1956 年～2020 年黄河源区径流变化规律分析

蓝云龙，黎 曙，李 霞，关铜垒，徐东坡，刘佳嘉

（1.黄河水利委员会西宁水文水资源勘测局,青海 西宁 810008；2.中国水利水电科学研究院,北京100038；3. 黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450003）

1 引言

随着全球气候变暖,气候变异性越来越突出,影响水文循环过程,使降水、蒸散发、径流、冰川和冻土等发生变化,对水资源管理、规划及配置提出了严峻的考验。由于气候变化以及人类活动频繁,黄河流域径流量减少趋势甚是明显[1]。黄河源区（唐乃亥水文站以上区域）是我国重点保护的水源涵养区,一方面,气候变化导致源区内的冻土退化和冰川消融；另一方面,黄河源区人类活动更加频繁,使得源区植被、草原、湿地等发生变化,进而使得源区径流大小变化明显,径流变化作为水源涵养量的一个影响因素,对水源涵养量的影响不容忽视[2]。因此,研究黄河源区径流的变化规律对黄河流域生态保护和高质量发展、增加源区水源涵养量具有重要的参考价值。

目前关于径流变化特征的研究主要利用实测数据分析其趋势性、突变性及周期性。秦年秀等人利用长江流域代表性水文站宜昌站、汉口站和大通站,分别选取1882 年～2000 年、1870 年～2000 年和1950 年～2000 年的月平均流量数据系列,通过非参数Mann-Kendall 法来检验长江径流的趋势变化[3]。刘嘉琦等人选取1950 年～2009 年长江流域大通水文站逐日流量系列,针对年、枯季、洪季、汛后及逐月平均流量序列,通过Pettitt 突变点检验法、Mann-Kendall 趋势性检验法进行突变点分析和分段及整体序列的演变规律分析[4]。张岚婷等人利用大渡河流域内年径流量数据,为研究1951 年～2012 年序列的变化趋势、周期性及突变点,选取Mann-Kendall 检验法、小波分析法、有序聚类法、累积距平法及Pettitt 突变检验法等方法对序列进行处理分析[5]。

黄河源区径流变化规律对研究黄河源区水文循环特征及水文要素的预测具有重要意义。郑红星等人为研究黄河源区玛曲站、唐乃亥站的月天然径流序列演变规律,选取1952 年～1997 年数据分析得出玛曲站年内分配的不均匀性、集中度以及相对变化幅度均略高于唐乃亥站,而其绝对变化幅度较小[6]。刘希胜等人为黄河源径流变化规律,选取过程线法、集中度和集中期方法分析了黄河沿站、吉迈站、玛曲站及唐乃亥站4个水文站1960 年～2012 年径流的集中度和趋势性,研究发现吉迈以上径流量年际变化呈不显著增加,而吉迈以下呈减少趋势[7]。蔡宜晴等人为研究三江源区1956 年～2012 年的年径流量演变规律,采用线性回归、滑动平均、Mann-Kendall 检验、累积距平、滑动t 检验和Morlet 小波分析等方法研究发现黄河源区吉迈站呈上升趋势,唐乃亥站呈下降趋势,吉迈站在2004 年发生显著性均值突变[8]。周帅等人利用综合Mann-Kendall 方法和累积距平方法诊断出黄河源区1960 年～2010 年径流量呈减少趋势,径流突变点位置在1989 年[9]。赵延存等人利用黄河源区1956 年～2019 年径流序列,采用启发式分割法、Mann-Kendall 检验法和集合经验模态分解（EEMD）方法对源区年径流序列分析得到径流序列在1990 年和2017 年发生变异,呈现不显著下降趋势,主周期为2.56 年[10]。综上所述,各学者分析黄河源区选取的径流数据系列及水文站点各不相同,多选取黄河沿、吉迈、玛曲及唐乃亥干流水文站,时间序列多在2012 年以前。因此,本文仍选取黄河沿站、玛曲站、唐乃亥站作为对象,水文系列选取1956 年～2020 年,采用Mann-Kendall 趋势性分析法、Pettitt 突变分析法和小波分析法对黄河源区各站点年径流量的趋势性、突变性及周期性进行分析。

2 研究区概况和资料

黄河源区为唐乃亥水文站以上的汇水区域,面积12.2 万km2,占黄河流域总面积的17%,是黄河的主要产流区[2]。黄河源区位于青藏高原东北部,见图1,涉及青海,甘肃,四川三省,源区内地势总体呈西高东低[11]。黄河源区多年（1960 年～2019 年）平均年降水量为564.9mm,多集中在6 月～9 月[12]。黄河沿站、玛曲站、唐乃亥站3 个水文站1956 年～2020 年径流数据来源于水文统计年鉴《黄河流域水文资料第一册（黄河上游区上段）》,其中黄河沿站1968 年～1975 年数据缺失,玛曲站1956 年～1958 年及1989 年数据缺失,根据相邻站点相关性进行差值。

图1 黄河源区分区图

3 研究方法

3.1 Mann-Kendall 趋势分析法

Mann-Kendall 趋势性分析方法（简称MK 检验）是一种非参数检验,在时间序列趋势分析中该方法是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法,在水文分析中各学者利用该方法分析降水、径流、气温及水质等要素时间序列的趋势变化[13]。在MK 检验中,原假设H0表示数据集X的样本独立同分布,没有趋势性存在,备择假设H1表示数据集X中存在一个单调的趋势性变化[14]。

MK 检验所构造的统计量为：

其中,

式中：xk和xi为样本数据值,n为样本容量,根据xk-xi的正负,sgn（xk-xi）分别为1、0 和-1。如果-Z1-a/2≤Zc≤Z1-a/2,原假设H0即被接受。另外MK 检验的另一个指标Kendall 倾斜度β,用此指标来量化单调趋势,β即为：

式中：1＜j＜i＜n。当β＞0 时,反映上升的趋势,反之则为下降的趋势。

3.2 Pettitt 突变分析法

Pettitt 检验法是一种基于Mann-Whitney 非参数检验的方法,该方法可以对水文气象要素序列进行突变分析获得突变点,量化突变点在统计意义上的显著水平[15]。其中Mann-Whitney 非参数统计量为[16]：

根据统计量可计算：

一般情况下,认为当p≤0.05 时认为数据中存在突变点。

3.3 小波分析法

小波分析法将不同频率成分的时间序列按尺度分解为低频和高频,再利用小波系数计算得到水文时间序列的周期性,选择合理有效的Morlet 小波,对年径流系列数据进行分析[17]。Morlet 小波表达式为：

Morlet 小波的频域函数为：

采用上述Mann-Kendall 趋势性分析方法分析1956 年～2020 年黄河沿、玛曲和唐乃亥年径流量的趋势性,采用Pettitt 检验法分析突变性和突变点,采用小波分析方法中的Morlet 小波进行周期性分析。

4 结果与分析

4.1 趋势性分析

1956 年～2020 年黄河源区年径流量变化过程见图2,根据MK 趋势检验结果可知,黄河沿站MK 检验统计量Zc值为-0.59,大于-1.96（0.05 显著性水平）,且倾斜度β为-0.03＜0,因此,黄河沿站年径流量呈现不显著的减少趋势；玛曲站MK 趋势检验可知,检验统计量Zc值为0.02,且小于1.96,倾斜度β为0.01＞0,则呈现不显著的增加趋势；唐乃亥站检验统计量Zc值为0.03,倾斜度β为0.01＞0,则呈现不显著的增加趋势。

图2 1956 年～2020 年黄河源区年径流量变化趋势图

4.2 突变性分析

对1956 年～2020 年黄河源区年径流量进行Pettitt 突变检验,检验结果见图3,黄河沿站Pettitt 突变检验p值为0.17＞0.05,则黄河沿站年径流量在时间序列中没有发生显著的突变；玛曲站Pettitt 突变检验p值为0.57＞0.05,没有发生显著的突变；唐乃亥站Pettitt 突变检验p值为0.38＞0.05,没有发生显著的突变。

图3 1956 年～2020 年黄河源区年径流量Pettitt 突变检验结果图

4.3 周期性分析

对1956 年～2020 年黄河源区年径流量进行小波分析研究其周期性见图4,黄河沿站第一主周期的周期大小为18 年,第二主周期的周期大小为6 年；玛曲站第一主周期的周期大小为24 年,第二主周期的周期大小为7 年；唐乃亥站第一主周期的周期大小为24 年,第二主周期的周期大小为9 年。分别将周期尺度对应的小波实部绘制出小波实部过程线（图5、图6）。黄河沿站在18 年的第一主周期上,大约经历了3个丰枯转换期（图5（a））；在6 年的第二主周期上,大约经历了9 个丰枯转换期（图6（a））。玛曲站在24 年的第一主周期上,大约经历了3 个丰枯转换期（图5（b））；在7 年的第二主周期上,大约经历了9 个丰枯转换期（图6（b））。唐乃亥站在24 年的第一主周期上,大约经历了2 个丰枯转换期（图5（c））；在9 年的第二主周期上,大约经历了7 个丰枯转换期（图6（c））。

图4 1956 年～2020 年黄河源区年径流量小波方差图

图5 1956 年～2020 年黄河源区年径流量第一主周期小波实部过程图

图6 1956 年～2020 年黄河源区年径流量第二主周期小波实部过程图

4.4 讨论

黄河源区黄河沿站1956 年～2020 年平均年径流量为10.90 亿m3,玛曲站为144.52 亿m3,唐乃亥站为203.72 亿m3,可知黄河沿-玛曲是黄河源区主要的产流区,其径流占黄河源区唐乃亥出口处径流的66%。主要原因为西太平洋暖湿气流从久治、玛曲、若尔盖一带进入黄河源区,黄河沿－玛曲区域的多年平均降水量高于其他分区,进而影响径流量大小[18]。

1956 年～2020 年黄河源区黄河沿站年径流量呈现不显著的减少趋势,玛曲站、唐乃亥站呈现不显著的增加趋势。基于水文气象站点1956 年～2018 年实测降水和气温资料,采用考虑相关系数的距离平方反比法对降水和气温实测数据进行空间展布,得到3 个分区（黄河沿以上、黄河沿－玛曲、玛曲－唐乃亥）逐年的降水量[19]和气温[20]。采用Mann-Kendall 趋势性分析法对三个分区进行分析,发现黄河沿以上年降水呈显著增加趋势,黄河沿－玛曲、玛曲－唐乃亥呈不显著增加趋势；而3 个区域年均气温均呈现显著性增长趋势,但黄河沿以上增加更快。判断黄河沿以上蒸发增加的速度超过降水增加的速度,而黄河沿－玛曲和玛曲－唐乃亥区间蒸发增加的速度低于降水增加的速度,故导致不同站点径流变化呈现不同的特征。

5 结论

为深入分析黄河源区1956 年～2020 年径流量变化规律,选取Mann-Kendall 趋势性分析法、Pettitt 突变分析法和小波分析法进行分析。由结果可知,1956 年～2020 年黄河源区中黄河沿年径流量呈不显著减少趋势,玛曲、唐乃亥呈现不显著增加的趋势。分析原因可能是因为降水与气温共同作用。在整个系列年中3 个站点无显著突变点。3 个站小波分析均得到两个主周期,黄河沿第一主周期的周期大小为18 年,第二主周期的周期大小为6 年；玛曲第一主周期的周期大小为24 年,第二主周期的周期大小为7 年；唐乃亥第一主周期的周期大小为24 年,第二主周期的周期大小为9 年。