邵 駿，杜 濤，郭 衛(wèi)，歐陽(yáng)碩，王 琨

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，武漢 430010)

1 研究背景

金沙江上游作為長(zhǎng)江的源頭地區(qū)，具有特殊的生態(tài)環(huán)境功能，自然生態(tài)環(huán)境較為脆弱，部分河段分布有金沙江上游和長(zhǎng)江上游特有魚(yú)類(lèi)的產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)和越冬場(chǎng)等重要生物棲息地。在全球氣候變暖的大背景下，河流水溫對(duì)于水體的物化特征、水生生物的生長(zhǎng)和繁殖、水生生態(tài)環(huán)境等具有重要意義[1-2]。金沙江上游被列入國(guó)家“十四五”九大清潔能源基地之一，目前正在進(jìn)行梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)，葉巴灘水電站已于2019年實(shí)現(xiàn)截流，蘇洼龍水電站已于2021年下閘蓄水。因此，研究金沙江上游梯級(jí)水電站建成前的天然河流水溫變化規(guī)律、分析其影響因素，對(duì)于未來(lái)更好地進(jìn)行金沙江上游水資源規(guī)劃、水環(huán)境保護(hù)、水生態(tài)修復(fù)具有十分重要的意義。

以往的研究主要聚焦于長(zhǎng)江源區(qū)或金沙江下游，目前尚未見(jiàn)有關(guān)金沙江上游水溫變化的相關(guān)研究。熊明等[3]研究表明長(zhǎng)江源區(qū)沱沱河流域水溫與氣溫的相關(guān)關(guān)系密切，認(rèn)為氣溫變化是影響水溫變化的主要原因之一；劉昭偉等[4]探討了金沙江干流的水溫變化特征，辨識(shí)了氣候變化和水電工程對(duì)水溫變化的影響；鄒珊等[5]探討了氣候變化、梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行及支流入?yún)R等多重因素對(duì)長(zhǎng)江上游水溫的綜合影響；李雨等[6]分析了金沙江下游及川江段水溫沿程時(shí)空變化規(guī)律；劉睿[7]建立二維水溫模型研究了金沙江上游梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行對(duì)下游河道水溫累積的影響。本文以金沙江上游河流水溫作為研究對(duì)象，利用金沙江上游干流崗?fù)?、巴塘、石?個(gè)水文站長(zhǎng)系列逐日水溫以及氣象數(shù)據(jù)，研究金沙江上游干流水溫的年內(nèi)、年際變化及沿程分布規(guī)律，分析影響水溫的主要因素。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

金沙江為長(zhǎng)江上游河段，位于我國(guó)青藏高原、云貴高原和四川盆地的西部邊緣。主源沱沱河由南向北出唐古拉山后折向東流，至囊極巴隴由南岸匯入當(dāng)曲后稱(chēng)通天河。通天河流至青海玉樹(shù)匯入巴塘河后稱(chēng)金沙江，流經(jīng)青、藏、川、滇四省(區(qū))，至宜賓左岸支流岷江匯合后稱(chēng)長(zhǎng)江。其中，金沙江玉樹(shù)(巴塘河口)至石鼓為金沙江上游河段。

本文采用的水溫?cái)?shù)據(jù)為崗?fù)?、巴塘、石?個(gè)水文站1961—2018年逐日水溫，數(shù)據(jù)來(lái)源于長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局。崗?fù)稀吞?、石鼓站上游沒(méi)有較大城市，人類(lèi)干擾少，水電開(kāi)發(fā)尚未成庫(kù)，可以基本反映天然條件下的水溫變化情況。采用的氣象數(shù)據(jù)為各水文站以上流域氣象站點(diǎn)1961—2018年逐日氣象數(shù)據(jù)，包括降水、風(fēng)速、相對(duì)濕度、水面蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫，數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心。本文所采用的金沙江上游水文站及氣象站分布如圖1所示。本文采用的方法主要為數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，包括滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall檢驗(yàn)、Spearman檢驗(yàn)、主成分分析、Pearson相關(guān)分析等，具體計(jì)算方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8]。

3 水溫變化規(guī)律分析

3.1 水溫的年內(nèi)變化規(guī)律

金沙江上游崗?fù)?、巴塘、石?個(gè)水文站月均水溫的年內(nèi)變化可按季節(jié)分為4個(gè)時(shí)段，其中3—5月份為春季、6—8月份為夏季、9—11月份為秋季、12月份—翌年2月份為冬季，月均水溫最高值一般出現(xiàn)在7—8月份，最低值一般出現(xiàn)在1月份。各站水溫分月統(tǒng)計(jì)特征值如表1和圖2所示。

最高水溫的月均值與平均水溫相比，一般溫差在1～2 ℃之間，冬季與夏季溫差相對(duì)較小，秋季溫差最為明顯，比如崗?fù)险?0月份最高水溫與平均水溫相差高達(dá)3.3 ℃，而1月份溫差為0.8 ℃。最低水溫的月均值變化規(guī)律與最高水溫類(lèi)似，春秋季的最低水溫與月均水溫相差較大，冬季與夏季溫差相對(duì)較小。

3.2 水溫的年際變化規(guī)律

本文采用滑動(dòng)平均法與Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)研究金沙江上游水溫的年際變化規(guī)律。圖3為崗?fù)?、巴塘、石鼓站年均水溫的滑?dòng)平均曲線(左)和Mann-Kendall曲線(右)。從圖3易見(jiàn)，3個(gè)站的年水溫變化規(guī)律基本一致。崗?fù)险疚挥谧钌嫌?，?968年和1969年水溫出現(xiàn)較大幅度變化外，其余年份基本維持在均值附近變動(dòng)，總體上呈現(xiàn)震蕩上升的趨勢(shì)，Mann-Kendall曲線在1998年出現(xiàn)交叉，表明從1998年開(kāi)始出現(xiàn)突變。以1998年為分界點(diǎn)，1998年以前位于均值以下，1998年之后水溫位于均值以上。同樣，巴塘站和石鼓站也存在類(lèi)似變化規(guī)律，水溫均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中巴塘站于1992年、石鼓站于2003年出現(xiàn)突變點(diǎn)。

采用Mann-Kendall檢驗(yàn)、Spearman檢驗(yàn)對(duì)崗?fù)?、巴塘、石?站年水溫變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，成果列于表2。在顯著性水平α=0.05下，Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的臨界值Ua/2=1.96，Spearman檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的臨界值rs=0.213時(shí)，3個(gè)站年水溫均呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)。

3.3 水溫的沿程變化規(guī)律

從水溫的沿程分布來(lái)看，上游崗?fù)险疽陨现饕獮榻吹貐^(qū)，海拔高氣溫低，因此水溫也低于其余兩站。石鼓站為金沙江上游段的止點(diǎn)，其水溫較上游有大幅度的升高。點(diǎn)繪沿程水溫與海拔之間的關(guān)系，如圖4所示，可見(jiàn)水溫隨著海拔的降低逐漸升高。崗?fù)?、巴塘、石?站多年平均水溫分別為7.4、9.2、12.1 ℃，隨海拔的降低，崗?fù)稀吞?、巴塘—石鼓河段水溫升高幅度分別為0.33、0.44 ℃/(100 m)，向下游水溫隨河段距離的升高幅度分別為0.62、0.80 ℃/(100 km)?，F(xiàn)有研究表明，河流水溫沿程變化的原因與海拔、氣溫及徑流的補(bǔ)給來(lái)源有較大關(guān)系[9-10]，本文將進(jìn)一步研究上述水溫變化規(guī)律的成因及主要影響因素。

表2 金沙江上游水文站年水溫變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

4 水溫影響因素分析

4.1 水溫與影響因素之間的相關(guān)關(guān)系

天然河流中水溫的變化反映了水氣界面復(fù)雜的熱力交換過(guò)程。根據(jù)現(xiàn)有研究，氣象因子是影響水溫的重要因子，包括氣溫、太陽(yáng)輻射、相對(duì)濕度、風(fēng)速等[11-12]，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)水溫與降水[13]、流量[9-10]等緊密相關(guān)。為分析金沙江上游河流水溫的主要影響因素，根據(jù)各水文站上游氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)氣象要素資料，利用經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金插值法[14]得到流域面氣象因子，得到1961—2018年月平均降水量、平均氣溫、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、水面蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)、最高氣溫、最低氣溫，繪制各站水溫與影響因子之間的相關(guān)關(guān)系圖，見(jiàn)圖5，同時(shí)采用Pearson相關(guān)分析統(tǒng)計(jì)水溫與各影響因素之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 崗?fù)?、巴塘、石鼓水文站月均水溫與各影響因子間的相關(guān)關(guān)系

從表3可知，崗?fù)稀吞?、石?個(gè)水文站月平均水溫與影響因素相關(guān)關(guān)系基本趨同，水溫與氣溫(包括平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫)之間的關(guān)系最為緊密，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.950以上。其次與水溫存在高相關(guān)性的是降水、徑流、相對(duì)濕度、蒸發(fā)和日照時(shí)數(shù)。

究其原因，主要是由于空氣是直接與水體相接觸的，并且以長(zhǎng)波輻射和感熱交換的方式直接作用于水體影響水面溫度，因此氣溫對(duì)水溫的影響是最大的[11]。

由于降水與大氣水分關(guān)系密切，而水汽與氣溫變化之間存在正反饋機(jī)制[15]，因此河流水溫與降水之間存在的相關(guān)關(guān)系反映了大氣水分與氣溫之間的關(guān)聯(lián)性。在金沙江上游等高海拔地區(qū)，氣溫通過(guò)引起冰川和積雪消融的間接影響方式調(diào)控補(bǔ)給河流的徑流量[15-17]，冰川和積雪融水是地表徑流的重要補(bǔ)給來(lái)源之一[18-20]，因此河川徑流也同樣通過(guò)間接方式映射了氣溫變化對(duì)水溫的影響。

在其他條件不變的情況下，空氣中相對(duì)濕度越大，水面蒸發(fā)越小，水溫越高。風(fēng)速影響水-氣界面紊動(dòng)擴(kuò)散的強(qiáng)度[11]，風(fēng)速越大，水分子擴(kuò)散越快，水面蒸發(fā)散熱越強(qiáng)烈，水溫越低。因此，相對(duì)濕度、蒸發(fā)和日照時(shí)數(shù)也間接影響水溫的變化。

4.2 水溫沿程變化與影響因素之間的關(guān)系

從水溫變化的沿程分布(見(jiàn)圖6)來(lái)看，崗?fù)险疚挥谧钌嫌?，石鼓站位于最下游。從上游至下游，水溫與徑流、風(fēng)速、水面蒸發(fā)相關(guān)系數(shù)沿程減小，水溫與降水、氣溫、相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)沿程增加，其主要原因與金沙江上游流域水文氣象特征息息相關(guān)。

從地形、地貌和氣候劃分，金沙江上游地區(qū)大部分屬青藏高原區(qū)和橫斷山縱谷區(qū)。金沙江流域在30°N以北地區(qū)，也就是巴塘站以上地區(qū)，主要為青藏高原區(qū)東南部，海拔高程5 000 m左右，地勢(shì)由西北向東南傾斜，為保存較完整的高原地貌，現(xiàn)代冰川發(fā)育。該區(qū)大部分地處現(xiàn)代雪線以上，遠(yuǎn)離水汽源地，故氣候寒冷而干燥，屬典型的高原氣候亞濕潤(rùn)區(qū)(長(zhǎng)江源區(qū)則為高原氣候干旱區(qū))，以荒漠草甸為主。降雪為本區(qū)降水的主要形式，由于氣候寒冷，蒸發(fā)量小，濕度亦較小。橫斷山縱谷區(qū)為云貴高原、四川盆地與青藏高原之間的過(guò)渡地帶，位于30°N—26°N之間，即巴塘以下流域，海拔高程一般為2 000～5 000 m。本區(qū)北部海拔較高的高山地區(qū)及山頂屬溫帶及寒帶氣候，其余地區(qū)大部分屬亞熱帶氣候濕潤(rùn)區(qū)，河谷地帶則屬亞熱帶氣候亞濕潤(rùn)區(qū)。植被以森林、草甸為主。由于地形影響，該區(qū)氣候在水平和垂直方向上差異很大，立體氣候明顯。

由于金沙江上游不同地區(qū)水文氣象的差異性，巴塘以上流域徑流組成中凍土層上水、冰川和積雪消融補(bǔ)給占比較大，至下游石鼓降水補(bǔ)給比重逐漸增加，因此河流水溫從上游至下游與徑流的相關(guān)性越小，與降水的相關(guān)性越大。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，下游較之上游風(fēng)速、蒸發(fā)都相對(duì)較小，氣溫、濕度逐漸增加，因此也呈現(xiàn)出水溫與徑流、風(fēng)速、水面蒸發(fā)相關(guān)系數(shù)沿程減小，水溫與降水、氣溫、相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)沿程增加的變化規(guī)律。

4.3 水溫與影響因素之間的主成分分析

通過(guò)以上分析可知，影響金沙江上游水溫變化的主要因素為氣溫，同時(shí)水溫與徑流、降水、氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、水面蒸發(fā)、日照時(shí)數(shù)等因素相關(guān)或顯著相關(guān)。為進(jìn)一步研究水溫變化與主要影響因素之間的關(guān)聯(lián)性，對(duì)上述7個(gè)因子進(jìn)行主成分分析，選取特征值>1的成分作為影響水溫的主成分[21]。表4為崗?fù)稀吞梁褪?個(gè)水文站水溫影響因素特征值及主成分貢獻(xiàn)率，由表4可見(jiàn)3個(gè)站分別提取出2個(gè)、2個(gè)和3個(gè)主成分，主成分貢獻(xiàn)率均達(dá)到75%以上，可基本反映原始數(shù)據(jù)的主要信息。

表4 崗?fù)稀吞梁褪乃恼舅疁赜绊懸蛩靥卣髦导爸鞒煞重暙I(xiàn)率

表5表示3個(gè)站水溫主要影響因素主成分與原始變量之間的因子載荷，絕對(duì)值越大表明關(guān)系越密切。從表5可以看出，崗?fù)稀吞琳舅疁赜绊懸蛩氐谝恢鞒煞种?，與氣溫、降水、徑流、相對(duì)濕度4個(gè)因子呈現(xiàn)正相關(guān)，因子載荷較高，均在0.85以上。在第二主成分中，水面蒸發(fā)、日照時(shí)數(shù)遠(yuǎn)高于其他因子。石鼓站3個(gè)主成分中，第一主成分與徑流、降水、氣溫、相對(duì)濕度關(guān)系較密切，第二主成分與水面蒸發(fā)關(guān)系較密切，第三主成分與風(fēng)速關(guān)系較密切。主成分分析結(jié)果與4.1節(jié)結(jié)果基本吻合。

表5 崗?fù)?、巴塘和石鼓水文站水溫影響因素主成分因子載荷

5 結(jié)論與探討

本文根據(jù)金沙江上游干流崗?fù)稀吞?、石?個(gè)水文站實(shí)測(cè)水溫?cái)?shù)據(jù)，以河段天然水溫作為研究對(duì)象，對(duì)金沙江上游干流水溫的年內(nèi)、年際變化及沿程分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并探討了影響水溫的主要水文、氣象因素，得出以下結(jié)論：

(1)從年內(nèi)變化來(lái)看，金沙江上游崗?fù)稀吞?、石?個(gè)水文站月均水溫最高值一般出現(xiàn)在7—8月份，最低值一般出現(xiàn)在1月份。從年際變化來(lái)看，3站年水溫均呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)。

(2)分析水溫與影響因素之間的相關(guān)關(guān)系可知，氣溫對(duì)水溫的影響最為緊密，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.950以上，其次是降水和徑流，相對(duì)濕度、蒸發(fā)和風(fēng)速也對(duì)該河段水溫變化產(chǎn)生一定影響，日照與水溫之間的關(guān)系最弱。

(3)從水溫變化的沿程分布來(lái)看，從上游至下游，水溫與徑流、風(fēng)速、水面蒸發(fā)相關(guān)系數(shù)沿程減小，與降水、氣溫、相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)沿程增加，其主要原因與金沙江上游流域水文氣象特征關(guān)系密切。

(4)由影響水溫因素的主成分分析結(jié)果可知，第一主成分與氣溫、降水、徑流、相對(duì)濕度4個(gè)因子正相關(guān)，與風(fēng)速負(fù)相關(guān)；第二主成分與水面蒸發(fā)、日照時(shí)數(shù)相關(guān)。通過(guò)主成分分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了影響水溫的主要因素。