李 楊, 王 婕, 唐雄朋, 羅 賢, 談曉珊, 王國慶,6

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源與水權(quán)收儲(chǔ)中心, 呼和浩特010020;2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210029;3.水利部 應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心, 南京 210029; 4.云南大學(xué) 國際河流與生態(tài)安全研究院,昆明 650500; 5.水利部 南京水利水文自動(dòng)化研究所, 南京 210012; 6.長江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院, 南京 210098)

近半個(gè)世紀(jì)以來，由于全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響，全球乃至區(qū)域的河川徑流普遍發(fā)生一定的變化，并且大部分干旱脆弱區(qū)徑流變化顯著[1-2]。河川徑流作為主要的地表水資源，其變化特征直接影響著水資源管理及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3-4]，對(duì)于跨境河流來說，河川徑流的變化甚至影響到地區(qū)或國家之間的水資源分配或戰(zhàn)爭[5-6]。因此，研究河川徑流演變特征對(duì)流域水資源高效利用、科學(xué)配置等方面均具有重要意義[7]。

變化環(huán)境下流域水文響應(yīng)是國際水文科學(xué)協(xié)會(huì)(International Association of Hydrological Sciences,IAHS)新一輪十年計(jì)劃(Panta Rhei—Everything Flows)的核心主題[8]，一直是國內(nèi)外水文學(xué)者及流域管理部門關(guān)注的重要內(nèi)容[9-13]。鮑振鑫等利用Mann-Kendall方法分析了1956—2016年期間黃河流域徑流的演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)除源頭區(qū)年徑流變化不顯著以外，黃河流域其余地區(qū)徑流呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢[11]；黃河最大支流渭河流域自20世紀(jì)70年代以來的大規(guī)模水土保持措施是中游徑流減少的主要原因[12]。肖紫薇等采用線性傾向估計(jì)法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法及滑動(dòng)T檢驗(yàn)等多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合的途徑，研究了長江流域1954—2008年的徑流演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)徑流年內(nèi)分配不均勻性存在較為明顯的時(shí)間變化和空間變化[13]，大型水利工程運(yùn)行調(diào)度氣候因素是徑流季節(jié)變化的重要原因之一[14]。劉靜等對(duì)塔里木河等中國西部流域的研究結(jié)果表明，阿克蘇河和葉爾羌河徑流量增長趨勢明顯，和田河徑流呈現(xiàn)輕微增長趨勢[15]。目前已有研究結(jié)果表明，Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法是徑流演變最為常用和有效的分析方法；河川徑流對(duì)氣候變化響應(yīng)敏感，強(qiáng)烈人類活動(dòng)對(duì)水文節(jié)律影響顯著，變化環(huán)境下河川徑流演變對(duì)水資源利用提出新的挑戰(zhàn)[16-17]。

瀾滄江—湄公河是一條貫穿東南亞的重要跨國河流，受不同氣候帶和季風(fēng)影響，在旱季及雨季的流量差異極大，其徑流量對(duì)沿岸國家在農(nóng)業(yè)灌溉、水電、漁業(yè)和生態(tài)等方面有顯著影響[18-20]。孫周亮等對(duì)瀾湄流域干流徑流的演變特征分析認(rèn)為，干流實(shí)測徑流量呈現(xiàn)豐枯交替的演變態(tài)勢[21]。王若蘭對(duì)瀾滄江—湄公河水資源競爭利用情況進(jìn)行了分析，認(rèn)為未來瀾湄流域國水資源需求將更加多元化和復(fù)雜化，變化環(huán)境下水資源利用沖突可能會(huì)進(jìn)一步加劇[5]。目前對(duì)瀾湄流域徑流變化的研究多集中在干流水文站徑流特性的分析[5,18-21]，而區(qū)間徑流的演變趨勢、變異特征及年內(nèi)分配變化對(duì)水資源利用及下游航運(yùn)等方面具有更為直接的影響?；跒憸娼毓恿饔?個(gè)干流水文站1960—2012年的實(shí)測徑流資料，本文重點(diǎn)分析區(qū)間徑流量演變趨勢和變異特征，以及變化環(huán)境特別是水電開發(fā)下不同階段實(shí)測徑流季節(jié)分配的變化，以期為瀾湄流域水資源開發(fā)利用和水電開發(fā)決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 流域概況及資料來源

瀾滄江—湄公河地處94°—107°E和10°—34°N，流域面積81.1萬km2，是東南亞地區(qū)最大的國際河流。該河發(fā)源于青藏高原唐古拉山北麓，自西北向東南流經(jīng)中國、緬甸、老撾、泰國、柬埔寨和越南6個(gè)國家，干流全長4 880 km，是世界第9長河。湄公河在中國的部分稱為瀾滄江，流域面積16.5萬km2，約占全流域的20%。流出中國國境以后稱湄公河，流域包括了幾乎整個(gè)老撾以及柬埔寨、泰國的大部分地區(qū)。瀾滄江—湄公河流域上窄下寬，支流眾多；大于5 000 km2的支流有22條，主要集中在中下游地區(qū)。河流上游落差較大，水電資源豐富；下游地勢相對(duì)平坦，洪澇災(zāi)害突出。流域5—9月受西南季風(fēng)的影響，氣候炎熱潮濕；11月至次年3月受東北季風(fēng)影響，氣候干燥少雨。收集整理了湄公河干流昌都、舊州、允景洪、清盛、瑯勃拉邦、萬象、穆達(dá)漢和上丁站共8個(gè)水文站1960—2012年的實(shí)測徑流量資料，表1給出了水文站的基本信息。瀾湄流域水資源豐富，多年平均徑流量4 750億m3，居?xùn)|南亞主要江河首位。上丁站多年平均年徑流量4 076億m3，占流域徑流量的86%，該站徑流量的變化基本上代表了整個(gè)流域的水資源豐枯情勢。瀾滄江允景洪站多年平均徑流量548億m3，約占下游上丁站年徑流量的13.4%。

表1 瀾滄江-湄公河流域干流水文站基本信息

1.2 研究方法

1.2.1 瀾滄江—湄公河流域區(qū)劃及區(qū)間徑流量計(jì)算為分析徑流量的空間變化，根據(jù)水文站點(diǎn)將瀾滄江—湄公河流域上丁站以上劃分為8個(gè)區(qū)域，分別為：(1) 一區(qū)：昌都以上，(2) 二區(qū)：昌都—舊州，(3) 三區(qū)：舊州—允景洪，(4) 四區(qū)：允景洪—清盛，(5) 五區(qū)：清盛—瑯勃拉邦，(6) 六區(qū)：瑯勃拉邦—萬象，(7) 七區(qū)：萬象—穆達(dá)漢，(8) 八區(qū)：穆達(dá)漢—上丁。

上述8個(gè)區(qū)間的河長距離多在700 km之內(nèi)，在年尺度區(qū)間徑流量計(jì)算上可以不考慮區(qū)間匯流過程，因此，區(qū)間年徑流量可根據(jù)下式計(jì)算：

W區(qū)=W上-W下

(1)

式中:W區(qū)為區(qū)間年徑流量；W上和W下分別為區(qū)間上下站年徑流量。

1.2.2 水文序列趨勢與突變?cè)\斷方法 Mann-Kendall法是一種常用于水文、氣象系列變化趨勢診斷的分析方法。該方法為通過非正態(tài)分布數(shù)據(jù)系列計(jì)算統(tǒng)計(jì)量Zs(M-K值)，當(dāng)Zs<0時(shí)，為遞減趨勢，當(dāng)Zs>0時(shí)，系列為遞增趨勢。若統(tǒng)計(jì)量Zs不滿足-Z1-α/2≤Z≤Z1-α/2(α為給定的顯著水平)時(shí)，即表明序列趨勢顯著，反之，則趨勢不顯著。

有序聚類分析法是廣泛應(yīng)用于水文、氣象等序列變異性診斷的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，該方法的原理是優(yōu)化尋找最佳分割點(diǎn)，使同類之間的離差平方和較小，而異類之間的離差平方和較大；總離差平方和計(jì)算如下：

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 1960-2012年實(shí)測年徑流量演變趨勢

采用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法診斷了8個(gè)水文站及區(qū)間實(shí)測年徑流量的演變趨勢(表2)，由于一區(qū)為源頭區(qū)，區(qū)間徑流量即為昌都站實(shí)測徑流量，圖1給出了8個(gè)區(qū)間1960—2012年徑流量距平百分率過程。

表2 瀾滄江-湄公河流域區(qū)間及站點(diǎn)1960-2012年實(shí)測年流量趨勢診斷

由表2可以看出：(1) 舊州站和穆達(dá)漢站實(shí)測徑流量為非顯著性增加趨勢，平均線性傾向率分別為1.23,14.66 m3/(s·a)；其余6個(gè)水文站的實(shí)測年徑流量均呈現(xiàn)減少趨勢，其中，允景洪站減少趨勢顯著，平均線性遞減率為-6.69 m3/(s·a)；(2) 在區(qū)間徑流量的變化方面，一區(qū)、三區(qū)、五區(qū)和八區(qū)年徑流量呈現(xiàn)減少趨勢，其中，三區(qū)(舊州—允景洪)徑流量減少趨勢顯著，平均線性遞減率為-7.92 m3/(s·a)；其余4個(gè)區(qū)間徑流量為增加趨勢，二區(qū)和七區(qū)年徑流量為顯著性增加，線性增加率分別為2.00,24.13 m3/(s·a)；(3) 徑流量的傾向率變化與站點(diǎn)或區(qū)間徑流量的大小和徑流變化趨勢的顯著性都有很大的關(guān)系；一般來說，徑流量較大的站點(diǎn)或區(qū)間，其線性傾向率一般也會(huì)較大；譬如，盡管允景洪站實(shí)測徑流量顯著減小，瑯勃拉邦和萬象站為非顯著性減小，但瑯勃拉邦和萬象站徑流量的線性傾向率高于允景洪站。(4) 區(qū)間徑流量匯入下游站點(diǎn)，勢必對(duì)下游站點(diǎn)徑流量的變化有一定影響，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常顯著的影響。如昌都站徑流量呈現(xiàn)減少趨勢，由于二區(qū)徑流量的顯著增多，導(dǎo)致下游舊州站實(shí)測徑流量呈現(xiàn)增加趨勢。(5) 相比而言，舊州、允景洪、穆達(dá)漢和上丁站徑流量變化主要受該站的上游區(qū)間來水影響明顯；而清盛、萬象站徑流量的變化受上游區(qū)間的入流站點(diǎn)的影響明顯。

由圖1可以看出：(1) 一區(qū)(昌都站以上)最大和最小徑流量均發(fā)生在1980年之前，在20世紀(jì)60年代水量相對(duì)偏豐，70年代相對(duì)偏枯；實(shí)測徑流量以自然波動(dòng)為主，變化幅度有減小趨勢；六區(qū)(瑯勃拉邦—萬象)徑流量變化特征與一區(qū)相反，極值流量出現(xiàn)在2000年之后，變化幅度具有增大趨勢。(2) 四區(qū)(允景洪—清盛)和七區(qū)(萬象—穆達(dá)漢)徑流量演變態(tài)勢類似，均為先減小后增加的趨勢，這兩個(gè)區(qū)間在20世紀(jì)70，80年代為一個(gè)近20 a的相對(duì)枯水期。(3) 三區(qū)(舊州—允景洪)和八區(qū)(穆達(dá)漢—上丁)徑流量在2000年之前均為自然波動(dòng)，21世紀(jì)以來出現(xiàn)明顯的減少態(tài)勢。(4) 二區(qū)(昌都—舊州)徑流量變化兼并具有二區(qū)和四區(qū)徑流的演變特征，區(qū)間徑流量在20世紀(jì)80年代中期之前具有減少趨勢，隨后上升趨勢明顯，在2000年前后達(dá)到峰值然后下降。而五區(qū)(清盛—瑯勃拉邦)徑流量以自然波動(dòng)為主，最初和最后的兩個(gè)十年徑流量均相對(duì)偏低。

圖1 1960-2012年瀾滄江—湄公河區(qū)間年徑流量距平過程

圖2統(tǒng)計(jì)給出了湄公河8個(gè)區(qū)間在1960—2012年期間各個(gè)年代的年徑流距平百分率及其多元趨勢過程?？梢钥闯觯?1) 有4個(gè)區(qū)間徑流量年代際變化趨勢總體一致，分別為昌都以上、允景洪—清盛、瑯勃拉邦—萬象和萬象—穆達(dá)漢區(qū)間，均表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢。(2) 昌都—舊州和清盛—瑯勃拉邦區(qū)間徑流量年代際變化趨勢總體相反，昌都—舊州在1990s和2000—2012年徑流量較多年均值分別增加13.2%和8.7%，而清盛—瑯勃拉邦區(qū)間徑流量在這兩個(gè)時(shí)期較多年均值分別減少4.9%和12.2%。(3) 穆達(dá)漢—上丁區(qū)間徑流量年代際變化具有明顯的豐枯交替特征，而舊州—允景洪區(qū)間徑流量則出現(xiàn)較為明顯的減少趨勢，該區(qū)間2000—2012年徑流量較多年均值偏少25.2%。

圖2 瀾滄江-湄公河流域8個(gè)區(qū)間年代徑流量距平過程

2.2 干流水文站及區(qū)間徑流量的變異特征

當(dāng)流域受到氣候要素的劇烈變化或者高強(qiáng)度人類活動(dòng)的影響，水文過程會(huì)相應(yīng)地發(fā)生突然增加或減少的變化。采用有序聚類方法診斷了站點(diǎn)及區(qū)間徑流量系列的突變點(diǎn)(表3)，圖3給出了清盛、瑯勃拉邦及清盛—瑯勃拉邦區(qū)間徑流量離差平方和序列過程。

區(qū)間下游站流量不同程度上受區(qū)間徑流量和區(qū)間上游站流量的影響，清盛站徑流量在1973年發(fā)生突變，瑯勃拉邦站及清盛—瑯勃拉邦區(qū)間徑流量均在1985年和2003年發(fā)生突變?，槻顝搅髁客蛔兲卣髋c其上游區(qū)間徑流量突變特征完全一致，與區(qū)間上游站清盛站突變特征不同，說明瑯勃拉邦站徑流量變化主要受區(qū)間來水影響，相對(duì)來說，受區(qū)間上游入流影響相對(duì)較小(圖3)。

表3 瀾滄江—湄公河流域站點(diǎn)及區(qū)間徑流量突變年份診斷結(jié)果

圖3 湄公河第五區(qū)間(清盛-瑯勃拉邦)及區(qū)間入流站、出流站徑流量突變?cè)\斷

由表3可以看出：(1) 7個(gè)區(qū)間實(shí)測徑流量突變年份存在差異；三區(qū)、五區(qū)和六區(qū)實(shí)測徑流量序列存在兩個(gè)突變年份，另外4個(gè)區(qū)域徑流量只存在一個(gè)突變年份；最早的突變點(diǎn)發(fā)生在1985年(五區(qū)徑流量)，最晚的突變點(diǎn)發(fā)生在2008年(三區(qū)和六區(qū)徑流量)。(2) 8個(gè)水文站中有4個(gè)水文站(昌都、清盛、萬象和穆達(dá)漢)的徑流量只存在一個(gè)突變年份，另外4個(gè)水文站實(shí)測徑流量存在2個(gè)或3個(gè)突變點(diǎn)，最早的突變點(diǎn)發(fā)生在上丁站徑流量系列的1964年，最晚的突變年份發(fā)生在2008年(允景洪站)。(3) 區(qū)間徑流量突變年份多集中在1999年及其以后的時(shí)期，只有二區(qū)和五區(qū)徑流量的兩個(gè)突變年份發(fā)生在20世紀(jì)80年代；與區(qū)間徑流量不同，站點(diǎn)徑流量的突變年份多發(fā)生在20世紀(jì)，其中，超過一半的突變年份(7個(gè))發(fā)生在20世紀(jì)90年代之前。(4) 區(qū)間徑流量變異點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性不大；相比而言，一些站點(diǎn)徑流量變異點(diǎn)與其上游區(qū)間徑流量的變異性密切相關(guān)，譬如，三區(qū)(舊州—允景洪區(qū)間)徑流量在2002年、2008年發(fā)生突變，與區(qū)間下游允景洪站徑流量序列突變特征完全一致。

2.3 變化環(huán)境下瀾滄江-湄公河徑流量的年內(nèi)分配特征

水電能源開發(fā)是瀾湄流域重要的人類活動(dòng)之一。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，截至2016年，在瀾滄江—湄公河干支流上修建了259座水庫，其中，泰國修建水庫數(shù)量最多，超過150座，其次為越南，為51座，老撾和中國修建的水庫數(shù)量分別為29,30座。已有研究表明，水庫等水利工程的修建在運(yùn)行初期，由于水庫蓄水會(huì)對(duì)年徑流量產(chǎn)生一定影響，水庫蓄水完成后的運(yùn)行調(diào)度期間，其對(duì)年徑流量的影響相對(duì)較小，但對(duì)徑流年內(nèi)分配的影響相對(duì)明顯[22]。

以干流水文站實(shí)測月徑流量資料為基礎(chǔ)，圖4統(tǒng)計(jì)給出了8個(gè)水文站前期(1960—1989年)和后期(1990—2012年)兩個(gè)時(shí)期徑流量年內(nèi)分配的變化過程，圖4中灰色區(qū)域上下邊界分別為1969—1989年期間各月徑流量變化的范圍，黑色圓點(diǎn)線為該時(shí)期多年平均月徑流量；上下灰色虛線和星號(hào)灰色虛線分別代表1990—2012年時(shí)期各月最大值、最小值和多年均值。

由圖4可以看出：(1) 瀾滄江—湄公河從上游到下游所有8個(gè)水文站徑流量年內(nèi)分配模式一致，7—9月份是流量較大的主汛期，12月份到次年的4月份流量偏低，是湄公河的枯水季節(jié)。(2) 1990—2012年時(shí)期3個(gè)峰值月份的最大流量和最小流量大多小于1960—1989年，特別是允景洪到萬象之間的站點(diǎn)，峰值月份徑流量變化區(qū)間普遍下移，下游穆達(dá)漢站和上丁站峰值月份流量變化區(qū)間在兩個(gè)時(shí)段基本相當(dāng)；說明由于環(huán)境變化的影響，允景洪至萬象站主汛期流量變小，湄公河該河段的防洪壓力會(huì)有所減輕。(3) 1990—2012年時(shí)期枯水季節(jié)各月的最大流量大多高于前期(1960—1989年)相應(yīng)各月的最大流量；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，后期枯水季節(jié)各月的最小流量也大多小于前期相應(yīng)月份的最小流量；說明1990—2012年期間枯水季節(jié)月徑流量變化幅度大于前期?？菟竟?jié)各月最大流量變大有利于湄公河枯季航運(yùn)和沿河工農(nóng)業(yè)發(fā)展用水，而各月最小流量的減小會(huì)對(duì)沿河兩岸用水需求滿足帶來一定挑戰(zhàn)。(4) 從多年平均來看，舊州、穆達(dá)漢和上丁站在1990—2012年的各月多年流量大多高于前期(1960—1989年)多年平均流量，盡管對(duì)枯期水資源利用有利，但同時(shí)增大了汛期的防洪壓力；昌都源頭區(qū)后期平均各月流量多低于前期，雖然利于防洪，但不利于水資源利用；允景洪至萬象之間的4個(gè)水文站后期(1990—2012年)多年平均8月、9月份流量低于前期均值，可以有效減輕沿岸的防洪壓力。

圖4 瀾滄江-湄公河干流水文站1960-1989年和1990-2012年時(shí)期徑流量的年內(nèi)月分配過程

2.4 討 論

目前已有研究多集中在瀾滄江—湄公河干流水文站實(shí)測徑流量的演變分析[18-21]，由于干流水文站實(shí)測徑流量的變化反映了該站以上整個(gè)區(qū)域的水文情勢，并不能較好的體現(xiàn)區(qū)域徑流量的變化態(tài)勢。本文在計(jì)算區(qū)間徑流量的基礎(chǔ)上，分析了不同區(qū)域徑流量及其演變情勢，可以更好地支撐區(qū)域水資源利用與管理。

氣溫升高、降水變化通過改變水文循環(huán)進(jìn)而對(duì)區(qū)域徑流量產(chǎn)生影響，而水庫建設(shè)、水電開發(fā)和工農(nóng)業(yè)發(fā)展引起的用水量增加均對(duì)河川徑流量產(chǎn)生直接的影響[4,22-24]。盡管不同區(qū)域徑流量呈現(xiàn)豐枯交替的演變特征，但一些區(qū)域的最近十年徑流量明顯偏低(舊州—允景洪區(qū)間)或偏高(萬象—穆達(dá)漢區(qū)間)，同時(shí)，一些站點(diǎn)徑流量年內(nèi)分配也發(fā)生了一定的變化。這些區(qū)域徑流量及其年內(nèi)分配變化是由氣候因素造成的自然變化還是人類活動(dòng)影響造成的趨勢性變化，是需要值得進(jìn)一步研究的科學(xué)問題。

3 結(jié) 論

(1) 受變化環(huán)境的影響，瀾滄江—湄公河流域上丁站以上的8個(gè)子區(qū)間徑流量均出現(xiàn)不同程度的變化，其中，舊州—允景洪區(qū)間徑流量呈現(xiàn)顯著性減少趨勢，而昌都—舊州和萬象—穆達(dá)漢區(qū)間徑流量呈現(xiàn)顯著性增加趨勢，其余區(qū)域徑流量演變趨勢均未達(dá)到顯著性水平。

(2) 瀾滄江—湄公河區(qū)間徑流量及上下水文站徑流量的突變年份大多具有一定的相依性，說明上游入流、區(qū)間徑流對(duì)區(qū)間出口徑流具有一定的影響；但也存在三者突變年份完全不同的情況。從1960—2012年系列來看，2000年以后徑流突變發(fā)生的頻次明顯高于前期。

(3) 以1960—1989年為基準(zhǔn)，1990—2012年期間允景洪、清盛、瑯勃拉邦、萬象4個(gè)水文站汛期徑流量變化范圍較基準(zhǔn)期明顯下移，水電開發(fā)對(duì)該區(qū)間河川徑流削峰補(bǔ)枯的調(diào)節(jié)作用明顯，對(duì)下游防洪壓力減小起到了積極的作用。