永定河上游流域水文气象要素的历史演变特征

2020-12-17彭文启刘经强陈渠昌黄爱平陈学凯

中国农村水利水电 2020年12期

侯蕾，彭文启，董飞，刘经强，陈渠昌，黄爱平，陈学凯

(1.中国水利水电科学研究院，流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；2.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271000)

0 引言

IPCC第五次评估报告：1982-2012年间，全球的地表平均温度升高了0.85 ℃，到21世纪末，全球地表温度变化可能超过1.5 ℃[1]。气候变化对陆面水文循环产生了显著影响[2,3-6]。研究全球气候变暖背景下河川径流的变化已成为各界普遍关注的热点问题[7, 8]。河川径流是重要的水资源形式，受气候变化和下垫面变化的影响较为明显，在时间和空间上多尺度研究气候变化对水资源的影响程度，利用长序列气象水文数据分析流域水文气象要素的演变特征，是实现水资源开发利用及管理的重要基础性工作[9]。永定河流域是我国北方干旱半干旱区颇受关注的水资源及生态环境脆弱地区。近年来，永定河流域年径流量出现了锐减趋势[10-12]，多数河段出现断流现象，尤其是2000年以后官厅水库年均径流量仅为0.9 亿m3，较1955-1981年丰水期，衰减了93%，较1955-1981年平水期衰减了60%～70%。对于永定河流域的水资源问题已有学者和专家进行了大量的研究[13-17]，目前为止，永定河流域的研究多集中于径流衰减成因的识别[18-20]，对于永定河上游流域及主要支流的气候水文要素演变特征的系统研究较少，并且时间序列较短。本文系统分析了流域气温和降水的空间分布格局，揭示了永定河上游流域及主要支流的气温、降水、径流的变化特征，分析了流域径流变化的主要影响因素，为流域水资源保护、水资源的开发利用及管理提供了技术支撑。

1 流域概况及研究方法

1.1 流域概况

永定河流域位于112°～117°45′E，39°～41°20′N之间，是海河流域的七大支流之一，流域面积约为4.70 万km2，约为海河流域面积的14.7%[21]。流域地跨内蒙古、山西、河北、北京、天津等5个省(自治区、直辖市)，主要有桑干河、洋河两大支流，在河北怀来县汇合后称永定河，在官厅水库纳入妫水河，经官厅水库流入官厅山峡于三家店进入平原。本研究的区域在永定河上游流域，研究区面积约为4.3 万km2，位于112°～116°22′E，38°55′～41°15′N，官厅水库以上称为永定河上游，约为永定河流域面积的93%，见图1。永定河上游流域跨燕山山脉、内蒙古高原和华北平原，高程有很大差异，山区面积约占流域面积的80%，以山区为主。

图1 永定河上游流域位置

1.2 研究方法

基于1960-2012年永定河上游流域官厅水库、响水堡、石匣里三个水文站(来源于《海河流域水文年鉴》)的年径流量以及流域范围及周边15个国家气象站的逐日最高气温、最低气温、平均气温、降水等气象数据，采用Mann-Kendall 非参数检验[22,23]及线性回归法对流域水文气象要素进行了趋势性分析；采用累积距平法[24]对流域水文气象要素进行了突变性分析；采用Morlet小波分析了流域水文气象要素的周期性演变特征。文中官厅水库水文站控制流域简称永定河上游流域，响水堡水文站控制流域简称洋河流域，石匣里水文站控制流域简称桑干河流域。

2 结果与讨论

2.1 降水、气温的空间分布特征

采用趋势面分析法，利用1960-2012年永定河上游流域及周围15个气象台站的统计数据来绘制流域多年的平均降水和多年平均气温的等值线图(图2、图3)。在空间上，降水量地域性差异较大，年降水量自东南向西北递减；受燕山山脉迎风坡多雨带的影响，在桑干河上游以及妫水河流域的多年平均降水量较大，其中，东南部五台山气象站的降水量达到744 mm；受大陆性半干旱气候的影响，洋河的上游流域多年平均降水量相对较低，其中，化德气象站的多年平均降水量约为314 mm。多年平均气温地域性差异也较大，受流域地形和高程的影响，流域多年平均气温以北京气象站为中心向外延伸逐渐递减。受北京城市热岛效应[25]的影响，官厅水库及妫水河区域气温偏高；张北地区受北寒带干旱气候以及东南地区地形的影响，洋河和桑干河流域的上游地区气温较低。

图2 永定河上游流域年降水等值线图

图3 永定河上游流域年平均气温空间分布图

2.2 降水、气温、径流的年内及年代际变化特征

根据1960-2012年永定河上游流域、桑干河流域、洋河流域各月的降水统计分析(见图4)，结果表明，流域降水量年内分配极不均匀，6-9月降水量占全年降水的75%左右；12月份和1月份的降水量最小，各流域月降水量不到全年的0.5%，均小于4 mm。通过对降水量年代距平的变化特征分析(见图5)。永定河河上游流域在20世纪60、70年代是丰水期，尤其60年代，降水量为452 mm，比多年平均降水值增加了6.4%，80年代、2000-2012年为枯水期，80年代的年降水量比多年平均降水量减少了15.89 mm，2000-2012年降水量较多年平均值减少了21.79 mm，90年代月降水量与多年平均的月降水变化趋势较为一致；桑干河流域在60、70年代也是丰水期，60年代的降水量比多年平均降水增加了9.5%，80年代以后为枯水期，尤其是90年代出现了锐减现象，该时期降水量较多年平均值减少4.9%；洋河流域在60年代、70年代以及90年代是丰水期，其中70年代、90年代的降水量分别比多年平均值增加了6.3%、5.8%，在80年代、2000-2012年间，流域降水偏枯，尤其是80年代，该时期降水量比多年平均值减少了7.7%。

图5 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域降水距平值年代变化图

通过分析不同年代的月降水量的变化特征(图4)，90年代流域月降水最大值出现在7月份，其余各年代降水量的分布不均衡，最大值主要出现在7月份和8月份；60、70年代各流域的降水偏丰，非汛期的降水量基本与多年平均降水量一致，汛期的月降水量均高于多年平均降水量；从2000-2012开始各流域月降水的分配情况发生了明显的变化，其中非汛期的降水量均大于多年平均降水量，而汛期的月降水量均小于多年平均值。

图4 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域各年代降水月均值变化图

通过分析1960-2012年各流域月平均气温的变化特征(图6)。各流域四季气温变化分明，1月份各流域的气温最低，分别为-10.51、-10.96、-12.03 ℃；7月份各流域的气温最高，分别为21.71、20.90、21.25 ℃；秋季以后气温逐渐下降。通过分析不同年代各月平均气温的变化特征(图6)，20世纪60、70和80年代，各月的平均气温均小于多年平均气温；90年代，各月平均气温与多年平均值一致；2000年以后，各月平均气温均大于多年平均值。通过对各流域气温年代距平的变化特征分析(图7)，60、70、80年代，各流域的气温均降低；90年代，气温开始逐渐升高；2000年以后，各流域的气温剧增。

图6 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域各年代气温月均值变化图

图7 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域气温距平值年代变化图

通过分析各流域不同年代各月的径流量变化特征(图8)。研究表明，各流域的在7、8月份(夏汛)和3、4月份(春汛)径流量较大，总体上与华北地区的气候变化趋势一致。20世纪70年代，各流域的月径流均大于相应的月平均值；80、90年代，各流域的月径流量与相应的月均值变化一致；2000年以后，各流域的月径流偏枯，均小于相应的月均值；与不同年代的月降水、月气温的变化进行对比分析，70年代各流域月径流变化特征与月降水和月气温的变化一致，80年代以后，各流域月径流变化特征与月降水和月气温的变化特征差异性较大；结果表明，70年代，气象条件对流域径流量的影响较为显著；80年代以后，人类活动成为了流域径流变化的主导因素。

图8 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域各年代径流月均值变化对比图

通过对各流域径流量年代距平的变化特征分析(图9)。结果表明，在20世纪60、70年代，各流域处于丰水期，尤其是60年代各流域水量丰沛，永定河上游、桑干河、洋河流域的径流量分别比相应的多年平均径流量增加了119.39%、147.74%、72.25%；80年代以后，各流域的径流量处于偏枯期，尤其是2000年以后各流域径流量出现了锐减，永定河上游、桑干河、洋河流域的径流量分别比相应的多年平均值减少了84.7%、79.12%、75.15%。通过与降水、气温的年代际变化对比分析，在60、70年代，永定河上游和桑干河流域流域的径流量变化的决定性因素是降水量，该时期降水降水较多，因此径流量也较大；洋河流域60年代的降水量小于70年代，而60年代的径流量明显高于70年代，同时气温不断升高，气候干暖化趋势显著，因此径流量逐渐减少；80年代以后，各流域的径流量出现了大幅度的减少；90年代，洋河流域的降水量明显高于多年平均值，而径流量比多年平均值减少了2.89 亿m3，减少率为23.14%，研究表明，90年代洋河流域的气温升高、大规模的生态建设以及水资源的过度开发导致了该时期径流量的锐减。

图9 各流域径流量距平值年代际变化对比图

2.3 降水、气温、径流的年际变化特征

2.3.1 趋势性分析

永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域的多年平均降水量分别为452、470、365 mm。根据拟合方程的斜率可知，永定河上游流域、桑干河流域、洋河流域的降水量减少量分别为8.21、10.37、6.92 mm/10 a。如图10所示。通过Mann-Kendall 非参数检验，各流域降水量统计值均为负值，分别为-1.18、-1.08、-1.1，|ZMK|<1.96,表明在1960-2012年间各流域的降水量均呈下降趋势，而下降趋势不显著(β<0.05)。对1960-2012年15个气象站点的年降水量进行M-K趋势性检验分析(图11)，结果表明，在β=0.05的显著性水平，其中有11个气象站点的年降水量呈减少下降趋势，有4个气象站点的年降水量呈增加趋势，除五台山站以外，其余站点的年降水量变化趋势不显著。

图10 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域降水量年际变化

图11 永定河上游流域年降水量M-k检验结果空间分布

永定河上游流域、桑干河流域、洋河流域多年平均气温分别为6.79、6.22、5.74 ℃，根据拟合方程的斜率可知，气温分别增加了1.85、1.98、1.78 ℃，气温增加率分别为0.36、0.38、0.34 ℃/10 a。如图12所示。通过Mann-Kendall 非参数检验，各流域平均气温统计值均为正值，分别为4.86、4.36、4.91，表明在1960-2012年间各流域的气温均呈升高趋势，而升高趋势显著(β>0.05显著水平)。对1960-2012年15个气象站点的年平均气温进行M-K趋势性检验分析(图13)，在β=0.05的显著性水平，除河曲气象站外，其余14个气象站的年平均气温均呈显著升高趋势。总体来看，永定河上游流域年平均气温呈现显著升高趋势，与线性回归分析的结果一致。

图12 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域气温年际变化

图13 永定河上游流域年气温M-k检验结果空间分布

永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域多年平均径流量分别为6.02、3.18、2.89 亿m3。通过线性回归分析(图14)，各流域的年径流量均呈减少趋势，径流量的减少量分别为2.64、1.53、1.02 亿m3/10 a。通过Mann-Kendall 非参数检验，各流域年径流量统计值均为负值，分别为-7.6、-7.77、-7.17，|ZMK|>2.58表明在1960-2012年间各流域的年平均径流量均呈下降趋势，而下降趋势通过了可信度99%的显著性检验。

图14 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域径流量年际变化

2.3.2 突变性分析

通过累积距平分析，结果表明，总体上各流域的年降水量在1960-1980年呈增加趋势，2000-2012年呈下降趋势，丰、枯变化没有规律性，且波动较大；各流域的年降水量没有显著的突变性(图15)。总体上各流域的年平均气温在1960-1990年呈下降趋势，2000-2012年呈升高趋势；永定河上游流域有两个年平均气温突变点，分别为1988年、1993年，桑干河流域、洋河流域各有一个年平均气温突变点，分别为1996年、1986年(图16)。总体上各流域的年径流量在1960-1980年呈增加趋势，1990-2012年呈下降趋势，永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域年径流量的突变点分别为1981年、1982年和1983年。

图15 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域降水量累积距平图

图16 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域年平均气温累积距平

图17 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域年径流量累积距平图

2.4 流域径流变化的主要影响因素

已有研究表明，20世纪80年代以后，永定河上游流域人类活动对径流的影响占主导作用，人类活动和气候变化对流域径流的影响的贡献占比约为7∶3，人类活动多样性决定了人类活动对水文循环影响的复杂性[26]。20世纪80年代，永定河上游被列为国家水土保持重点治理区域，已有研究表明，80年代以后，流域耕地面积减少，林地增加，导致地表产流减少，而土地利用的变化对地表径流的影响贡献较小。20世纪50年代开始，山西省(永定河上游)建设了大量的水利工程，大中型水库的总库容达到了52.8 亿m3，蓄水容积占多年平均地表水资源量的75.33%，因此上游来水逐年减少，永定河出现了连续断流现象[27,28]。另外，20世纪80年代以后，随着经济社会的发展，该区域人口逐渐增加，因此工农业、生活用水量也随之增加，而地下水是该地区的主要供水水源，地下水超采严重，在该区域形成了地下漏斗，地下水水位下降严重，改变了流域的水文过程，使地表径流减少[29]。