梁鵬飛， 辛惠娟， 李宗省， 張百娟， 桂 娟， 段 然，南富森， 丁增揚平， 楊盛梅

（1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院高寒山區(qū)同位素生態(tài)水文與國家公園觀測站/甘肅省祁連山生態(tài)環(huán)境研究中心/內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.西藏自治區(qū)水文水資源勘測局昌都水文分局，西藏 昌都 854000）

在全球氣候變暖背景下，有人認(rèn)為溫度變化趨勢只是氣候系統(tǒng)的年代際變化波動，然而AR6指出全球氣候變暖并未停滯［1-2］。1990年后，全球極端氣候發(fā)生頻率呈顯著增加趨勢，特別是中國風(fēng)暴災(zāi)害的發(fā)生頻率更加頻繁，相比較全球范圍而言，上升趨勢更為顯著［3］。黑河流域在西北地區(qū)發(fā)揮著水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護、防風(fēng)固沙和土壤保持等眾多重要的生態(tài)功能［4-5］。近年來，黑河流域平均氣溫也呈現(xiàn)持續(xù)顯著上升趨勢，再加上人類活動的加劇影響，黑河流域生態(tài)環(huán)境雖然表現(xiàn)出整體向好發(fā)展，但局部地區(qū)仍有退化的現(xiàn)象［6］，比如上游水源區(qū)冰雪加速消融和冰川的持續(xù)退縮，中游用水區(qū)需水量持續(xù)增加和用水短缺，下游生態(tài)屏障區(qū)已成為沙塵天氣的重要發(fā)源地［7-10］。在此背景下，黑河流域的降水、徑流、下滲和蒸發(fā)的時空格局、機制和影響發(fā)生了深刻的變化，這些重大影響對該區(qū)域的水文過程和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)將會逐漸突出［11-12］。

國內(nèi)外大量學(xué)者和研究人員已對黑河徑流變化特征及影響因素驅(qū)動機制做了大量研究。程鵬等［13］的研究表明近60 a來黑河流域徑流總體呈現(xiàn)出增多趨勢，其變化主要受氣溫與降水的影響，其中降水影響更大。程文舉等［14］研究了黑河上游極端氣候變化對徑流的影響，結(jié)果表明徑流總量與極端洪水都呈增加趨勢，并且極端降水是影響其變化的主要氣象因素。李秋菊等［15］的研究也指出黑河上游徑流顯著增加，潛在蒸散發(fā)對徑流增加起抑制作用，冰雪融水和降水對徑流增加起促進作用。羅開盛等［16］通過研究黑河徑流對不同土地利用變化（LUCC）的敏感性發(fā)現(xiàn)，在空間上，徑流對LUCC 的敏感性從上、中、下游依次遞減，在時間上，徑流對LUCC 的敏感性降低。尚星星［17］基于SWAT 模型定量研究了在黑河上游徑流的變化中，氣候變化的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于土地利用。金鑫等［18］基于LU-SWAT 模型研究分析了不同土地利用類型對黑河流域徑流的影響，指出1990—2001年徑流變化是受林地面積減少所影響的，而2002—2009年徑流變化主要是因為裸地的大面積減少所導(dǎo)致的。王宇涵等［19］研究指出氣溫升高導(dǎo)致高寒山區(qū)凍土活動層增厚，導(dǎo)致土壤蓄水量和降雨下滲量增多，最終導(dǎo)致區(qū)域徑流增加。綜上所述，氣候變化、土地利用變化和冰凍圈變化已經(jīng)成為影響黑河流域水資源時空變化的重要因素，開展氣候變化、土地利用變化和冰凍圈變化對該區(qū)域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。

本文收集了黑河流域歷史長序列徑流、降水和土地利用等數(shù)據(jù)資料，全面深入地探討了黑河流域干流及主要支流的徑流時空變化特征及對氣候變化、土地利用變化和冰凍圈變化的響應(yīng)。

1 研究區(qū)概況

黑河流域（97.40°～101.72°E，37.73°～40.15°N）發(fā)源于祁連山，地處河西走廊中段，是西北干旱區(qū)最具代表性的內(nèi)陸河。西與疏勒河流域相接，東與石羊河流域相鄰，從上游到下游橫跨不同的自然地理單元。本文以正義峽水文站以上區(qū)域為研究區(qū)，面積約12.86×104km2，平均海拔在2500 m 以上，降水主要集中在5—9 月，多年平均降水量為280 mm。鶯落峽以上區(qū)域為黑河流域上游，該區(qū)域水文過程受人類活動影響較小，是主要的產(chǎn)流區(qū)，分布著多年凍土和季節(jié)性凍土，覆蓋有森林和高寒草甸，多年平均氣溫低于2 ℃；鶯落峽至正義峽流域的河西走廊區(qū)為黑河流域中游，分布有林地、草地和農(nóng)田，為主要的水資源消耗區(qū)，多年平均氣溫6～8 ℃。研究區(qū)內(nèi)水文站、氣象站和雨量站點分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置及水文氣象站點分布Fig.1 Location of the study area and distribution of hydrological and meteorological stations

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

1980—2018 年冰川邊界數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)來自國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站（http://data.tp?dc.ac.cn/zh-hans/），其中土地利用數(shù)據(jù)包括1980 年代末期和1990—2020年（5 a一期）共8期數(shù)據(jù)，空間分辨率10～100 m。氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://data.cma.gov.cn），時間序列為1960—2017 年。另外本文選取了黑河流域干流及主要支流的13個水文站和29個雨量站自建站以來至2020年的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料。

2.2 研究方法

表1 豐平枯水年頻率劃分標(biāo)準(zhǔn)[21]Tab.1 Classification standard of high/medium/low flow year according to frequency

2.2.2 彈性系數(shù)為了定量分析徑流與氣候變化之間的聯(lián)系，采用Schaake 的方法，研究徑流對氣候要素的的敏感性。定義彈性系數(shù)為：

式中：Qi和Xi分別為徑流和氣候要素序列值；Qˉ和Xˉ分別為徑流和氣候要素平均值。式（1）離散形式為：

式中：ΔQi和ΔXi分別為徑流和氣候要素平均值變化。本文采用滑動窗口法計算彈性系數(shù)，首先采用1960—1969年共10 a的逐月數(shù)據(jù)計算彈性系數(shù)，然后滑動1 a，采用1961—1970年的數(shù)據(jù)計算，各時段得到的值賦給首年，以此類推［23］。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流變化特征

3.1.1 徑流年內(nèi)變化特征討賴河流域和八寶河流域的流量、降水年內(nèi)分配如圖2所示。結(jié)果表明，討賴河流域和八寶河流域流量峰值滯后降水峰值1個月，說明降水量并未全部產(chǎn)流，而是將一部分水量儲存起來，形成凍土層上水。這一現(xiàn)象主要發(fā)生在有冰川凍土存在的高海拔地區(qū)，如發(fā)源于祁連山的石羊河流域支流西營河和南營河，還有黃河源區(qū)也存在流量峰值滯后降水峰值現(xiàn)象［24-25］。其他流域流量峰值和降水峰值基本同步，每年7 月同時期達(dá)到峰值，最小流量和最小降水發(fā)生在1月，具有較好的同步性。

圖2 八寶河流域和討賴河流域流量-降水量年內(nèi)分配Fig.2 Intra-annual distribution of flow-precipitation in the Babaohe River Basin and the Taolaihe River Basin

3.1.2 徑流年際變化特征討賴河流域（圖3a）、洪水河流域（圖3c）、豐樂河流域（圖3e）、梨園河流域（圖3g）、黑河干流（圖3i）和八寶河流域（圖3k）年徑流量都呈現(xiàn)波動增加趨勢，遞增速率分別為0.02×108m3·(10a)-1、0.17×108m3·(10a)-1、0.06×108m3·(10a)-1、0.11×108m3·(10a)-1、0.97×108m3·(10a)-1和0.28×108m3·(10a)-1。過去幾十年間，黑河流域徑流量平均遞增速率為0.28×108m3·(10a)-1，徑流量共增加了12.93×108m3。從圖3可以看出，除支流八寶河流域1990年后徑流量遞增速率減小外，其他流域均表現(xiàn)為1990年后徑流量遞增速率明顯增加現(xiàn)象，并且在黑河干流表現(xiàn)最為明顯；1957—1990年黑河干流鶯落峽站徑流量增加速率為0.75×108m3·(10a)-1，而1991—2020 年其增加速率為2.60×108m3·(10a)-1，是1957—1990年徑流量變化幅度的3.47倍。

圖3 黑河流域徑流年際變化及年內(nèi)分配Fig.3 Interannual variation and intra-annual distribution of runoff in the Heihe River Basin

討賴河流域1991—2020 年相較于1972—1990年春季和冬季徑流量分別減少了10.6%和11.1%，夏季和秋季分別增加了2.5%和1.9%（圖3b）；洪水河流域1991—2020 年相較于1972—1990 年春季和冬季徑流量分別減少了1.7%和14.0%，夏季和秋季分別增加了10.5%和49.8%（圖3d）；豐樂河流域1991—2020 年相較于1981—1990 年春季、夏季、秋季和冬季徑流量分別增加了14.8%、3.9%、23.3%和44.5%（圖3f）；梨園河流域1991—2020 年相較于1962—1990 年春季、夏季、秋季和冬季徑流量分別增加了15.0%、9.8%、35.1%和67.0%（圖3h）；黑河干流1991—2020 年相較于1957—1990 年春季、夏季、秋季和冬季徑流量分別增加了16.8%、11.1%、28.3%和13.7%（圖3j）；八寶河流域1991—2020 年相較于1968—1990 年春季、夏季、秋季和冬季徑流量分別增加了11.0%、4.6%、21.1%和23.1%（圖3l）?？傮w而言，黑河全流域1990年后徑流量增加主要發(fā)生在夏季和秋季，較1990 年前分別增加了7.07%和26.58%，這與Li等［24］的研究一致，而豐樂河流域、梨園河流域和八寶河流域徑流增加主要發(fā)生在冬季。

3.1.3 徑流豐平枯變化特征根據(jù)豐平枯水年徑流量劃分標(biāo)準(zhǔn)，分別統(tǒng)計了黑河流域扎馬什克、鶯落峽和正義峽水文站1957—2020 年64 a 間15 組不同平均徑流量類別的豐平枯水年出現(xiàn)頻數(shù)，結(jié)果詳見圖4a、圖4c和圖4e。結(jié)果表明，黑河流域在過去64 a間整體以豐水年、平水年和偏枯水年為主，扎馬什克、鶯落峽和正義峽水文站這3 種水年出現(xiàn)頻數(shù)共計分別占總體的75.00%、74.60%和72.90%，特豐水年分別占總體的13.75%、14.17%和13.44%，特枯水年分別占總體的11.25%、11.23%和13.66%。扎馬什克站在汛期特豐水年和特枯水年發(fā)生概率分別為17.19%和9.38%，在非汛期特豐水年和特枯水年發(fā)生概率分別為15.63%和9.38%；鶯落峽站在汛期特豐水年和特枯水年發(fā)生概率都為10.94%，在非汛期特豐水年和特枯水年發(fā)生概率分別為17.19%和6.25%；正義峽站在汛期特豐水年和特枯水年發(fā)生概率分別為25.00%和28.13%，在非汛期特豐水年和特枯水年發(fā)生概率分別為9.38%和15.63%。以上表明，在黑河源區(qū)汛期和非汛期都容易發(fā)生極端洪水事件，黑河上游在非汛期容易發(fā)生極端洪水事件，而在中游汛期和非汛期都容易發(fā)生極端枯水事件。這是因為黑河源區(qū)和上游降水量本來就多，相比較中游而言人類活動對徑流的影響較小，而中游由于是黑河流域的用水區(qū)，汛期蓄水，農(nóng)作物生長期又放水灌溉，雖然水利工程的調(diào)蓄作用使得極端洪水事件減少，但中游需水量較大，所以更容易出現(xiàn)極端枯水事件。

由黑河流域豐平枯水年年代變化可以看出，扎馬什克站特豐水年和豐水年發(fā)生概率一直處于增大趨勢，特別是2010—2019年這10 a間，有8 a是特豐水年，2 a是豐水年；而特枯水年主要發(fā)生在20世紀(jì)70年代和90年代，各出現(xiàn)過3 a，其他年代主要以平水年和偏枯水年為主（圖4b）。鶯落峽站自1980年以來，特豐水年和豐水年發(fā)生概率明顯增大，特別在近20 a，特豐水年和豐水年各出現(xiàn)過7 a和8 a；特枯水年也主要發(fā)生在20 世紀(jì)70 年代和90 年代，分別出現(xiàn)過4 a和2 a，而60年代主要以偏枯水年為主，80年代以平水年為主（圖4d）。正義峽站特豐水年主要出現(xiàn)在20 世紀(jì)60 年代、80 年代和21 世紀(jì)前10 a，分別出現(xiàn)了2 a、2 a和3 a，20世紀(jì)90年代比較干旱，有6 a是特枯水年（圖4f）?？傮w來說，1990年后，黑河流域特豐水年和豐水年出現(xiàn)次數(shù)增多，在源區(qū)和上游這種現(xiàn)象比較明顯，特別是2010 年以來，黑河流域水資源明顯增多，這對于干旱少雨的西北地區(qū)而言，水資源如何科學(xué)管理和合理分配存在著巨大的挑戰(zhàn)。

圖4 黑河流域徑流豐平枯水年統(tǒng)計結(jié)果Fig.4 Statistical results of runoff at high/medium/low flow year in the Heihe River Basin

3.2 徑流對氣候變化的響應(yīng)

3.2.1 降水對徑流的影響以1960—2017 年逐月的徑流和降水資料，采用非參數(shù)公式計算得到黑河流域春季、夏季、秋季和冬季徑流對降水的彈性系數(shù)分別為0.102（P＜0.01）、0.741（P＜0.01）、0.163（P＜0.01）和0.022（P＞0.05），既季節(jié)降水變化1.000%，四季徑流平均變化分別為0.102%、0.741%、0.163%和0.022%（圖5）?？梢钥闯?，黑河流域夏季徑流對降水變化響應(yīng)最為敏感。

圖5 黑河流域季節(jié)徑流與降水序列變化比例間關(guān)系Fig.5 Relationship between seasonal runoff and the proportional change in precipitation series in the Heihe River Basin

3.2.2 氣溫對徑流的影響以1960—2017 年逐月的徑流和氣溫資料，采用非參數(shù)公式計算得到黑河流域春季、夏季、秋季和冬季徑流對氣溫的彈性系數(shù)分別為-0.007（P＞0.05）、-1.482（P＜0.05）、0.064（P＞0.05）和-0.045（P＞0.05），既季節(jié)氣溫變化1.000%，四季徑流平均變化分別為-0.007%、-1.482%、0.064%和-0.045%（負(fù)值表示變化趨勢相反）。可以看出，黑河流域夏季徑流對氣溫變化響應(yīng)最為敏感，其他季節(jié)氣溫對徑流的影響較小（圖6）。

圖6 黑河流域季節(jié)徑流與氣溫序列變化比例間關(guān)系Fig.6 Relationship between seasonal runoff and the proportional change in temperature series in the Heihe River Basin

3.3 徑流對土地利用變化的響應(yīng)

土地利用變化對徑流的影響主要體現(xiàn)在林地和草地面積的變化會改變流域蓄水功能，影響水源涵養(yǎng)能力，從而導(dǎo)致徑流量的變化；而建設(shè)用地面積變化會導(dǎo)致不透水面積隨即變化，改變匯流時間，導(dǎo)致徑流量增減［26］。研究區(qū)中八寶河流域基本位于高海拔山區(qū)，而山丹河流域中下游分布于平原區(qū)，所以本文選取人類活動對水文過程影響較小的八寶河流域和人類活動對其水文過程影響較大的山丹河流域這2個典型流域研究徑流和不同土地利用類型的相關(guān)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，徑流量與林地面積、建設(shè)用地面積呈正相關(guān)，而徑流量與草地面積呈負(fù)相關(guān)（圖7），這與陽揚等［27］的研究結(jié)果一致。

圖7 徑流與不同土地利用類型相關(guān)性Fig.7 Correlation between runoff and different land use types

整體而言，黑河流域在1980—2020年徑流量共增加了5.30×108m3，耕地和建設(shè)用地面積呈明顯增加趨勢，增長率分別為399.27 km2·a-1、97.22 km2·a-1，2020 年較1980 年耕地、建設(shè)用地面積分別增加了2726.32 km2和707.30 km2，相對增幅分別為24.20%和71.43%；草地和未利用土地面積呈減少趨勢，遞減率分別為-127.22 km2·a-1、-331.76 km2·a-1，2020年較1980 年草地、未利用土地面積分別減少了630.14 km2和2764.90 km2，相對降幅分別為1.30%和5.28%；林地和水域面積變化趨勢不明顯，基本保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。為探究黑河流域徑流對土地利用變化的響應(yīng)，將整個研究區(qū)分時段、分類型和分區(qū)域（圖8），即分別研究不同時段不同土地利用類型對小流域徑流的影響。豐樂河流域1981—1990 年和2011—2020 年林地面積的減小對徑流量有一定的削減作用；豐樂河1991—2020 年、八寶河2011—2020年林地面積的增加導(dǎo)致了徑流量的增加；洪水河流域1991—2010 年、梨園河流域1981—2010 年和黑河干流2001—2010 年草地面積的減少導(dǎo)致了徑流量的增多；討賴河流域1991—2010 年、豐樂河流域1991—2010 年、黑河干流2011—2020 年、山丹河流域2011—2020年徑流量增多主要是因為城鎮(zhèn)等建設(shè)用地面積的擴張，而討賴河流域1981—1990年徑流量減少主要是因為城鎮(zhèn)等建設(shè)用地面積的縮減。

圖8 不同時段黑河流域徑流變化量和不同土地利用類型面積變化量Fig.8 Runoff variation and area variation of different land use types in the Heihe River Basin at different time periods

3.4 徑流對冰凍圈變化的響應(yīng)

冰凍圈是氣候變化響應(yīng)最為敏感的區(qū)域，也對流域水文過程影響巨大［28-30］。以多年凍土下界為邊界可將流域劃分為植被帶（海拔2000～3600 m）和冰凍圈帶（海拔3600 m 以上）［31］，已有研究發(fā)現(xiàn)，黑河徑流的80%來自冰凍圈帶的降水和融水［32］。首先是冰川融水、凍土融水和降水下滲轉(zhuǎn)化為地下水，然后對河流進行補給，凍土融水和冰川融水對黑河流域徑流的貢獻(xiàn)率分別為28%和7%［33］；討賴流域出口徑流的78%來自冰凍圈帶，其中在討賴河源區(qū)凍土融水和冰川融水對徑流的貢獻(xiàn)率分別為38%和11%，而在嘉峪關(guān)站出口凍土融水和冰川融水對徑流的貢獻(xiàn)率分別下降到了15%和6%［31］；冰川融水對梨園河和洪水河出山口徑流的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了7%和57%［34］。20世紀(jì)60年代以來，由于氣溫持續(xù)升高，同時降水增加，冰川和凍土發(fā)生了嚴(yán)重融化［35］。黑河流域徑流量的增加雖然主要是因為降水的增加，但源區(qū)冰凍圈融水的增加對徑流量增加的貢獻(xiàn)也是不容忽略的［36］；在過去幾十年里，冰川面積整體一直處于減少變化趨勢，從1980 年的496.24 km2退縮到2018 年的246.60 km2，共退縮了249.64 km2，退縮率為50%，多年平均退縮速率為-7.22 km2·a-1，退縮明顯（圖9a）。也就是說，由于氣溫升高，黑河源區(qū)冰雪大量融化，預(yù)計短期內(nèi)會導(dǎo)致黑河來水量持續(xù)增加［37-38］，但對于長期而言，冰川退化造成山區(qū)水儲量減少，未來必然導(dǎo)致徑流減少，并加劇水資源短缺［39］。并且冰川融水和凍土融水對徑流補給高度集中在夏季，這與降水補給具有較好的同步性，將會加劇徑流年內(nèi)分配的不均勻性［40］（圖9b）。

圖9 不同時段黑河流域冰川面積變化和流量年內(nèi)變化Fig.9 Glacier area variation and annual variation of flow in Heihe River Basin at different time periods

4 結(jié)論

基于黑河流域徑流、氣象和土地利用等資料，全面系統(tǒng)地研究了黑河流域干流及主要支流的徑流變化特征，探討了徑流對氣候變化、土地利用類型變化和冰凍圈變化的響應(yīng)關(guān)系，主要得到以下結(jié)論：

（1）1990 年后黑河流域徑流增加趨勢明顯加速，并且在黑河干流表現(xiàn)最為明顯，1957—1990 年鶯落峽站徑流量增加速率為0.75×108m3·(10a)-1，而1991—2020 年其增加速率為2.60×108m3·(10a)-1，后者是前者的3.47倍；并且黑河全流域1990年后徑流量增加主要發(fā)生在夏季和秋季，較1990年前分別增加了7.07%和26.58%，而豐樂河流域、梨園河流域和八寶河流域徑流增加主要發(fā)生在冬季。

（2）黑河流域春季、夏季、秋季和冬季徑流對降水的彈性系數(shù)分別為0.102（P＜0.01）、0.741（P＜0.01）、0.163（P＜0.01）和0.022（P＞0.05）；四季徑流對氣溫的彈性系數(shù)分別為-0.007（P＞0.05）、-1.482（P＜0.05）、0.064（P＞0.05）和-0.045（P＞0.05）。徑流對氣候變化的響應(yīng)在夏季最為敏感，并且降水是導(dǎo)致徑流增多的主要氣候因素，夏季降水增加1.000%，同期徑流量平均增多0.741%（P＜0.01）。

（3）2020 年較1980 年黑河流域耕地和建設(shè)用地面積相對增幅分別為24.20%和71.43%；草地和未利用土地面積相對降幅分別為1.30%和5.28%。徑流量與林地面積、建設(shè)用地面積呈正相關(guān)，而徑流量與草地面積呈負(fù)相關(guān)。