 徑流量的時間變化

2.1.1 集中度和集中期的年變化。黃河源上下游站點徑流集中度主要集中于40%～60%，上游集中度高于下游。吉邁站和唐乃亥站集中度有弱減少趨勢，變化傾向率分別為 -0.795、0.334/10年，說明年內分配更趨均勻；而瑪曲站集中度有弱增加趨勢，變化傾向率為0.084/10年，年內分配更趨不均勻。集中期主要分布在7月下旬到8月下旬且有提前趨勢，吉邁站、瑪曲站、唐乃亥站變化傾向率分別為-1.850、 -1.147、0.732 d/10年（圖1）。

2.1.2 徑流量年際變化。黃河源區吉邁站1956—2012年徑流量呈弱增加趨勢，變化傾向率為1.327億m3/10年；瑪曲站和唐乃亥站年徑流量呈弱減少趨勢，變化傾向率分別為 -1.448億m3/10年和1.65億m3/10年。黃河源上游徑流量年際變化較下游劇烈，上游吉邁站年徑流量極值比為4.2，變差系數Cv為0.41，而下游瑪曲站和唐乃亥站年徑流量極值比均為3.1，變差系數0.27左右（圖2、表2）。

2.1.3 年代際變化。從年代級時間尺度看，20世紀60年代黃河源上游吉邁站徑流量與多年均值接近，處于平水期，而下游的瑪曲、唐乃亥站偏豐。70年代，吉邁站徑流量偏豐；瑪曲站和唐乃亥站處于平水期。80年代黃河源區整體處于豐水期；而90年代整體處于枯水期。新世紀以來，上游站吉邁站偏豐，下游兩站偏枯（表3）。

2.2 突變分析

根據Mann-Kendall突變檢驗，吉邁站UF和UB的交點有8個，但前3個交點和后2個交點，距離系列的起始和終止年份很近，突變不明顯，而中間2個突變點距離很近，判斷應為一個突變點，綜合分析突變發生在1988年、2008年。瑪曲站年徑流量突變點發生在1991年。唐乃亥站年徑流量突變點發生在1991年。黃河源徑流上下游突變并非一致，在1990年左右黃河源發生了突變。進入新世紀，上游吉邁站在2008年發生突變，下游站點未發生突變（圖3）。

3 結論

（1）黃河源徑流集中度主要在40%～60%，上游集中度高于下游。集中期主要分布在7月下旬到8月下旬且有提前趨勢。

（2）黃河源區吉邁站1956—2012年徑流量呈弱增加趨勢；瑪曲站和唐乃亥站年徑流量呈弱減少趨勢。黃河源上游徑流量年際變化較下游劇烈，上游吉邁站年徑流量極值比為4.2，變差系數Cv為0.41，而下游瑪曲站和唐乃亥站年徑流量極值比均為3.1，變差系數0.27左右。

（3）20世紀60年代上游徑流處于平水期，而下游偏豐。70年代，上游偏豐；下游處于平水期。80年代整體處于豐水期；而90年代整體處于枯水期。21世紀以來，上游偏豐，下游偏枯。

（4）吉邁站突變發生在1988年、2008年。瑪曲站、唐乃亥站突變均發生在1991年。

4 參考文獻

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