气候变化对黄河上游流域径流影响分析

王丽娜

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐830000）

黄河上游发源于青藏高原腹地，属高原大陆性气候，根据1967年—2010年唐乃亥水文站资料，唐乃亥站平均径流量达198.8×108m3，约占黄河入海口同期径流量的42%，为黄河主要产流区[1]。由于黄河流域气候寒冷、地势高并有多年的冻土和现代冰川，使得雨水、冰川融水和冻土地下冰融水成为其地表水资源的主要来源，并影响着地表水资源的长序列演变趋势以及年际波动[2－3]。近年来在气候变化和人类活动的共同影响下，黄河上游地表水资源偏枯形势严峻，对我国北方的经济可持续发展产生了严重的影响，世人对此关注广泛[1]。较为统一的观点认为:黄河上游径流量是气候同下垫面综合作用的结果，径流减少的主要原因是由于气候变化，而植被破坏、土地利用、地下水位下降、冻土融化等人为和自然等因素对径流变化会有不同程度的影响[1，4－5]。黄河水资源对我国北方农业和工业有着举足轻重的作用[6]。

1 资料来源

本论文选用1967年—2010年唐乃亥站和上诠站的年径流量和各月的径流数据，以及14个气象站（达日、贵德、共和、红原、久治、玛多、玛曲、同德、泽库、河南、临夏、临洮、民和及西宁站）1967年—2012年的气象资料，保证了研究资料的精确度及序列长度。水文站和气象站的分布如图1所示。其中气象资料由中国气象科学共享网提供，水文资料来源于水文站，还有一些统计数据来源于黄河流域水文年鉴，这样保证了资料的准确性，全面及完整性。对于偶尔的缺测记录，进行了插补，保证资料的全面和完整性。流域蒸发采用FAO彭曼公式计算得到的潜在蒸散量[7]。

图1 研究区域示意图

2 研究方法

径流变换通过构建统计与指标方法，能更清晰表征径流变换特征与规律。刘昌明等应用Mann－Kendall和Spearman秩次相关检验以及线性回归检验方法对黄河天然径流量进行趋势分析[8]；穆兴民等利用谐波分析法和累积距平法分析黄河天然径流量的周期性和年际变化过程[9]；郭鹏等利用Spearman秩次相关检验、滑动平均法、线性回归检验等方法对鄱阳湖的水沙变化趋势进行分析[10]；穆兴民等采用变点分析法、历时曲线法和双累积曲线法对河龙区间来水来沙变化进行分析[11]。

本文采用以下几种方法研究气候变化对黄河上游径流的影响:

（1）Mann－Kendall检验法

采用Mann－Kendall法对研究区域径流序列进行突变点分析。Mann－Kendall检验法最初由Mann[12]与 Kendall[13]提出，现已被广泛推荐并使用的非参数检验方法，计算简单便捷，适用于气象及水文等非正态分布的数据。时间序列x具有n个样本量，构造序列:

假定时间序列随机独立，定义如下统计量:

式中:UFk为标准正态分布。给定置信度α，若｜UFk｜＞Uα/2，说明时间序列的变化趋势显著。

按逆序将时间序列x排列，再按上式计算，同时使:

通过分析UFk和UBk能进一步分析时间序列x的变化趋势，而且可以判断突变点。若UFk＞0，说明时间序列呈上升的趋势，若UFk＜0，则表明呈下降的趋势，当UFk曲线超过临界线时，表明上升或下降的趋势显著。若UFk和UBk两条曲线在临界直线之间出现交点，那么该交点就是突变点。

（2）归一化曲线[14]

水文要素值进行归一化处理，可消除水文要素值变差系数的影响。

式中:α为水文要素归一化值；Cv为水文要素值的变差系数；X为多年平均值；Xi为第i年的水文要素值。对不同水文要素的归一化曲线进行比较，分析随年序的变化，不同水文要素特征是否一致。

3 趋势性分析

3.1 时间序列变化分析

3.1.1 降水年时间序列变化过程

黄河上游流域平均降水量年时间序列变化可得出:1967年—2012年降水量呈递减趋势，平均降水量为469.66mm，其中最大降水量为618.53mm，出现在1967年；最小降水量为388.9mm，出现在1969年。年平均降水量变化倾向率为－0.0797 mm/a，相关系数为0.02，假设序列通过置信度a＝0.95的假设检验，查相关系数临界值表得α＝0.05，n＝46时γα＝0.287，而相关系数r＝0.02＜γα。表明原序列存在不显著的递减趋势。

3.1.2 气温年时间序列变化过程

黄河上游流域平均气温年时间序列变化可得出:黄河上游流域1967年—2012年气温呈递增趋势。平均气温为1.49℃，最高温度为3.04℃（2010年），最低温度为0.24℃（1983年）。年平均气温变化倾向率为0.045℃/a，相关系数为0.817，r＝0.817＞γα。表明原序列存在显著的递增趋势。

3.1.3 蒸发量年时间序列变化过程

黄河上游流域平均气温年时间序列可得出:黄河上游流域1967年—2012年蒸发量呈递增趋势。平均蒸发量为864.89mm，最大蒸发量为937.28 mm，出现在2010年，最小蒸发量为794.98mm，出现在1997年。年平均蒸发量变化倾向率为1.3593 mm/a，相关系数为0.545，r＝0.545＞γα。表明原序列存在显著的递增趋势。

3.1.4 唐乃亥站径流时间序列变化过程

唐乃亥站作为研究区域的入口站以及龙羊峡水电站的上游进口站具有重要意义，故单独分析。

唐乃亥站年径流时间序列可得出:唐乃亥站1967年—2010年流量呈递减趋势。平均径流量为201.52×108m3，其中最大径流量为327.9×108m3，出现在1989年；最小为106.4×108m3，出现在2002年。年平均径流量变化倾向率为－1.32m3/（s·a），相关系数为0.302，r＝0.302＞γα。表明原序列存在显著的递减趋势。

3.1.5 上诠站径流时间序列变化过程

上诠站作为研究区域的出口站单独分析。上诠站1967年—2010年径流量呈递减趋势。平均径流量为269.76×108m3，其中最大径流量为464.2×108m3，出现在1967年；最小为144.9×108m3，出现在2002年。年平均径流量变化倾向率为－2.51m3/（s·a），相关系数为0.464，r＝0.464＞γα。表明原序列存在显著的递减趋势。

3.1.6 黄河上游流域径流、气象年际变化

黄河上游流域径流、气象年际变化统计结果见表1，从统计结果可以看出气温的极值比最大，为12.67，蒸发量的极值比最小，为1.17，气温的波动程度远大于降水、蒸发及径流序列的波动。由气温降水蒸发径流的年际变化与代际变化计算可知，降水、气温及蒸发分别以0.0416mm/a、0.045℃/a、0.0039mm/a的趋势增加，径流以2.42m3/（s·a）的趋势减少；径流在90年代减少的最剧烈，唐乃亥站和上诠站相对于60年代分别减少了26.73%、28.75%，气温在2000年后增加的最为剧烈，相对于60年代增加了188.31%，见表2。

表1 流域气温降水蒸发径流年际变化统计

表2 流域径流降水蒸发代际变化表（相对于60年代）

3.2 Mann－Kendall突变分析

应用Mann－Kendall法对研究区域水文气象序列进行突变点分析，累积距平验证MK检验的结果。取0.05信度的显著性水平，得到两条临界线，若UF、UB曲线在临界线内有交点，则是满足一定置信度的突变点。

3.2.1 降水突变分析

降水突变分析MK图，如图2，从图2中可以看出UF和UB曲线波动变化，但在0.05的临界线之间无交点，说明黄河上游年降水量整体变化复杂，降水未出现突变点。

图2 降水量突变Mann－Kendall曲线

3.2.2 气温突变分析

从图3的UF曲线可看出，自1967年—1986年黄河上游年平均气温存在震荡降温趋势，自1986年以来，表现为明显的增温趋势，1998年UF曲线超过了显著性水平0.01临界线，表明黄河上游年平均气温的增加是非常显著的。同时，在临界线之间，UF、UB曲线有两个交点，且位置非常接近，说明在1997年附近平均气温可能发生了突变，经历了由偏冷向偏暖的趋势转变，进入了一个相对偏暖的时期。

3.2.3 蒸发突变分析

从蒸发量MK图中可以看出，UF曲线呈上升趋势，且在1998年超出了0.05显著性临界值。在0.05的临界线内，UF、UB曲线之间有一个交点，出现在1993年，说明黄河上游在1993年附近蒸发量经历了由少到多的转变。

图3 气温突变Mann－Kendall曲线

图4 蒸发量突变Mann－Kendall曲线

3.2.4 唐乃亥站径流突变分析

通过 Mann－Kendall突变检验，可以清楚的辨析唐乃亥站1967年—2010年径流量的变化趋势及发生突变的年份。自1967年—1970年黄河上游年径流量存在减少趋势，1970年—1983年以来，表现为震荡递增趋势，自1997年UF曲线超过了显著性水平0.01临界线，说明黄河上游年径流量存在显著的递减趋势。UF、UB曲线在显著性水平0.01的临界线之间有两个交点，且位置非常接近，说明在1989年附近年径流量可能发生了突变，经历了由多变少的趋势。

图5 径流突变分析Mann－Kendall曲线

4 气候因子对径流变化的影响

4.1 相关性分析

突变前后气候因子与径流相关性对比关系见表3，对比突变前后变化，气温与径流量的相关系数从0.352增加到0.728，表明气温对流域径流量的影响大幅增加。蒸发与径流量的相关系数从0.732下降到0.410，表明蒸发对流域径流量的影响大幅下降。

表3 气候因子与径流相关系数表

4.2 归一化曲线分析

用唐乃亥站径流量与各气象因子进行归一化处理（图6～图8），可以看出，60年代初到90年代，流域蒸发量总体趋势平稳，降水量处于增加，径流量总体趋势是增加的；90年代至2010年蒸发量是呈增加趋势，径流量比前期有所减少。

图6 径流－气温归一曲线

图7 径流－蒸发归一曲线

图8 径流－降水归一化曲线

由1967年—2010年黄河上游年降水量和年径流量进行归一化曲线分析，可以得出如下结论:降水量与径流量的变化规律十分接近，降水量偏多的阶段与径流来水较多阶段相同，降水少的年份与枯水阶段的年份也是相同的。另外，出现最大径流量的年份同时也是最大降水量出现的年份，例如唐乃亥站1989年径流量为327.94×108m3，降水量为50.92mm，两者均较大，如1969年，出现降水量较少干旱较为严重的年份，同时也是径流量偏枯的年份。

5 结 论

本文分析了黄河上游流域唐乃亥站以上的水文、气象要素的变化规律。首先，根据气象要素和径流的时间变化过程及其倾向率，判断水文序列的趋势性，然后采用Mann－kendall法进一步检验时间序列趋势性及是否显著，同时分析时间序列的突变点。主要结论如下:

（1）通过研究区域降水、气温、蒸发量及水文站年径流的年际变化曲线及线性趋势线可以得出:降水大致呈不显著递增趋势；全区气温、蒸发量呈显著递增趋势；径流量呈现显著减少的趋势。

（2）利用Mann－kendall法分析区域平均降水、气温、蒸发及水文站平均年径流的突变点，可以得出:气温在1997年发生突变；降水没有突变；蒸发量的突变点发生在1993年；径流的突变出现在1989年。与温度、降水和蒸发的突变检验结果进行对比，径流量发生突变的时间与这几个因素的一致性较差，可知径流量不仅受气温、降水、蒸发等气候因子的影响，还受到其他因素例如土壤、植被等因素的影响。

（3）突变前，气候因子与流量的相关性:气温＜蒸发＜降水，说明流量的变化受降水影响最大；突变后，气候因子与流量的相关性:气温＞降水＞蒸发，说明气温对流量的变化影响最大。

[1]李 林，汪青春，张国胜，等.黄河上游气候变化对地表水的影响[J].地理学报，2004，59（5）:716－722.

[2]李 林，张国胜，汪青春，等.黄河上游流域蒸散量及其影响因子研究[J].地球科学进展，2000，15（3）:256－259.

[3]张国胜，李 林，时兴合，等.黄河上游地区气候变化及其对黄河水资源的影响[J].水科学进展，2000，11（3）:277－283.

[4]门宝辉，刘昌明，夏 军，等.南水北调西线一期工程调水区径流量与影响因子关系分析——以达曲为例[J].地理科学，2006，26（6）:674－681.

[5]李应业，李加洛，赵恒和.海南州气候变化对生态环境的影响及对策研究[J].青海环境，2004，15（4）:139－143，161.

[6]宋正山，杨 辉，张庆云.华北地区水资源各分量的时空变化特征[J].高原气象，1999，18（4）:552－566.

[7]Allen R G，Pereira L S，Raes D，et al.Crop evapotranspiration:Guidelines for computing crop water requirements[R].Rome，Italy:FAO，1998.

[8]刘昌明，成 立.黄河干流下游断流的径流序列分析[J].地理学报，2000，55（3）:257－265.

[9]穆兴民，李 靖，王 飞，等.黄河天然径流量年际变化过程分析[J].干旱区资源与环境，2003，17（2）:1－5.

[10]郭 鹏，陈晓玲，刘 影，等.鄱阳湖湖口、外洲、梅港三站水沙变化及趋势分析（1955—2001年）[J].湖泊科学，2006，18（5）:458－463.

[11]莫 莉，穆兴民，王 勇，等.近50多年来北洛河水沙变化特征及原因分析[J].泥沙研究，2009，（6）:30－36.

[12]Mann H B.Nonparametric tests against trend[J].Econometrica，1945，13（3）:245－259.

[13]Kendall M G.Rank Correlation Methods[M].London:Charles Griffin ＆Co.，1975.

[14]穆兴民，巴桑赤烈，Zhang Lu，等.黄河河口镇至龙门区间来水来沙变化及其对水利水保措施的响应[J].泥沙研究，2007，（2）:36－41.