趙美亮, 曹廣超, 曹生奎, 劉富剛,李洋洋, 張 卓, 刁二龍, 陳治榮

(1.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 西寧 810008; 2.青海省自然地理與環(huán)境過程重點(diǎn)實驗室, 西寧 810008;3.青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點(diǎn)實驗室, 西寧 810008; 4.青海省人民政府—北京師范大學(xué)高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院, 西寧 810008; 5.德州學(xué)院 資源環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 山東 德州 253000)

近年來，氣候變化吸引了全球的普遍關(guān)注，成為國際科學(xué)研究的熱點(diǎn)。第五次發(fā)布的IPCC報告指出地球表面的平均溫度自1880—2012年大約升溫0.85℃，中國同期氣溫上升約0.65℃[1]。氣候變化通過影響陸面水文循環(huán)的過程使區(qū)域水資源在時空分布發(fā)生變化，進(jìn)而對地表水資源產(chǎn)生重要影響[2-3]。因此，國內(nèi)外眾多學(xué)者從不同的角度持續(xù)關(guān)注氣候變化與河川徑流之間的關(guān)系[4-5]。王珂等人通過對瀾滄江源區(qū)氣候和徑流的研究發(fā)現(xiàn)，降水量是影響年徑流量的主控因素，而冬季和初春季節(jié)，氣溫升高加劇研究區(qū)內(nèi)冰雪的消融，進(jìn)而導(dǎo)致流域徑流的增加[4]。孫棟元等人通過對疏勒河干流徑流的變化特征研究指出，5—9月份徑流量占全年的50%以上，徑流年內(nèi)分配極不均勻[6]。張雪琪等人對葉爾羌河流域的氣候變化及徑流響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，徑流量與濕季氣溫呈正相關(guān)，與濕季平均風(fēng)速、相對濕度呈負(fù)相關(guān)，干季的降水量與上游徑流呈正相關(guān)關(guān)系[7]。李云武等人通過對祁連山八寶河流域的氣候和徑流研究發(fā)現(xiàn)，干季徑流量較小，主要受氣溫上升、凍土退化的影響，降水量則是導(dǎo)致濕季徑流量變化的主要原因[8]。

大通河是黃河的二級支流，發(fā)源于祁連山南坡沙杲林那穆吉木嶺，河流落差大，水資源豐富，是青海省東北部和甘肅西部重要的水源地，在青海、甘肅兩省社會和生態(tài)中具有十分重要的地位[9-13]。近年來隨著跨流域調(diào)水及水利水電站等工程的開放建設(shè)，造成河流流量不斷下降、水質(zhì)惡化等一系列的生態(tài)環(huán)境問題。黃維東等[14]研究表明大通河流域水資源開發(fā)導(dǎo)致水文過程及生態(tài)環(huán)境惡化。張曉曉等[15]對大通河徑流量變化特征研究發(fā)現(xiàn)大通河流域年徑流在1950—2005年呈微弱減少趨勢，并指出未來一段時間內(nèi)徑流仍然會呈現(xiàn)減少趨勢。劉賽艷等[16]對大通河上游徑流量研究發(fā)現(xiàn)氣溫升高和人類活動共同導(dǎo)致了徑流量的減少。前人對大通河的研究多集中在源頭或流域徑流變化特征[9,12]及流域水資源開發(fā)引起的水文生態(tài)環(huán)境等方面[11,14-17]，而圍繞徑流對氣候變化響應(yīng)角度的研究相對較少。因此，本文采取趨勢分析、MK突變檢驗及小波分析等研究方法對流域內(nèi)具有代表性的尕日得、青石嘴及享堂水文站1956—2016年徑流數(shù)據(jù)和附近7個氣象站點(diǎn)的氣溫、降水氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析氣候變化特征，探討氣候變化背景下徑流的演變規(guī)律，研究結(jié)果為該區(qū)域的水資源管理及今后相關(guān)研究提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

大通河流域(36°30′—38°25′N，98°30′—103°15′E)位于青藏高原東北部，北抵祁連山脈，南臨大通山，是黃河的二級支流。大通河全長554 km，發(fā)源于祁連山南坡沙杲林那穆吉木嶺，自西北向東南流經(jīng)青海省和甘肅省兩省的9個縣，最后由民和縣境內(nèi)注入湟水河。大通河徑流補(bǔ)給來源以降水為主。流域內(nèi)1956—2016年多年平均氣溫約1.95℃，多年平均降水約380 mm，植被類型以林地、草地和高山灌叢草甸等為主。根據(jù)流域地形地貌特征，以尕日得、青石嘴和享堂水文站將流域劃分為上、中、下游。

本文選用大通河流域尕日得、青石嘴和享堂水文站1956—2016年逐月徑流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于青海省水文與水資源局；選取大通河流域及其附近地區(qū)7個氣象站同期氣候數(shù)據(jù)，來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)。所有數(shù)據(jù)經(jīng)過極值和一致性檢驗。站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 研究區(qū)域及氣象、水文站點(diǎn)分布

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall突變檢驗 采用Mann-Kendall突變檢驗方法(下稱M-K檢驗)分析氣候及徑流要素的突變特征，M-K方法是一種廣泛用于氣候水文分析的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其主要優(yōu)勢是樣本不需要服從正態(tài)分布[18-20]。

首先，對于含有n個樣本量的時間序列x，構(gòu)造一秩序列：

(1)

(2)

(3)

給出顯著性水平0.05，得到Ua兩條臨界值線為±1.96。若正向序列UF>0，表明序列呈明顯的上升趨勢，反之，呈下降趨勢。當(dāng)超出Ua臨界值線時，趨勢顯著。正向序列UF與逆向序列UB在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)是突變開始的時間[18]。本文中根據(jù)MK突變檢驗曲線和累積距平曲線對突變點(diǎn)進(jìn)行綜合判斷。

1.2.2 小波分析 小波分析是目前在氣候、水文學(xué)中廣泛應(yīng)用的一種時頻分析方法[21]，它可以根據(jù)小波基的變換反映氣候及徑流要素在時間序列的周期震蕩，揭示其變化趨勢[22]。表達(dá)式為[23]：

(4)

式中:π，e為常數(shù);Fb，F(xiàn)c分別表示頻帶寬度系數(shù)和wavelet的中心頻率。

小波方差var是對時間尺度上小波系數(shù)的平方值進(jìn)行積分，即[23]：

對于在校學(xué)生來說，學(xué)校和家庭是最重要的教育資源。如果任何一方缺失，我們的教育不全面，學(xué)生的心理發(fā)展都不健全。如果一個方面薄弱，我們的教育將產(chǎn)生內(nèi)部摩擦，這將消耗教育的合力。家庭是孩子的第一所學(xué)校，父母是孩子的第一任老師。家長對子女的要求和期望也是多層次的，這些要求、期望和學(xué)生的實際情況可能與我們的教育思想不一致。因此，我們應(yīng)該改進(jìn)家庭與學(xué)校之間的交流方式，使我們能夠相互了解，在教育孩子的觀念和實際教育方式上達(dá)成共識，從而形成教育的合力。

(5)

小波方差能直觀的反映信號在時間尺度的分布情況，可用于確定某一現(xiàn)象的震蕩的主周期，小波方差圖體現(xiàn)出信號在時間尺度上的分布情況。因此，信號中主要時間尺度周期可由小波方差圖檢驗得到[23]。

1.2.3 相關(guān)分析 相關(guān)系數(shù)是用來衡量兩個要素之間密切程度的統(tǒng)計量。其公式為[24-26]：

(6)

式中:r為兩個變量x與y的相關(guān)系數(shù),其取值介于[-1,1]；n為樣本量；xi，yi分別代表第i個序列值。當(dāng)r>0時,表明兩變量呈正相關(guān);反之,為負(fù)相關(guān)。給定顯著性水平α,若|r|>rα。表明相關(guān)是顯著的,否則是不顯著的。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化特征

2.1.1 趨勢分析 通過線性回歸分析確定1956—2016年大通河流域氣溫、降水變化特征，從圖2可以看出：

(1) 氣溫:1956—2016年大通河流域平均氣溫為1.95℃，最低氣溫出現(xiàn)在1967年的0.75℃，最高氣溫出現(xiàn)在2016年的3.27℃，極差達(dá)到2.52℃。大通河流域多年平均氣溫變化傾向率為0.22℃/10 a(p<0.01)。在1956—1985年平均氣溫低于多年平均氣溫，在1986—1996年平均氣溫波動劇烈，1997—2016年超過多年平均氣溫，以0.34℃/10 a (p<0.01)的速度上升，升溫趨勢明顯。

(2) 降水：1956—2016年大通河流域多年平均降水量為379.96 mm，最低降水量出現(xiàn)在1962年，低至237.06 mm，最高降水量出現(xiàn)在2014年，高達(dá)520.41 mm，極差達(dá)到283.35 mm。大通河流域多年降水變化傾向率為26.78 mm/10 a(p<0.01)。其在1981年以前(除1958年、1961年、1964年、1967年外)低于多年平均值，1981—2016年(除1982年、1984年、1987年、1990年、1991年、2001年、2002年外)基本處于多年平均值以上。

圖2 1956-2016年大通河流域氣溫降水變化特征

2.1.2 突變分析 通過上述MK檢驗方法(公式1—3)確定1956—2016年大通河流域氣溫、降水突變特征。

(1) 氣溫：大通河流域多年平均氣溫在研究時段內(nèi)均發(fā)生由低溫向高溫的突變(圖3A)。平均氣溫1999年突變前后分別為1.7℃和2.58℃，突變后上升了0.88℃；通過分析UF曲線可知，在1960—1972年、1973—1989年UF<0，氣溫處于下降狀態(tài)；1956—1959年、1990—2016年UF>0，氣溫處于增加狀態(tài)，并且在2000年以后超過信度曲線，增溫顯著。

圖3 大通河流域1956-2016年氣溫、降水突變特征

2.1.3 周期分析 以大通河流域1956—2016年氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于Morlet復(fù)小波函數(shù)分析(公式4，5)其氣候周期性變化特征。

(1) 氣溫:根據(jù)氣溫小波分析結(jié)果(圖4A)可知，1956—2016年大通河流域平均氣溫存在6 a，13 a及22 a尺度的周期變化，結(jié)合小波方差圖可知，22 a尺度的周期變化占據(jù)主周期，1956—2016年共經(jīng)歷了5個正相位，分別為1956—1961年、1970—1976年、1985—1991年、1999—2006年、2014—2016年；4個負(fù)相位、分別為1962—1969年、1977—1984年、1992—1998年，2007—2013年。此外，13 a尺度的副周期也在整個研究時段內(nèi)均有體現(xiàn)。

(2) 降水：根據(jù)降水小波分析結(jié)果(圖4B)可知，1956—2016年大通河流域降水存在7 a和20 a尺度的周期變化。結(jié)合小波方差圖可知，20 a尺度的變化是主周期，在整個研究時段內(nèi)均有體現(xiàn)，其中，1956—1961年、1969—1973年、1983—1989年、1999—2004年、2012—2016年對應(yīng)其5個正相位；1962—1968年、1974—1982年、1990—1998年、2005—2011年對應(yīng)4個負(fù)相位。7 a尺度的副周期變化在1956—1975年和1985—2014年比較明顯。

圖4 1956-2016年大通河流域氣溫及降水小波周期

2.2 徑流量變化特征

2.2.1 年內(nèi)變化特征 大通河多年月平均徑流量呈現(xiàn)出不均勻的分布狀態(tài)(圖5)。其中尕日得、青石嘴和享堂站均在7月份徑流量達(dá)到最大，分別占年徑流量的25.63%，21.88%和19.24%；在2月份達(dá)到最小，分別占年徑流量的0.79%，0.88%和1.77%。年內(nèi)徑流量主要集中分布于5—10月，尕日得、青石嘴和享堂站6個月的徑流量分別占其年徑流量89.56%，87.33%和81.97%。

圖5 大通河流域1956-2016年月平均徑流量變化特征

2.2.2 年際變化特征

(1) 徑流變化趨勢特征。1956—2016年大通河尕日得、青石嘴和享堂3個水文站多年平均徑流量分別為8.53億m3，16.39億m3,27.52億m3。其中，尕日得站年均徑流量最大值出現(xiàn)在1989年的16.28億m3，最小值出現(xiàn)在1973年的3.87億m3，極差為12.41億m3；青石嘴站年均徑流量最大值出現(xiàn)在1989年的29.3億m3，最小值出現(xiàn)在1979年的8.64億m3，極差為20.66億m3；享堂站年均徑流量最大值出現(xiàn)在1989年的50.19億m3，最小值出現(xiàn)在2015年的19.95億m3，極差為30.24億m3。由圖6可知，除享堂站徑流量呈現(xiàn)出下降趨勢外(傾向率為-0.87億m3/10 a (p<0.05))，尕日得和青石嘴站均呈現(xiàn)出一定的上升趨勢，其上升速率分別為0.1億m3/10 a，0.3億m3/10 a。分析得到大通河上游、中游的尕日得和青石嘴站徑流量呈增加趨勢，這得益于近年來降水的增加及溫度升高引起的冰雪融水消融，下游的享堂站受人類活動的影響(跨流域調(diào)水及下墊面的改變)徑流量呈現(xiàn)下降趨勢，這與董軍等[9]關(guān)于大通河的研究結(jié)論基本一致，但其變化速率與之不同，主要是本文所選用的站點(diǎn)及研究時段不同導(dǎo)致的。氣候因素一直影響大通河徑流變化，但在一定的條件下，人類活動因素反而占據(jù)主導(dǎo)地位，人類活動與氣候變化對大通河徑流影響的具體細(xì)節(jié)仍需進(jìn)一步工作。

圖6 大通河1956-2016年徑流量變化特征

(2) 突變分析。運(yùn)用M-K檢驗法對大通河1956—2016年徑流量進(jìn)行突變分析(圖7)，可以看出:尕日得站的UF與UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)存在多個交點(diǎn)，通過對累積距平和變化趨勢進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，尕日得徑流量在2010年前后發(fā)生突變，突變前平均徑流量為8.37億m3，突變后平均徑流量為9.98億m3，突變后較突變前增加了1.61億m3。通過分析其UF變化曲線可知，尕日得站在1956—1977年UF曲線波動劇烈，在1978—1987年和1994—2011年UF<0，徑流量下降；在2012—2016年UF>0，年徑流量上升。根據(jù)青石嘴站M-K檢驗曲線、累積距平曲線及趨勢特征綜合分析判定其突變發(fā)生于2001年，突變前平均徑流量為15.83億m3，突變后平均徑流量為18.13億m3，突變后較突變前增加了2.3億m3。通過分析其UF變化曲線可知，青石嘴站在1956—1959年、1964—1969年和2007—2016年UF>0，年徑流量上升，但未超過信度曲線，增加趨勢不顯著；1960—1963年、1977年、2006年UF<0，年徑流量下降；1970—1976年波動起伏劇烈。享堂站UF，UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)相交于2000年，結(jié)合累積距平曲線及其徑流變化趨勢特征認(rèn)定2000年為享堂站的突變點(diǎn)，突變前平均徑流量為28.59億m3，突變后平均徑流量為24.75億m3，突變后較突變前減少了3.84億m3。通過分析其UF變化曲線可知，享堂站UF曲線在1956—1976年波動起伏劇烈，1988—1995年UF>0，年徑流量上升，1977—1987年和1996—2016年UF<0，徑流量呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，其中2014—2016年超過信度曲線，下降趨勢顯著。

(3) 周期變化特征。以大通河尕日得、青石嘴和享堂水文站1956—2016年徑流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于Morlet復(fù)小波函數(shù)對其年際變化特征進(jìn)行分析并通過小波方差檢驗，小波分析結(jié)果見圖8。

大通河尕日得水文站年凈流量存在13 a和22 a尺度的周期震蕩，經(jīng)小波方差檢驗發(fā)現(xiàn)，22 a尺度的周期震蕩是其第一主周期，在整個研究時段內(nèi)經(jīng)歷了4個“豐—枯”轉(zhuǎn)換期；13 a尺度的周期變化在20世紀(jì)90年代以前表現(xiàn)較為強(qiáng)烈，研究時段內(nèi)經(jīng)歷了6個“豐—枯”轉(zhuǎn)換期。青石嘴水文站存在6 a，10 a和22 a尺度的周期震蕩，22 a尺度是其第一主周期，共經(jīng)歷了4個“豐—枯”轉(zhuǎn)換期，在10 a尺度上經(jīng)歷了8個“豐—枯”轉(zhuǎn)換期，在6 a尺度上波動不明顯。享堂水文站存在5 a，9 a和22 a尺度的周期變化，經(jīng)小波方差檢驗22 a是其第一主周期，在整個研究時段內(nèi)均有體現(xiàn)，而5 a的周期震蕩出現(xiàn)在1970年以前，1970年以后這種周期震蕩逐漸被9 a左右的周期震蕩所取代。

通過上述分析可知，大通河3個水文站均存在22 a尺度的主周期變化，在此周期內(nèi)，均經(jīng)歷了4個“豐—枯”交替循環(huán)過程。其次，3個水文站中，尕日得水文站的周期變化與氣溫的周期變化呈現(xiàn)出較好的關(guān)系，說明其可能受氣溫的影響較大；另外青石嘴和享堂站的周期變化較為復(fù)雜，存在多尺度的周期震蕩，這可能受其他補(bǔ)給方式及水資源開發(fā)利用的影響。

圖7 1956-2016年大通河徑流量突變特征

2.3 影響因素

2.3.1 相關(guān)性分析 選取大通河尕日得、青石嘴和享堂站1956—2016年徑流量數(shù)據(jù)與同期大通河流域氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析(表1)，以揭示氣候要素對大通河徑流的影響。

由表1可知，尕日得站除平均最高氣溫外，與其他氣候要素呈正相關(guān)關(guān)系，其中與降水量相關(guān)系數(shù)最大，為0.395(p<0.01)；青石嘴站與尕日得站相關(guān)系數(shù)趨同，除平均最高氣溫外，與其他氣候要素呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，其中與降水量相關(guān)系數(shù)最大，為0.5(p<0.01)，其次為平均最低氣溫0.385(p<0.01)；享堂站由于跨流域調(diào)水等人類活動的影響，徑流變化的影響因素較為復(fù)雜，與降水量相關(guān)系數(shù)為0.301(p<0.05)，與其他氣象要素均為負(fù)相關(guān)關(guān)系。綜上可知，大通河3個水文站徑流量與降水的相關(guān)性較好，這表明降水是大通河徑流的主要補(bǔ)給方式，氣溫通過影響冰雪融水和蒸散發(fā)來作用徑流量。

圖8 1956-2016年大通河徑流周期性Morlet小波分析

此外，劉賽艷等[12]研究認(rèn)為自20世紀(jì)90年代以來，在全球氣候變暖的大背景下，大通河河源區(qū)雪線的不斷上移甚至消失導(dǎo)致了徑流量的顯著減少；說明溫度對徑流變化減小的作用一方面體現(xiàn)在影響冰川積雪的儲量來作用徑流量，另一方面則是通過影響蒸發(fā)作用進(jìn)而減少徑流量，但就其在徑流變化中所貢獻(xiàn)的程度仍需進(jìn)一步研究。

表1 徑流量與氣溫、降水相關(guān)系數(shù)

2.3.2 人為因素的影響分析 人為因素對大通河流域徑流的影響主要來自于兩方面，一是跨流域調(diào)水引起徑流量下降。流域內(nèi)目前已建成跨流域調(diào)水工程3處，分別為1995年“引大入秦”工程，設(shè)計引水量4.43億m3；2003年“引硫濟(jì)金”工程，設(shè)計引水量0.4億m3；2016年“引大濟(jì)湟”一期工程，設(shè)計引水量3.5億m3。隨著生產(chǎn)、生活用水的增加及社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對大通河的取水量勢必會增加，這也將導(dǎo)致大通河徑流量逐年減少。二是流域地表覆被變化也會對徑流產(chǎn)生一定的影響，朱麗蓉等人[27]對干旱區(qū)的昌化江徑流研究發(fā)現(xiàn)，大規(guī)模經(jīng)濟(jì)作物的種植、大型水利工程建設(shè)和土壤侵蝕造成的下墊面變化間接導(dǎo)致了昌化江徑流量下降；代曉穎等人[28]通過對秦淮河流域的研究發(fā)現(xiàn)隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，1987—2013年流域內(nèi)建設(shè)用地大幅度增加，植被覆蓋度呈減少趨勢，使得其調(diào)節(jié)徑流的功能減弱，洪澇風(fēng)險增加。總體上來看，大通河流域人類活動對徑流的影響主要體現(xiàn)在跨流域調(diào)水工程和地表覆被變化兩方面。根據(jù)相關(guān)研究可知[13]，大通河流域自20世紀(jì)90年代以來，土地利用類型以草地和林地為主，沒有發(fā)生大的變化，因此地表覆被變化對徑流的影響作用較弱，引起大通河徑流變化的主要人為因素是跨流域調(diào)水工程。

3 結(jié) 論

(1) 1956—2016年大通河流域氣候呈現(xiàn)暖濕化趨勢，氣溫變化速率為0.22℃/10 a(p<0.01)，降水變化速率為26.78 mm/10 a (p<0.01)；氣溫、降水分別在1999年、1982年發(fā)生變暖、增加性突變；且兩者小波主周期分別為22 a，20 a。

(2) 大通河流域年內(nèi)徑流量呈現(xiàn)出不均勻的分布狀態(tài)，尕日得、青石嘴和享堂3個水文站在汛期(5—10月)的徑流量分別占其年徑流量的89.56%，87.33%和81.97%。1956—2016年，大通河尕日得和青石嘴站的徑流量以0.1億m3/10 a，0.3億m3/10 a上升，享堂站徑流量以-0.87億m3/10 a(p<0.05)的速率下降；且尕日得、青石嘴和享堂三站分別在2010年、2001年、2000年發(fā)生突變，除享堂站外，其余兩站突變后徑流量均增加；大通河3個水文站均存在22 a尺度的主周期變化，且周期內(nèi)均經(jīng)歷了4個“豐—枯”交替循環(huán)。

(3) 大通河3個水文站徑流量與降水量均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，降水是其主要補(bǔ)給來源；與平均最高氣溫呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系；尕日得和青石嘴站與平均氣溫、平均最低氣溫呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。這表明徑流變化除受氣候變化的影響外，還受人類活動等因素的影響。由于尕日得和青石嘴站處于河流中上游，人為因素干擾較小，氣候變化是其徑流的主要影響因素。一方面氣溫升高導(dǎo)致的冰雪融水補(bǔ)給徑流，另一方面可能存在溫度升高加快河流的蒸發(fā)導(dǎo)致徑流減小的影響。下游的享堂站則由于跨流域調(diào)水等人類活動的影響，徑流變化較為復(fù)雜。