近50年半干旱典型草原区域不同时间尺度上的降水、径流研究

2019-06-26张阿龙高瑞忠刘廷玺秦子元

水土保持研究 2019年4期

张阿龙, 高瑞忠, 刘廷玺, 秦子元

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018)

水文气象要素之间的关系及其相互作用十分复杂，其中周期性和突变性是两个重要的特征[1-3]。近年来，由于气候变化和人类活动的影响，半干旱区内陆河草原流域水资源短缺，生态环境恶化[4]，水文过程发生了不容忽视的变化[5-7]。气候波动(如极端降水事件的发生，温度的时空分布变化等)导致空间水资源的重新分布，增加旱涝灾害发生的几率。众多学者对流域温度、降水量和径流量的周期变化、趋势分析和突变分析进行割裂研究[8-13]，对水文要素的相关分析局限在年数据相关[10-14]，未考虑温度、降水、径流间复杂的相互作用，缺乏对气象要素的日数据分析研究。

本文以内蒙古锡林河流域为研究对象，基于多年水文、气象要素日数据的基础上，对降水天数与降水量、径流天数与径流量的多年日数据统计分析和长序列水文年、丰、枯水季的Mann-Kendall突变分析研究，降水、径流与其他水文要素日数据非线性Spearman相关分析，系统分析锡林河流域气温、降水和径流影响因素与演变规律。旨在探讨以锡林河流域为代表的半干旱地区流域气候是否持续趋于极端化，为北方半干旱地区发展过程中生态水文变化分析、生态环境保护和水资源合理利用提供基础依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

锡林河是内蒙古典型的草原型内陆河，发源于赤峰市克什克腾旗境内，绕锡林浩特市而过，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[14]，位于115°32′—117°16′E,43°26′—44°39′N，流域面积多达11 000 km2。属于半干旱大陆性季风气候。春季干燥少雨，夏季炎热，雨水多集中在7—9月，秋季凉爽，冬季漫长寒冷[5]。据锡林浩特市气象站的资料统计，多年平均降水量为282.5 mm，多年平均蒸发能力为1 862.89 mm。

1.2 数据来源

本文数据来源于中国气象数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)。取锡林浩特气象站1963—2015年的日数据，其中包括降水量(mm)、蒸发量(mm)、相对湿度(%)、平均气温(℃)、日照时数(h)、风速(m/s)等，降水数据选用1963—2015年国家气象信息中心气象资料实验室建立的0.5°×0.5°降水格点日值数据，经检验，该气象站点的气象数据没有随机变化和明显的突变点，可以代表该流域的气候状况。锡林浩特站1963—2015年日径流实测数据来源于内蒙古自治区水文总局，该站水文观测资料时间序列较长且完整，数据来源也比较可靠。研究区气象站点及水文气象测站分布见图1。

图1 锡林河流域地理位置及水文气象站点分布

1.3 研究方法

趋势变化使用线性趋势法将序列表示为时间t的函数:y=at+b,其中a,b为常数,用最小二乘法通过各要素时间序列计算出a与b,a为要素的线性趋势,b为正(负)表示该要素随时间变化有线性增加(减少)趋势[15]。

改进Mann-Kendall检验方法来检测研究区径流和降水序列在显著水平α=0.05时的趋势性，降水或径流序列趋势判定：当Z*为正值时，说明降水或径流序列为增加趋势；当Z*为负值时，说明降水或径流序列为减少趋势。Z*大于标准正态95%分位数时，表明降水或径流序列在显着性水平α=0.05时存在显著趋势[1,5]。

2 结果与分析

2.1 降水、径流和径流系数的统计特征

锡林河流域多年降水总量最大月、多年降水量最大月均出现在7月，分别占多年(水文年)降水总量、多年(水文年)最大降水量的28.89%，55%，多年径流深总量最大月、多年径流深最大月出现在4月，分别占多年(水文年)径流总深和多年(水文年)最大径流深的35.69%，57.74%，平均降水最小月出现在1月，占多年(水文年)平均降水量的0.7%，平均径流深最小月出现在12月、1月、2月，占多年(水文年)平均径流深的0%；降水和径流标准差最大月分别出现在7月、4月，降水和径流最小月均出现在冬季；降水、径流偏度和峰度最大月均分别出现在4月和6月；降水、径流变异系数最大月均分别出现在4月和3月；多年(水文年)最大降水、最小降水和平均降水天数和降水量分别为106 d，57 d，78.52 d，512.2 mm，126 mm，276.17 mm，最大径流、最小径流、平均径流天数和径流深分别为263 d，71 d，207.88 d，10.08 mm，1.58 mm，4.47 mm；多年丰水季最大降水、最小降水、平均降水天数和降水量分别为56 d，27 d，41.56 d，451.6 mm，89.9 mm，213.68 mm，最大径流、最小径流、平均径流天数和径流深分别为112 d，0 d，99.75 d，5.79 mm，0 mm，1.67 mm；多年枯水季最大降水、最小降水、平均降水天数和降水量分别为57 d，21 d，36.96 d，141.5 mm，24.1 mm，62.49 mm，最大径流、最小径流、平均径流天数和径流深分别为141 d，32 d，108.13 d，8.12 mm，0.49 mm，2.8 mm；多年丰水季降水总天数和枯水季降水总天数分别占多年降水总天数的52.9%，47.1%，多年丰水季径流总天数和枯水季径流总天数分别占多年径流总天数的48%，52%，多年丰水季降水总量和枯水季降水总量分别占多年降水总量的77.4%，22.6%，多年丰水季径流深总量和枯水季径流深总量分别占多年径流深总量的37.3%，62.7%(表1)。

综上表明该区降水量最大月与径流量最大月存在差异，除4月外，降水量与径流量的变化是一一对应的，4月北方径流主要来源于山丘区融冰雪水，而7月径流主要来源于降水，且夏季地表地下水开采量较大，取水耗水量较多，造成径流4月份大于7月份的现象；丰枯季明显，降水天数明显小于径流天数，且降水量远大于径流深，丰水季降水天数略小于枯水季降水天数，多年丰水季降水总量近似于枯水季的3倍，而多年枯水季径流总量是丰水季的2倍。

2.2 降水和径流的趋势变化

锡林河流域年径流量多年来呈现显著减少的趋势(表2，图2)，而降水的整体变化趋势不太明显(表2，图3)。流域年降水量在2010s达到最大，除了1960s，1980s，2000s有所减少以外，其余年代均小幅度增加；丰水季降水是在1950s达到最大，而枯水季降水量在2010s达到最大，除了1960s，1980s，2000s减少以外，其余年代为增加(表2，图3)。

流域年径流在1990s最大，在2000s最小，除在1990s和2010s有所增加以外，其余年代均为减少。尤其是2000s相对于1990s减少了54.90%；丰水季径流在1990s达到最大，除了1970s和1990s增加以外，其余年代均为减少，2000s相对于1990s减少了67.97%；而枯水季的径流变化类似年径流的变化趋势(表2)。

从图2可以看出，降水量、降水天数变化不明显，年降水量与丰水季降水量波动较大，具有相似的变化规律，突变现象不明显。年降水天数周期性较明显，存在约30 a的大周期，降水天数与降水量相呼应，降水天数多的年份，降水量较大，降水天数少的年份，降水量较小，丰水季降水天数与枯水季降水天数接近，但总体上大于枯水季降水天数，5年滑动平均值可看出降水天数与降水量自1998—2011年均处于减少趋势，2011年后略有增加；如图3所示，径流天数与径流量整体呈现出明显递减趋势，突变现象明显，突变年份为2001年，年径流量变化起伏较大，呈现出5～7 a的小周期，枯水季径流量明显大于丰水季径流量，且丰水季存在断流现象，径流天数2001年以前基本处于稳定状态，2001年后变化起伏较大。且径流天数减少速度较快，丰水季径流天数接近于枯水季径流天数，但存在枯水季径流天数大于丰水季径流天数的现象，5年滑动平均值可看出径流天数与径流量自1998—2011年均处于下降趋势，2011年后略有增加，与降水趋势一致。该区1998—2011年处于由丰变枯阶段，2011年后有由枯转丰的迹象。

径流与径流天数变化总体趋势呈下降趋势，径流水文年下降趋势(-0.012 9)大于丰水年下降趋势(-0.016 2)大于枯水年下降趋势(-0.029 1)，且水文年相关系数大于丰水季相关系数大于枯水季相关系数；径流天数水文年呈显著下降趋势，年径流天数下降趋势最为显著，下降趋势为-2.151，相关系数高达0.586，丰水季径流天数次之，下降趋势为-1.265 2，相关系数为0.529，枯水季径流天数下降趋势相对较弱(-0.885 8)，相关系数为0.565(表3)。

降水与降水天数趋势变化较小，年降水量、丰水季呈下降趋势，下降趋势分别为-0.782，-0.645 4，相关系数分别为0.171，0.133，而枯水季降水量却存在0.136 6的上升趋势，显著系数为0.087；降水天数年、丰水季变化呈微弱减小趋势，变化趋势分别为-0.205 9，-0.228 9，相关系数分别为0.287，0.499，枯水季降水天数呈0.023的微弱上升趋势，相关系数为0.046(表3)。

枯水季降水、降水天数整体呈微弱的上升趋势，径流与径流天数下降趋势相对年、丰水季较低，该区径流变化显著，存在突变，但降水变化相对较弱，突变现象不明显，说明该区径流受到人类活动扰动较大。

表1 多年降水量、降水天数、径流量、径流天数和径流深统计分析

注：“—”代表未发现，下表同。

表2 流域年径流、丰水季、枯水季径流年代变化及相对变化率

图2 水文站点降水天数与降水量变化趋势

图3 水文站点径流天数与径流深变化趋势

表3 锡林河流域降水径流变化趋势的拟合关系式及相关系数

对于锡林河流域水文站的径流量及降水量的变化趋势用坎德尔秩次相关法进行检验，由检验结果可知(表4)：年径流量(p=0.018)及枯水季的径流量(p=0.005)下降趋势显著，说明流域的径流整体上呈明显下降的趋势。而年降水的整体下降趋势不太明显(p=0.795)，同时丰水季的下降趋势也不明显(p=0.215)。但是枯水季降水的上升趋势比较显著(p=0.044)。

2.3 径流和降水序列的突变年份分析

图4为研究区1962—2015年年(丰枯季)区域径流、降水要Mann-Kendall突变检验，年、丰水季、枯水季径流发生突变年份均为2004年，同一时期发生突变，年、枯水季径流天数发生突变年份为2007年、2004年，丰水季在此期间未发生突变，说明该区年径流天数枯水季所占比例居多，径流量年、丰、枯水季突变年限一致，造成突变的驱动因数接近，枯水季径流天数相对于年径流天数突变年份较早，枯水季对引起突变的驱动因数更为敏感。

表4 年季尺度径流和降水趋势的改进Mann-Kendall检验结果

注：*为在显著性水平α=0.05下趋势显著，↓为下降趋势。

年、丰水季、枯水季降水发生突变年份分别为1997年、1998年、2009年，年降水与丰水季降水突变年份接近。与枯水季降水突变年份较远，丰水季、枯水季降水天数发生突变年份为1987年、2009年，年降水在此期间未发生突变，且丰水季降水天数从1987年开始处于减少趋势，枯水季降水天数从1998年开始处于增加趋势，降水量年、丰、枯水季突变年限年早于丰水季早于枯水季，造成突变的驱动因数年与丰水季接近，而与枯水季突变的驱动因素可能不同，丰水季降水天数相对于枯水季降水天数突变年份较早，丰水季对引起突变的驱动因数更为敏感。

图4 研究区1962-2015年年(丰枯季)区域径流、降水的Mann-Kendall突变检验

2.4 气候要素日数据相关分析

1963—2015年的气候要素日数据Spearman相关，与降水量日数据呈正相关的气象数据相关系数大小依次为：平均相对湿度(0.338)>平均风速(0.128)>平均气温(0.099)>径流(0.019)，呈负相关的气象数据相关系数大小依次为：日照时数(-0.400)>小型蒸发量(-0.019)，影响该区降水大小的主要气象因素依次为日照时数>相对湿度>平均风速>平均气温>降水量=蒸发；与径流日数据呈正相关的气象数据相关系数大小依次为：平均相对湿度(0.047)>平均风速(0.029)>20—20时降水量(0.019)，呈负相关的气象数据相关系数大小依次为：小型蒸发量(-0.068)>平均气温(-0.019)，影响该区径流大小的主要气象因素依次为蒸发>相对湿度>平均风速>平均气温=降水量>日照时数。

表5 1963-2015年的气候要素日数据Spearman相关

注：**表示相关性在0上显著，*表示相关性在0.05以上显著。

3 讨论

内蒙古锡林河流域典型草原区域4月北方径流主要来源于山丘区融冰雪水，而7月径流主要来源于降水，且夏季地表地下水开采量较大，取水耗水量较多，造成径流4月份大于7月份的现象与文献[4-5,14-17]研究结论相似；年降水天数存在约30 a的大周期，降水天数与降水量自1998—2011年均处于减少趋势，2011年后略有增加，与宋小园[17]、焦玮[18]等的研究成果接近；径流天数与径流量整体呈现出明显递减趋势，突变现象明显，突变年份为2001年，年径流量变化起伏较大，呈现出5～7 a的小周期，枯水季径流量明显大于丰水季径流量，且丰水季存在断流现象，径流天数2001年以前基本处于稳定状态，2001年后变化起伏较大；径流天数减少速度较快，丰水季径流天数接近于枯水季径流天数，径流天数与径流量自1998—2011年均处于下降趋势，2011年后略有增加，与降水趋势一致。年、丰水季、枯水季降水发生突变年份分别为1997年、1998年、2009年，年降水与丰水季降水突变年份接近；枯水季降水突变年份较远，丰水季、枯水季降水天数发生突变年份为1987年、2009年，年降水在此期间未发生突变，且丰水季降水天数从1987年开始处于减少趋势，枯水季降水天数从1998年开始处于增加趋势，降水量年、丰、枯水季突变年限年早于丰水季早于枯水季。