長江源區(qū)沱沱河流域1961-2011年徑流特征及其對降水的滯后效應(yīng)

羅 玉, 秦寧生, 周 斌, 李金建, 王春學(xué), 劉 佳， 龐軼舒

(1.中國氣象局 成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室, 四川 成都 610072;2.四川省氣候中心, 四川 成都 610072; 3.成都信息工程大學(xué), 四川 成都 610225)

IPCC第5次報告指出，全球氣候變暖的事實毋庸置疑，1880—2012年全球平均氣溫已升高0.85 ℃，全球變暖將導(dǎo)致海平面上升、冰蓋消融、冰川退縮[1]。并且，隨著全球變暖和人類活動的加劇，河川徑流也發(fā)生了顯著的時空變化，這不僅直接影響流域水資源的配置、利用和開發(fā)，同時還對區(qū)域資源環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了重要影響[2-4]。在全球變暖背景下，位于青藏高原腹地的長江源區(qū)其水資源也發(fā)生了變化。已有研究表明，21世紀前，長江源區(qū)水資源表現(xiàn)為逐年遞減趨勢；而由于氣溫顯著升高，降水明顯增多[5]，導(dǎo)致最近10 a水資源顯著增加。沱沱河流域是長江源頭的主要流域，位于唐古拉山珠峰拉丹冬雪山群的西南側(cè)，海拔高度為6 621 m，流域面積達15 924 km2[6]。沱沱河徑流補給受到降水和冰雪融水的共同影響，20世紀60年代，降水是雨季徑流的主要補給源；70年代，徑流是近40 a來的最低值；自80年代以來，氣溫變暖，大量冰川融水補給河流，徑流量顯著增多[5,7]。本文基于實測徑流及降水資料，對51 a來沱沱河流域徑流的年際、年內(nèi)變化特征進行分析，旨在揭示全球變暖背景下流域徑流變化特征及由降水變化引起的水文效應(yīng)，以期得到一些有意義的結(jié)論，為流域水資源管理和利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域和資料

沱沱河流域(33°22′—35°12′N，89°48′—92°54′E)位于青海省的西南部青藏高原腹地，是長江的正源，流域面積15 924 km2。流域內(nèi)最高海拔6 468 m，最低海拔4 489 m，南北均為高山、地形所封閉，屬高空西風(fēng)帶控制區(qū)。氣候較干寒，終年低溫，流域內(nèi)多年平均氣溫達-4.2 ℃，每年凍結(jié)期長達7個月。流域內(nèi)降水較少，多年平均降水量283.1 mm，且多集中在7—9月。流域多年平均徑流量26.2 m3/s，年徑流深51.9 mm[6]。流域徑流主要由降水和冰雪融水補給[5]。本文選取1961—2011年長江源區(qū)沱沱河流域水文站逐月逐年徑流量資料；沱沱河氣象站(33°57′N,92°37′E,海拔4 533.1 m)1961—2011年逐月降水量數(shù)據(jù)進行分析研究，將四季劃分為3—5月(春季)、6—8月(夏季)、9—11月(秋季)、12月到翌年2月(冬季)；其中，5—10月為汛期，11月至翌年4月為非汛期；氣候平均值采用1981—2010年的平均值。

2 研究方法

研究方法主要包括：累積距平法、變差系數(shù)法、集中度和集中期以及相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計方法。

2.1 集中期和集中度

借鑒年降水量年內(nèi)分配向量法，采用集中期和集中度來研究流域徑流(降水量)年內(nèi)變化規(guī)律。把一年內(nèi)所有月的徑流量看作向量，月徑流量的大小作為該月向量的長度，所處的月份作為徑流量向量的方向，用圓周360°作為1 a的天數(shù)365 d，1—12月每月的方位角h依次為0，30°,60°,…,330°,將各月徑流量以向量方式累加，最后，以各分量之和的合成量占年徑流量在年內(nèi)的比值表示年徑流量集中程度，以12個月分量和比值的正切角度表示年徑流量集中期，可以客觀反映一年中最大徑流量(降水量)的出現(xiàn)時間[8]。計算公式為：

(1)

(2)

(3)

RCP=arctan(Rx/Ry)

(4)

式中：Ri——第i月的徑流量；h——第i月的徑流方位角；Ryear——年徑流量；Rx，Ry——X，Y方向上的合成向量。關(guān)于集中期RCP與集中度RCD的詳細計算過程可見參考文獻[8—9]。

2.2 差積曲線

3 結(jié)果與分析

3.1 沱沱河流域徑流年際變化規(guī)律

1961—2011年沱沱河流域徑流的年際變化規(guī)律如圖1所示。由圖1可知，近51 a來，沱沱河流域徑流量在2.80×108～1.99×109m3之間波動，多年平均值為9.34×108m3，且徑流量波動較強，表現(xiàn)為前40 a下降，近10 a顯著上升，總體表現(xiàn)為增加趨勢，氣候傾向率為1.00×108m3/10 a，通過0.01的顯著性檢驗水平。流域年徑流量在2002年出現(xiàn)最大值，為1.99×109m3，在1979年出現(xiàn)最小值，為2.80×108m3(表1)；絕對變化幅度為1.70×109m3，相對變化幅度為6.7。流域徑流量變差系數(shù)為0.45，可見沱沱河年際徑流量波動較大[10]。從沱沱河流域徑流量累積距平曲線圖(圖1)還可以看出，近51 a來，沱沱河流域的徑流量變化主要經(jīng)歷了3個階段：1961—1967年和1999—2011年累積距平明顯上升階段，徑流量以增加為主，表明這兩個階段總體上豐水年年份多于枯水年，1968—1998年累積距平呈顯著下降趨勢，徑流量以減少為主，表明這31 a枯水年年份多于豐水年。

圖1 1961-2011年沱沱河徑流年際變化和累積距平曲線

積水面積多年平均量最大水年徑流量(2000年)最小水年徑流量(1979年)年 際極值比變 差系數(shù)Cv15 924 km29.34×108 m319.85×108 m32.80×108 m36.70.45

3.2 沱沱河流域徑流年內(nèi)分配變化規(guī)律

圖2為沱沱河流域月徑流量的年內(nèi)分配情況。由圖2可知，總體上，徑流量在各個年代年內(nèi)分配基本相似，均呈“單峰型”，流量在1—2月處于低值，3—4月開始逐漸緩慢上升，5月份開始急劇上升，在7月或8月徑流量達到峰值，之后開始急劇減少，直至12月份達到最低值。

圖2 沱沱河徑流年內(nèi)分配特征

徑流量在年內(nèi)分配上，1—4月和11—12月所占比例較小，主要集中在5—10月，季節(jié)上主要分配在夏、秋季，占年徑流量的92.3%左右，且各個年代的徑流也主要集中在這一時期(表2)。就最大徑流月份而言，20世紀60，70，90年代，21世紀初的10 a和多年平均最大徑流均出現(xiàn)在8月，20世紀80年代出現(xiàn)在7月，這主要與降水量在年內(nèi)時間上的分配有關(guān)，與本區(qū)大氣降水主要分布在7月份是相吻合的，在一定程度上蘊示著氣候波動(大氣降水)對河川徑流的影響。

表2 沱沱河流域汛期(5-10月)徑流年內(nèi)分配特征

沱沱河流域各季節(jié)徑流量波動性變化特征顯著，從各季節(jié)線性趨勢來看(圖3)，春、夏、秋、冬四季徑流量均呈增加趨勢，氣候傾向率分別為6.00×106m3(p<0.01)，6.30×107m3(p<0.05)，2.10×107m3，2.62×108m3/10 a(p>0.05)，且汛期和非汛期徑流量同樣均呈顯著增加趨勢(圖略)，氣候傾向率分別為8.90×107m3/10 a，4.10×107m3/10 a，均通過0.01顯著性水平檢驗。春、夏、秋、冬、汛期、非汛期的平均徑流量分別為6.40×107m3，6.26×108m3，2.39×108m3，6.00×106m3，9.02×108m3，3.10×107m3，各自徑流量占年徑流量的百分比分別集中在3.4%～21.8%，47.1%～80.1%，11.1%～44.5%，0.25%～1.2%，89.9%～97.7%，1.92%～7.16%，夏、秋季徑流量所占年徑流量比例達58.8%以上，汛期徑流量達89.9%以上，說明沱沱河流域徑流量主要集中在夏、秋季、汛期，春、冬季、非汛期徑流量較小。各季、汛期、非汛期變差系數(shù)分別為0.36，0.45，0.55，0.33，0.43和0.50，表明夏、秋季、非汛期年際變化較大，冬季徑流量較穩(wěn)定。

圖3 1961-2011年沱沱河流域季節(jié)徑流量及占年徑流量百分比的變化

沱沱河流域集中度和集中期的年際變化表明(圖4)，集中度圍繞平均值76%上下波動，最高達83.0%，最低為66.9%，與燕華云等[11]的結(jié)論較為一致，表明沱沱河流域徑流主要集中在某些月內(nèi)，這與圖2呈現(xiàn)的徑流主要集中在5—10月相符。流域的集中期分布范圍主要集中在7月下旬至8月上旬，51 a中有41 a落在這一時間段，占到總年份的80%，其中，集中期在7月20日—30日的有10 a，占51 a中的19.6%，在8月1日—11日的有22 a，占51 a中的的43.1%。

從各年代年內(nèi)分配集中度和集中期來看(表3)，各年代集中度均較大，處于74.0%～78.1%之間；集中期合成向量在193.84°—203.6°之間的主要集中在7月28日—8月9日，除了20世紀80年代最大徑流量出現(xiàn)在7月下旬，其他年代均出現(xiàn)在8月上旬。集中期較好地反映了各個年代沱沱河徑流量最大值出現(xiàn)的年份，這與上述結(jié)果一致。

圖4 1961-2011年沱沱河徑流集中度和集中期年際變化

表3 沱沱河流域徑流統(tǒng)計特征

3.3 流域降水特征分析

1961—2011年沱沱河流域降水量年際變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可以看出，近51 a沱沱河流域降水量整體呈顯著增多趨勢，在180.6～469 mm之間呈波動變化，多年平均值為290.1 mm，氣候傾向率為10.38 mm/10 a。

流域年降水量最大值出現(xiàn)在2009年，最小值出現(xiàn)在1994年，絕對變化幅度為288.4 mm，相對變化幅度為2.6，年降雨量變差系數(shù)為0.22，可見沱沱河年際降水量波動較小。從沱沱河流域降水量累積距平曲線圖(圖5)還可以看出，近51 a來，沱沱河流域降水量呈明顯階段性變化，1987—1998年降雨偏枯，1998以后豐水年增多。

圖5 1961-2011年沱沱河降水年際變化和累積距平曲線

從沱沱河流域降水量的年內(nèi)分配特征(圖6)可以看出，總體上，降水量在各個年代年內(nèi)分配較為相似，均呈明顯的“單峰型”分布，在1—2月處于低值，3—4月開始逐漸緩慢上升，5月份開始急劇上升，在6月或7月達到峰值，之后開始急劇減少，直至12月份達到最低值。降雨量在年內(nèi)分配主要集中在5—10月，1—4月和11—12月降水量較??；季節(jié)上主要分配在夏、秋季，占年降水量的96.5%左右，各個年代的徑流也主要集中在這一時期(表4)。就最大降水量而言，各年代和多年平均最大降水量均出現(xiàn)在7月，說明各年代或年內(nèi)的降水分布特征和集中程度較為一致，同時比較圖2可以看出，徑流量值落后于降水量值，說明徑流量對降水有一定的滯后效應(yīng)。

圖6 沱沱河降水年內(nèi)分配特征

表4 沱沱河流域汛期(5-10月)降水量年內(nèi)分配特征

沱沱河流域降水集中度和集中期的年際變化表明(圖7)，集中度圍繞平均值76%上下波動，最高達79.0%，最低為73.2%，集中度呈明顯下降趨勢。流域徑流量集中度與降水量集中度相差較小，表明降水與徑流波動特征較為相似，集中期均較穩(wěn)定。由降雨的集中期可以看出，降雨主要集中在7月上旬至8月上旬，51 a中有41 a落在這一時間段，占到總年份的80%，其中集中期在7月10日—30日的有38 a，占51 a中的74.5%，在8月1—10日的有8 a，占51 a的15.7%。

圖7 沱沱河流域1961-2011年降水集中度和集中期年際變化

從各年代年內(nèi)分配集中度和集中期來看(表5)，各年代集中度均較大，處于73.2%～79.0%之間；集中期的合成向量在185.59°～190.41°之間的集中在7月12—26日，除了20世紀60年代最大徑流量出現(xiàn)在7月中旬，其他年代均出現(xiàn)在7月下旬。

表5 沱沱河流域降水統(tǒng)計特征

3.4 徑流對降水的響應(yīng)

沱沱河流域徑流補給受到降水和冰雪融水的共同影響[5]，降水作為表征氣候變化的重要因子對沱沱河流域徑流具有一定影響，因此本文主要考慮降水量與徑流之間的相關(guān)關(guān)系。由圖8得出，年降水量與年徑流量的年際波動變化具有較好的一致性，徑流量隨著降水量的增加而增加，兩者的相關(guān)系數(shù)高達0.53(通過0.001的顯著性檢驗)，表明降水量與徑流量具有很好的相關(guān)性，在51 a當(dāng)中正、負值一致的年份有31 a，一致率達到76.4%。因此，可以認為降水量是影響沱沱河流域徑流量的重要因子,也充分說明了降水量是水資源補給的重要一環(huán)。

徑流的形成是受到流域內(nèi)氣候和下墊面的共同影響，是流域內(nèi)各種自然地理因素綜合作用的產(chǎn)物。從降水到形成徑流需要經(jīng)歷3個特征階段：停蓄階段、漫流階段、河槽集階段，由于每次降水的強度和持續(xù)性不同，加之流域下墊面的影響，徑流形成需要一定的時間，因此本文利用徑流和降水的集中期來探討徑流對降水的滯后效應(yīng)[12]。由圖9可以看出，除了1968，1976，1978，1979，1983，1984和1986年外，其余年份的徑流量對降水均存在滯后效應(yīng)。徑流集中期相對于降水集中期的滯后天數(shù)大致集中在5—20 d，51 a中有31 a的滯后時間在這一范圍內(nèi)，占總年份的60%。徑流對降水的平均滯后天數(shù)為13.7 d，說明從流域降水開始經(jīng)過停蓄、漫流、河槽急流3個階段，最后匯流至沱沱河流域大約需要13.7 d左右。此外，20世紀60年代到21世紀初，各年代的滯后天數(shù)分別為14.0，10.7，16.3，12.6和14.8 d，徑流對降水的滯后天數(shù)整體呈明顯上升趨勢(圖9)。

圖8 沱沱河流域年平均徑流量與降水量的相關(guān)分析

圖9 沱沱河流域1961-2011年降水和徑流的集中期對比及滯后時間年際變化

4 結(jié) 論

(1) 1961—2011年沱沱河徑流量和降水量的變化趨勢基本一致，徑流量和降水量增加的傾向率分別為1.00×108m3/10 a和10.38 mm/10 a。5—10月徑流量占年徑流量的96.7%，同期降水量占年降水量的96.5%，徑流量與降雨量的集中期均主要在7月上旬至8月上旬。

(2) 沱沱河流域各季徑流量呈顯著階段性波動，整體表現(xiàn)為增加趨勢。春、夏、秋、冬季氣候傾向率分別為6.00×106m3/10 a，6.30×106m3/10 a，2.10×106m3/10 a，2.62×108m3/10 a。

(3) 從來看，1961—1997年，徑流量及降水量的累積曲線整體呈顯著階段性減少，1998—2011年，二者均表現(xiàn)為增加趨勢。表明近10 a沱沱河流域來水量整體呈偏豐狀態(tài)，氣候相對濕潤。

(4) 流域內(nèi)多數(shù)年份的徑流量對降水均存在滯后效應(yīng)，平均滯后天數(shù)為13.7 d。