長(zhǎng)江上游保護(hù)區(qū)徑流變化特征及其對(duì)氣候因子響應(yīng)的區(qū)域差異性研究

唐 見，陳 進(jìn)，周建中

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院a.流域水環(huán)境研究所;b.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.院長(zhǎng)辦公室，武漢 430010;2.華中科技大學(xué) 水電與數(shù)字化工程學(xué)院，武漢 430074)

1 研究背景

由于受到區(qū)域氣候和下墊面等自然條件以及人類活動(dòng)的耦合作用，河川徑流的演變過程既表現(xiàn)出確定性的周期性變化規(guī)律，同時(shí)也有強(qiáng)烈的隨機(jī)性［1］。徑流情勢(shì)演變及其對(duì)氣候和人類活動(dòng)等驅(qū)動(dòng)力的響應(yīng)研究成為水文水資源領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題［2－4］。分析河川徑流的演化過程，掌握其演化的規(guī)律和動(dòng)因，對(duì)于變化環(huán)境下的水生態(tài)環(huán)境和水資源適應(yīng)性規(guī)劃管理十分重要。

長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)江上游保護(hù)區(qū)”)在長(zhǎng)江上游水域生態(tài)系統(tǒng)中具有代表性和典型性，保護(hù)區(qū)內(nèi)流域海拔落差大，地形植被復(fù)雜，受季風(fēng)以及青藏高原融雪等影響，徑流過程復(fù)雜多變，專家學(xué)者對(duì)該區(qū)域的徑流變化特征及其影響因素開展了廣泛研究。這些研究對(duì)于了解長(zhǎng)江上游保護(hù)區(qū)流域水循環(huán)過程及其影響具有重要意義，但多局限于特定站點(diǎn)、河段的徑流演變過程分析。在屏山站的研究發(fā)現(xiàn)徑流量在氣候因子的作用下呈現(xiàn)增加趨勢(shì)［5－7］。趙利等［8］利用朱沱站代表保護(hù)區(qū)干流江段的水文特性分析了干流徑流變化程度及其生態(tài)影響。長(zhǎng)江上游流域地形上的差別必然會(huì)導(dǎo)致區(qū)域徑流變化及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)差異［9］，現(xiàn)階段還缺少對(duì)不同區(qū)域的徑流變化及其對(duì)氣候因子響應(yīng)特點(diǎn)的對(duì)比研究。

長(zhǎng)江上游保護(hù)區(qū)現(xiàn)有水文變化研究成果表明，1990年以前保護(hù)區(qū)內(nèi)的水文過程基本屬于受人類活動(dòng)干擾較小的自然狀態(tài)，1990年后人類活動(dòng)尤其是水電開發(fā)會(huì)對(duì)長(zhǎng)江上游的水文過程產(chǎn)生較大的干擾［8］。本研究選取長(zhǎng)江上游保護(hù)區(qū)內(nèi)的代表性水文站點(diǎn)屏山、朱沱和赤水(控制流域分別屬于谷地、盆地和高原環(huán)境)的歷史流量和氣象資料，分析了1956—1990年時(shí)間段的近自然狀態(tài)下徑流變化及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)特征，以期能更好地理解徑流演變過程及其未來發(fā)展方向，為長(zhǎng)江上游魚類保護(hù)區(qū)的水資源和水生態(tài)的保護(hù)和規(guī)劃管理提供有效的決策支持。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究站點(diǎn)數(shù)據(jù)來源及概況

研究采用長(zhǎng)江上游保護(hù)區(qū)內(nèi)的屏山、朱沱和赤水3個(gè)水文站點(diǎn)歷史流量，以及各水文站點(diǎn)附近的屏山、朱沱和赤水氣象站的降雨和蒸發(fā)資料。資料來源于《中華人民共和國(guó)水文年鑒》。屏山水文站是保護(hù)區(qū)長(zhǎng)江干流河段的入流控制站，控制流域面積458 592 km2，流經(jīng)區(qū)域地形多為金沙江谷地;朱沱水文站控制流域面積697 925 km2，是保護(hù)區(qū)長(zhǎng)江干流河段的出流控制站，屏山—朱沱區(qū)間的干流徑流主要流經(jīng)四川盆地;赤水站位于保護(hù)區(qū)內(nèi)唯一尚未進(jìn)行水電開發(fā)的河流赤水河的干流，控制面積為16 622 km2，流經(jīng)區(qū)域地形多為云貴高原［10］。保護(hù)區(qū)內(nèi)河流由于受到季風(fēng)氣候影響，河流徑流年內(nèi)分布極不平均，79.1%的年內(nèi)徑流集中在雨季(5—9月)。

2.2 研究方法

2.2.1 徑流變化的周期性分析

基函數(shù)由1個(gè)母小波(mother wavelet)和1個(gè)尺度函數(shù)(scaling function)構(gòu)成。小波變換所需的基函數(shù)，是被選取的母小波和尺度函數(shù)縮放和平移后的集合。基函數(shù)的數(shù)學(xué)公式如下:

式中:Ψa，b(t)為小波分析基函數(shù);a為尺度因子，反映小波的周期長(zhǎng)度;b為平移因子，反映時(shí)間上的平移。

設(shè)定Ψa，b(t)后，對(duì)給定信號(hào) f(t)進(jìn)行變換，通過改變尺度因子a來獲得時(shí)間序列的時(shí)頻信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)不同時(shí)間尺度和空間局部特征的分析［12］。

小波方差是小波系數(shù)的平方值在時(shí)間尺度上積分，小波方差隨尺度a的變化過程，稱為小波方差圖，它能反映信號(hào)波動(dòng)的能量隨尺度a的分布，能準(zhǔn)確判別出時(shí)間序列信號(hào)中振動(dòng)最強(qiáng)的周期。小波方差計(jì)算公式為

在本研究中，選取complex morlet wavlet作為基函數(shù)，尺度因子設(shè)定為1～20。利用Matlab小波分析工具箱對(duì)3個(gè)研究站點(diǎn)1956—1990年徑流的周期性變化特征進(jìn)行分析。

2.2.2 徑流變化的趨勢(shì)分析

采用非參數(shù)Mann-Kendall(以下簡(jiǎn)稱M-K法)趨勢(shì)檢驗(yàn)法分析3個(gè)水文站點(diǎn)徑流的變化趨勢(shì)。M-K法不受時(shí)間序列數(shù)據(jù)的異常值以及分布類型的影響，適用于分析水文、氣象等數(shù)據(jù)的趨勢(shì)變化檢驗(yàn)，是時(shí)間序列數(shù)據(jù)趨勢(shì)變化檢驗(yàn)使用最為廣泛的一種方法。M-K法基本原理如下:

為了盡可能規(guī)避冷橋現(xiàn)象發(fā)生，提升外保溫復(fù)合墻的使用成效，在進(jìn)行建筑布局以及規(guī)劃層面，目前學(xué)術(shù)界也有不少專家學(xué)者就如何有效規(guī)避這種現(xiàn)象發(fā)生提出了一些有效的建議和舉措。從外保溫復(fù)合墻的結(jié)構(gòu)布局來說，主要采取的方式有單一保溫層以及夾層兩種方式。此外還可以結(jié)合需求進(jìn)行內(nèi)、外保溫墻的分別規(guī)劃。接下來，本文將針對(duì)這部分內(nèi)容展開具體、細(xì)致的分析：

假設(shè)有一水文時(shí)間序列為 x1，x2，x3…，xn，其趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量公式為

式中:sgn()為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)xi－xj小于、等于或大于0時(shí)，sgn(xi－xj)分別為 －1，0或1;若 M-K 統(tǒng)計(jì)量公式S分別大于、等于、小于0時(shí)，則有

如果待檢測(cè)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)相互獨(dú)立且符合正態(tài)分布，統(tǒng)計(jì)量S的方差通過式(6)計(jì)算獲得。

如果待檢測(cè)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)中包括相同值，統(tǒng)計(jì)量S的方差通過式(7)計(jì)算獲得。

式中:ti是第j組中相同數(shù)值數(shù)目，j是有相同值的組數(shù)。

利用統(tǒng)計(jì)量S及其方差來計(jì)算統(tǒng)計(jì)量Z，公式為

Z值用來檢驗(yàn)時(shí)間序列數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)顯著性，給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表，如果Z的絕對(duì)值大于Z1－α/2，變化趨勢(shì)不顯著，反之，變化趨勢(shì)顯著。Z 的絕對(duì)值大于或等于1.64，1.96，2.58時(shí)分別表示通過了置信度90%，95%，99%的顯著性檢驗(yàn)。Z為正值表示上升趨勢(shì)，為負(fù)值表示下降趨勢(shì)。

2.2.3 徑流對(duì)氣候因子的響應(yīng)分析

采用彈性系數(shù)(Climate elasticity of streamflow)概念來分析研究站點(diǎn)的徑流對(duì)氣候因子的響應(yīng)。彈性系數(shù)概念是Schaake在1990年首次提出用來評(píng)價(jià)徑流對(duì)氣候變化的敏感性，徑流彈性系數(shù)定義為徑流Q的變化率對(duì)某一氣候因子X變化率的比值，即

氣候因子(降雨和蒸發(fā))和徑流關(guān)系難用顯函數(shù)的數(shù)學(xué)公式表達(dá)，從而限制了彈性系數(shù)概念的進(jìn)一步應(yīng)用，Sankarasubramanian等［13］用非參數(shù)方法推導(dǎo)出上述公式的一個(gè)基于流域多年平均狀況下的近似解，求解公式為

式中:ΔQi和ΔXi分別是徑流和氣候因子的變化量;和分別是徑流和氣候因子的平均值;Qi和Xi分別是某一時(shí)間的徑流和氣候因子的觀測(cè)值。

Sankarasubramanian提出的彈性系數(shù)的非參數(shù)求解方法需要大量的樣本數(shù)據(jù)，為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確度，本研究采用Zheng等［14］在2009年改進(jìn)的彈性系數(shù)非參數(shù)求解方法，該方法能夠解決小樣本數(shù)據(jù)求解過程中準(zhǔn)確度差的問題，計(jì)算公式為

在本研究中，利用改進(jìn)的彈性系數(shù)非參數(shù)求解方法分析1956—1990年近自然狀態(tài)下3個(gè)站點(diǎn)的徑流對(duì)降雨(εP)和蒸發(fā)(εE)的響應(yīng)狀況。

3 結(jié)果與討論

3.1 徑流變化的周期性

利用小波方法對(duì)3個(gè)站點(diǎn)1956—1990的年徑流進(jìn)行了分析，各站點(diǎn)的小波系數(shù)實(shí)部時(shí)頻分布如圖1所示。小波系數(shù)實(shí)部的二維等值線圖顯示了年徑流序列時(shí)間尺度的變化特征，當(dāng)小波系數(shù)實(shí)部值為正時(shí)，代表徑流豐水期，為負(fù)時(shí)，表示徑流枯水期。屏山站年徑流有明顯的4～8 a和10～20 a 2個(gè)周期，且這2個(gè)周期呈現(xiàn)明顯的豐枯震蕩變化規(guī)律。朱沱站和屏山站年徑流存在的周期基本相似，但其豐枯周期變化沒有屏山站明顯。赤水站年徑流主要存在3～6 a和8～15 a的周期。

進(jìn)一步利用小波方差對(duì)3個(gè)站點(diǎn)的年徑流變化的主周期進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示:屏山站存在6，14，17 a 3個(gè)周期，其中14 a對(duì)應(yīng)小波方差圖的峰值，是屏山站的第一主周期;朱沱站存在8，12，16 a 3個(gè)周期，其中12 a是其第一主周期;赤水站有4，10，16 a 3個(gè)周期，10 a是其第一主周期。

圖1 研究站點(diǎn)小波系數(shù)實(shí)部時(shí)頻分布Fig.1 Time-frequency distribution of real parts of wavelet coefficients for the study stations

圖2 研究站點(diǎn)年均徑流的小波方差圖Fig.2 Variances of wavelet coefficients of annual average streamflow for the study stations

3.2 徑流變化趨勢(shì)

3個(gè)代表性站點(diǎn)的近自然狀態(tài)下的徑流(1956—1990年)的變化趨勢(shì)分析結(jié)果如表1所示。月時(shí)間尺度上，屏山站的徑流有6個(gè)月份呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)(1，2，3，4，6 和 8 月份)，其中 8 月份的徑流有顯著的下降趨勢(shì)(趨勢(shì)檢驗(yàn)通過90%的置信度水平);其他的6個(gè)月份徑流有增加趨勢(shì)，但不顯著。朱沱站徑流也有6個(gè)月份的徑流呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，分別是1，2，6，8，11和12 月份，其中也是8 月份的徑流有顯著的下降趨勢(shì)。赤水站的徑流有4個(gè)月份出現(xiàn)下降的趨勢(shì)(5，10，11和12月份)，其他月份徑流有呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，其中3，4月份徑流有顯著增加。在季節(jié)尺度上，除了赤水站雨季徑流沒變化，3個(gè)站點(diǎn)的徑流在雨季和旱季都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)(不顯著)。在年尺度上，3個(gè)站點(diǎn)徑流都有增加的趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)不顯著。

表1 研究站點(diǎn)1956—1990年流量變化趨勢(shì)的M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Table 1 M-K statistical values of trend test results for streamflow during 1956-1990of the study stations

3.3 徑流對(duì)氣候因子響應(yīng)的區(qū)域差異性

降雨量和蒸散發(fā)是影響徑流的2個(gè)核心因子，降雨是徑流的水量主要來源，影響著水量平衡，降雨的變化對(duì)徑流的影響非常巨大。而從土壤和水體表面的蒸散發(fā)是徑流的主要去處，蒸散發(fā)受到氣溫、輻射、風(fēng)速和相對(duì)濕度等因子的影響。所以降雨量和蒸散發(fā)這2個(gè)因子經(jīng)常被用來當(dāng)作氣候變化因子并模擬其對(duì)徑流的影響［15］。本研究中同樣選取降雨量和蒸散發(fā)這2個(gè)因子來分析3個(gè)站點(diǎn)的徑流對(duì)其響應(yīng)關(guān)系。研究站點(diǎn)1956—1990年徑流的降雨彈性系數(shù)和蒸發(fā)彈性系數(shù)結(jié)果如表2所示。3個(gè)站點(diǎn)年徑流的降雨彈性系數(shù)εP都大于年徑流的蒸發(fā)彈性系數(shù)εE，3個(gè)站點(diǎn)的徑流都對(duì)降雨的敏感度較高。結(jié)果表明屏山站10%的降水變化將導(dǎo)致12.5%的徑流變化響應(yīng)，而10%的蒸發(fā)減少將導(dǎo)致3.3%的徑流增加。朱沱站10%的降水增加將導(dǎo)致10.7%的徑流增加，而10%的蒸發(fā)減少將導(dǎo)致4.6%的徑流增加。赤水站10%的降水變化將導(dǎo)致19.6%的徑流變化響應(yīng)，而10%的蒸發(fā)減少將導(dǎo)致2.1%的徑流增加。

各站點(diǎn)控制流域的下墊面的區(qū)域差異性會(huì)導(dǎo)致年徑流對(duì)氣候因子(降雨和蒸發(fā))的響應(yīng)差異，流經(jīng)區(qū)域大多位于高山峽谷的屏山站和赤水站的年徑流對(duì)降雨的彈性系數(shù)要大于朱沱站。高山峽谷河流控制流域的下墊面基本上都是不透水的巖石，河流坡降大，流域匯流速度快，匯流時(shí)間短促，對(duì)降雨的調(diào)蓄作用極為微弱［16－17］，所以屏山站和赤水站徑流對(duì)降雨的敏感度要大于朱沱站。朱沱站年徑流對(duì)蒸發(fā)的彈性系數(shù)要稍微大于屏山和赤水站，可能是處于下游的屏山—朱沱站區(qū)間的河道水面匯水面積要大于處于高山峽谷型河道水面匯水面積的原因?qū)е碌摹?/p>

表2 研究站點(diǎn)1956—1990年徑流的降雨彈性系數(shù)和蒸發(fā)彈性系數(shù)Table 2 Climate elasticity of precipitation and evaporation for annual streamflow during 1956-1990 for the study stations

4 結(jié)論

本研究分析了長(zhǎng)江上游保護(hù)區(qū)3個(gè)代表性站點(diǎn)1956—1990年近自然狀態(tài)下的徑流變化特征及其對(duì)氣候因子響應(yīng)狀況，研究的結(jié)論主要包括:

(1)3個(gè)站點(diǎn)的年徑流周期性變化存在相似性，都有著10～12 a的豐枯震蕩周期。

(2)3個(gè)站點(diǎn)的徑流在年和季節(jié)尺度上呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但在月尺度上，屏山和朱沱站情況相似，在8月份徑流存在明顯的下降趨勢(shì)，赤水站徑流在3月份和4月份有顯著增加。

(3)站點(diǎn)控制流域的下墊面的區(qū)域差異性會(huì)導(dǎo)致年徑流對(duì)氣候因子的響應(yīng)差異，其中流經(jīng)區(qū)域大多位于高山峽谷的屏山站和赤水站，其年徑流對(duì)降雨的彈性系數(shù)要大于朱沱站，而位于盆地的朱沱站的年徑流對(duì)蒸發(fā)的彈性系數(shù)要稍微大于屏山和赤水站。

［1］李麗娟，鄭紅星.華北典型河流年徑流演變規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)力分析——以潮白河為例［J］.地理學(xué)報(bào)，2000，55(3):309 － 317.(LI Li-juan，ZHENG Hong-xing.Characteristics and Driving Forces of Annual Runoff Changes for Rivers in North China:A Case Study in the Chaobaihe River［J］.Acta Geographica Sinica，2000，55(3):309－317.(in Chinese))

［2］張建云，章四龍，王金星，等.近50年來中國(guó)六大流域年際徑流變化趨勢(shì)研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2007，18(2):230 － 234.(ZHANG Jian-yun，ZHANG Si-long，WANG Jin-xing，et al.Study on Runoff Trends of the Six Larger Basins in China Over the Past 50 Years［J］.Advances in Water Science，2007，18(2):230 －234.(in Chinese))

［3］LIU M L，TIAN H Q ，YANG Q C，et al.Long-term Trends in Evapotranspiration and Runoff Over the Drainage Basins of the Gulf of Mexico During 1901 －2008［J］.Water Resources Research，2013，49(4):1988－2012.

［4］BAWDEN A J，LINTON H C，BURN D H，et al.A Spatiotemporal Analysis of Hydrological Trends and Variability in the Athabasca River Region，Canada［J］.Journal of Hydrology，2014，509:333－342.

［5］趙文煥，高 袁.金沙江流域徑流年代際變化特性分析［J］.人民長(zhǎng)江，2011，42(6):98－100.(ZHAO Wen-huan，GAO Yuan.Analysis on Annual and Decadal Runoff Variation Characteristics of Jinsha River Basin［J］.Yangtze River，2011，42(6):98 －100.(in Chinese))

［6］王渺林，侯保儉.長(zhǎng)江上游流域徑流年內(nèi)分配特征分析［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2012，31(4):873 － 876.(WANG Miao-lin，HOU Bao-jian.Changes of Annual Runoff Distribution in Upper Streams of Yangtze River Basin［J］.Journal of Chongqing Jiaotong U-niversity(Natural Sciences)，2012，31(4):873 －876.(in Chinese))

［7］馮亞文，任國(guó)玉，劉志雨，等.長(zhǎng)江上游降水變化及其對(duì)徑流的影響［J］.資源科學(xué)，2013，35(6):1268－1276.(FENG Ya-wen，REN Guo-yu，LIU Zhi-yu，et al.Rainfall and Runoff Trends in the Upper Yangtze River［J］.Resources Science，2013，35(6):1268－1276.(in Chinese))

［8］趙 利，彭期冬，李 翀，等.長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)干流生態(tài)水文變化分析［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2014，33(3):106－111.(ZHAO Li，PENG Qidong，LI Chong，et al.Analysis of Eco-hydrological Alteration of Upper Yangtze Mainstream Sections in the Nature Reserves for Rare and Endemic Fishes［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2014，33(3):106－ 111.(in Chinese))

［9］王艷君，姜 彤，施雅風(fēng).長(zhǎng)江上游流域1961－2000年氣候及徑流變化趨勢(shì)［J］.冰川凍土，2005，27(5):709 －714.(WANG Yan-jun，JIANG Tong，SHI Ya-feng.Changing Trends of Climate and Runoff over the Upper Reaches of the Yangtze River in 1961 －2000［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2005，27(5):709－714.(in Chinese))

［10］危起偉.長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)科學(xué)考察報(bào)告［M］.北京:科學(xué)出版社，2013.(WEI Qiwei.Report of Scientific Investigation on National Nature Reserve for the Rare and Endemic Fishes in the Upper Reaches of the Yangtze River［M］.Beijing:Science Press，2013.(in Chinese))

［11］王文圣，丁 晶，向紅蓮.小波分析在水文學(xué)中的應(yīng)用研究及展望［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2002，13(4):515－520.(WANGWen-sheng，DING Jing，XIANG Hong-lian.Application and Prospect of Wavelet Analysis in Hydrology［J］.Advances in Water Science，2002，13(4):515 －520.(in Chinese))

［12］SANG Y F.A Review on the Applications of Wavelet Transform in Hydrology Time Series Analysis［J］.Atmospheric Research，2013，122:8－15.

［13］SANKARASUBRAMANIAN A R，VOGEL M，LIMBURNER J F.Climate Elasticity of Streamflow in the United States［J］.Water Resources Research，2001，37(6):1771－1781.

［14］ZHENG H X，ZHANG L，ZHU R R，et al.Responses of Streamflow to Climate and Land Surface Change in the Headwaters of the Yellow River Basin［J］.Water Resources Research，2009，45，W00A19.doi:10.1029/2007WR006665.

［15］MENG D J，MO X G.Assessing the Effect of Climate Change on Mean Annual Runoff in the Songhua River Basin，China［J］.Hydrological Processes，2012，26(7):1050－1061.

［16］曹叔尤，劉興年，方 鐸，等.山區(qū)河流卵石推移質(zhì)的輸移特性［J］.泥沙研究，2000，(4):1－5.(CAO Shuyou，LIU Xing-nian，F(xiàn)ANG Duo，et al.Transport Behavior of Pebble Bed-load in Mountain Rivers［J］.Journal of Sediment Research，2000，(4):1－5.(in Chinese))

［17］馬赟杰，黃 薇，霍軍軍.山區(qū)河流環(huán)境流量特征和計(jì)算方法研究［J］.人民長(zhǎng)江，2011，42(增2):7－10.(MA Yun-jie，HUANG Wei，HUO Jun-jun.Research on Characteristics and Calculation Method of Environmental Flow for Mountains River［J］.Yangtze River，2011，42(Sup.2):7 －10.(in Chinese))