长江源区沱沱河流域1961-2011年径流特征及其对降水的滞后效应

罗 玉, 秦宁生, 周 斌, 李金建, 王春学, 刘 佳， 庞轶舒

(1.中国气象局 成都高原气象研究所/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室, 四川 成都 610072;2.四川省气候中心, 四川 成都 610072; 3.成都信息工程大学, 四川 成都 610225)

IPCC第5次报告指出，全球气候变暖的事实毋庸置疑，1880—2012年全球平均气温已升高0.85 ℃，全球变暖将导致海平面上升、冰盖消融、冰川退缩[1]。并且，随着全球变暖和人类活动的加剧，河川径流也发生了显著的时空变化，这不仅直接影响流域水资源的配置、利用和开发，同时还对区域资源环境和可持续发展产生了重要影响[2-4]。在全球变暖背景下，位于青藏高原腹地的长江源区其水资源也发生了变化。已有研究表明，21世纪前，长江源区水资源表现为逐年递减趋势；而由于气温显著升高，降水明显增多[5]，导致最近10 a水资源显著增加。沱沱河流域是长江源头的主要流域，位于唐古拉山珠峰拉丹冬雪山群的西南侧，海拔高度为6 621 m，流域面积达15 924 km2[6]。沱沱河径流补给受到降水和冰雪融水的共同影响，20世纪60年代，降水是雨季径流的主要补给源；70年代，径流是近40 a来的最低值；自80年代以来，气温变暖，大量冰川融水补给河流，径流量显著增多[5,7]。本文基于实测径流及降水资料，对51 a来沱沱河流域径流的年际、年内变化特征进行分析，旨在揭示全球变暖背景下流域径流变化特征及由降水变化引起的水文效应，以期得到一些有意义的结论，为流域水资源管理和利用提供理论依据。

1 研究区域和资料

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，是长江的正源，流域面积15 924 km2。流域内最高海拔6 468 m，最低海拔4 489 m，南北均为高山、地形所封闭，属高空西风带控制区。气候较干寒，终年低温，流域内多年平均气温达-4.2 ℃，每年冻结期长达7个月。流域内降水较少，多年平均降水量283.1 mm，且多集中在7—9月。流域多年平均径流量26.2 m3/s，年径流深51.9 mm[6]。流域径流主要由降水和冰雪融水补给[5]。本文选取1961—2011年长江源区沱沱河流域水文站逐月逐年径流量资料；沱沱河气象站(33°57′N,92°37′E,海拔4 533.1 m)1961—2011年逐月降水量数据进行分析研究，将四季划分为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月为汛期，11月至翌年4月为非汛期；气候平均值采用1981—2010年的平均值。

2 研究方法

研究方法主要包括：累积距平法、变差系数法、集中度和集中期以及相关的数理统计方法。

2.1 集中期和集中度

借鉴年降水量年内分配向量法，采用集中期和集中度来研究流域径流(降水量)年内变化规律。把一年内所有月的径流量看作向量，月径流量的大小作为该月向量的长度，所处的月份作为径流量向量的方向，用圆周360°作为1 a的天数365 d，1—12月每月的方位角h依次为0，30°,60°,…,330°,将各月径流量以向量方式累加，最后，以各分量之和的合成量占年径流量在年内的比值表示年径流量集中程度，以12个月分量和比值的正切角度表示年径流量集中期，可以客观反映一年中最大径流量(降水量)的出现时间[8]。计算公式为：

(1)

(2)

(3)

RCP=arctan(Rx/Ry)

(4)

式中：Ri——第i月的径流量；h——第i月的径流方位角；Ryear——年径流量；Rx，Ry——X，Y方向上的合成向量。关于集中期RCP与集中度RCD的详细计算过程可见参考文献[8—9]。

2.2 差积曲线

3 结果与分析

3.1 沱沱河流域径流年际变化规律

1961—2011年沱沱河流域径流的年际变化规律如图1所示。由图1可知，近51 a来，沱沱河流域径流量在2.80×108～1.99×109m3之间波动，多年平均值为9.34×108m3，且径流量波动较强，表现为前40 a下降，近10 a显著上升，总体表现为增加趋势，气候倾向率为1.00×108m3/10 a，通过0.01的显著性检验水平。流域年径流量在2002年出现最大值，为1.99×109m3，在1979年出现最小值，为2.80×108m3(表1)；绝对变化幅度为1.70×109m3，相对变化幅度为6.7。流域径流量变差系数为0.45，可见沱沱河年际径流量波动较大[10]。从沱沱河流域径流量累积距平曲线图(图1)还可以看出，近51 a来，沱沱河流域的径流量变化主要经历了3个阶段：1961—1967年和1999—2011年累积距平明显上升阶段，径流量以增加为主，表明这两个阶段总体上丰水年年份多于枯水年，1968—1998年累积距平呈显著下降趋势，径流量以减少为主，表明这31 a枯水年年份多于丰水年。

图1 1961-2011年沱沱河径流年际变化和累积距平曲线

积水面积多年平均量最大水年径流量(2000年)最小水年径流量(1979年)年 际极值比变 差系数Cv15 924 km29.34×108 m319.85×108 m32.80×108 m36.70.45

3.2 沱沱河流域径流年内分配变化规律

图2为沱沱河流域月径流量的年内分配情况。由图2可知，总体上，径流量在各个年代年内分配基本相似，均呈“单峰型”，流量在1—2月处于低值，3—4月开始逐渐缓慢上升，5月份开始急剧上升，在7月或8月径流量达到峰值，之后开始急剧减少，直至12月份达到最低值。

图2 沱沱河径流年内分配特征

径流量在年内分配上，1—4月和11—12月所占比例较小，主要集中在5—10月，季节上主要分配在夏、秋季，占年径流量的92.3%左右，且各个年代的径流也主要集中在这一时期(表2)。就最大径流月份而言，20世纪60，70，90年代，21世纪初的10 a和多年平均最大径流均出现在8月，20世纪80年代出现在7月，这主要与降水量在年内时间上的分配有关，与本区大气降水主要分布在7月份是相吻合的，在一定程度上蕴示着气候波动(大气降水)对河川径流的影响。

表2 沱沱河流域汛期(5-10月)径流年内分配特征

沱沱河流域各季节径流量波动性变化特征显著，从各季节线性趋势来看(图3)，春、夏、秋、冬四季径流量均呈增加趋势，气候倾向率分别为6.00×106m3(p<0.01)，6.30×107m3(p<0.05)，2.10×107m3，2.62×108m3/10 a(p>0.05)，且汛期和非汛期径流量同样均呈显著增加趋势(图略)，气候倾向率分别为8.90×107m3/10 a，4.10×107m3/10 a，均通过0.01显著性水平检验。春、夏、秋、冬、汛期、非汛期的平均径流量分别为6.40×107m3，6.26×108m3，2.39×108m3，6.00×106m3，9.02×108m3，3.10×107m3，各自径流量占年径流量的百分比分别集中在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、秋季径流量所占年径流量比例达58.8%以上，汛期径流量达89.9%以上，说明沱沱河流域径流量主要集中在夏、秋季、汛期，春、冬季、非汛期径流量较小。各季、汛期、非汛期变差系数分别为0.36，0.45，0.55，0.33，0.43和0.50，表明夏、秋季、非汛期年际变化较大，冬季径流量较稳定。

图3 1961-2011年沱沱河流域季节径流量及占年径流量百分比的变化

沱沱河流域集中度和集中期的年际变化表明(图4)，集中度围绕平均值76%上下波动，最高达83.0%，最低为66.9%，与燕华云等[11]的结论较为一致，表明沱沱河流域径流主要集中在某些月内，这与图2呈现的径流主要集中在5—10月相符。流域的集中期分布范围主要集中在7月下旬至8月上旬，51 a中有41 a落在这一时间段，占到总年份的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%。

从各年代年内分配集中度和集中期来看(表3)，各年代集中度均较大，处于74.0%～78.1%之间；集中期合成向量在193.84°—203.6°之间的主要集中在7月28日—8月9日，除了20世纪80年代最大径流量出现在7月下旬，其他年代均出现在8月上旬。集中期较好地反映了各个年代沱沱河径流量最大值出现的年份，这与上述结果一致。

图4 1961-2011年沱沱河径流集中度和集中期年际变化

表3 沱沱河流域径流统计特征

3.3 流域降水特征分析

1961—2011年沱沱河流域降水量年际变化规律如图5所示。由图5可以看出，近51 a沱沱河流域降水量整体呈显著增多趋势，在180.6～469 mm之间呈波动变化，多年平均值为290.1 mm，气候倾向率为10.38 mm/10 a。

流域年降水量最大值出现在2009年，最小值出现在1994年，绝对变化幅度为288.4 mm，相对变化幅度为2.6，年降雨量变差系数为0.22，可见沱沱河年际降水量波动较小。从沱沱河流域降水量累积距平曲线图(图5)还可以看出，近51 a来，沱沱河流域降水量呈明显阶段性变化，1987—1998年降雨偏枯，1998以后丰水年增多。

图5 1961-2011年沱沱河降水年际变化和累积距平曲线

从沱沱河流域降水量的年内分配特征(图6)可以看出，总体上，降水量在各个年代年内分配较为相似，均呈明显的“单峰型”分布，在1—2月处于低值，3—4月开始逐渐缓慢上升，5月份开始急剧上升，在6月或7月达到峰值，之后开始急剧减少，直至12月份达到最低值。降雨量在年内分配主要集中在5—10月，1—4月和11—12月降水量较小；季节上主要分配在夏、秋季，占年降水量的96.5%左右，各个年代的径流也主要集中在这一时期(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现在7月，说明各年代或年内的降水分布特征和集中程度较为一致，同时比较图2可以看出，径流量值落后于降水量值，说明径流量对降水有一定的滞后效应。

图6 沱沱河降水年内分配特征

表4 沱沱河流域汛期(5-10月)降水量年内分配特征

沱沱河流域降水集中度和集中期的年际变化表明(图7)，集中度围绕平均值76%上下波动，最高达79.0%，最低为73.2%，集中度呈明显下降趋势。流域径流量集中度与降水量集中度相差较小，表明降水与径流波动特征较为相似，集中期均较稳定。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落在这一时间段，占到总年份的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%。

图7 沱沱河流域1961-2011年降水集中度和集中期年际变化

从各年代年内分配集中度和集中期来看(表5)，各年代集中度均较大，处于73.2%～79.0%之间；集中期的合成向量在185.59°～190.41°之间的集中在7月12—26日，除了20世纪60年代最大径流量出现在7月中旬，其他年代均出现在7月下旬。

表5 沱沱河流域降水统计特征

3.4 径流对降水的响应

沱沱河流域径流补给受到降水和冰雪融水的共同影响[5]，降水作为表征气候变化的重要因子对沱沱河流域径流具有一定影响，因此本文主要考虑降水量与径流之间的相关关系。由图8得出，年降水量与年径流量的年际波动变化具有较好的一致性，径流量随着降水量的增加而增加，两者的相关系数高达0.53(通过0.001的显著性检验)，表明降水量与径流量具有很好的相关性，在51 a当中正、负值一致的年份有31 a，一致率达到76.4%。因此，可以认为降水量是影响沱沱河流域径流量的重要因子,也充分说明了降水量是水资源补给的重要一环。

径流的形成是受到流域内气候和下垫面的共同影响，是流域内各种自然地理因素综合作用的产物。从降水到形成径流需要经历3个特征阶段：停蓄阶段、漫流阶段、河槽集阶段，由于每次降水的强度和持续性不同，加之流域下垫面的影响，径流形成需要一定的时间，因此本文利用径流和降水的集中期来探讨径流对降水的滞后效应[12]。由图9可以看出，除了1968，1976，1978，1979，1983，1984和1986年外，其余年份的径流量对降水均存在滞后效应。径流集中期相对于降水集中期的滞后天数大致集中在5—20 d，51 a中有31 a的滞后时间在这一范围内，占总年份的60%。径流对降水的平均滞后天数为13.7 d，说明从流域降水开始经过停蓄、漫流、河槽急流3个阶段，最后汇流至沱沱河流域大约需要13.7 d左右。此外，20世纪60年代到21世纪初，各年代的滞后天数分别为14.0，10.7，16.3，12.6和14.8 d，径流对降水的滞后天数整体呈明显上升趋势(图9)。

图8 沱沱河流域年平均径流量与降水量的相关分析

图9 沱沱河流域1961-2011年降水和径流的集中期对比及滞后时间年际变化

4 结 论

(1) 1961—2011年沱沱河径流量和降水量的变化趋势基本一致，径流量和降水量增加的倾向率分别为1.00×108m3/10 a和10.38 mm/10 a。5—10月径流量占年径流量的96.7%，同期降水量占年降水量的96.5%，径流量与降雨量的集中期均主要在7月上旬至8月上旬。

(2) 沱沱河流域各季径流量呈显著阶段性波动，整体表现为增加趋势。春、夏、秋、冬季气候倾向率分别为6.00×106m3/10 a，6.30×106m3/10 a，2.10×106m3/10 a，2.62×108m3/10 a。

(3) 从来看，1961—1997年，径流量及降水量的累积曲线整体呈显著阶段性减少，1998—2011年，二者均表现为增加趋势。表明近10 a沱沱河流域来水量整体呈偏丰状态，气候相对湿润。

(4) 流域内多数年份的径流量对降水均存在滞后效应，平均滞后天数为13.7 d。