1956 年～2020 年黃河源區徑流變化規律分析

藍云龍，黎 曙，李 霞，關銅壘，徐東坡，劉佳嘉

（1.黃河水利委員會西寧水文水資源勘測局,青海 西寧 810008；2.中國水利水電科學研究院,北京100038；3. 黃河勘測規劃設計研究院有限公司,河南 鄭州 450003）

1 引言

隨著全球氣候變暖,氣候變異性越來越突出,影響水文循環過程,使降水、蒸散發、徑流、冰川和凍土等發生變化,對水資源管理、規劃及配置提出了嚴峻的考驗。由于氣候變化以及人類活動頻繁,黃河流域徑流量減少趨勢甚是明顯[1]。黃河源區（唐乃亥水文站以上區域）是我國重點保護的水源涵養區,一方面,氣候變化導致源區內的凍土退化和冰川消融；另一方面,黃河源區人類活動更加頻繁,使得源區植被、草原、濕地等發生變化,進而使得源區徑流大小變化明顯,徑流變化作為水源涵養量的一個影響因素,對水源涵養量的影響不容忽視[2]。因此,研究黃河源區徑流的變化規律對黃河流域生態保護和高質量發展、增加源區水源涵養量具有重要的參考價值。

目前關于徑流變化特征的研究主要利用實測數據分析其趨勢性、突變性及周期性。秦年秀等人利用長江流域代表性水文站宜昌站、漢口站和大通站,分別選取1882 年～2000 年、1870 年～2000 年和1950 年～2000 年的月平均流量數據系列,通過非參數Mann-Kendall 法來檢驗長江徑流的趨勢變化[3]。劉嘉琦等人選取1950 年～2009 年長江流域大通水文站逐日流量系列,針對年、枯季、洪季、汛后及逐月平均流量序列,通過Pettitt 突變點檢驗法、Mann-Kendall 趨勢性檢驗法進行突變點分析和分段及整體序列的演變規律分析[4]。張嵐婷等人利用大渡河流域內年徑流量數據,為研究1951 年～2012 年序列的變化趨勢、周期性及突變點,選取Mann-Kendall 檢驗法、小波分析法、有序聚類法、累積距平法及Pettitt 突變檢驗法等方法對序列進行處理分析[5]。

黃河源區徑流變化規律對研究黃河源區水文循環特征及水文要素的預測具有重要意義。鄭紅星等人為研究黃河源區瑪曲站、唐乃亥站的月天然徑流序列演變規律,選取1952 年～1997 年數據分析得出瑪曲站年內分配的不均勻性、集中度以及相對變化幅度均略高于唐乃亥站,而其絕對變化幅度較小[6]。劉希勝等人為黃河源徑流變化規律,選取過程線法、集中度和集中期方法分析了黃河沿站、吉邁站、瑪曲站及唐乃亥站4個水文站1960 年～2012 年徑流的集中度和趨勢性,研究發現吉邁以上徑流量年際變化呈不顯著增加,而吉邁以下呈減少趨勢[7]。蔡宜晴等人為研究三江源區1956 年～2012 年的年徑流量演變規律,采用線性回歸、滑動平均、Mann-Kendall 檢驗、累積距平、滑動t 檢驗和Morlet 小波分析等方法研究發現黃河源區吉邁站呈上升趨勢,唐乃亥站呈下降趨勢,吉邁站在2004 年發生顯著性均值突變[8]。周帥等人利用綜合Mann-Kendall 方法和累積距平方法診斷出黃河源區1960 年～2010 年徑流量呈減少趨勢,徑流突變點位置在1989 年[9]。趙延存等人利用黃河源區1956 年～2019 年徑流序列,采用啟發式分割法、Mann-Kendall 檢驗法和集合經驗模態分解（EEMD）方法對源區年徑流序列分析得到徑流序列在1990 年和2017 年發生變異,呈現不顯著下降趨勢,主周期為2.56 年[10]。綜上所述,各學者分析黃河源區選取的徑流數據系列及水文站點各不相同,多選取黃河沿、吉邁、瑪曲及唐乃亥干流水文站,時間序列多在2012 年以前。因此,本文仍選取黃河沿站、瑪曲站、唐乃亥站作為對象,水文系列選取1956 年～2020 年,采用Mann-Kendall 趨勢性分析法、Pettitt 突變分析法和小波分析法對黃河源區各站點年徑流量的趨勢性、突變性及周期性進行分析。

2 研究區概況和資料

黃河源區為唐乃亥水文站以上的匯水區域,面積12.2 萬km2,占黃河流域總面積的17%,是黃河的主要產流區[2]。黃河源區位于青藏高原東北部,見圖1,涉及青海,甘肅,四川三省,源區內地勢總體呈西高東低[11]。黃河源區多年（1960 年～2019 年）平均年降水量為564.9mm,多集中在6 月～9 月[12]。黃河沿站、瑪曲站、唐乃亥站3 個水文站1956 年～2020 年徑流數據來源于水文統計年鑒《黃河流域水文資料第一冊（黃河上游區上段）》,其中黃河沿站1968 年～1975 年數據缺失,瑪曲站1956 年～1958 年及1989 年數據缺失,根據相鄰站點相關性進行差值。

圖1 黃河源區分區圖

3 研究方法

3.1 Mann-Kendall 趨勢分析法

Mann-Kendall 趨勢性分析方法（簡稱MK 檢驗）是一種非參數檢驗,在時間序列趨勢分析中該方法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數檢驗方法,在水文分析中各學者利用該方法分析降水、徑流、氣溫及水質等要素時間序列的趨勢變化[13]。在MK 檢驗中,原假設H0表示數據集X的樣本獨立同分布,沒有趨勢性存在,備擇假設H1表示數據集X中存在一個單調的趨勢性變化[14]。

MK 檢驗所構造的統計量為：

其中,

式中：xk和xi為樣本數據值,n為樣本容量,根據xk-xi的正負,sgn（xk-xi）分別為1、0 和-1。如果-Z1-a/2≤Zc≤Z1-a/2,原假設H0即被接受。另外MK 檢驗的另一個指標Kendall 傾斜度β,用此指標來量化單調趨勢,β即為：

式中：1＜j＜i＜n。當β＞0 時,反映上升的趨勢,反之則為下降的趨勢。

3.2 Pettitt 突變分析法

Pettitt 檢驗法是一種基于Mann-Whitney 非參數檢驗的方法,該方法可以對水文氣象要素序列進行突變分析獲得突變點,量化突變點在統計意義上的顯著水平[15]。其中Mann-Whitney 非參數統計量為[16]：

根據統計量可計算：

一般情況下,認為當p≤0.05 時認為數據中存在突變點。

3.3 小波分析法

小波分析法將不同頻率成分的時間序列按尺度分解為低頻和高頻,再利用小波系數計算得到水文時間序列的周期性,選擇合理有效的Morlet 小波,對年徑流系列數據進行分析[17]。Morlet 小波表達式為：

Morlet 小波的頻域函數為：

采用上述Mann-Kendall 趨勢性分析方法分析1956 年～2020 年黃河沿、瑪曲和唐乃亥年徑流量的趨勢性,采用Pettitt 檢驗法分析突變性和突變點,采用小波分析方法中的Morlet 小波進行周期性分析。

4 結果與分析

4.1 趨勢性分析

1956 年～2020 年黃河源區年徑流量變化過程見圖2,根據MK 趨勢檢驗結果可知,黃河沿站MK 檢驗統計量Zc值為-0.59,大于-1.96（0.05 顯著性水平）,且傾斜度β為-0.03＜0,因此,黃河沿站年徑流量呈現不顯著的減少趨勢；瑪曲站MK 趨勢檢驗可知,檢驗統計量Zc值為0.02,且小于1.96,傾斜度β為0.01＞0,則呈現不顯著的增加趨勢；唐乃亥站檢驗統計量Zc值為0.03,傾斜度β為0.01＞0,則呈現不顯著的增加趨勢。

圖2 1956 年～2020 年黃河源區年徑流量變化趨勢圖

4.2 突變性分析

對1956 年～2020 年黃河源區年徑流量進行Pettitt 突變檢驗,檢驗結果見圖3,黃河沿站Pettitt 突變檢驗p值為0.17＞0.05,則黃河沿站年徑流量在時間序列中沒有發生顯著的突變；瑪曲站Pettitt 突變檢驗p值為0.57＞0.05,沒有發生顯著的突變；唐乃亥站Pettitt 突變檢驗p值為0.38＞0.05,沒有發生顯著的突變。

圖3 1956 年～2020 年黃河源區年徑流量Pettitt 突變檢驗結果圖

4.3 周期性分析

對1956 年～2020 年黃河源區年徑流量進行小波分析研究其周期性見圖4,黃河沿站第一主周期的周期大小為18 年,第二主周期的周期大小為6 年；瑪曲站第一主周期的周期大小為24 年,第二主周期的周期大小為7 年；唐乃亥站第一主周期的周期大小為24 年,第二主周期的周期大小為9 年。分別將周期尺度對應的小波實部繪制出小波實部過程線（圖5、圖6）。黃河沿站在18 年的第一主周期上,大約經歷了3個豐枯轉換期（圖5（a））；在6 年的第二主周期上,大約經歷了9 個豐枯轉換期（圖6（a））。瑪曲站在24 年的第一主周期上,大約經歷了3 個豐枯轉換期（圖5（b））；在7 年的第二主周期上,大約經歷了9 個豐枯轉換期（圖6（b））。唐乃亥站在24 年的第一主周期上,大約經歷了2 個豐枯轉換期（圖5（c））；在9 年的第二主周期上,大約經歷了7 個豐枯轉換期（圖6（c））。

圖4 1956 年～2020 年黃河源區年徑流量小波方差圖

圖5 1956 年～2020 年黃河源區年徑流量第一主周期小波實部過程圖

圖6 1956 年～2020 年黃河源區年徑流量第二主周期小波實部過程圖

4.4 討論

黃河源區黃河沿站1956 年～2020 年平均年徑流量為10.90 億m3,瑪曲站為144.52 億m3,唐乃亥站為203.72 億m3,可知黃河沿-瑪曲是黃河源區主要的產流區,其徑流占黃河源區唐乃亥出口處徑流的66%。主要原因為西太平洋暖濕氣流從久治、瑪曲、若爾蓋一帶進入黃河源區,黃河沿－瑪曲區域的多年平均降水量高于其他分區,進而影響徑流量大小[18]。

1956 年～2020 年黃河源區黃河沿站年徑流量呈現不顯著的減少趨勢,瑪曲站、唐乃亥站呈現不顯著的增加趨勢。基于水文氣象站點1956 年～2018 年實測降水和氣溫資料,采用考慮相關系數的距離平方反比法對降水和氣溫實測數據進行空間展布,得到3 個分區（黃河沿以上、黃河沿－瑪曲、瑪曲－唐乃亥）逐年的降水量[19]和氣溫[20]。采用Mann-Kendall 趨勢性分析法對三個分區進行分析,發現黃河沿以上年降水呈顯著增加趨勢,黃河沿－瑪曲、瑪曲－唐乃亥呈不顯著增加趨勢；而3 個區域年均氣溫均呈現顯著性增長趨勢,但黃河沿以上增加更快。判斷黃河沿以上蒸發增加的速度超過降水增加的速度,而黃河沿－瑪曲和瑪曲－唐乃亥區間蒸發增加的速度低于降水增加的速度,故導致不同站點徑流變化呈現不同的特征。

5 結論

為深入分析黃河源區1956 年～2020 年徑流量變化規律,選取Mann-Kendall 趨勢性分析法、Pettitt 突變分析法和小波分析法進行分析。由結果可知,1956 年～2020 年黃河源區中黃河沿年徑流量呈不顯著減少趨勢,瑪曲、唐乃亥呈現不顯著增加的趨勢。分析原因可能是因為降水與氣溫共同作用。在整個系列年中3 個站點無顯著突變點。3 個站小波分析均得到兩個主周期,黃河沿第一主周期的周期大小為18 年,第二主周期的周期大小為6 年；瑪曲第一主周期的周期大小為24 年,第二主周期的周期大小為7 年；唐乃亥第一主周期的周期大小為24 年,第二主周期的周期大小為9 年。