董 軍, 胡進(jìn)寶， 魏國孝

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司， 陜西 西安 710032；2.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730000)

1 研究背景

伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源的消耗量日益俱增[1-3]。水資源短缺問題主要有水量供給不足和水質(zhì)污染嚴(yán)重，尤其是在缺水嚴(yán)重的西北干旱半干旱區(qū)，淡水資源變得更加珍貴。徑流過程主要是流域下墊面與氣候條件綜合作用的結(jié)果，其時(shí)空演化規(guī)律是水文水資源學(xué)研究的重點(diǎn)[4-6]。在人類活動和氣候變化的影響下，徑流的年內(nèi)分配等也會發(fā)生變化。研究表明大通河流域周邊流域的徑流量均發(fā)生了顯著的時(shí)空變化[7-10]。

大通河為黃河一級支流湟水的最大支流，也是海東地區(qū)的主要河流，多年平均徑流量28×108m3，水量相對豐富，大通河流域先后規(guī)劃并建設(shè)了“引大入秦”、“引大濟(jì)湟”、“引大濟(jì)西”等跨流域調(diào)水工程，成為青海東部和甘肅中西部重要的水源地，引起了越來越多學(xué)者的關(guān)注[11-13]。張曉曉等[14]對大通河的徑流進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在研究時(shí)段大通河流域年徑流量呈微弱減小趨勢，王麗君等[15]則研究了大通河流域徑流溯源度與河長的關(guān)系，劉賽艷等[16]則對大通河上游的徑流量變化進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)上游徑流量呈減小趨勢。近些年水利工程的修建和生態(tài)環(huán)境的變化對徑流量的影響越來越大，但是對大通河不同河段分別進(jìn)行研究的成果較少，而這些研究對大通河流域水資源配置和綜合治理至關(guān)重要。

本文在收集大通河流域天然徑流資料的基礎(chǔ)上，借助滑動平均、Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)和小波分析等方法，對大通河流域不同段水文站徑流的年內(nèi)年際變化特征和趨勢及周期性進(jìn)行分析，旨在為大通河流域水資源的開發(fā)利用與綜合治理提供合理依據(jù)，為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

大通河位于36°30′～38°25′N、98°30′～103°15′E之間，是黃河的二級支流，如圖1所示。大通河發(fā)源于祁連山脈東段拖來南山與大通山之間的沙杲林那穆吉木嶺，自西北向東南流經(jīng)青海省剛察、祁連、海晏、門源、互助、樂都等縣和甘肅省的天祝、永登，于青海省的民和縣享堂村匯入湟水。

大通河整個(gè)流域呈東西長、南北窄的狹長帶狀，海拔介于1 700～5 000 m，流域面積15 133 km2，干流全長560.7 km，河道坡降為4.65 %。多年平均流量約89.3 m3/s，年平均徑流量為28×108m3。

大通河流域地處內(nèi)陸高原，周圍群山環(huán)抱，東與黃土高原相接壤，西面毗鄰柴達(dá)木盆地，以南是湟水谷地，北與河西走廊相連，氣候類型為大陸性氣候，日照時(shí)間長，輻射強(qiáng)度大，晝夜溫差大，年平均氣溫為-1～8 ℃，年平均降水量為400～500 mm，其中汛期5-10月的降水量占全年降水量的80%以上。

圖1 大通河流域示意圖

2.2 數(shù)據(jù)來源

大通河流域上游尕大灘站和下游享堂站1952-2014年的徑流資料來自水文年鑒。大通河流域及周邊氣象站(野牛溝、祁連、剛察、門源、西寧、民和、烏鞘嶺等)的1960-2013年的年平均氣溫和年降水資料來自中國氣象數(shù)據(jù)中心。

2.3 研究方法

本文使用年內(nèi)分配不均勻系數(shù)CV[17]來分析大通河流域徑流量的年內(nèi)分配情況，使用滑動平均和M-K秩次檢驗(yàn)[18]來分析大通河徑流的年際變化趨勢，并對徑流的突變性進(jìn)行了分析研究，使用Morlet小波分析[19]來研究徑流的豐枯變化和周期規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流的年內(nèi)變化

大通河上游和中游以尕大灘水文站為分界點(diǎn)，該站以上區(qū)域?yàn)楦吆０紊絽^(qū)和草原，主要以冰川沼澤及降水補(bǔ)給為主，中游和下游主要以降水補(bǔ)給為主。大通河尕大灘站和享堂站流量的年內(nèi)分配如表1所示。

由表1可以看出大通河流量在年內(nèi)的變化呈現(xiàn)出明顯的單峰曲線，上游尕大灘站流量在1月和2月最小，占全年比重的1.66%，3月份到4月份隨著冰川的融化，流量逐漸增加，5月份隨著溫度的快速升高和降水量的逐漸增多，流量也迅速增加，在7月達(dá)到最大，為133.4 m3/s，徑流量占全年比重的22%，從9月開始逐漸減小，10-11月份急劇減小，到12月降低到低值水平。春季(3-5 月)、夏季(6-8 月)、秋季(9-11 月)、冬季(12-2 月)流量分別占全年流量的14.7%、54.6%、27.7%和3.0%。汛期(5-10月)徑流占全年徑流的87.81%。下游享堂站的流量變化趨勢與尕大灘站相同，也呈單峰曲線，在7月和8月最大，分別為201.5和198.6 m3/s，在1月和2月最小，分別為20.2和20.1 m3/s。享堂站四季的流量分別占全年流量的15.7%、48.9%、29.0%、6.5%。汛期流量占全年的81.9%。

表1 大通河流域流量年內(nèi)分配特征

圖2 大通河流域徑流量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)變化

此外，本文對大通河流域兩個(gè)水文站徑流量的年內(nèi)分配不均勻系數(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出大通河流域徑流量年內(nèi)分配比較不均勻，尕大灘站和享堂站的多年年內(nèi)分配不均勻系數(shù)分別為0.89和0.75。兩個(gè)水文站徑流量的年內(nèi)分配不均勻系數(shù)變化趨勢相同，從1980年以后有下降趨勢，這主要是受人類活動影響。尕大灘站不均勻系數(shù)較享堂站大，這是因?yàn)樵阪卮鬄┱局料硖谜局g修建了較多水電站，玉龍灘、東旭、雪龍灘、王天溝、連城、享堂峽等電站的水量調(diào)節(jié)對享堂站徑流量的年內(nèi)分配影響很大，涂新軍等[20]、黃生志等[21]等研究表明水利工程水量調(diào)節(jié)降低了徑流的年內(nèi)集中程度和不均勻性，這與本文的結(jié)論一致。另外尕大灘站位于高海拔地區(qū)，其徑流主要集中在汛期，這在一定程度上增加了徑流年內(nèi)分配的不均勻性，這與表1中兩個(gè)水文站在汛期的徑流量占比相一致。

3.2 徑流的年際變化

為了研究大通河徑流的年際變化，對尕大灘站和享堂站的年徑流量及5 a滑動平均進(jìn)行分析，得到的徑流量年際變化如圖3所示。

從圖3看出，1956-2013年尕大灘站年徑流量呈微弱的增加趨勢，變化率為0.19×108m3/10a，多年平均徑流為16.04×108m3，徑流量最大值和最小值分別出現(xiàn)在1989和1979年，徑流量分別為29.2×108和8.54×108m3。從5 a滑動平均可以看出，1956-1975年，1990-2013年尕大灘站徑流量波動較為平緩，1975-1990年徑流量波動較為劇烈。享堂站的徑流量呈減小趨勢，變化率為0.91×108m3/10a，多年平均徑流量為27.71×108m3，徑流最大值出現(xiàn)在1989年，為50.2×108m3，最小值出現(xiàn)在2004年，僅為13.22×108m3。從5 a滑動平均值可以看出享堂站徑流量從1952-1977年逐年減小，1978-1986年徑流量逐年增加，1987-2014年徑流量逐漸減小。兩個(gè)水文站的徑流量都在1989年出現(xiàn)極大值，這是因?yàn)樵?989年黃河上游地區(qū)發(fā)生了大面積降水，出現(xiàn)了洪水過程，所以該突變不具備連續(xù)性。

本文的研究結(jié)果與張曉曉等[14]對大通河的研究結(jié)果相一致，享堂站徑流量呈減小趨勢，而與劉賽艷[16]得到的結(jié)果不同，本文研究結(jié)果表明上游尕大灘站徑流量呈微弱增加趨勢，而劉賽艷的研究結(jié)果是大通河上游徑流量呈減小趨勢，分析其原因，首先是使用的研究方法不同，劉賽艷研究線性趨勢的對象是徑流量的累積距平，而本文研究線性趨勢的對象是5 a滑動平均，另外使用的徑流量時(shí)間序列不同，本文使用的時(shí)間序列比劉賽艷的研究序列長。

本文還采用M-K秩次檢驗(yàn)方法來檢驗(yàn)大通河上游尕大灘水文站和下游享堂水文站徑流序列的顯著性和突變點(diǎn)，將計(jì)算得到的UFk和UBk曲線繪制在統(tǒng)一坐標(biāo)范圍內(nèi)，顯著性水平取α=0.05，臨界值U0.05=±1.96。若兩條曲線超過臨界線，則說明上升或者下降趨勢明顯，若沒有通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，則表明流量可能在該時(shí)段發(fā)生了突變，以此來鑒別自然因素和人類活動對徑流量的影響。尕大灘和享堂站徑流量的M-K檢驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，尕大灘的UF和UB曲線在1959和2011年有兩個(gè)交點(diǎn)，對這兩個(gè)可能的突變點(diǎn)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，尕大灘站徑流量在1959和2011年附近并無顯著性趨勢變化，說明上游尕大灘站徑流量并未出現(xiàn)真正的突變，而享堂站的UF和UB曲線在1994年臨界線之間有一個(gè)交點(diǎn)，并且在2000年超出了臨界線，因此享堂站徑流量在2000年后顯著下降，在1994年發(fā)生突變，引大入秦工程的建成通水是引起突變的原因。

3.3 徑流的周期性變化

小波分析方法是在傅里葉分析方法上發(fā)展而來，可以提供序列變化的尺度和時(shí)間，目前已廣泛的應(yīng)用于水文氣象要素的變化特征中。本文使用Morlet小波變換對尕大灘站和享堂站1952-2014年的年徑流序列進(jìn)行周期性特征分析，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖3 大通河流域徑流量年際變化

圖4 大通河流域年徑流量UF-UB變化

圖5表明大通河流域的年徑流具有明顯的周期性。大通河上游的尕大灘站徑流量存在4、8、21 a左右的周期震蕩。最大峰值出現(xiàn)在21 a左右，說明21 a左右的周期震蕩最為明顯，為其第1主周期，其次是8和4 a左右的短周期。在特征時(shí)間為4 a的尺度下，年徑流經(jīng)歷了多次循環(huán)交替，主要分布在1970年之前和2000年之后，在8 a左右的特征時(shí)間尺度下，周期循環(huán)主要分布在1975-1995年，在21 a的特征時(shí)間尺度下，徑流規(guī)律較明顯。1956-1965年偏少，1966-1975年偏多，1976-1984年偏少，1985-1993年偏多，1994-2003年偏少，2004-2014年偏多。大通河下游的享堂站徑流量則存在著3、6、31 a左右的周期震蕩。其中31 a為第1主周期，3和6 a時(shí)間尺度下的循環(huán)交替時(shí)間與尕大灘站相同，31 a時(shí)間尺度下，從1952-1965年偏多，1966-1982年偏少，1983-1995年偏多，1996-2011年偏少。由此可見同一條河流的上游和下游徑流變化的周期性不完全一致，越到下游，其主周期越長。

3.4 徑流變化影響因素

引起徑流變化的因素主要有自然因素和人類活動，在自然因素中，氣溫主要是通過影響冰川融水等補(bǔ)給源和蒸發(fā)來間接影響徑流量，降雨量則是直接引起徑流量的變化，人類活動一方面通過增加河道外引用水量直接導(dǎo)致徑流量變化，另外人類活動還可以通過生產(chǎn)等活動改變流域下墊面間接改變徑流量。本文對大通河流域氣象站的氣溫和降水量進(jìn)行分析，來反映自然因素對大通河徑流量的影響。大通河上游和整個(gè)流域的氣溫和降水的年際變化如圖6所示。

圖6(a)、6(b)為尕大灘站以上流域的氣溫和降水量變化趨勢，圖6(c)、6(d)為大通河整個(gè)流域的氣溫和降水量變化趨勢。尕大灘站以上的多年平均氣溫和降水量分別為-0.7℃和401 mm，整個(gè)流域的多年平均氣溫和降水量分別為1.9℃和408 mm。尕大灘站上游的氣溫和降水量變化趨勢與整個(gè)流域變化趨勢相同。1960-2013年，大通河流域的年平均氣溫呈上升趨勢，其增溫率為0.27℃/10a，5 a滑動平均由1960年的1.4 ℃增加到2013年的3.0 ℃。從5 a滑動平均的趨勢線可以看到，從1960-1982年大通河流域氣溫呈現(xiàn)出微弱的上升趨勢，增溫率為0.078 ℃/10a，1983-2013年大通河流域氣溫升高較快，變化率為0.429 ℃/10a。其中最低氣溫出現(xiàn)在1967年，為0.7 ℃，最高氣溫出現(xiàn)在1988、2006和2013年，均為3.0℃，最高氣溫的出現(xiàn)都在近20年，這是因?yàn)?981年之后中國西北地區(qū)氣溫大幅增加，大通河流域氣溫處于相對高溫狀態(tài)[22]。

圖5 大通河流域尕大灘站和享堂站年徑流量小波變換實(shí)部及方差圖

圖6 大通河流域尕大灘站以上流域及整個(gè)大通河流域氣溫和降水量年際變化

1960-2013年大通河流域的降水量整體呈上升趨勢，變化率為7.1 mm/10a，其中1960-1982年降水量增加率為2.34 mm/10a，2003年后降水量變化率為6.40 mm/10a。1967、1988和2003年的降水量較大，分別為499、494 和499 mm，降水量極小值出現(xiàn)在1962和1991年，分別為299 和297 mm。

對尕大灘站和享堂站的徑流量分別與大通河上游和全流域的氣溫和降水進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明兩個(gè)站的徑流量與降水的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)分別為0.69和0.60，而與氣溫的相關(guān)性較差，分別為0.05和0.28。這是因?yàn)榇笸ê訌搅髋c降水量直接相關(guān)，而氣溫則是通過影響其他氣象要素來間接影響徑流量。通過對比發(fā)現(xiàn)享堂站與氣溫的相關(guān)性好于尕大灘站，而與降水的相關(guān)性比尕大灘站差。另外人類活動對大通河流域徑流量的影響很大。1960-1993年尕大灘站和享堂站的徑流量變化趨勢基本相同，但是1994年之后，尕大灘站的徑流量逐年增加，而享堂站的徑流量逐漸減小，這是因?yàn)閺拇笸ê酉蚋拭C秦王川輸水的“引大入秦”工程在1994年總干渠建成通水，輸水渠首樞紐位于大通河下游的天堂寺，引大入秦工程的通水對大通河下游徑流量影響很大。1994年以后氣溫和降水量的變化都呈升高趨勢，氣溫的升高加快了冰川積雪的融化，在一定程度上增加了河流的徑流，而降水量的升高直接導(dǎo)致徑流量增加，然而由于人類活動，大通河下游的徑流量依然呈減小趨勢，這說明人類活動對徑流量的影響超過了降水量和氣溫，是導(dǎo)致這段時(shí)間內(nèi)徑流變化的主要因素[23-24]。

4 結(jié) 論

本文利用大通河流域上游尕大灘站和下游享堂站的徑流數(shù)據(jù)和大通河流域的氣象站數(shù)據(jù)，對大通河流域徑流變化特征及驅(qū)動因素進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)大通河流域徑流量年內(nèi)分配不均勻，享堂站四個(gè)季節(jié)的徑流分別占全年徑流的15.7%、48.9%、29.0%、6.5%。尕大灘站和享堂站汛期徑流分別占全年的87.81%和81.9%。受水利工程的影響，大通河上游徑流年內(nèi)分配不均勻性高于下游。

(2)1952-1991年，大通河上游和下游徑流變化趨勢相同，基本呈上升趨勢，1994年以后，受氣溫和降水影響，上游徑流量呈微弱的增加趨勢，1994年“引大入秦”工程建成通水后，下游享堂站徑流量依然呈下降趨勢。

(3)小波分析結(jié)果表明上游尕大灘站徑流量存在存在4、8、21 a左右的周期震蕩，21 a為第1主周期；下游的享堂站徑流量則存在著3、6、31 a左右的周期震蕩，其中31 a為第1主周期。

(4)影響大通河流域徑流的主要影響因素為氣溫、降水量和人類活動。受徑流補(bǔ)給方式的影響，大通河流域下游徑流量與氣溫和降水的相關(guān)性好于上游。人類活動對徑流量的影響超過氣溫和降雨量，成為影響徑流變化的最主要因素。