李紅剛,張攀全,管 鎮(zhèn)

(華能瀾滄江水電股份有限公司集控中心,昆明 650214)

0 引 言

青藏高原作為亞洲多條河流發(fā)源地,為>20億人提供必要的水資源,有著“亞洲水塔”之稱[1]。在全球氣候變暖背景下,青藏高原的冰川格局、水資源以及生態(tài)系統(tǒng)等均發(fā)生著以失衡為特征的劇烈變化[2-4],并對(duì)下游水資源產(chǎn)生了連鎖效應(yīng)[5-7]。氣候變化與水資源問題涵蓋自然、政治、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域,成為各國水安全沖突的焦點(diǎn)。瀾滄江是亞洲最重要的跨國水系,流經(jīng)中國、老撾、緬甸、泰國、柬埔寨和越南6個(gè)國家,對(duì)瀾滄江水資源變化特征進(jìn)行深入研究很有必要,特別是受極端氣候事件影響,湄公河干旱問題備受關(guān)注,已經(jīng)成為中國水外交的重要話題[8]。

圖1 瀾滄江上游位置及代表站分布

受氣候變化影響,在過去40 a間,瀾滄江降水量呈顯著下降趨勢(shì)[9-10],瀾滄江下游允景洪水文站年徑流量呈顯著下降趨勢(shì),且氣候變化對(duì)瀾湄上游的影響大于下游[11]。在用水量上,瀾滄江農(nóng)業(yè)用水基本穩(wěn)定,工業(yè)與生活用水量在逐步增加[12],實(shí)現(xiàn)跨境水資源的利用已經(jīng)成為未來多邊共贏與發(fā)展的目標(biāo)[13]。在全球變暖背景下,開展瀾滄江上游水資源變化特征的研究很有必要：一方面,通過分析瀾滄江上游水資源變化特征,能全方位掌握瀾滄江水資源在不同時(shí)間尺度上的變化規(guī)律,從科學(xué)的角度理解氣候變化對(duì)水資源的影響;另一方面,瀾滄江作為“中國十三大水電基地”之一,通過分析水文規(guī)律,發(fā)揮瀾滄江梯級(jí)電站群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度優(yōu)勢(shì),提供綠色清潔能源,助力國家實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。

本文利用烏弄龍斷面徑流資料,對(duì)瀾滄江上游的河川徑流演變趨勢(shì)進(jìn)行分析,并通過代表站的氣溫、降水量,分析瀾滄江在青海、西藏境內(nèi)流域水資源變化的對(duì)氣象要素的響應(yīng),對(duì)深刻認(rèn)識(shí)青藏高原水資源現(xiàn)狀、開展水庫調(diào)度、水資源管理具有深遠(yuǎn)的意義。

1 研究區(qū)概況

瀾滄江發(fā)源于青海唐古拉山東北側(cè),流經(jīng)青海、西藏、云南3個(gè)省區(qū),在云南省西雙版納傣族自治州勐臘縣流出境后稱為湄公河,瀾滄江在我國境內(nèi)全長約2 179 km,天然落差4 583 km,集水面積約16.5萬km2。青海雜多縣城以上為瀾滄江河源區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)縱橫,水流雜亂,湖沼密布,冰峰高聳。雜多至昌都之間流域?qū)儆诤庸绕皆c高山—峽谷的過渡區(qū),區(qū)域內(nèi)水系較發(fā)育,干支流多斜交相匯,呈“樹枝”狀分布格局;昌都至烏弄龍則以高山—峽谷地貌為主,支流短小[14]。烏弄龍電站位于維西縣巴迪鄉(xiāng)(圖1),是目前瀾滄江干流最上游電站,集水面積近8.6萬km2,占瀾滄江流域集水面積的50%左右。現(xiàn)以烏弄龍斷面作為瀾滄江在青藏高原上的出流斷面,對(duì)該斷面的河川徑流演變特征進(jìn)行分析,以揭示瀾滄江在青藏高原區(qū)域的水資源變化特征。

2 資料與方法

徑流數(shù)據(jù)使用烏弄龍斷面1953—2019年整編逐月徑流資料(自有整編資料開始),雜多、昌都兩個(gè)代表站的氣象數(shù)據(jù)取自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心1990—2019年中國地面氣象數(shù)據(jù)集。青藏高原高程資料使用NOAA-NGDC全球地形數(shù)據(jù)ETOPO2v2數(shù)據(jù)集。

本文使用線性回歸定量地反映瀾滄江上游徑流、氣溫、降水隨時(shí)間的變化趨勢(shì)[15];使用Pearson相關(guān)系數(shù)判別徑流與氣象要素的相關(guān)特征[16];使用Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法(M-K檢驗(yàn))分析徑流的突變特征[17]。M-K檢驗(yàn)是一種氣候診斷與預(yù)測(cè)技術(shù),應(yīng)用M-K檢驗(yàn)法可以判斷氣候序列中是否存在氣候突變,如果存在,可確定出突變發(fā)生的時(shí)間,具體計(jì)算過程如下。

對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列X,構(gòu)造一個(gè)秩序列,即

(1)

式中：Ri表示Xi>Xj(1≤j≤i)的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假設(shè)下,定義統(tǒng)計(jì)量為

(2)

式中：UF1=0;E(Sk)、Var(Sk)分別為累計(jì)數(shù)Sk的均值和方差,在X1,X2,…,Xn相互獨(dú)立,且有相同連續(xù)分布時(shí),它們可由式(3)算出。

(3)

UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,是按時(shí)間序列X順序X1,X2,…,Xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列。本文給定顯著性水平α=0.1,查正態(tài)分布表Uα=1.65,若|UFi|>Uα,則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。

按時(shí)間序列X逆序Xn,Xn-1,…,X1,再重復(fù)上述過程,同時(shí)使UBk=-UFk,k=n,n-1,…,1,UB1=0。分析UBk和UFk曲線,如果UBk和UFk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn),且交點(diǎn)在臨界線之間,那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。該方法的優(yōu)點(diǎn)不僅在于計(jì)算簡便,而且可以明確突變開始的時(shí)間并指出突變區(qū)域,因此,是一種常用的突變檢測(cè)方法。

線性回歸與相關(guān)系數(shù)使用t檢驗(yàn)(Student’sttest)方法確定顯著性。

3 瀾滄江上游徑流變化特征

3.1 年徑流變化特征

1953—2019年烏弄龍斷面年徑流變化特征如圖2所示。在過去的67 a里,烏弄龍斷面流量年際變化較大,最大流量出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代初,該時(shí)期瀾滄江上游徑流連續(xù)6 a較多年平均偏豐,最大徑流量出現(xiàn)在1962年,達(dá)到339.64億m3,較多年平均偏多45%,而最小徑流量為1994年的158.94億m3,較多年平均偏少32%,極差比為2.14,變差系數(shù)為0.18。

圖2 烏弄龍斷面年徑流距平百分率及其演變趨勢(shì)

結(jié)合烏弄龍斷面不同年代徑流變化特征(表1)可知,在20世紀(jì)80年代以前,烏弄龍年徑流變差系數(shù)達(dá)到0.2,極差比2.13,這一時(shí)期瀾滄江上游年徑流變化很大,來水豐枯差異明顯。但從1990年開始的3個(gè)10 a內(nèi),烏弄龍徑流量的變差系數(shù)和極差比均逐漸減小,從2011年開始的10 a間,變差系數(shù)接近0.1,極差比減小至1.46,極大值與極小值年徑流量僅相差86.73億m3,表明近30 a以來烏弄龍斷面年徑流的差異程度逐漸減少。為反映來水周期對(duì)徑流量產(chǎn)生的影響,使用小波分析的方法對(duì)該序列的周期進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果顯示瀾滄江上游徑流存在2～4 a主周期,該周期在20世紀(jì)80年代至2000年初最為顯著,2000年以后4～8 a的第二主周期有所加強(qiáng),更長時(shí)間尺度的周期變化不明顯,說明瀾滄江上游來水周期主要影響徑流的年際變化,對(duì)10 a以上尺度的徑流量變化影響較小。

表1 烏弄龍斷面不同年代徑流量變化特征

線性趨勢(shì)分析常用于對(duì)氣象水文序列長期演變特征的分析,從年徑流變化的趨勢(shì)中反映徑流演變的總體趨勢(shì),對(duì)水資源開發(fā)和利用具有指導(dǎo)意義。通過趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn),瀾滄江上游徑流自1953年以來僅呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì),下降率為0.9%/(10 a),與瀾滄江中游舊州站徑流的長期變化基本一致[11],為反映氣候變化加劇對(duì)上游徑流的影響,截取1990—2019年烏弄龍斷面的年徑流序列進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果差異較小,表明上游年徑流的長期趨勢(shì)基本是穩(wěn)定的,年代際差異不顯著。但采用相同方法對(duì)烏弄龍斷面春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)的長期趨勢(shì)進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)春、秋2個(gè)季節(jié)的河川徑流基本保持穩(wěn)定,而冬季徑流增加(0.6%/(10 a)),夏季徑流減少(1.8%/(10 a)),盡管變化幅度不大,但氣候變化加之人類活動(dòng)可能正在影響徑流的年內(nèi)分配過程[18],這方面的研究還需要更深入地開展。

3.2 月徑流變化特征

烏弄龍斷面年徑流量基本穩(wěn)定,夏季徑流呈微弱下降趨勢(shì),但采用線性回歸的方法分析月徑流的變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn),近70 a以來,烏弄龍斷面流量在8月份呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)(圖3(a)),下降速率達(dá)4.8%/(10 a),折合水量2.0億m3/(10 a),通過檢驗(yàn)α=0.05顯著性水平;近30 a以來(1990—2019年),相較于1953年以來平均徑流量,下降速率更是達(dá)到9.8%/(10 a),下降趨勢(shì)愈發(fā)明顯,其他月份徑流均有所增減,但變化趨勢(shì)不顯著。值得注意的是,近70 a以來,5月份烏弄龍斷面徑流呈緩慢上漲的趨勢(shì),但近30 a來,這一趨勢(shì)是相反的,5月份徑流受瀾滄江源頭區(qū)域積雪量影響較大,徑流下降與氣溫變化及前期降水總量均有關(guān)系。

進(jìn)一步對(duì)8月份烏弄龍徑流序列進(jìn)行M-K檢驗(yàn),識(shí)別徑流的突變特征,結(jié)果表明(圖3(b)),20世紀(jì)70年代初,瀾滄江上游徑流存在突變,突變后,8月份流量呈下降趨勢(shì)。UF統(tǒng)計(jì)量顯示20世紀(jì)80—90年代末該月的流量下降最明顯,這一時(shí)期出現(xiàn)2個(gè)流量極小值點(diǎn),月均流量僅有約700 m3/s,較多年平均偏少56%;而在近10 a中,2015—2016年附近再次出現(xiàn)流量顯著下降趨勢(shì)。下文將結(jié)合上游代表站的氣象資料,對(duì)近30 a來5月份和8月份徑流變化與氣溫、降水的關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析。

圖3 烏弄龍斷面月徑流演變趨勢(shì)

4 瀾滄江上游徑流對(duì)降水、氣溫的響應(yīng)分析

青藏高原正在經(jīng)歷以暖濕化為主要特征的氣候變化過程[19-20],特別是近二三十年來,青藏高原地表與地下水資源發(fā)生顯著變化[21-22]。受青藏高原氣象資料較少限制,選取流域內(nèi)雜多和昌都2個(gè)氣象站點(diǎn)作為代表站對(duì)上游1990—2019年氣溫與降水趨勢(shì)進(jìn)行分析。雜多站位于青海省玉樹藏族自治州雜多縣境內(nèi),該站氣象要素可以反映瀾滄江青海境內(nèi)流域(瀾滄江源頭)的溫濕變化特征。昌都站位于西藏自治區(qū)昌都市境內(nèi),是瀾滄江上游中部站點(diǎn),從昌都往下瀾滄江逐步流入橫斷山脈中的峽谷,東西向分水嶺迅速縮小,昌都站可以反映瀾滄江西藏境內(nèi)流域的溫濕變化特征。

4.1 瀾滄江上游降水、氣溫與烏弄龍斷面流量相關(guān)性分析

使用Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算烏弄龍徑流與雜多、昌都兩站降水和氣溫的相關(guān)性(表2),烏弄龍斷面年徑流與兩站的年降水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.63與0.64,通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn),表明瀾滄江上游徑流以降水產(chǎn)流為主,年徑流變化受到降水量變化的影響。8月份,雜多與昌都多年平均降水量分別為96.3 mm和100.5 mm,兩站降水與徑流相關(guān)系數(shù)分別為0.61與0.60,表明青海、西藏兩個(gè)省(區(qū))降水量均與瀾滄江上游徑流密切相關(guān),2個(gè)省區(qū)降水量變化均會(huì)影響上游徑流。

表2 雜多和昌都?xì)鉁亍⒔邓c烏弄龍徑流相關(guān)系數(shù)

春季隨瀾滄江源頭區(qū)域溫度逐漸升高,源頭的積雪開始緩慢融化,徑流同時(shí)受氣溫與降水的影響。計(jì)算得到5月份雜多站氣溫與烏弄龍斷面徑流的相關(guān)系數(shù)為0.22,具有一致變化的特點(diǎn);相反地,徑流和降水的相關(guān)系數(shù)為-0.25。盡管相關(guān)性未達(dá)到顯著性水平,但可反映出處于青藏高原干濕轉(zhuǎn)化的5月份[23],若出現(xiàn)溫度偏高、降水量偏少的氣象條件時(shí),是利于上游徑流增加的,而陰雨天氣會(huì)減慢積雪融化過程。6月份隨著瀾滄江上游流域逐漸進(jìn)入雨季,雜多站降水與徑流的相關(guān)系數(shù)提高至0.30,通過α=0.1的顯著性檢驗(yàn),降水徑流相關(guān)性明顯提高,而氣溫則轉(zhuǎn)為負(fù)相關(guān),與5月份相反。說明在5—6月份,瀾滄江上游源頭區(qū)域氣溫和降水對(duì)烏弄龍斷面河川徑流預(yù)報(bào)會(huì)產(chǎn)生較大影響,需考慮融雪產(chǎn)流與降水產(chǎn)流兩種不同的物理過程。5月份昌都站的氣溫、降水與烏弄龍流量的相關(guān)性均較弱,一方面由于昌都站5月份多年平均降水量接近40 mm,受枯水期不飽和下墊面的影響,產(chǎn)流較小;另一方面該站與源頭主要積雪區(qū)距離較遠(yuǎn),氣溫與融雪關(guān)系較雜多站要弱。

4.2 5月份瀾滄江上游氣溫變化分析

瀾滄江上游冬春季積雪主要集中在源頭東側(cè)瀾滄江與金沙江的分水嶺上,積雪最深處雪水當(dāng)量可>100 mm。為了更清楚地反映瀾滄江源頭區(qū)域5月份氣溫與徑流的相關(guān)程度,對(duì)雜多站氣溫與烏弄龍斷面徑流序列作10 a滑動(dòng)相關(guān)分析,結(jié)果如圖4所示。

圖4 1—4月份雜多站累計(jì)降水量及4、5月份烏弄龍斷面徑流與同期雜多站氣溫滑動(dòng)相關(guān)性

1990—2004年間,雜多站5月份氣溫與烏弄龍斷面流量的相關(guān)高達(dá)0.5左右,特別是在1994—2003年這10 a中,前期1—4月份平均降水(雪)量為51.5 mm,5月份氣溫與徑流的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.58,基本呈現(xiàn)冬春季降雪越強(qiáng),雜多站5月份氣溫變化對(duì)融雪產(chǎn)流影響越顯著的規(guī)律。但值得注意的是,2000年以來,5月份雜多站氣溫與上游徑流的相關(guān)性變?nèi)?特別是2019年,前期上游降水(雪)很強(qiáng),但氣溫與徑流相關(guān)性接近于0。采用相同的方法對(duì)4月份氣溫與徑流相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)從2000年初開始,4月份雜多站氣溫與上游徑流相關(guān)系數(shù)逐漸增大,近10 a以來相關(guān)系數(shù)已經(jīng)接近0.50,4月份氣溫與徑流的關(guān)系好于5月份。

已有研究表明,20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)初,青藏高原中部平均氣溫呈上升趨勢(shì),其速率為0.39 ℃/(10 a),凍結(jié)結(jié)束日以2.88 d/(10 a)的速率提前[24]。對(duì)雜多站1990年以來氣溫進(jìn)行線性回歸,雜多站氣溫變化與青藏高原氣溫逐步上升的趨勢(shì)是一致的,近30 a來4、5月份平均氣溫正分別以0.42 ℃/(10 a)和0.27 ℃/(10 a)的速率上升。在全球變暖背景下,青藏高原氣溫升高,造成高原大部分地區(qū)冰川物質(zhì)虧損速率加速,春季返青期提前[25],瀾滄江源頭區(qū)域氣溫升高,直接影響瀾滄江上游冰川、積雪融化時(shí)間,未來一段時(shí)間,瀾滄江上游4月份徑流可能會(huì)有進(jìn)一步增大的趨勢(shì)。

4.3 8月份瀾滄江上游降水變化分析

對(duì)昌都與雜多2個(gè)站點(diǎn)1990—2019年的年降水量進(jìn)行回歸計(jì)算,昌都站降水量變化趨勢(shì)為-2.0%/(10 a),雜多站降水量變化趨勢(shì)為4%/(10 a),上游降水年代際變化較小,與烏弄龍年徑流量在長期趨勢(shì)上基本穩(wěn)定的結(jié)論是一致的。然而,8月份昌都站降水量變化趨勢(shì)達(dá)到-10.6%/(10 a),雜多站為1.1%/(10 a),徑流減少對(duì)昌都站降水變化的響應(yīng)較好,表明近30 a來西藏境內(nèi)流域降水量減少直接影響到瀾滄江上游8月份徑流量。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié) 論

本文利用1953年以來(自有整編資料開始)烏弄龍斷面徑流資料對(duì)瀾滄江上游徑流長期趨勢(shì)進(jìn)行了分析,并結(jié)合近30 a上游雜多、昌都兩個(gè)代表站氣溫與降水資料,對(duì)瀾滄江上游的水資源演變特征進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論：

(1)近30 a來瀾滄江上游徑流年際差異有所減小,在年代際尺度上徑流僅呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì),徑流變化周期主要以2—4 a為主,2000年以后4—8 a的周期信號(hào)增強(qiáng)。

(2)瀾滄江上游春、秋兩個(gè)季節(jié)的徑流基本保持穩(wěn)定,冬季徑流有所增加,夏季徑流減少,其中8月份徑流呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì),徑流減少突變點(diǎn)在20世紀(jì)70年代初,下降速率達(dá)4.8%/(10 a),折合水量2.0億m3/(10 a),1990年以來,下降趨勢(shì)更加明顯并達(dá)到9.8%/(10 a)。

(3)瀾滄江上游5月份徑流對(duì)源頭區(qū)域氣溫響應(yīng)較好,且前期降水(雪)越強(qiáng),兩者關(guān)系越密切。在全球變暖的大背景下,近30 a來雜多站4、5月份平均氣溫正分別以0.42 ℃/(10 a)和0.27 ℃/(10 a)的速率上升,特別是2000年以來,受源頭區(qū)域變暖影響,已表現(xiàn)出融雪(冰)提前,徑流對(duì)4月氣溫響應(yīng)程度升高的特點(diǎn)。

(4)近30 a以來,8月份昌都站降水量遞減的速率達(dá)到10.6%/(10 a),與該月上游徑流量顯著下降的趨勢(shì)一致。

5.2 討 論

以青藏高原為核心的第三極是全球氣候變暖最強(qiáng)烈的地區(qū),也是未來全球氣候變化影響不確定性最大的地區(qū),冰川加速退縮、冰川徑流增加、水循環(huán)加強(qiáng),“亞洲水塔”正在發(fā)生劇烈變化[25-26]。近年來,瀾滄江上游徑流年際特征也發(fā)生著巨大的變化,2019年受前期積雪偏強(qiáng)與氣溫持續(xù)偏高影響,4月份烏弄龍斷面日均最大流量超多年平均1倍以上,全月流量較多年平均偏多55%,為1953年以來4月流量最大值;2022年3月中下旬上游雜多站日均氣溫>6 ℃,超氣候平均8 ℃以上,烏弄龍斷面徑流在一周時(shí)間內(nèi)增加近200 m3/s。在全球變暖背景下,瀾滄江上游融雪徑流特征可能正在發(fā)生變化,氣溫升高導(dǎo)致的融雪(冰)期提前需要引起高度重視,需結(jié)合流域特征進(jìn)行深入研究,并采取積極應(yīng)對(duì)措施。