1956—2021年疏勒河流域主要河流出山徑流變化及成因分析

王學(xué)良， 陳仁升， 劉俊峰， 韓春壇,3

（1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院黑河上游生態(tài)—水文試驗研究站，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省平?jīng)鏊恼?，甘肅 平?jīng)?744000；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

IPCC6 報告顯示，全球變暖已經(jīng)成為氣候變化的大趨勢［1］。氣候變化導(dǎo)致的氣溫升高、區(qū)域降雨增加或減少，冰雪消融和凍土退化等，引起了區(qū)域水循環(huán)過程發(fā)生改變。在近百年中國氣候變暖趨勢的影響下［2-4］，過去60 a中國主要江河以及發(fā)源于青藏高原的長江黃河和雅魯藏布江等河流水資源量出現(xiàn)了新的變異特征［5-6］。然而，對于生態(tài)環(huán)境相對較脆弱的西北干旱半干旱內(nèi)陸河流域，氣溫和降水等氣象要素已經(jīng)發(fā)生改變并引起了廣泛關(guān)注［7-11］，受此影響，河流徑流量和流域水資源量也出現(xiàn)了新的變化趨勢和特征［12-15］。疏勒河流域作為河西走廊三大內(nèi)陸河流域之一，深居西北內(nèi)陸腹地，受氣候變化影響，流域出山徑流量發(fā)生了較大變化，也引起了諸多學(xué)者的關(guān)注［16-25］。流域內(nèi)氣溫、降水等氣象要素和徑流的變化規(guī)律，對于整個區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展，科學(xué)利用與管理流域水資源等工作具有重要的意義。

祁連山區(qū)因特殊的地理位置，從東至西受東亞季風(fēng)、高原季風(fēng)、南亞季風(fēng)和西風(fēng)帶的交匯影響［10-11］。疏勒河位于河西走廊西部，流域內(nèi)高大山系分布較多，水汽在高山峻嶺間傳輸，降水量相對較少，高山區(qū)冰川和積雪發(fā)育，徑流主要由降水和冰雪融水形成。區(qū)域內(nèi)社會經(jīng)濟發(fā)展所需的水資源大部分來自祁連山山區(qū)河流。流域內(nèi)有疏勒河、石油河和黨河等主要河流，山區(qū)河流徑流量的趨勢增加或減少對流域內(nèi)水資源管理，酒泉市、玉門市、瓜州縣和敦煌市等中下游地區(qū)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)舉足輕重。因此針對疏勒河流域主要河流出山徑流量的變化開展研究，分析歷史時期的變化規(guī)律，有利于疏勒河流域合理配置水資源，制定科學(xué)的區(qū)域水資源管理方案。

關(guān)于疏勒河流域氣候變化背景下徑流量變化特征的分析主要集中在東部的疏勒河干流［16-25］。如李培都等［16］分析和模擬了1972—2011 年疏勒河徑流量變化特征，結(jié)果表明疏勒河干流昌馬堡、黨城灣、雙塔堡、潘家莊4個站點年徑流量均呈增加趨勢，出山口昌馬堡站每10 a增加13.87%，突變年份在2004年；張鵬等［17］分析表明，1956—2011年疏勒河氣溫、降水量和徑流量均呈上升趨勢，且突變點發(fā)生在1997年；孫棟元等［18］利用1953—2014年昌馬堡站資料，分析表明徑流變化為增加趨勢；張文春［19］研究發(fā)現(xiàn)，1956—2017年出山口昌馬堡站徑流量為增加趨勢，突變點在1998 年，且多年平均流量1998—2017年比1956—1997 年增加了56.1%；李洪源等［20］和Wu等［21］利用寒區(qū)分布式水文模型SPHY，對疏勒河上游徑流組分及其變化特征進行了定量模擬，結(jié)果顯示冰川徑流、融雪徑流、降雨徑流和基流分別占總徑流量的比例為30.5%、12.9%、13.5%和43.1%，且由于氣溫和降水為增加趨勢，故冰川徑流和降雨徑流均呈增加趨勢，平均增加幅度分別為4.66×106m3·a-1和2.46×106m3·a-1，融雪徑流呈減少趨勢，平均減少幅度為1.01×106m3·a-1；藍永超等［22］認為，1960—2011 年河西內(nèi)陸河石羊河、黑河和疏勒河三大水系上游山區(qū)氣溫總體為上升態(tài)勢，且疏勒河年平均氣溫突變時間為1990s 后期；降水總體上亦為增加態(tài)勢，但年際波動劇烈，年徑流量增加的主要貢獻為冰雪融水；李計生等［23］研究發(fā)現(xiàn)，1956—2013 年疏勒河各河流徑流量為持續(xù)增加趨勢，地下水補給量占徑流量的40.46%，且2014—2018年疏勒河干流出山徑流量偏豐；李雅培［24］利用1981—2015 年疏勒河流域氣溫、降水和徑流等要素，采用分布式水文模型PRMS 模擬了未來不同情景下疏勒河山區(qū)流量的變化趨勢，表明疏勒河出山徑流量總體呈增加趨勢；楊春利等［25］研究表明，1956—2015 年疏勒河出山徑流量為增加趨勢，1990s 后增加明顯，氣溫對徑流的影響超過60%，而降水的影響為30%左右。以上研究成果為疏勒河流域水資源綜合規(guī)劃和科學(xué)管理提供了技術(shù)支撐。

關(guān)于疏勒河流域的研究多集中在疏勒河干流或單獨一個河流，研究重點主要側(cè)重于氣溫、降水量和徑流量的演變趨勢、突變年份和豐枯時段等方面。針對過去幾十年疏勒河整個流域和主要河流的出山徑流量變化特征的差異及成因分析方面仍然缺少系統(tǒng)分析。故本文擬選取整個疏勒河流域為研究區(qū)，探究1956—2021 年疏勒河、石油河和黨河3 條主要河流的氣溫、降水和徑流等要素的變化特征及差異，以期為疏勒河流域水資源的綜合管理與開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

疏勒河流域地處河西走廊西端，位于92°11′～98°30′E，38°00′～42°48′N 之間，主要河流從東至西分別有疏勒河、石油河和黨河（圖1）。疏勒河發(fā)源于祁連山脈的崗格爾肖合力嶺，河源高程4737 m，干流由東南向西北穿行于托來南山與疏勒南山之間，干流全長583 km，集水面積4.13×104km2，從河源到昌馬峽出山口（昌馬堡水文站）干流長347 km；石油河發(fā)源于照壁山中部，河源高程4000 多米，河流全長約130 km，主要由高山、峽谷、淺山低山區(qū)及戈壁和盆地組成；黨河地處疏勒河最西端，發(fā)源于疏勒南山的崩坤大坂、宰里木克和黨河南山的巴音澤爾肯烏勒、諾干諾爾的冰川群；主流由東南向西北流，干流全長379 km。研究區(qū)總體氣候呈現(xiàn)高原山地氣候特征。

1.2 數(shù)據(jù)資料

選取疏勒河昌馬堡站、石油河玉門市站和黨河黨城灣站為研究對象。氣象數(shù)據(jù)采用中國區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動數(shù)據(jù)集（1979—2018）（國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心）的再分析數(shù)據(jù)［26-28］，考慮到疏勒河流域無國家氣象站，選擇流域內(nèi)的魚兒紅和臨近托勒的氣象數(shù)據(jù)做參考分析。水文和氣象站點信息如圖1 和表1 所示，徑流數(shù)據(jù)為3 條河流的水文站1956—2021年實測值，徑流數(shù)據(jù)和魚兒紅氣象站數(shù)據(jù)來源于《中華人民共和國水文年鑒》；托勒氣象站氣溫和降水量數(shù)據(jù)來自于中國氣象局信息中心(http://data.cma.cn)。

表1 研究區(qū)水文站和氣象站信息Tab.1 Basic information of hydrological stations in the study area

圖1 研究區(qū)水文站氣象站位置Fig.1 Location of hydrological stations and meteorological stations in the study area

1.3 研究方法

1.3.1 Sen’s slope 估計 采用Sen’s slope 估計［29］分析研究區(qū)各水文站年徑流量變化趨勢。

式中：xj和xk為時間序列數(shù)據(jù)，且xj和xk代表時間j和k的數(shù)據(jù)值。β符號大于或小于0反映趨勢是上升或下降，其值表示趨勢的斜率傾斜程度。

1.3.2 Mann-Kendall 檢驗法 采用Mann-Kendall 檢驗法（M-K檢驗）對研究區(qū)3條河流和氣象站點的徑流量、氣溫和降水量等變化進行趨勢和突變檢驗。M-K檢驗法是一種被世界氣象組織推薦且廣泛用于水文和氣象等時間序列趨勢特征分析的非參數(shù)檢驗方法，其詳細表達式見參考文獻［30-31］；其優(yōu)點在于所選的樣本不一定服從正態(tài)分布，也不受個別奇異特征數(shù)值的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流年際變化特征

2.1.1 年際和季節(jié)變化 由圖2和表2可知，從線性變化趨勢來看，疏勒河、石油河和黨河平均徑流量均為增加趨勢。Sen’s slope估計變化率（表2）顯示，疏勒河和黨河較大，分別為0.015和0.020，而石油河較小，為0.002。但從3 條河流的5 a 滑動平均可以看出，疏勒河從1956—1998 年為平穩(wěn)期，1999 年之后為增加趨勢；石油河1978—1995 年為減小趨勢，1996—2013 年為增加趨勢，隨后5 a 又出現(xiàn)減小趨勢；黨河在1966—1994 年為增加趨勢，1995—2014年為保持平穩(wěn)期且略有減少，2015年之后又出現(xiàn)增加趨勢。M-K 趨勢（表2）表明，疏勒河和黨河均通過0.01的顯著性檢驗，而石油河未通過0.05的顯著性檢驗。M-K 趨勢檢驗結(jié)果顯示，3 條河流徑流量季節(jié)變化除了石油河春季徑流為減小趨勢外，其余均為增加趨勢?？傮w來看，疏勒河和黨河徑流量呈顯著性增加趨勢，而石油河為非顯著性增加趨勢。

表2 1956—2021年疏勒河流域3條河流水文站徑流量變化趨勢Tab.2 Trends of runoff at hydrological stations of three rivers in the Shule River Basin from 1956 to 2021

圖2 1956—2021年疏勒河流域3條河流水文站徑流量變化趨勢及突變特征Fig.2 Trends and abrupt change characteristics of runoff at hydrological stations of three rivers in the Shule River Basin from 1956 to 2021

1956—2021年疏勒河流域3條河流水文站實測徑流量多年變化特征及Cv值如表3所示。疏勒河昌馬堡站和石油河玉門市站的Cv值分別為0.31 和0.36，年際變化幅度較大，極值比分別為4.22 和5.04，而黨河黨城灣站的Cv值為0.15，年際變化幅度較小，極值比為1.80。3 條河流最大年徑流量均出現(xiàn)在2010s 后期，最小年徑流量疏勒河和黨河分別出現(xiàn)在1956年和1968年，而石油河出現(xiàn)在1997年。

表3 1956—2020年疏勒河流域3條河流水文站徑流量變化特征Tab.3 Runoff characteristics at hydrological stations of three rivers in the Shule River Basin from 1956 to 2020

2.1.2 年代際變化 從圖3可以看出，疏勒河流域3條河流不同年代際變化略微有所不同。疏勒河1990s 前為枯水期，2000s開始為豐水期，2010s為豐水期最大值，2020s 前期有所減緩；石油河1970s—2000s 為枯水期，2010s為豐水期，2020s前期又出現(xiàn)枯水期；而黨河1960s—1970s 為枯水期，1980s 呈現(xiàn)增加趨勢，但2000s 增加趨勢有所減小，到2010s 出現(xiàn)豐水期最大值，2020s前期略微下降。總體來看，疏勒河和黨河徑流演變趨勢大致為枯-豐，而石油河為枯-豐-枯。3 條河流均在2010s 出現(xiàn)研究時段的豐水期峰值。

圖3 1956—2021年疏勒河流域3條河流水文站徑流量不同年代距平百分率Fig.3 Percentage of chronological anomalies at hydrological stations of three rivers in the Shule River Basin from 1956 to 2021

2.1.3 徑流突變特征 從表4可以看出，M-K突變檢驗結(jié)果表明，疏勒河昌馬堡站、石油河玉門市站和黨河黨城灣站的突變年份分別為1998年、2007年和1982 年。與突變前相比，突變后3 條河流的徑流量出現(xiàn)明顯的增加，變化率疏勒河最大，為60%，而石油河和黨河分別為26%和23%。

表4 1956—2021年疏勒河流域3條河流水文站徑流量突變前后對比Tab.4 Comparison of runoff before and after abrupt change at hydrological stations of three rivers in Shule River basin from 1956 to 2021

2.2 年內(nèi)徑流變化特征

由圖4 可知，疏勒河流域3 條河流徑流量年內(nèi)分配極不均勻，疏勒河和石油河最大，為單峰型（7月、8 月），而黨河相對較小，為雙峰型（4 月、7 月）。疏勒河和石油河徑流量主要集中在汛期的6—9月，夏季7—8月徑流量最大；而黨河徑流量年內(nèi)分配相比疏勒河和石油河較均勻，春季和夏季4—9月徑流量最大。

圖4 1956—2021年疏勒河流域3條河流水文站月徑流量分配Fig.4 Monthly runoff distribution at hydrological stations of three rivers in the Shule River Basin from 1956 to 2021

徑流量突變后，3 條河流年內(nèi)徑流過程線變得更為陡峭，具體表現(xiàn)為峰值增大，秋季退水過程變緩。疏勒河昌馬堡站和黨河黨城灣站冬季徑流量增加，石油河無明顯變化。在月徑流量變化率方面，疏勒河和石油河冬季徑流變化率最大，而黨河則全年相對較為平緩且較小。

3 討論

對于疏勒河流域的3 條主要河流來說，上游山區(qū)來水量的多少主要受降水和氣溫變化的影響，人類活動對高海拔山區(qū)的影響較小。

3.1 徑流變化對降水變化的響應(yīng)

降水是疏勒河流域3條河流出山徑流量變化的主要驅(qū)動因素。疏勒河流域?qū)儆谄钸B山西部，流域地形和海拔高差相對較大，不同海拔區(qū)域的氣候特征十分明顯，降水從水汽的來源和出現(xiàn)頻率來看，主要受西風(fēng)帶影響較多［10-11］。然而疏勒河流域有觀測資料的氣象站點很少，僅有魚兒紅雨量站，因此，采用中國區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動數(shù)據(jù)集（1979—2018）（國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心）的再分析數(shù)據(jù)［26-28］，繪制疏勒河、石油河和黨河出山口以上區(qū)域降水變化趨勢（圖5），并參考魚兒紅和托勒氣象站資料對比分析降水的變化趨勢。

圖5a、圖5c、圖5e 表明，1979—2018 年疏勒河流域3條河流出山口以上區(qū)域年降水量總體呈現(xiàn)微弱增加趨勢，其中疏勒河、石油河和黨河多年平均降水量分別為272.9 mm、216.5 mm 和329.1 mm，變化率為10.4 mm·(10a)-1、11.3 mm·(10a)-1和11.3 mm·(10a)-1。從圖6 可以看出，相比石油河和黨河，疏勒河降水徑流相關(guān)性較好，達到0.4；石油河和黨河降水徑流相關(guān)性較弱，為0.2。關(guān)于祁連山區(qū)降水量的研究，藍永超等［22］發(fā)現(xiàn)，祁連山區(qū)西北降水量總體上為增加態(tài)勢，1990s 以前為少雨年，1990s 后至2010s 為多雨年。徐浩劫等［32］研究發(fā)現(xiàn)，1961—2010年疏勒河上游降水呈現(xiàn)增加趨勢，且在1998年左右降水發(fā)生由少到多的突變；張鵬等［17］研究表明，1956—2011 年氣溫、降水和徑流量均在1997 年發(fā)生了明顯的正突變，呈現(xiàn)明顯的增加趨勢。參考托勒和魚兒紅氣象站的降水量變化趨勢，對比3 條河流徑流量和降水量變化趨勢圖（圖2和圖5），發(fā)現(xiàn)疏勒河在1956—1998年徑流變化趨勢出現(xiàn)平穩(wěn)期，石油河在1990s 后徑流出現(xiàn)增加趨勢，和黨河在1995—2014 年出現(xiàn)微弱下降期與降水變化趨勢較為一致。

圖6 1979—2018年疏勒河流域3條河流降水徑流變化關(guān)系Fig.6 Relationship between precipitation and runoff change of three rivers in the Shule River Basin from 1979 to 2018

3.2 徑流變化對氣溫變化的響應(yīng)

氣溫也是影響疏勒河流域3條河流徑流量的重要因素。過去60 a 時間，氣溫的升高或降低對流域內(nèi)冰雪消融和凍土覆蓋區(qū)產(chǎn)匯流等過程產(chǎn)生了重要影響。由于疏勒河流域內(nèi)無實測氣溫數(shù)據(jù)，采用臨近托勒氣象站的氣溫數(shù)據(jù)分析溫度變化趨勢。由圖7 可知，1956—2021 年托勒站年平均氣溫總體表現(xiàn)為微弱上升趨勢，變化率為0.36 ℃·(10a)-1。已有研究結(jié)果也表明，1956—2010年疏勒河源區(qū)與出山口的年平均氣溫分別以0.40 ℃·(10a)-1和0.34 ℃·(10a)-1的速率顯著波動上升［22］。Chen 等［8-9］研究表明，中國西北干旱區(qū)氣溫的低溫極值在1986年左右發(fā)生突變，突變后氣溫發(fā)生了顯著增強變化。由托勒氣象站的氣溫趨勢變化圖（圖7）顯示，1956—1986年氣溫基本維持在一個平穩(wěn)的態(tài)勢，多年均值為-3.07 ℃；而1987—2021 年氣溫顯示為持續(xù)增加的趨勢，多年均值為-1.81 ℃。疏勒河、石油河和黨河的氣溫年變化率因區(qū)域位置不同略有不同，但變化的大體趨勢一致。

圖7 1956—2021年托勒氣象站氣溫變化趨勢Fig.7 Trend of temperature change at meteorological station of Tuole from 1956 to 2021

在氣溫升高背景下，以冰川等冰凍圈要素變化為主導(dǎo)因素的下墊面變化，對西部寒區(qū)流域徑流的年際和年內(nèi)分配以及產(chǎn)流機制已產(chǎn)生了顯著的影響［12］。疏勒河、石油河和黨河出山口以上高海拔山區(qū)有冰川和凍土發(fā)育。根據(jù)孫美平等［33］和劉時銀等［34］研究成果，第一次冰川編目（1956—1983年）和第二次冰川編目（2005—2010年）數(shù)據(jù)表明，疏勒河冰川覆蓋面積和冰儲量為660條河509.87 km2左右，均為祁連山最大；黨河為318條203.77 km2左右。丁永建等［35］研究也表明，在氣候變暖影響下，1960 年以來祁連山疏勒河冰川融水呈現(xiàn)增加趨勢，冰川融水在未來10～20 a 會出現(xiàn)冰川融水的拐點，研究區(qū)過去幾十年溫度逐年升高導(dǎo)致冰川融水增加。Liu等［36］研究發(fā)現(xiàn)，1960s—2010s期間，在氣候持續(xù)變暖影響下，冰川融水對疏勒河、石油河和黨河的融水占比分別為42.2%、19.3%和46.8%，表明冰川融水是影響3 條河流的重要補給來源。但在整個研究區(qū)，疏勒河和黨河的冰川融水量占總徑流量的比例超過40%，影響較大，而冰川融水占比較小的石油河僅為20%左右，相對以上2條河流較小。

近幾十年來，疏勒河上游流域凍土退化已對流域水文過程產(chǎn)生了顯著影響。牛麗等［37］研究發(fā)現(xiàn)，疏勒河上游流域多年凍土覆蓋率為73%，氣溫升高引起多年凍土的逐漸退化，凍土層的隔水作用減弱甚至消失，加上地表水的下滲，從而導(dǎo)致疏勒河流域冬季（枯水）徑流顯著增加（圖8）。同時，多年凍土面積縮小、活動層加厚等均會導(dǎo)致流域地下水水庫庫容增加，調(diào)節(jié)能力加強，進而導(dǎo)致疏勒河流域徑流年內(nèi)徑流過程線和冷季退水過程線變緩［37-39］。多年凍土退化的這一水文效應(yīng)是一個緩慢的過程，因此多年凍土退化對徑流過程的影響也是一個漸變過程。

圖8 1956—2021年疏勒河流域3條河流水文站冬季徑流量變化趨勢Fig.8 Trends of winter runoff at hydrological stations of three rivers in the Shule River Basin from 1956 to 2021

綜上所述，降水和氣溫是疏勒河流域3 條河流出山徑流量變化的主要驅(qū)動因素。整個研究區(qū)降水總體呈現(xiàn)波動性增加的趨勢，氣溫在1986年后加速上升，氣溫升高引起了冰川等冰凍圈要素變化并對河流徑流量的增加產(chǎn)生了重要貢獻。這也是除了降水以外，冰凍圈要素對河流徑流的年際和年內(nèi)產(chǎn)流機制產(chǎn)生重要影響的原因。

4 結(jié)論

（1）1956—2021年疏勒河流域主要河流出山徑流量總體呈現(xiàn)增加趨勢，疏勒河和黨河為顯著性增加趨勢，石油河為非顯著性增加趨勢。

（2）3 條河流不同年代際徑流量豐枯變化不同。疏勒河1950s—1990s 為枯水期，2000s 以后為豐水期，2010s 為豐水期最大值。石油河1980s—2000s 為枯水期，2010s 出現(xiàn)豐水期，2020s 初期又出現(xiàn)枯水期。黨河1960s—1980s 為枯水期，1990s 以后為豐水期，2010s為豐水期最大值。

（3）3條河流出山徑流量的突變年份不同，疏勒河出現(xiàn)在1998年，石油河出現(xiàn)在2007年，而黨河出現(xiàn)在1982 年。突變前后年際和年內(nèi)徑流量產(chǎn)生了明顯變化，突變后年際徑流量明顯增加，變化率疏勒河最大，為60%，而石油河和黨河分別為26%和23%。年內(nèi)分配除石油河春季為非顯著性減小外，其余均為增加趨勢，突變后年內(nèi)各月分配過程線變的更加陡峭，疏勒河變化最為顯著。

（4）氣溫和降水是疏勒河流域3條河流出山徑流量變化的主要驅(qū)動因素。整個研究區(qū)降水總體呈現(xiàn)波動性增加的趨勢，氣溫在1986年后加速上升引起冰川加速消融，受降水和氣溫的共同影響，3條河流出山徑流量的年平均和各季節(jié)流量均為增加態(tài)勢。多年凍土退化是導(dǎo)致疏勒河冬季流量增加的主要原因。