長江源區(qū)1978—2009年徑流極值序列變化趨勢分析

， ， 廣才

(長江科學(xué)院 a.水資源綜合利用研究所；b.院長辦公室， 武漢 430010)

1 研究背景

近年來，隨著全國各流域水資源開發(fā)利用程度的提高及全球氣候變化的加劇，全國各地的徑流情勢均發(fā)生了一定的變化。長江源區(qū)是青藏高原上高原濕地主要分布地區(qū)之一，人煙稀少，受人為因素影響較小，也是江河源區(qū)冰川分布最集中的地區(qū)。長江源區(qū)水文站點(diǎn)稀少，水文形勢變化研究成果較少。近年來，受全球氣候變化的影響，長江源區(qū)的水文情勢也隨之發(fā)生了一系列的變化，國內(nèi)外專家多集中在長江源區(qū)氣候變化和徑流之間相關(guān)關(guān)系的研究，降水量變化趨勢的研究以及年徑流變化趨勢及其影響因素的研究,而沒有對于長江源區(qū)徑流極值變化趨勢和造成這一趨勢影響因素以及長江源區(qū)站站之間相關(guān)性進(jìn)行研究。本文采用了1978—2009年長江源區(qū)沱沱河和直門達(dá)的年徑流極值的資料，利用相關(guān)分析法研究了兩站徑流極值的變化趨勢及源區(qū)沱沱河和直門達(dá)水文站之間最大流量相關(guān)關(guān)系，并用Mann-Kendall對趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。這不但有助于揭示長江源區(qū)的水文極值變化的綜合信息，同時(shí)對制定三江源保護(hù)規(guī)劃，保護(hù)流域水資源，預(yù)防洪水發(fā)生和應(yīng)對河流枯水變化也具有重要的參考價(jià)值。

2 資料和方法

2.1 資料分析

本文選取的長江源區(qū)為通天河直門達(dá)水文站以上干支流區(qū)域，采用直門達(dá)和沱沱河1978—2009年共32 a的年徑流極值資料。

通天河是長江上游中的一段，它上起囊極巴隴，與長江正源當(dāng)曲相接點(diǎn)，下至玉樹藏族附近的巴塘河口，同金沙江相連，橫貫青海省玉樹藏族自治州全境，河長813 km。

通天河的河床海拔高3 000～4 000 m，據(jù)觀測記錄，通天河在下游直門達(dá)附近的多年平均流量為385 m3/s。年徑流量122億m3，其中水量的2/3以上來自曲麻萊色吾曲口以上。通天河屬高寒氣候區(qū)，多年平均氣溫在0℃以下。直門達(dá)水文站位于通天河上，控制站以上的流域面積為13.77萬km2。

沱沱河又稱托托河、烏蘭木倫河，蒙語意為“紅河”，位于中國青海省西南部，是長江正源。其發(fā)源于唐古拉山脈主峰格拉丹冬西南側(cè)姜根迪如雪山的冰川，冰川尾端海拔近5 500 m。沱沱河控制流域面積1 349 km2。沱沱河出唐古拉山區(qū)后繼續(xù)北流，截開祖爾肯烏拉山較低的山崗，流至囊極巴隴附近，在流到青藏公路的沱沱河沿時(shí)，它已是深3 m，寬20～60 m的大河了。直門達(dá)河、沱沱河水文站站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 長江源區(qū)水文站示意圖

2.2 Mann-Kendall趨勢分析法

利用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法分析長江源區(qū)水文極值序列趨勢變化。Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)是Mann (1945)創(chuàng)建的一種時(shí)間序列趨勢分析方法，后經(jīng)Kendall(1975)完善。該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用水文、氣象等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)，計(jì)算簡便。它是世界氣象組織推薦的非參數(shù)檢驗(yàn)方法之一，目前己被廣泛地用來分析降水、徑流和氣溫等要素時(shí)間序列的趨勢變化。

Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量可定義如下:

(1)

2.3 跳躍分析法

當(dāng)Mann-Kendall檢驗(yàn)進(jìn)一步用于檢驗(yàn)序列跳躍點(diǎn)(突變)時(shí)，定義統(tǒng)計(jì)變量為

(2)

Var(sk)=k(k-1)(2k+5)/72 。

將時(shí)間序列x按降序排列，再按式(2)計(jì)算，同時(shí)使

(3)

通過分析統(tǒng)計(jì)序列UFk和UBk，不僅可以進(jìn)一步分析序列x的趨勢變化，還可以明確突變的時(shí)間，指出突變的區(qū)域。若UFk值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則呈下降趨勢。2統(tǒng)計(jì)序列構(gòu)成的曲線分別記為UF和UB。如果2條曲線超過臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢顯著；如果2條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界直線之間，那么交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻就是突變開始的時(shí)刻。

3 徑流極值變化特征

3.1 徑流極值的年內(nèi)分配

沱沱河32 a的徑流極大值出現(xiàn)在7—9月份的概率為87.5%，直門達(dá)站32 a的徑流極大值出現(xiàn)在7—9月份的概率為96.9%。

3.2 徑流極值的趨勢分析

取顯著性水平α=0.05，采用Mann-Kendall趨勢顯著性檢驗(yàn)法(雙側(cè)檢驗(yàn))對沱沱河年徑流極大值序列、直門達(dá)年徑流極大值序列以及直門達(dá)-沱沱河32 a年徑流極大值序列分別進(jìn)行趨勢分析。趨勢分析圖見圖2，計(jì)算結(jié)果見表1。

圖2 沱沱河/直門達(dá)年徑流極大值趨勢分析

表1長江源區(qū)徑流極值序列趨勢分析匯總表

Table1Resultoftrendanalysisofmaximumrunoffseries

序列統(tǒng)計(jì)量Z斜率趨勢顯著性沱沱河2.827.70增加顯著直門達(dá)0.7516.44增加不顯著直門達(dá)-沱沱河2.5337.99增加顯著

注：取顯著性水平α=0.05時(shí)，Zα/2=1.96。

沱沱河近32 a年徑流極大值有增加的趨勢，且趨勢顯著；直門達(dá)近32 a年徑流極大值略有增加，但趨勢不顯著；直門達(dá)年徑流極大值隨沱沱河年徑流極大值的變化的相關(guān)關(guān)系十分明顯。

3.3 突變分析

采用Mann-Kendall跳躍分析法分別對沱沱河和直門達(dá)河徑流極值序列進(jìn)行跳躍檢驗(yàn)，跳躍分析發(fā)現(xiàn)：沱沱河極大值序列跳躍分析圖中UB和UF曲線在1997,1998年出現(xiàn)交叉(如圖3(a))，交叉點(diǎn)位于臨界直線UV和-UV之間，此處有3個(gè)交點(diǎn)聚集，均為突變點(diǎn)，本文選取第一個(gè)交點(diǎn)，表明沱沱河徑流極大值在1997,1998年出現(xiàn)跳躍(突變)。直門達(dá)極大值序列跳躍分析圖中UB和UF曲線在32 a出現(xiàn)沒有交叉(如圖3(b))，表明直門達(dá)徑流極大值在32 a沒有出現(xiàn)跳躍(突變)。

圖3 沱沱河直門達(dá)徑流極大值序列跳躍檢驗(yàn)圖

4 成因分析

4.1 徑流年內(nèi)分配不均

地表徑流的年內(nèi)分配,主要取決于河流的補(bǔ)給類型[1]，沱沱河徑流主要依靠冰川融雪補(bǔ)給；直門達(dá)站的徑流組成除了來自冰川融雪的補(bǔ)給，還有來自上游沱沱河、當(dāng)曲河和楚瑪爾河等五河來水的補(bǔ)給以及當(dāng)?shù)亟邓难a(bǔ)給等。

長江源區(qū)徑流年內(nèi)分配不均，分析長江源區(qū)32 a徑流資料表明沱沱河(汛期站)7—9月徑流總量約占全年徑流量的75.1%，而直門達(dá)(非汛期站)7—9月徑流總量約占全年徑流量的59.3%。朱延龍[2]等認(rèn)為直門達(dá)河在32 a中年徑流呈增加趨勢，趨勢不顯著。

4.2 長江源氣候變暖

在顯著性水平α=0.05下，采用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)對長江源1978—2007年的年平均氣溫序列分析發(fā)現(xiàn)，近30 a來長江源氣溫增加顯著，氣溫升高幅度在0.6℃/10 a。

陳芳[3]等認(rèn)為近44 a(1961—2004年)來長江源區(qū)四季及年平均氣溫普遍升高夏季較顯著，白璐瑤[4]等也認(rèn)為長江源區(qū)的年均氣溫在1997年發(fā)生突變，氣溫均值升高1.2℃,因而導(dǎo)致源區(qū)溫度升高，冰川融雪增多。此外有資料表明長江源最大冰川—崗加曲巴冰川近40 a退縮4 000 m[5]。

圖4 長江源區(qū)年平均氣溫序列趨勢分析圖

4.3 降水量逐年增多

朱延龍[2]等認(rèn)為長江源區(qū)不同區(qū)域降水呈現(xiàn)不同的態(tài)勢，玉樹站呈現(xiàn)減少態(tài)勢，其他站則呈現(xiàn)增加態(tài)勢，不過趨勢均不顯著，沱沱河站降水序列突變點(diǎn)發(fā)生在1998年。姚玉璧[6]等分析了沱沱河近50 a的降水資料，表明沱沱河年降雨逐漸增加。

4.4 下墊面條件

下墊面條件變化影響植被截流、蒸騰、下滲等水文過程中，對徑流產(chǎn)生一定的影響。沱沱河所處流域人煙稀少，常年冰凍，直門達(dá)所處流域有人類活動，長江源區(qū)植被在32 a中產(chǎn)生了一定的變化，長江源區(qū)以草地為主，其中又以高寒草甸為主，氣候變暖使高寒草甸發(fā)生逆向演替趨勢:高寒草甸→輕度退化高寒草地→中度退化高寒草地→重度退化高寒草甸→荒漠化地區(qū)[7]。

5 結(jié) 論

通過對長江源區(qū)沱沱河和直門達(dá)水文站32 a徑流極值和降水、氣溫序列的分析發(fā)現(xiàn)：

(1) 沱沱河近32 a來年最大徑流量呈現(xiàn)增加態(tài)勢，趨勢顯著，直門達(dá)站年徑流極大值呈增加趨勢，趨勢不顯著。其主要受氣候變暖，植被變化等因素的影響。

(2) 直門達(dá)站和沱沱河站年最大徑流量具有顯著的相關(guān)關(guān)系，可以合理利用預(yù)測洪峰流量。

(3) 長江源區(qū)徑流極值增加的問題，間接可以顯示出冰川融化加速，全球變暖現(xiàn)象，需要引起人們的關(guān)注，投入更多的精力去探究全球氣候變暖和河流徑流變化規(guī)律及對于生態(tài)環(huán)境影響。

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