锡林河近50 年径流变化特征及其影响因素分析

杨立哲，钱虹，郝璐

( 1. 南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室生态气象与环境中心，江苏南京210044;2. 海军北海舰队海洋水文气象中心，山东青岛266003)

随着人口的增长和社会经济的发展，水资源短缺已经成为全球经济和社会发展的主要制约因素，并日益引起各国政府、科学家和公众的广泛关注。内蒙古锡林河流域是中国北方干旱、半干旱地区温带草原的典型代表，地处东部半湿润草甸草原和草原区向西北干旱荒漠和山地草原区的过渡带。锡林河流域的水资源状况直接关系到整个流域的农牧业生产、草地生态建设、农牧民生活用水以及牲畜饮水等。近年来，流域内超载过牧、煤矿开采等人类活动增强，导致径流量明显减少，地下水补给也相对减少，致使流域植被盖度降低，湿地面积萎缩，水资源自我涵养调蓄能力降低［1］。如果这种状况进一步持续下去，将造成流域内用水困难，不仅对当地经济社会可持续发展产生严重的不利影响，而且现有的京津风沙源治理成果也将很难保障，对北京乃至整个华北地区的生态环境产生非常不利的影响。

国内在流域径流演变趋势及其影响因素方面有诸多研究，研究成果主要集中在黄土丘陵区、南方山地以及主要河流流域的水文变化，尤其是一些典型的大流域，如黄河流域、长江流域、淮河流域、黑河流

1 数据来源与研究方法

域以及辽河流域等［2-4］。在较小空间尺度(小流域)与较小时间尺度(月、季)上，还有待更为细致的研究。锡林河流域是地处干旱、半干旱区草原牧区的内陆河流域，锡林河为季节性河流，河流短小，下游河床不明显，常成为无尾河而消失在湖泊或洼地中，产流机制复杂，相关研究尚不足［5］。在这种背景下，深入开展锡林河流域径流的变化特征及其影响因素的研究，对于当地水资源的合理开发和利用、水资源的管理规划以及草地生态系统的可持续发展均具有重要的应用价值和指导意义。

1.1 研究区概况

锡林河流域位于锡林郭勒盟东南部，发源于赤峰市克什克腾旗巴彦查干苏木，至锡林浩特市朝克乌拉苏木而止，是内蒙古最大的内陆河之一。锡林河全长268 km，其中自锡林浩特水库以下近124.7 km 的河流已断流。流域面积10 542 km2，其中锡林浩特水文站以上流域面积3 852 km2(43°24' －44°08' N，116°02' －117°16' E)。地势自东南向西北逐渐降低，平均海拔988.5 m，以丘陵地形为主，是典型的草原地貌。流域属中温带半干旱大陆性季风气候区，年平均温度0 ～3 ℃，年平均降水量不足300 mm，且多发生在6 －9 月，约占全年降水量的80%，多年平均蒸发量1 903.5 mm。多年平均径流深仅有4.75 mm(1958 －2008 年)，并且以每年0.019 1 mm 的速率缓慢下降。

1.2 数据与方法

1.2.1 数据来源 锡林浩特水文站始建于1957 年7 月，位于锡林河流域中游。锡林河水库位于内蒙古自治区锡林浩特市南9 km 的锡林河干流上。水库坝址以上控制流域面积3 942 km2，占锡林河流域面积的37.4%。本研究区主要为水库上游流域，所用径流数据主要来源于锡林浩特水文站，包括1958－2008 年的年径流数据。锡林浩特水文站上游目前还没有引水工程，水文站实测径流系列即可代表天然径流系列，无需作水量还原计算。

流域内气象台站稀少，所用气象数据来自流域内或者流域周边共9 个气象站点，包括与径流量同时段的逐月平均气温、最高气温、最低气温、蒸发量(小型蒸发皿)与降水数据。

1.2.2 Mann-Kendall 趋势分析方法 趋势分析有很多方法，包括参数检验法和非参数检验法，与参数统计检验法相比，非参数检验法更适合于非正态分布的资料。其中非参数Mann-Kendall(简称M-K法)趋势检验法是常用检验方法之一［6-8］，M-K 法可以较有效地检测序列的变化趋势，并能大体确定突变发生的位置，以适用范围广、人为性少、定量化程度高而著称，其检验统计量(s)公式是:

式中，当xi－xj小于、等于或大于零时，sgn(xi－xj)分别为－1、0 或1;M-K 统计量公式s 大于、等于、小于零时分别为:

式中，z 为正值表示增加趋势，负值表示减少趋势，|z|≥1.28、1.64、2.32 时分别表示通过了置信度为90%、95%、99%的显著性检验。

采用M-K 法检验流域近50 年的径流以及降水、气温与蒸发量的变化趋势。

1.2.3 径流系数 径流系数是指任一时段的径流深度(或径流总量)与该时段的降水量之比值。径流系数说明在降水量中有多少水变成了径流，综合反映了流域内多种因素对降水形成径流过程的影响，可以很好地说明流域内水循环的程度，较好地检测径流对降水的响应程度。采用1958 －2008 年的年径流深度与该时段的年降水量之比作为锡林河流域径流系数，分析径流对降水的响应程度。

1.2.4 降雨径流双累积曲线 降雨径流双累积曲线(Double Mass Curve，简称DMC)方法［9-10］是目前用于水文气象要素一致性或长期演变趋势分析中最简单、最直观、最广泛的方法。通过观察径流量与降水量的双累积曲线直线斜率的变化，可以检测径流变化的主要影响因素。对于正常的水文年份，如果只受到降水的影响(极端降水事件除外)，不受外界的影响，直线斜率没有明显偏离。反之，则说明人类活动(包括土地利用/覆被)有显著的趋势性影响。其中，直线斜率发生显著改变的点对应着径流量开始发生显著变化的年份。偏离越大，则说明人类活动的作用强度愈大［11］。本研究采用双累积曲线法来分析流域下垫面变化等人类活动对锡林河流域径流变化的影响。

2 结果与分析

2.1 径流多年变化

锡林河流域多年平均径流深为4.75 mm，为年降水量的2.0%(图1)。锡林河流域在近50 年期间，径流量有不显著的微弱降低趋势。但是，分不同时段来看，1958 －1990 年30 年期间有显著降低趋势(P ＜0.05);20 世纪90 年代之后，径流量较前期明显高，进入21 世纪初，径流量又有显著下降趋势。锡林河流域2001 －2008 年8 年间的平均径流深降至3.16 mm，比多年平均径流深减少了1.6 mm。

2.2 径流年内变化

图1 1958 －2008 年锡林河流域径流量与降水变化Fig.1 Annual runoff and precipitation from 1958 to 2008

图2 1958 －2008 年锡林河流域年内径流量与降水月变化Fig.2 Monthly runoff and precipitation from 1958 to 2008

锡林河流域径流呈现中纬度半干旱区特有的典型的双峰形(图2)。4 月的春汛峰值是每年的最高值，径流深可以达到1.67 mm，径流量约占全年总水量的32%。主要原因是气温回升后，冻土层尚未解冻，不透水层依然存在，同时草地尚未返青，植被覆盖度低，蒸散发小，大部分的融雪水和融冰水直接汇流进入了河道，从而形成春汛过程。进入5 月后，积雪完全融化，径流主要来自于降水，同时因为温度升高，草地生长导致下垫面蒸散、发增加，径流逐渐减少，到6 月达到一个低谷，径流深大约为0.44 mm。7 月份随着降水量开始增大，径流开始增大，在8 月份出现第2 个峰值，但是峰值的流量要小于春汛峰值，因为夏季降水(6 －9 月)虽然能占到全年降水量的大约80%，但是下垫面蒸散发消耗了其中的大部分水量。进入12 月后，因为温度下降，并且锡林河河床下切较浅，会出现连底冻现象，一直到次年3 月下旬河道解冻，这期间为枯水期，径流为0。

2.3 径流系数

近50 年来，流域平均径流系数为0.017(图3)。1958 年至1970 年，平均径流系数为0.019，20 世纪70 年代有所下降，为0.016。20 世纪80 年代最低，为0.013。事实上，20 世纪80 年代与60 年代的降水量相差不显著(P ＞0.05)，但是径流系数却相差显著(P ＜0.05)，这表明同样的降水产生的径流越来越少。进入90 年代后，径流系数有所回升，并达到最高值，为0.021，到了21 世纪初，又有明显下降，为0.015。

径流系数的降低与流域人类活动的影响加大有关，一方面，流域下垫面土地利用与覆被的变化导致蒸发量变化，另一方面，水利工程拦截和社会经济用水等，导致河川径流量、地下水补给量显著减少。

2.4 径流双累积曲线

以人类活动影响相对较小的时期即20 世纪60年代(1958 －1969 年)作为基准期，与其他时段进行对比分析，可以看出，径流量累积值自20 世纪60 年代以后开始有显著的向上偏离，进入20 世纪80 年代后，向上偏移尤其明显，之后又有所缓和，表明径流的变化受到了除降水外其他因素，如下垫面变化等人类活动因素的影响，这些因素导致河川径流量减少(图4)。

图3 1958 －2008 年径流系数及其阶段平均值Fig.3 Annual runoff coefficient from 1958 to 2008 and mean value for different periods

图4 1958 －2008 年降雨径流双累积曲线Fig.4 Double Mass Curve of runoff and precipitation from 1958 to 2008

2.5 气候变化对径流的潜在影响

锡林河流域近50 年来呈现降水减少、气温升高趋势。从多年气温与降水的变化趋势(图5)可以看出，锡林河流域内及周边所有气象台站无论是平均气温，还是最低、最高气温，均呈现出显著的升高趋势。9 个站点中，所有台站的平均气温均极显著升高(P ＜0.01)，有7 个台站的最低气温极显著升高，有6 个台站的最高气温极显著升高。降水虽然不如气温变化明显，但是，也呈现降低趋势，半数台站显著降低(P ＜0.05)。

月降水和蒸发量的变化趋势检测结果(图6)表明，4、6、8 月蒸发量均显著增加(P ＜0.05)，9 月极显著增加(P ＜0.01)。其他月份除了1 月，均未呈显著上升。与此相反的是，降水量除了10月，11月和12 月，其他月份均有下降趋势，其中7、8 及9 月的降水量均显著下降(P ＜0.05)。说明锡林河流域大多数季节，蒸发量有明显上升趋势，而降水量有下降趋势，这种特征在7 月与9 月表现得更为明显。

图5 流域及周边气象站1958 －2008 年均气温与降水量M-K 趋势分析Fig.5 M-K trend for annual mean temperature and precipitation from 1958 to 2008 based on nine meteorological stations within or near the basin

图6 锡林浩特气象站1956 －2001 年月降水量与蒸发量M-K 趋势分析Fig.6 M-K trend for monthly precipitation and evaporation from 1956 to 2001 based on Xilin Hot meteorological station

对降水量、气温与径流量的相关分析结果表明，流域径流量与降水量的相关性显著(r =0.740，P ＜0.05)，尤其是与5 －9 月降水量与径流量极显著相关(r =0.989，P ＜0.01)。但是径流量与年平均气温以及冬春季(12 月至翌年4 月)的相关系数均没有通过显著性检验。

3 讨论与结论

径流是水循环的主要环节，径流量是陆地上最重要的水文要素之一，是水量平衡的基本要素。干旱、半干旱草原区内陆河流域的径流变化有其自身的规律和特征。锡林河流域径流是由融雪和降水形成的双峰型径流过程，这与季劲钧等［12］的研究结果一致。

气候因素是影响流域水资源变化的重要原因之一。气候变化及其不确定性改变了径流的时序和量值，进而改变了水循环过程。本研究表明，锡林河流域无论是平均气温、还是最低气温、最高气温，均呈现显著的升高趋势，其中平均气温升高最为显著，最低气温较最高气温升高更显著。降水虽然不如气温变化明显，但是，呈现降低趋势。总的来看，锡林河流域近50 年来呈现降水减少、气温升高的暖干化趋势。流域大多数季节，蒸发量有明显上升趋势，而降水量有下降趋势，这种特征在7 月与9 月表现得更为明显。这表明，流域暖干化的气候变化趋势是改变径流的时序和量值的重要因素之一。进一步对年降水量与径流量的相关分析表明，流域径流量与年降水量的相关性很好，尤其是与5 －9 月降水量的关系非常密切，但是径流量与年平均气温以及冬春季的相关系数均没有通过显著性检验，这就说明流域多年径流量的变化，汛期降水量的改变起了主导作用，冬春季气候变暖虽然导致冰雪融水增加，进而增加了融雪径流，但对径流的改变只起到了辅助作用。

虽然以上结果表明，降水量是影响锡林河流域多年径流量变化的主要原因之一，但显然不是唯一因素。径流系数可以检测径流对降水的响应程度，也可以间接反映流域内多种因素对降水形成径流过程的影响。锡林河流域径流系数的分析表明，同样的降水产生的径流越来越少，也就是说径流减少有其他因素的影响。从降水径流累积双曲线也可以看出，与20 世纪60 年代相比，锡林河流域径流量累积值自70 年代后就开始有明显的偏离，进入80 年代后，偏移尤其明显，之后又有所缓和，21 世纪初，偏移又有所增加，表明这期间径流的变化除受降水影响外，还受到了人类活动导致的下垫面变化的潜在影响。20 世纪80 年代与近十几年偏移明显，这可能与80 年代流域超载过牧，以及近十几年来流域工业如采矿业的快速发展有关。

内蒙古草原是中国北方草原的主体，然而，近几十年由于过度利用，草原正面临着严重的退化问题［13］。草原的退化深刻改变了该地区的生态水文过程，加速了环境进一步恶化。水分因素作为温带干旱半干旱地区生物生产的限制因素，势必成为人与自然生态系统和谐共处的最为活跃和最具决定性的纽带。在草原植被持续退化的背景下，草原区水文过程对气候变化的响应机制就成为亟待研究的命题［14］。

锡林河是锡林河流域最重要的水源地和沿线居民的主要取水点，河水补给地下水量占锡林浩特市地下水可采量的32%，因此河流来水量减少直接造成锡林河流域地下水可采量的减少或水位下降。锡林河的水资源状况直接关系到流域农牧业生产、生态建设和居民生活用水，如果锡林河源头及沿河湿地面积持续缩小、锡林河水源枯竭，将造成流域用水困难，对当地经济社会可持续发展产生严重的不利影响。根据王军等［1］对锡林河流域水资源状况进行的研究，2010 年锡林河流域水资源开发利用总量已经达到水资源可利用总量的93.19%，在目前的用水趋势下，到2015 年锡林浩特地区将出现291.51 万m3的用水量缺口。锡林河源头及沿河湿地位于浑善达克沙地，是沙地植被赖以生存的的重要水源。如果湿地消失、沙地水源断绝，现有的京津风沙源治理成果将很难巩固，甚至出现进一步沙化现象，对北京乃至整个华北地区的生态环境产生直接影响［15］。

总之，地表水资源主要受气候、下垫面和人类活动的影响，水文水资源的变化首先受到天气气候的影响，降水和气温共同决定了区域气候的湿润与干燥程度，影响着径流的形成和地域分布。另一方面，随着社会的不断进步和人口的迅速增长，人类活动对水文过程产生了越来越重要的影响。研究结果表明，气候暖干化是近几十年来锡林河流域径流发生变化的主要原因，除此之外，人类活动、下垫面变化等也是其变化的潜在影响因素。因此，考虑流域水循环的特点，兼顾生态、生产以及生活用水［16］，有序开发利用地表水资源，适应气候变化［17-18］，最大限度地减少地表水资源的影响，是干旱、半干旱区草原牧区可持续发展首先要解决的问题之一。

本研究分析了我国半干旱区典型草原锡林河流域径流的年内、年际变化特点，以及径流变化的潜在影响因素，但对于各种人类活动如何影响径流变化及其分布没有深入探讨。结合流域水资源利用特点，研究人类活动如土地利用/土地覆被变化、超载过牧以及地下水过度利用等对流域径流的影响机制还有待进一步开展。

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