黑河干流出山徑流對氣候變化的響應

王玉英1， 李建松2， 郝仕龍3

(1.南召縣水土保持科學試驗站，河南 南召 474650； 2.南陽市水土保持監(jiān)督監(jiān)測站，河南 南陽 473000；

3.華北水利水電大學 資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450045)

摘要：根據(jù)黑河干流河源區(qū)氣象及水文臺站50 a的觀測資料,采用Mann-Kendall及多元線性回歸分析方法，研究了黑河干流河源區(qū)50 a氣候變化的特征及其對地表徑流的影響.結(jié)果表明:1959—2008年,黑河干流河源區(qū)氣候發(fā)生了顯著的變化,主要表現(xiàn)在氣溫升高和降水量增加;從變化的時間段來看，1980年之前氣候變化較為平穩(wěn)，1980年以后變化劇烈;地表徑流量總體呈增加態(tài)勢，其年際變化特征與氣候變化特征較為同步，反映了氣候變化因素對地表徑流的影響起主導作用，特別是在1980年之后，氣候變化引起冰川消融的變化，進而對地表徑流產(chǎn)生重要影響;受氣候變化影響，冰川的融水特征經(jīng)歷了由強消融期—穩(wěn)定消融期—消融增強期變化的特征，冰川消融變化對降水因子的變化較為敏感.

關鍵詞：黑河干流;出山地表徑流量;氣候變化;Mann-Kendall秩相關分析;多元線性回歸中圖分類號：TV211文獻標識碼：A文章編號：1002-5634(2015)03-0017-04

收稿日期:2015-02-17

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51209091).

作者簡介：郭文獻(1979—)，男,河南安陽人,副教授，博士,主要從事水資源與水環(huán)境領域規(guī)劃管理以及生態(tài)水利等方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.005

以增溫為特點的全球氣候變化已是一個不爭的事實[1]，全球氣候變化對區(qū)域水資源具有重要影響，氣候變化將改變水文循環(huán),對水資源的數(shù)量以及時空分布產(chǎn)生重大影響,從而進一步影響區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的發(fā)展.因此，氣候變化對區(qū)域水資源的影響逐漸成為全球氣候變化研究的重要組成部分[2-4].分析氣候變化對區(qū)域水資源的定量影響，并提出相應的對策，對于區(qū)域水資源的優(yōu)化利用、調(diào)度和管理具有重要的意義[5-6].

黑河流域地處我國西北內(nèi)陸干旱區(qū)，多年平均降水量為128.0 mm，干旱缺水是當?shù)亟?jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的主要限制因素.由于人口增長及經(jīng)濟的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)和生活需水量急劇增加,水資源供需矛盾日益突出，氣候變化可能加劇這些不利現(xiàn)象，黑河流域的水問題以及一系列由水資源短缺衍生出的生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)成為目前該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展最突出的重大問題.因此，研究水文水資源對氣候變化的響應就顯得十分迫切，研究結(jié)論可為區(qū)域水資源的合理規(guī)劃提供參考.筆者根據(jù)黑河干流河源區(qū)1959—2008年的氣象和水文資料，研究該區(qū)50 a氣候變化的特征及其對地表徑流的影響.

1研究區(qū)概況及研究方法

1.1　研究區(qū)概況

黑河為我國西北第二大內(nèi)陸河流，發(fā)源于祁連山北麓，流經(jīng)青海、甘肅和內(nèi)蒙古,干流全長約821 km，流域面積14.3×104km2,河川徑流95%靠山地降水和積雪融水補給.黑河流域以鶯落峽和正義峽為界,被分為上、中、下3部分：鶯落峽以上為上游，是主要產(chǎn)流區(qū)；鶯落峽至正義峽區(qū)間為中游，是主要用水區(qū)；正義峽以下為下游，是河湖尾閭消失區(qū).

1.2　數(shù)據(jù)來源

1)氣象數(shù)據(jù)：根據(jù)黑河干流河源區(qū)的分布情況，筆者選取祁連山氣象站及野牛溝氣象站的氣象資料作為黑河源頭區(qū)域氣候變化的參考資料.收集歷年氣象資料包括1959—2008年逐月的氣溫、降雨量等；降雨資料選取上述兩站年平均值，代表黑河源區(qū)的年降水量情況；氣溫資料選取上述兩氣象站主要融雪季節(jié)5—9月的年平均氣溫，代表黑河源區(qū)主要融雪期間年氣溫變化情況.

2)水文數(shù)據(jù)：來源于鶯落峽水文站自建站以來的逐月水文數(shù)據(jù)(1959—2008年)，以年地表徑流總量為指標分析氣候變化對其水文水資源的影響.

1.3　研究方法

1.3.1Mann-Kendall秩相關分析法

年徑流量的變化趨勢和突變點采用Mann-Kendall秩相關分析法進行統(tǒng)計分析.該方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其核心是通過統(tǒng)計學方法檢驗時間序列要素均值變化的確切時間來確定躍變變化的確切時間.

Mann-Kendall法的分析原理[7]：給定信度值α，Xt(t=1,2,…)為一時間序列,先確定其序列的對偶值(Xi

1.3.2多元線性回歸

影響流域徑流量變化的主要氣象要素是降水和氣溫[7]，根據(jù)黑河干流上游鶯落峽水文站歷年徑流量資料，祁連山及野牛溝氣象站歷年5—9月的平均溫度和年總降水量的平均值，采用多元線性回歸分析方法來建立地表徑流量與氣溫及降水的多元線性回歸方程，模擬并分析不同時期氣候變化對黑河上游地表徑流量變化的影響，公式如下：

R=b0+b1P+b2T.

(1)

式中：R為年徑流總量；b0為待定常數(shù)；b1、b2為待定系數(shù)；P為年降水量；T為年平均溫度.

2結(jié)果與分析

2.1　氣候變化特征分析

2.1.1溫度變化分析

1959—2008年祁連山區(qū)平均氣溫整體呈上升趨勢，年平均溫度線性擬合增長率為0.281 ℃/10 a，高于全國的升溫速率(0.208 ℃/10 a)[8]，其中歷年5—9月平均溫度線性擬合增長率為0.241 ℃/10 a，如圖1所示.由圖可知：1959—1980年，5—9月平均溫度線性擬合增長率為-0.05 ℃/10 a，溫度基本保持平穩(wěn)，略有下降；1981—2008年，5—9月平均溫度線性擬合增長率為0.568 ℃/10 a，呈快速增長的態(tài)勢.

圖1　 1959—2008年黑河干流河源區(qū)

由圖1分析表明：祁連山黑河干流河源區(qū)主要融雪季節(jié)氣溫在1980年發(fā)生突變，即1959—1980年為穩(wěn)定期，1981—2008為快速增溫期.20世紀60年代5—9月年平均氣溫為8.17 ℃；20世紀70年代5—9月年平均氣溫為8.15 ℃，略低于20世紀60年代平均水平；20世紀80年代的年平均氣溫為8.10 ℃，總體比20世紀70年代平均氣溫降低了0.05 ℃；20世紀90年代的平均氣溫為8.76 ℃，較20世紀80年代升高了0.66 ℃；21世紀前8 a的年平均氣溫為9.16 ℃，比20世紀90年代升高了0.40 ℃.

2.1.2降水量變化分析

1959—2008年黑河干流河源區(qū)年降水量變化明顯，多年平均降水量為365.22 mm，年降水量波動大.1959—1979年降水量偏少,各年降水量基本低于平均值，年平均降水量只有299.3 mm，1980—2008年降水量波動式地有所增加，各年降水量基本高于平均值，年平均降水量達到412.96 mm，如圖2所示.分析圖2可知：1980年以前年降水量偏少，且振幅較??；1980年以后降水量有增多趨勢,且振幅較大.

圖2　 1959—2008年黑河干流河源區(qū)降水量的年際變化

2.1.3氣候變化的特征分析

根據(jù)降水及氣溫的年際變化情況，黑河干流河源區(qū)1980年之前，降水及氣溫的年際變化相對較小，屬于氣候變化的相對穩(wěn)定期；1980—2008年，降水及氣溫的年際變化幅度增大，總體呈增加態(tài)勢，屬于氣候變化的劇烈期.整個研究期內(nèi)，黑河干流河源區(qū)氣候變化的特征表現(xiàn)為由暖干向熱濕轉(zhuǎn)型.

2.2　氣候變化對地表徑流的影響

根據(jù)已往相關研究結(jié)論，河流的水文特征主要受氣候因素的影響，其中降水和氣溫是影響流域徑流量變化的主要因子[9-10].黑河干流河源區(qū)分布有大小冰川428條，年補給河流的冰川融水量約3.65億m3，占流域地表徑流量37.28億 m3的9.8%[11].因此，黑河流域地表徑流量受氣候變化影響的同時，也受河流源頭冰川融水的影響，冰川消融和積累的時間主要發(fā)生在每年的5—9月.

根據(jù)黑河干流鶯落峽水文站地表徑流數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall分析方法，發(fā)現(xiàn)從1980—2008年，黑河干流年地表徑流量波動性較大，突變點較多，如圖3所示.分析其原因可能是由于這段時期黑河干流河源區(qū)年地表徑流受氣候變化的影響較大，這一時期正處于氣候變化的劇烈動蕩期的緣故.

圖3　 黑河干流出山口歷年徑流量

通過建立1985—2000年黑河干流上游鶯落峽徑流量與黑河干流上游河源區(qū)降水量及5—9月年平均溫度二元線性回歸方程，發(fā)現(xiàn)其相關性較好，相關系數(shù)為0.897，求得式(1)中的各系數(shù)：b0=1.129,b1=0.036 2,b2=0.032 3.建立的相關方程如下：

R=1.129+0.036 2P+0.032 3T.

(2)

式中：R為年地表徑流量，108m3；P為年降水量，m3；T為每年5—9月平均氣溫，℃.

式(2)表明黑河干流上游年地表徑流量與降水量及5—9月年平均氣溫成正比例關系，說明這一期間氣溫上升使冰川融水對地表徑流的補給量大于由于地表蒸發(fā)對徑流損失的量，間接說明黑河源頭區(qū)冰川的融水是地表徑流的重要來源之一.根據(jù)式(2)模擬黑河干流上游鶯落峽水文站1959—2008年徑流量變化，結(jié)果如圖4所示.

圖4　黑河干流出山口歷年徑流量實測值與模擬值

由圖4可知：1959—1978年歷年徑流量的模擬值普遍低于實測值，1979—2004年模擬值與實測值吻合較好，2005—2007年模擬值低于實測值，2008年模擬值與實測值一致.模擬值與實測值的差異表明：1959—1978年黑河源區(qū)冰川融水對地表徑流量補給相對較多，冰川處于強消融期，冰川的平均融水對地表徑流量的補充相對于穩(wěn)定期增加23.3%，其中1959年達到最大，為55.4%；1979—2004年為冰川消融相對穩(wěn)定期，隨著氣候變化的加劇，2005—2007年冰川融水開始加速,冰川的平均消融對地表徑流量的補充相對于穩(wěn)定期增加12.5%,其中2007年達到最大值，為40.5%.

從氣候變化特征來看，1959—1978年為暖干時期，1979—2004年為熱濕時期，2005—2007年為相對熱干時期.從冰川的融水與氣候因子的關系來看，冰川的融水效應對降水量因子的敏感性強于氣溫，表明冰川的消融和降水存在明顯的負相關,這一變化特征與祁連山區(qū)其他冰川的消融規(guī)律基本一致[12]，冰川的消融變化也與祁連山區(qū)其他冰川消融變化特點較為類似[13].1959—1978年,降水少，冰川處于強消融期；1979—2004年,溫度上升，冰川消融加速，降水多，冰川積累也增多，這期間冰川的積累和消融處于相對穩(wěn)定的消融期；2005—2007年，溫度繼續(xù)上升，降水的增幅相對較小，冰川又表現(xiàn)為強消融態(tài)勢；2008年溫度相對下降，降水增加，冰川積累與消融又回到相對穩(wěn)定的消融狀態(tài).

3結(jié)語

1)50 a來，黑河干流河源區(qū)氣候變化歷經(jīng)穩(wěn)定期和動蕩期.1959—1980年，黑河干流上游河源區(qū)氣候變化相對穩(wěn)定；1980—2008年，氣候變化處于劇烈的動蕩期，年降水量及主要融雪期間的氣溫呈明顯的增加態(tài)勢，氣候變化的特征表現(xiàn)為由暖干向熱濕轉(zhuǎn)變.

2)50 a來，在氣候變化條件下，黑河干流地表徑流量總體呈增加態(tài)勢，地表徑流變化過程歷經(jīng)平穩(wěn)期和動蕩期.1959—1980年，黑河干流上游河源區(qū)氣候變化相對平穩(wěn)；從20世紀80年代中期以后至2008年，年地表徑流量波動性增大，地表徑流的變化特征與氣候變化的特征相一致，說明這一時期，氣候變化對徑流的影響起主導作用.

3)根據(jù)氣候變化特點及其對黑河干流地表徑流變化的影響，說明冰川融水是黑河地表徑流的重要補給源.50 a來黑河干流上游河源區(qū)冰川的融水歷經(jīng)強消融期、相對穩(wěn)定的消融期及消融增強期.降水量的變化是影響冰川融水的關鍵因素，降水量減少，冰川融水加速；降水量增加，冰川的融水相對減少.因此，在氣候變化條件下，黑河干流河源區(qū)年地表徑流量呈總體增加的態(tài)勢，這主要與降水量的增加有關外，還與冰川的融水作用有著直接的關系.

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Response of Runoff from the Mountainous Area of Heihe River to Climatic Changes

WANG Yuying1, LI Jiansong2, HAO Shilong3

(1.Water and Soil Conservation Scientific Experiment Station in Nanzhao County, Nanzhao 474650, China;

2.Supervision and Monitoring Station of Soil and Water Conservation in Nanyang City, Nanyang 473000, China;

3.School of Resources and Environment， North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:According to the observational datum of the meteorological and hydrological stations in the source area of Heihe River for 50 years, and with the methods of Mann-Kendall and multiple linear regression, this paper analyses the climate change and its impacts on the surface runoff during the recent 50 years. The results show: from 1959 to 2008, the climate in the source area of Heihe River changes obviously, which highlights that the temperature and precipitation increase; from the time region of variation, the climate change is stable before 1980, and it is drastic after 1980; the surface runoff is of a increasing trend, and its annual variation characteristics is more synchronized with the variation characteristics of climate, which reflects the climate change plays a leading role in influences on the surface runoff; especially after 1980, the climate change can result in the change of glacial ablation, which will have an important influence on the surface runoff; the melt water of glacier appears the change characteristics from the strong ablation period, and the stable ablation period to the strengthened ablation period, and the change of glacial ablation is sensitive to the change of rainfall.

Keywords:Heihe River; surface runoff from mountainous area; climate change; Mann-Kendall rank correlation analysis; multiple linear regression

(責任編輯：喬翠平)