梁鵬飛， 李宗杰， 辛惠娟， 李宗省， 段 然， 南富森， 李玉辰

(1.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院 甘肅省黃河水環(huán)境重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070； 2.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050； 3.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點實驗室/甘肅省祁連山生態(tài)環(huán)境研究中心， 甘肅 蘭州 730000)

1 研究背景

全球氣候變暖毋庸置疑，自20世紀50年代以來，變暖趨勢更加顯著，引發(fā)了許多生態(tài)環(huán)境問題，氣候變化也使得水資源所承載的壓力越來越大[1-3]。由于全球人口快速增長、經(jīng)濟發(fā)展和生活水平的提高，人類對水的需求不斷增加，水資源壓力已成為影響人類社會可持續(xù)發(fā)展的一個主要威脅。特別是1990年以來，氣候發(fā)生突變，暖濕化加速[4-6]，更加使得全球極端事件發(fā)生次數(shù)增多。

徑流是水文循環(huán)中極其重要的一個環(huán)節(jié)，是地球陸地表面水體大量存在的一個具體載體。在過去幾十年間，全球徑流整體上未表現(xiàn)出顯著的趨勢變化，但明顯受到大尺度氣候現(xiàn)象的影響[7]。在徑流量顯著變化的河流中，有減小趨勢的河流在數(shù)量上超過了有增大趨勢的河流[8-9]。高寒地區(qū)的變暖幅度更加明顯，這對寒區(qū)徑流的水文過程產(chǎn)生了顯著影響[10-12]。然而由于在高寒地區(qū)觀測和取樣的難度較大，缺乏實驗數(shù)據(jù)，使得該區(qū)域的研究仍然存在大量空白。黃河源區(qū)是我國第二大河黃河的發(fā)源地與重要水源區(qū)，國內(nèi)外學(xué)者和研究人員已對黃河源區(qū)徑流變化特征及影響驅(qū)動機制做了大量研究。近幾十年來，對黃河源區(qū)徑流量減少趨勢已形成了比較統(tǒng)一的認識。商瀅等[13]研究指出黃河源區(qū)徑流量減少主要是由人類活動導(dǎo)致的。Ji等[14]通過對黃河源區(qū)季節(jié)性徑流變化的歸因進行研究指出，秋季徑流主要受氣候變化影響，其他季節(jié)主要受人類活動影響。Xie等[15]基于Budyko假設(shè)研究指出降水是造成黃河源區(qū)徑流變化最主要的因素。劉希勝等[16]采用雙累積曲線法研究了黃河源區(qū)徑流對降水變化的響應(yīng)，研究指出由于大雨和中雨發(fā)生次數(shù)的減少導(dǎo)致降水的產(chǎn)流能力出現(xiàn)弱化趨勢。吳盼[17]和王鶯等[18]從凍土退化、土壤侵蝕加劇和植被退化等環(huán)境生態(tài)問題的角度探討了其對黃河源區(qū)徑流變化的影響。綜上所述，黃河源區(qū)徑流量變化的影響機制并沒有得出一個統(tǒng)一的結(jié)論，在該區(qū)域開展不同因素對徑流的影響研究對于揭示該區(qū)域水文效應(yīng)的變化機理和應(yīng)對水資源管理挑戰(zhàn)很有必要。

近幾十年里，黃河源區(qū)也出現(xiàn)了許多生態(tài)環(huán)境問題[19]。黃河源區(qū)在氣候變暖條件下發(fā)生了強烈的氣候轉(zhuǎn)型[20]，并且該區(qū)域徑流變化直接與源區(qū)氣候變化相關(guān)[21]，特別是1990年后，降水量和氣溫普遍呈現(xiàn)增加趨勢[22]，使得該區(qū)域水文響應(yīng)過程更加波動頻繁，對沿黃生態(tài)環(huán)境的保護意義重大[23]。本文利用黃河源區(qū)唐乃亥水文站的徑流數(shù)據(jù)資料分析了該區(qū)域徑流變化過程，并結(jié)合氣象資料分析了影響徑流變化過程的主要氣候因素，以期為綜合研究黃河源區(qū)水循環(huán)、水資源平衡和水資源科學(xué)配置提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

黃河源區(qū)(95.78°～103.43°E，32.15°～36.24°N)位于青藏高原東北部，平均海拔約在3 800 m以上，多年平均氣溫低于0 ℃，日溫差較大，多年平均降水量在380～650 mm之間。研究面積約12.2×104km2，區(qū)域地形復(fù)雜，植被覆蓋度高，地勢西高東低，河源區(qū)分布有多年凍土和季節(jié)性凍土[24]。黃河源區(qū)屬高原半濕潤氣候[25]，主要受西風(fēng)、印度季風(fēng)和東亞季風(fēng)的影響[15]。該區(qū)域水文過程受人類活動影響較小，是黃河流域重要的產(chǎn)流區(qū)和我國生態(tài)屏障區(qū)。黃河源區(qū)水系及水文、氣象站點分布見圖1。

圖1 黃河源區(qū)水系及水文、氣象站點分布

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文使用的徑流資料來源于唐乃亥水文站，氣象資料來源于瑪多、達日等6個氣象站(圖1)，為了使數(shù)據(jù)年限一致便于分析研究，統(tǒng)一采用1961-2018年共58 a的系列數(shù)據(jù)。本研究所選取的黃河源區(qū)氣象、水文臺站概況見表1。

表1 黃河源區(qū)氣象、水文臺站描述

2.3 研究方法

本文采用了Mann-Kendall(M-K)趨勢分析法、M-K突變分析法、距平累積法和小波分析等方法，對黃河源區(qū)徑流變化特征及影響因素進行了分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流年內(nèi)變化特征

圖2 為黃河源區(qū)徑流、降水年內(nèi)分配。由圖2可知，黃河源區(qū)徑流量年內(nèi)分配極不均勻，季節(jié)性明顯。非汛期徑流僅占全年總量的28.57%，汛期徑流占到了總量的71.43%，其中7月和9月徑流量分別為414.84×108、373.22×108m3，分別占全年總量的17.3%和15.54%，2月徑流量僅52.51×108m3，為全年最小徑流量，僅占全年總量的2.19%。

圖2 黃河源區(qū)徑流、降水年內(nèi)分配

黃河源區(qū)徑流量年內(nèi)分配與降水分配具有較好的同步性，這說明徑流量的變化過程主要依賴于降水量的變化，也表明降水量是黃河源區(qū)徑流的主要補給來源。徑流年內(nèi)分布為雙峰，分別在7月和9月，這是因為黃河源區(qū)降水后并沒有全部產(chǎn)流，而是將一部分降水轉(zhuǎn)化為凍土層上水儲存了起來，在9月份又釋放出來補給徑流，形成第二峰。

徑流的年內(nèi)季節(jié)性變化對水資源的科學(xué)配置和高效利用意義重大。圖3為1961-2012年黃河源區(qū)徑流各季節(jié)變化特征，分析圖3可知，黃河源區(qū)四季徑流均表現(xiàn)出不同程度的減少趨勢，線性變化速率分別為-0.13×108、-0.37×108、-2.17×108、-0.24×108m3/a，采用M-K趨勢檢驗得到四季徑流的統(tǒng)計量分別為-1.104 8、-0.852 2、-1.657 1、-1.025 8，未通過顯著性檢驗，減少趨勢不顯著。但相比較而言，秋季減少幅度最大，說明秋季徑流減少對該站的年徑流量影響最大。

圖3 1961-2012年黃河源區(qū)徑流各季節(jié)變化特征

3.2 徑流年際變化特征

3.2.1 徑流趨勢分析 圖4為1961-2018年黃河源區(qū)徑流量年際、年代際變化及不同時段徑流量變化幅度。黃河源區(qū)多年平均徑流量為203.57×108m3，如圖4(a)所示，年徑流量整體呈現(xiàn)出減少趨勢，遞減速率為0.63×108m3/a，M-K趨勢檢驗統(tǒng)計量為U=-1.72，∣U∣<∣Uα/2∣=1.96(在顯著性水平α=0.05下)，認為減少趨勢不顯著。從線性趨勢來看，年徑流量變化又可以分為兩個階段，1961-1990年呈現(xiàn)增加趨勢，遞增速率為0.58×108m3/a，M-K趨勢檢驗統(tǒng)計量為U=0.27，∣U∣<∣Uα/2∣=1.96(在顯著性水平α=0.05下)，認為增加趨勢不顯著；1990-2018年也呈現(xiàn)增加趨勢，遞增速率為1.79×108m3/a，統(tǒng)計量U=1.34，∣U∣<∣Uα/2∣=1.96(在顯著性水平α=0.05下)，認為增加趨勢也不顯著，但相較于1990年之前，其增加趨勢明顯加速(圖4(c))，增幅為1961-1990年徑流量增幅的3.09倍。同時，唐乃亥水文站徑流量的年代變化過程(圖4(b))也證實了這一規(guī)律。

圖4 1961-2018年黃河源區(qū)徑流量年際、年代際變化及不同時段徑流量變化幅度

3.2.2 徑流突變分析 1961-2018年黃河源區(qū)徑流量突變分析結(jié)果見圖5。由圖5(a)可以看出， 1961-2018年徑流序列的統(tǒng)計量UF與UB曲線相交于1987年，并落在0.05顯著性水平閾值內(nèi)，即認為黃河源區(qū)徑流在1987年可能出現(xiàn)突變，且突變分析通過了顯著性水平檢驗，突變趨勢顯著。但1987-1990年徑流序列的統(tǒng)計量UF與UB曲線一直存在相交趨勢，并且該區(qū)域徑流在該時段的累積距平曲線(圖5(b))也證實了這一現(xiàn)象。因而可認為在1961-2018年期間，黃河源區(qū)徑流序列在1987-1990年時間段內(nèi)可能發(fā)生了突變。

圖5 1961-2018年黃河源區(qū)徑流量突變分析

3.2.3 徑流周期分析 圖6為黃河源區(qū)唐乃亥水文站天然年徑流量小波系數(shù)實部等值線及不同尺度下小波方差圖。分析圖6(a)得出，不同時間尺度下黃河源區(qū)年徑流量存在11、22和35 a左右的周期，其中小尺度11 a在時間上存在平均3.87 a的周期；中尺度22 a在時間上存在平均8.29 a的周期；大尺度35 a在時間上存在平均14.50 a的周期。由圖6(b)可以看出，第一、第二和第三峰值分別對應(yīng)35、11和22 a，即分別對應(yīng)徑流變化的第一、第二和第三主周期。

圖6 1961-2018年黃河源區(qū)天然年徑流量周期小波分析

3.3 徑流變化的影響因素

3.3.1 降水量變化對徑流的影響 為了系統(tǒng)闡釋黃河源區(qū)徑流量變化的原因，本文主要選擇了黃河源區(qū)的瑪多、達日等6個國家氣象站的氣候資料進行分析，圖7為1961-2018年黃河源區(qū)6個氣象站降水量變化特征分析。如圖7(a)所示，1961-2018年除久治氣象站降水量呈減少趨勢外，其余各氣象站降水量整體上均呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢，其中增幅最為顯著的是瑪多氣象站，增加速率為1.527 mm/a。根據(jù)唐乃亥水文站年徑流序列年際變化和突變分析結(jié)果，猜想1990年后黃河源區(qū)暖濕化趨勢可能加速，所以將各氣象站降水量序列分為1990年前、后兩個時間段進行分析，結(jié)果如圖7(b)所示，1961-1990年間，黃河源區(qū)降水量平均增幅為0.956 mm/a，其中達日氣象站為減少趨勢，遞減速率為0.457 mm/a，澤庫氣象站增加幅度為最大值，增加速率為1.845 mm/a；而1990-2018年間，黃河源區(qū)降水量平均增幅為4.611 mm/a，瑪多氣象站降水量增加幅度為最小值，遞增速率為2.346 mm/a，同德氣象站降水量增幅達到最大值，遞增速率為7.646 mm/a。相較于前30 a(1961-1990年)，整個黃河源區(qū)降水量平均增幅加速了4.8倍。

圖7 1961-2018年黃河源區(qū)6個氣象站降水量變化特征分析

圖8顯示了黃河源區(qū)1990年前、后降水量變化幅度空間分布特征，通過1990年前、后對比發(fā)現(xiàn)，黃河源區(qū)降水量增多現(xiàn)象有從周邊向中心遷移的趨勢，并且趨勢顯著。

圖8 黃河源區(qū)1990年前、后降水量空間變化

由年尺度1961-2018年的黃河源區(qū)降水量-徑流量關(guān)系(圖9)可以看出，年徑流量隨著年降水量的增大而增大，呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.714(P<0.01)。

圖9 1961-2018年年尺度黃河源區(qū)降水量-徑流量關(guān)系

3.3.2 氣溫變化對徑流的影響 圖10為1961-2018年黃河源區(qū)6個氣象站氣溫變化特征分析。如圖10(a)所示，1961-2018年黃河源區(qū)氣溫整體上呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢，其中氣溫增加趨勢最為顯著的是同德氣象站，增加速率為0.082 ℃/a。分析1990年前、后氣溫變化特征，結(jié)果如圖10(b)所示，1961-1990年間，黃河源區(qū)氣溫增幅平均值為0.027 ℃/a，瑪多氣象站氣溫增幅為最小值，遞增速率為0.012 ℃/a，澤庫氣象站氣溫增幅為最大值，遞增速率為0.040 ℃/a；而1990-2018年間，黃河源區(qū)氣溫平均增幅為0.072 ℃/a，興海氣象站氣溫增幅為最小值，遞增速率為0.020 ℃/a，同德氣象站氣溫增幅達到最大值，遞增速率為0.163 ℃/a，相較于前30 a(1961-1990年)，研究區(qū)氣溫平均增幅加速了2.6倍。

1990年后，只有興海氣象站氣溫升高幅度減小，其余站點均表現(xiàn)出升溫加速趨勢(圖10(b))。這也證實了1990年后黃河源區(qū)暖濕化趨勢加速，解釋了唐乃亥水文站年徑流序列1990年后較前30 a(1961-1990年)徑流增加加速的現(xiàn)象。

圖10 1961-2018年黃河源區(qū)6個氣象站氣溫變化特征分析

圖11顯示了黃河源區(qū)氣溫變化幅度空間分布特征，通過1990年前、后對比發(fā)現(xiàn)，黃河源區(qū)氣溫升高現(xiàn)象有從東南向西北遷移的趨勢，并且1990年后，降水量和氣溫遞增高值區(qū)高度重合。

圖11 黃河源區(qū)1990年前、后氣溫空間變化

由于黃河源區(qū)分布有冰川和凍土，是徑流的主要補給區(qū)，氣溫升高現(xiàn)象從東南向西北的遷移過程直接導(dǎo)致了黃河源區(qū)冰川和凍土的加速消融，使區(qū)域暖濕化趨勢加速，這也是1990年后黃河源區(qū)徑流量快速增加的原因。預(yù)計這種暖濕化加速及其向黃河源區(qū)中心遷移的現(xiàn)象在未來幾年將會導(dǎo)致黃河源區(qū)徑流量持續(xù)增大。

由年尺度1961-2018年的黃河源區(qū)氣溫-徑流量關(guān)系(圖12)可以看出，年徑流量隨著氣溫升高而減少，呈負相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為-0.192，未通過顯著性檢驗。說明引起黃河源區(qū)徑流量變化的氣候因子中，降水是最重要的因子。

圖12 1961-2018年年尺度黃河源區(qū)氣溫-徑流量關(guān)系

黃河源區(qū)不同季節(jié)降水量、氣溫與徑流量的相關(guān)系數(shù)見表2。由表2可見，黃河源區(qū)夏、秋季徑流量與降水量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.641(P<0.01)、0.729(P<0.01)，而徑流量與氣溫相關(guān)性不顯著；春、冬季徑流量與氣溫呈負相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)絕對值均大于徑流量與降水量的相關(guān)系數(shù)，但均不顯著。說明夏、秋季徑流量變化很大程度上取決于同時期降水量的變化，春、冬季降水量減少，氣溫主要通過影響冰雪消融、蒸散發(fā)等過程來影響徑流過程，所以春、冬季氣溫變化對徑流量變化的影響較大。

表2 黃河源區(qū)不同季節(jié)降水量、氣溫與徑流量的相關(guān)系數(shù)

4 討 論

對1961-2018年黃河源區(qū)唐乃亥水文站的徑流變化特征分析結(jié)果表明其整體呈減小變化趨勢，這與已有的研究結(jié)果一致[26-27]，且1990年徑流量發(fā)生突變，分析發(fā)現(xiàn)1961-1990年和1991-2018年兩個時間段黃河源區(qū)徑流量均表現(xiàn)出增加趨勢，這可能是由于20世紀80年代黃河源區(qū)徑流量的減少導(dǎo)致研究時段內(nèi)徑流量整體呈現(xiàn)出減少趨勢。而葉培龍等[28]的研究指出黃河源區(qū)徑流量是在20世紀末至21世紀初發(fā)生的轉(zhuǎn)折，這與本研究所得出轉(zhuǎn)折時間點有偏差，其原因可能是徑流資料序列長度不同所導(dǎo)致。徑流量年內(nèi)分配呈“雙峰型”，并且秋季徑流量減少幅度最大，秋季徑流量減少對該水文站年徑流量的影響最大，這與伍云華等[29]的研究結(jié)果一致。

已經(jīng)有不少研究分析[30-32]表明，西北地區(qū)的氣候變化呈現(xiàn)出暖濕化趨勢，這一結(jié)論已逐漸形成共識。黃河源區(qū)降水量增多，氣溫升高，呈現(xiàn)出暖濕化趨勢，這與李紅梅等[33]的研究結(jié)果一致；劉彩紅等[34]采用Mann-Kendall突變檢驗法的研究結(jié)果顯示，2000年以來黃河源區(qū)暖濕化趨勢加速，這與本文的研究結(jié)果有所不同，而本文得到的1990年后暖濕化加速與王鶯等[35]、王楠等[36]的研究結(jié)果一致；黃河源區(qū)夏、秋季徑流量變化主要受降水量影響，而春、冬季主要受氣溫影響，這與康穎等[37]的研究結(jié)果基本一致。

本文在徑流量變化歸因研究中，未對不同土地利用變化、人類活動等其他因素對徑流變化的具體影響機制做全面分析，并且氣象因素中也僅僅選取了降水和氣溫兩個因子，存在許多不足之處，仍需進一步研究。

5 結(jié) 論

基于1961-2018年共58 a的徑流和氣象資料，研究了黃河源區(qū)的徑流變化特征，探討了氣候因子降水和氣溫對徑流變化過程的影響，主要得到以下結(jié)論：

(1)黃河源區(qū)徑流量年內(nèi)分配極不均勻，季節(jié)性明顯。汛期、非汛期徑流分別占全年總量的71.43%和28.57%，夏、秋季徑流量減少幅度較大，冬、春季徑流量減少幅度較小。

(2)黃河源區(qū)多年平均徑流量整體上呈不顯著減少趨勢，但以1990年為界，其前后均呈現(xiàn)不顯著增加趨勢，并且1990年后增加趨勢明顯加速；1987-1990年為徑流量突變時間段，且通過了顯著性水平檢驗，突變趨勢顯著。

(3)黃河源區(qū)年徑流變化第一主周期35 a在時間上存在平均14.50 a的周期；第二主周期11 a在時間上存在平均3.87 a的周期；第三主周期22 a在時間上存在平均8.29 a的周期。

(4)降水量增多現(xiàn)象有從黃河源區(qū)周邊向中心遷移的趨勢，并且趨勢顯著；氣溫升高現(xiàn)象有從黃河源區(qū)東南向西北遷移的趨勢，且1990年后，研究區(qū)降水量和氣溫遞增高值區(qū)高度重合，降水量是影響徑流最重要的因素。這種暖濕化加速和空間遷移過程直接導(dǎo)致了黃河源區(qū)冰川和凍土的加速消融，這也是1990年后徑流量快速增大的主要原因。