龙川江上游径流量变化及其对气候变化的响应

李 澜, 丁文荣

(云南师范大学 旅游与地理科学学院, 昆明 650092)



龙川江上游径流量变化及其对气候变化的响应

李 澜, 丁文荣

(云南师范大学 旅游与地理科学学院, 昆明 650092)

基于1970—2012年龙川江上游小河口水文站的径流资料和楚雄的气象资料，运用M-K法、相关系数法、累积距平法等方法，分析了龙川江上游径流量、降水量和气温的年内、年际和年代际的变化以及径流量对气候变化的响应。结果表明：龙川江上游径流量年内分配极不均，在1994年后渐趋均匀，年径流量呈不显著的波动下降趋势，而且径流量在70，80年代和2010—2012年偏枯，90和00年代偏丰；年平均气温和年降水量都呈上升趋势，但后者的趋势不明显；年降水量对年径流量的影响很明显，而年平均气温对径流量的影响较小，四个季节中春季和秋季的径流量受降雨量变化的影响较大，降水量和气温的变化对夏季径流的影响都较为明显，而冬季相反。总之，不同季节的径流量对不同气候因素的响应是不同的。

龙川江上游; 径流量; 气候变化; 响应

水循环是由多个环节组成的自然过程，其中降水、蒸发和径流是水循环过程中最主要的三个环节，这三者构成的水循环决定着全球的水量平衡，也决定着一个地区的水资源总量。水循环具有调节地球各圈层之间能量的作用，是气候变化的重要影响因素，同时气候变化也对水循环的各个环节具有重要的影响，尤其是对降水、蒸发和径流等环节。

气候的变化主要体现在气温和降水这两大因子，而气候变化对径流的影响也主要体现在这两个方面，而且气温和降水都在某种程度上影响径流量的变化[1-3]。在以冰川冰雪融水补给为主的地区气温的影响是非常显著的[4-5]，例如在青藏高原地区、新疆地区和中亚地区等。但很多研究表明降水的变化对径流的影响要比气温的影响要大，降水对径流量起主导作用[6-8]，其中夏季降水及其变化的影响突出[9-10]，而研究表明在西南的大部分地区径流对气温的响应相对不显著[11]。龙川江为金沙江南岸一级支流，发源于楚雄彝族自治州的南华县天子庙坡东侧，由西向东流，在元谋北部的江边乡汇入金沙江。龙川江流域不仅是楚雄州经济、文化、政治中心，也是滇中经济区重要组成部分，还是长江上游重要的产水区[12]。目前对龙川江流域已经进行了多方面的研究，但研究的范围基本上都是整个区域[13-15]，对于龙川江上游的研究还很少，目前只有文安邦、张信宝等对上游泥沙输移比进行研究[16]。由于龙川江上游是该流域主要的降水区，同时也是主要的产流区，本研究对于龙川江流域水资源的合理使用具有重要意义。

1　研究区概况

龙川江上游指的是小河口水文站以上地区，流经沙桥镇、南华县和楚雄市，流域面积为1 788 km2，上游河段总长96 km，河床比降3‰[16]。龙川江上游地区地形起伏较大，山高坡陡，河床切割较深。属于低纬度高原季风气候，气候类型为亚热带季风气候，深受南亚季风的影响，年平均气温为16.17℃，年平均降水861 mm。

2　资料与方法

本文所用资料为1970—2012年龙川江流域内的楚雄气象站的逐月气温和降水量数据，以及小河口水文站的逐月径流量数据，均来自于云南省水资源局。运用Mann-Kendall法分析径流量、降水量和气温的变化趋势[3，7]。运用累积距平法[17]和相关系数法分析径流量与气候因子关系及其响应。具体的方法：

(1) 非参数Man-Kendall趋势检验。

定义检验统计量S：

(1)

式中：sgn()为符号函数，当xk-xi小于、等于或大于0时，sgn(xk-xi)分别为-1，0或1；M-K统计量公式S大于、等于或小于0时分别为：

(2)

Z为正值表示增加趋势，负值表示减少趋势，Z的绝对值在大于等于1.96时，表示通过了信度99.5%的显著性检验。

(2) 非参数Mann-Kendall法突变检测。

对于具有n个样本量的时间序列，构造一秩序列：

(3)

(4)

(5)

(6)

定义统计量：

(7)

(3) 累积距平法。

(8)

式中:CAi为第一年至第j年的累积距平；x为平均值。CAi的正负极值点可能出现突变，对序列提取信号最强的几个极点，且不从首尾各四年处提取。

3　结果与分析

3.1龙川江上游径流量的变化特征

3.1.1月平均径流量由于龙川江上游径流的补给主要来自降水，而其气候又受南亚季风的影响，干湿季分明，导致龙川江上游的径流量年内分配极不均匀。径流量主要集中在每年的6至10月(图1)，此时的径流量占全年的81.06%。而每年的1—5月和11—12月的径流量只占全年的18.94%。因此龙川江上游径流量集中分布在夏半年，每年6至10月为汛期。此外，龙川江上游的月径流量在分别在1984年和2002年前后发生转变，在1984年以前月径流量不断下降，之后一直处于上升状态，而在2002年以后又转为下降。而且在1984年前后年内径流量分布曲线，由以双峰曲线为主转变为以单峰曲线为主，但在2010—2012年波峰不明显。

总的来说，汛期径流量占全年总径流量的百分比是波动起伏的，而且在1994年前后汛期径流量占全年总径流量的百分比趋势有所改变(图2)。在1994年以前汛期径流量占全年的百分比处于上升趋势，汛期径流量曾占到全年的93%，年内分配越来越不均匀。1994年以后汛期径流量占全年的百分比呈现出明显的下降趋势(Z=-2.01，通过了0.05的显著性检验)，即1994年以后龙川江上游径流量年内分配渐趋均匀。

图1　月平均径流量分布

图2　汛期径流量占年径流量的百分比

从年内季节分布来说，径流量主要集中在夏秋两季，分别占全年径流量的52.33%和34.52%，而冬季径流量占全年的百分比最小。而且在各年代的径流量变化中，夏季径流量变化最大，占总变化量的百分比也最大，其次是秋季，冬季最小(表1)。因此夏季径流量是年径流量变化的主要部分，冬季径流量对年径流的影响最小。

表1　各季节径流量变化量占径流总变化量的百分比　%

3.1.2年径流量在1970—2012年期间，龙川江上游径流量年际波动较大，径流量变差系数为0.62。龙川江上游径流量在近40多年里经历了3个阶段(图3)：1970—1984年期间年径流量下降；1984—2002年期间年径流量波动上升；2002—2012年下降。通过非参数M-K单调趋势检验计算得到的结果(表2)也与年径流量5 a滑动曲线所呈现的阶段趋势一致，但均未通过显著性检验。

通过非参数M-K突变检测计算表明，在近40 a里，年径流量只在1980—1984年和2002年显著变化(前者下降，后者上升)(图4)。并且年径流量分别在1975年、1985年和2009年发生突变。非参数M-K单调趋势检验计算得Z=-1.84，但未通过0.05的显著性检验，即近40多年来龙川江上游年径流量呈下降趋势，但趋势不明显。

图3　年径流分布图表2　龙川江上游年径流量M-K单调趋势检验

M-K单调趋势检验1970—20121970—19841984—20022002—2012Z-1.8-1.051.26-0.54

注:│Z│≥1.96表示通过α=0.05显著性水平，*表示通过显著性检验。

图4　年径流量M-K突变检测

3.1.3年代际径流量龙川江上游各年代径流量均有不同，差别较大(表3)。70年代径流量偏枯，80年代径流量最小，90年代径流量上升幅度较大，是径流量最大。00年代的径流量有所减少，而2010—2012年三年的平均年径流量比多年平均年径流量小很多。总的来说，龙川江上游70，80年代和2010—2012年径流量偏枯，90和00年代径流量偏丰。

表3　龙川江上游各年代径流量

3.2龙川江上游气候变化特征

3.2.1气温龙川江上游地区地处亚热带季风气候区，全年温和，年温差较小。在1970—2012年期间龙川江上游多年平均气温16.17℃，年内最大温差为3.33℃，最高温出现在6月，最低温出现在1月。而且各年代各月平均气温具有上升的趋势，以冬季变化最为明显(图5)。

图5　年内月平均气温分布

从年平均气温的非参数M-K单调趋势检验Z=5.369，通过了0.05的显著性检验，即近40多年来龙川江上游气温显著上升。年代际平均气温也呈现出上升趋势，并且升高1.61℃。对龙川江上游气温的非参数M-K突变检测得出，气温在1986年出现突变，并且在1986年之后气温显著升高(图6)。综上所述，在1970—2012年期间龙川江上游年际气温显著升高。

图6　气温M-K突变检测曲线

3.2.2降水由于受亚热带季风气候的影响龙川江上游地区干湿季分明，降水年内分配极不均匀，降水量最大值出现在7月。降水量主要分布在每年6—10月(图7)，即汛期，此时的降水量占全年降水量的88.3%。而且1984年以后汛期降水量占全年降水量的百分比几乎都在85%以上，年内降水量更加分布不均。

图7　年内月平均降水量分布

从年际来看，龙川江上游年降水量波动很大，最大相差857 mm。从百分比几乎都在85%以上，年内降水量更加分布不均。趋势线可以看出，年降水量呈现幅度很小的上升(图8A)。但非参数M-K单调趋势检验得出Z=0，即年降水量变化趋势不明显。年降水量M-K突变检测表明年降水量在1972年，1977年和1984年左右发生突变，而且只在2002年发生明显变化(图8B)。另外，龙川江上游降水量在80年代和2010—2012年降水较少，90，00年代降水量丰沛(表4)。综上所述，1970—2012年龙川江上游年降水量呈上升趋势，且很不明显。

图8　1970-2012年龙川江上游年降水量变化曲线表4　1970-2012年龙川江上游各年代降水量分布

项目70s80s90s00s2010—2012年降水量/mm8514.37723.994249355.72020

3.3龙川江上游径流量与气候的关系

3.3.1径流与降雨的关系年内各月降水量与径流量的相关系数为0.928，为非常显著正相关关系。径流量与降水量都集中于6—10月，汛期与雨季相重合，其他月份降水量和径流量都相对很小。降水量和径流量的距平的最大值分别出现在7月和8月，即径流量的波峰出现的时间要比降水量的推迟一个月，这是因为降水需要经过下渗、填洼等过程才能转化为径流。

从年际降水量与径流量的关系来讲，除了个别年份年降水量与年径流量的变化趋势相反，大多数年份的年降水量与年径流量都呈显著地正相关(图9)，即降水量增加，径流量增加；反之亦然，而且两者的相关系数为0.868。从年代际来看，年代际的降水量与径流量都在80年代和2010—2012年出现最小值，90年代出现最大值。从汛期与非汛期来讲，径流量与年降水量、汛期降水量、非汛期降水量都为正相关关系，而且通过了显著性检验(表5)。所以综上所述，降水量和径流量的正相关关系显著。

图9　年际气温、降水量与径流量距平

图10　月气温径流量的年内分布表5　龙川江上游径流量与降水量、气温的相关系数

项目汛期径流量非汛期径流量年径流量年降水量0.839**0.67**0.868**汛期降水量0.87**0.59**0.881**非汛期降水量0.421**0.556**0.475**年平均气温-0.0330.034-0.014汛期平均气温-0.126-0.028-0.108非汛期平均气温0.0100.0570.270

注:相关系数绝对值≥0.38表示通过α=0.01的显著性水平，**表示通过显著性检验。

3.3.2径流与气温的关系月平均气温与径流量的相关系数为0.69，表现出较为显著地正相关性。而且两者的年内分布都是单峰曲线，趋势基本一致，但径流量最大值比气温的推迟了两个月(图10)。从年平均气温与径流量来看，两者的相关系数只有-0.014 3，未能通过α=0.05的相关性检验，而且两者的变化趋势相差很大，因此年平均气温与年径流量的相关性不明显。年代际平均气温与径流量都在80—90年代上升，90—00年代略微下降，而且它们的相关系数为-0.486 9，所以年代际平均气温与径流量具有较为显著的负相关。从汛期与非汛期来说，汛期平均气温与径流量的相关系数都为负值，而非汛期气温相反，但均未通过显著性检验(表5)。综上所述，年内和年代际的平均气温与径流量的相关性较为显著，但年际的相关性不明显。

3.4龙川江上游径流量对气候变化的响应

径流量与气候之间具有相当密切的关系，两者相互联系相互影响，气候的变化影响径流量的变化，在某种程度上来说径流量的变化又是气候变化的一种表现，即径流量的变化是气候变化的一种响应。降水和气温是气候最主要的两个因子，降水量和气温的变化都会直接或间接的影响径流量的变化。

通过对比可见，年径流量和降水量的变化过程几乎一致，发生突变的年份也相同(图11)，而且两者的相关系数为0.868，年降水量的变化对年径流的影响很大。而年径流量与年平均气温的变化过程大概一致，但在某些阶段的趋势相差较大，例如在1984—1993年和2002—2012年。

图11　龙川江上游年径流量、年降水量和年平均气温累积距平

从四季来讲，除了冬季以外，其他季节的径流量和降水量的变化过程基本一致(图12A和12B)，而且径流量与降水量的相关系数都通过了0.01的显著性检验，所以降水量的变化对春夏秋三个季节的径流量影响很明显，其中对夏季的影响最明显。虽然夏秋冬三个季节的径流量和气温的变化过程大概一致，但比径流量与降水量的一致性差，一致性最差的是春季(图12C和12D)。所以气温的变化对夏秋冬三季的径流量的影响较小，对春季的影响最小。

从季节径流与同期或者前期的降水量、气温的相关关系来看，春夏秋三个季节的径流量与同期的降水量正相关显著，而与同期气温为负相关(表6)，说明气温升高会使蒸发增大，导致径流量减少，而且夏季气温与同期径流量为显著负相关。但春秋两季的前期气温与径流量为正相关，这可能是气温升高促进了水文循环，使得降水量增加的原因[1]。同时除春季以外，其他三个季节的径流量都与前期降水量呈正相关，而且夏秋为显著正相关，这是因为春季的降水量集中在后期，夏季和秋季又是雨季，而且降水形成径流需要经过一定的过程与时间。而四季中冬季径流量与同期和前期的降水、气温的相关性系数都没有通过显著性检验。因此，春季和秋季的径流量受降雨量变化的影响较大，降水量和气温的变化对夏季径流的影响都较为明显，而冬季相反。总之，不同季节的径流量对不同的气候因素的响应是不同的。

图12　龙川江上游四季径流量、降水量和气温累积距平表6　龙川江上游季节径流量与同期、前期年降水量、年平均气温的相关系数

径流量同期降水量同期平均气温前期降水量前期平均气温春季0.648**-0.174-0.2650.025夏季0.868**-0.326*0.598**-0.256秋季0.618**-0.0080.593**0.036冬季-0.0110.0740.227-0.071

注:**和*分别表示通过0.01，0.05显著性检验。

4　结 论

通过对龙川江上游43 a的径流量、降水量和气温数据的分析表明：由于受亚热带季风气候的影响，龙川江上游径流的年内分配极其不均，但是在1994年以后有所变化，而且夏季径流量对年径流的影响最大；年径流量呈不显著的下降趋势，并分为3个阶段：1970—1984年(下降)，1984—2002年(波动上升)和2002—2012年(下降)；气温升高趋势很明显，而且在冬季特别显著；虽然降水量也呈上升趋势，但很不显著，而且年内降水量分布极不均匀；降水量与径流量具有显著正相关关系，虽然年内和年代际平均气温与径流量具有显著正相关，但年均温与年径流量之间不存在显著关系；相应的，径流量对降水量的响应较为明显，而对气温的响应则不明显，其中夏季径流量对降水量和气温的响应都很显著，而冬季相反。

在龙川江上游，气温和降水量都在一定程度上影响着径流量的变化，降水量的影响较为明显，而气温则相反。这个结果与孙悦、陈玲飞等人的研究结论是一致的，但径流量对气候的响应率还有待进一步研究。而且现在人类活动对自然环境的影响越来越大，径流量也不可避免的受其影响，在以后的研究中要注重人类活动的影响，并把其纳入到相应的研究中。

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Runoff Variation and Its Response to Climate Change in the Upstream of Longchuanjiang River

LI Lan, DING Wenrong

(CollegeofTourismandGeographicScience,YunnanNormalUniversity,Kunming650092,China)

Based on the hydrologic data of Xiaohekou, the upstream of Longchuanjiang River, and the meteorological data of Chuxiong from 1970 to 2012, we used the methods of accumulative anomalies, Mann-Kendall and correlation coefficient to analyze the variation of inner-annual, inter-annual and inter-decadal for the runoff of the upstream of Longchuanjiang River, precipitation, the runoff and its response to climatic change. The results indicated that: (1) the annual runoff distributed unevenly, and it gradually become even, and annual runoff showed a wavelike decrease, but it wasn′t obvious, and runoff volume was less than normal years in 1970s, 1980s and the the period from 2010 ot 2012. The runoff volume in 1990s and 2000s was more than normal years; (2) temperature and annual runoff had showed a wavelike increase, but the latter was indistinctive; (3) annual precipitation effects on annual runoff was obvious, but the annual average temperature had less effect on runoff, precipitation of spring and autumn had larger effect on runoff, influences of precipitation, and temperature on runoff were obvious in summer, but were just opposite in the winter. In summary, responses of runoff in different seasons to different climate factors are different.

upstream of Longchuangjiang River; runoff; climatic change; response

2015-06-30

2015-08-07

国家自然科学基金项目(41101099、41261044);云南省社会发展科技计划(2012CA024)

李澜(1990—),女,山东临沂人,硕士研究生,主要从事自然地理学研究工作。Email:lan900726@126.com

P339

A

1005-3409(2016)04-0083-06