近30年澜沧江上游径流演变特征分析

李红刚,张攀全,管 镇

(华能澜沧江水电股份有限公司集控中心,昆明 650214)

0 引 言

青藏高原作为亚洲多条河流发源地,为>20亿人提供必要的水资源,有着“亚洲水塔”之称[1]。在全球气候变暖背景下,青藏高原的冰川格局、水资源以及生态系统等均发生着以失衡为特征的剧烈变化[2-4],并对下游水资源产生了连锁效应[5-7]。气候变化与水资源问题涵盖自然、政治、经济等领域,成为各国水安全冲突的焦点。澜沧江是亚洲最重要的跨国水系,流经中国、老挝、缅甸、泰国、柬埔寨和越南6个国家,对澜沧江水资源变化特征进行深入研究很有必要,特别是受极端气候事件影响,湄公河干旱问题备受关注,已经成为中国水外交的重要话题[8]。

图1 澜沧江上游位置及代表站分布

受气候变化影响,在过去40 a间,澜沧江降水量呈显著下降趋势[9-10],澜沧江下游允景洪水文站年径流量呈显著下降趋势,且气候变化对澜湄上游的影响大于下游[11]。在用水量上,澜沧江农业用水基本稳定,工业与生活用水量在逐步增加[12],实现跨境水资源的利用已经成为未来多边共赢与发展的目标[13]。在全球变暖背景下,开展澜沧江上游水资源变化特征的研究很有必要：一方面,通过分析澜沧江上游水资源变化特征,能全方位掌握澜沧江水资源在不同时间尺度上的变化规律,从科学的角度理解气候变化对水资源的影响;另一方面,澜沧江作为“中国十三大水电基地”之一,通过分析水文规律,发挥澜沧江梯级电站群联合优化调度优势,提供绿色清洁能源,助力国家实现“双碳”战略目标。

本文利用乌弄龙断面径流资料,对澜沧江上游的河川径流演变趋势进行分析,并通过代表站的气温、降水量,分析澜沧江在青海、西藏境内流域水资源变化的对气象要素的响应,对深刻认识青藏高原水资源现状、开展水库调度、水资源管理具有深远的意义。

1 研究区概况

澜沧江发源于青海唐古拉山东北侧,流经青海、西藏、云南3个省区,在云南省西双版纳傣族自治州勐腊县流出境后称为湄公河,澜沧江在我国境内全长约2 179 km,天然落差4 583 km,集水面积约16.5万km2。青海杂多县城以上为澜沧江河源区域,该区域内河网纵横,水流杂乱,湖沼密布,冰峰高耸。杂多至昌都之间流域属于河谷平原与高山—峡谷的过渡区,区域内水系较发育,干支流多斜交相汇,呈“树枝”状分布格局;昌都至乌弄龙则以高山—峡谷地貌为主,支流短小[14]。乌弄龙电站位于维西县巴迪乡(图1),是目前澜沧江干流最上游电站,集水面积近8.6万km2,占澜沧江流域集水面积的50%左右。现以乌弄龙断面作为澜沧江在青藏高原上的出流断面,对该断面的河川径流演变特征进行分析,以揭示澜沧江在青藏高原区域的水资源变化特征。

2 资料与方法

径流数据使用乌弄龙断面1953—2019年整编逐月径流资料(自有整编资料开始),杂多、昌都两个代表站的气象数据取自国家气象科学数据中心1990—2019年中国地面气象数据集。青藏高原高程资料使用NOAA-NGDC全球地形数据ETOPO2v2数据集。

本文使用线性回归定量地反映澜沧江上游径流、气温、降水随时间的变化趋势[15];使用Pearson相关系数判别径流与气象要素的相关特征[16];使用Mann-Kendall 趋势检验法(M-K检验)分析径流的突变特征[17]。M-K检验是一种气候诊断与预测技术,应用M-K检验法可以判断气候序列中是否存在气候突变,如果存在,可确定出突变发生的时间,具体计算过程如下。

对于具有n个样本量的时间序列X,构造一个秩序列,即

(1)

式中：Ri表示Xi>Xj(1≤j≤i)的累计数。在时间序列随机独立的假设下,定义统计量为

(2)

式中：UF1=0;E(Sk)、Var(Sk)分别为累计数Sk的均值和方差,在X1,X2,…,Xn相互独立,且有相同连续分布时,它们可由式(3)算出。

(3)

UFi为标准正态分布,是按时间序列X顺序X1,X2,…,Xn计算出的统计量序列。本文给定显著性水平α=0.1,查正态分布表Uα=1.65,若|UFi|>Uα,则表明序列存在明显的趋势变化。

按时间序列X逆序Xn,Xn-1,…,X1,再重复上述过程,同时使UBk=-UFk,k=n,n-1,…,1,UB1=0。分析UBk和UFk曲线,如果UBk和UFk两条曲线出现交点,且交点在临界线之间,那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。该方法的优点不仅在于计算简便,而且可以明确突变开始的时间并指出突变区域,因此,是一种常用的突变检测方法。

线性回归与相关系数使用t检验(Student’sttest)方法确定显著性。

3 澜沧江上游径流变化特征

3.1 年径流变化特征

1953—2019年乌弄龙断面年径流变化特征如图2所示。在过去的67 a里,乌弄龙断面流量年际变化较大,最大流量出现在20世纪60年代初,该时期澜沧江上游径流连续6 a较多年平均偏丰,最大径流量出现在1962年,达到339.64亿m3,较多年平均偏多45%,而最小径流量为1994年的158.94亿m3,较多年平均偏少32%,极差比为2.14,变差系数为0.18。

图2 乌弄龙断面年径流距平百分率及其演变趋势

结合乌弄龙断面不同年代径流变化特征(表1)可知,在20世纪80年代以前,乌弄龙年径流变差系数达到0.2,极差比2.13,这一时期澜沧江上游年径流变化很大,来水丰枯差异明显。但从1990年开始的3个10 a内,乌弄龙径流量的变差系数和极差比均逐渐减小,从2011年开始的10 a间,变差系数接近0.1,极差比减小至1.46,极大值与极小值年径流量仅相差86.73亿m3,表明近30 a以来乌弄龙断面年径流的差异程度逐渐减少。为反映来水周期对径流量产生的影响,使用小波分析的方法对该序列的周期进行计算,结果显示澜沧江上游径流存在2～4 a主周期,该周期在20世纪80年代至2000年初最为显著,2000年以后4～8 a的第二主周期有所加强,更长时间尺度的周期变化不明显,说明澜沧江上游来水周期主要影响径流的年际变化,对10 a以上尺度的径流量变化影响较小。

表1 乌弄龙断面不同年代径流量变化特征

线性趋势分析常用于对气象水文序列长期演变特征的分析,从年径流变化的趋势中反映径流演变的总体趋势,对水资源开发和利用具有指导意义。通过趋势分析发现,澜沧江上游径流自1953年以来仅呈现微弱的下降趋势,下降率为0.9%/(10 a),与澜沧江中游旧州站径流的长期变化基本一致[11],为反映气候变化加剧对上游径流的影响,截取1990—2019年乌弄龙断面的年径流序列进行计算,结果差异较小,表明上游年径流的长期趋势基本是稳定的,年代际差异不显著。但采用相同方法对乌弄龙断面春、夏、秋、冬4个季节的长期趋势进行计算,发现春、秋2个季节的河川径流基本保持稳定,而冬季径流增加(0.6%/(10 a)),夏季径流减少(1.8%/(10 a)),尽管变化幅度不大,但气候变化加之人类活动可能正在影响径流的年内分配过程[18],这方面的研究还需要更深入地开展。

3.2 月径流变化特征

乌弄龙断面年径流量基本稳定,夏季径流呈微弱下降趋势,但采用线性回归的方法分析月径流的变化趋势发现,近70 a以来,乌弄龙断面流量在8月份呈现显著的下降趋势(图3(a)),下降速率达4.8%/(10 a),折合水量2.0亿m3/(10 a),通过检验α=0.05显著性水平;近30 a以来(1990—2019年),相较于1953年以来平均径流量,下降速率更是达到9.8%/(10 a),下降趋势愈发明显,其他月份径流均有所增减,但变化趋势不显著。值得注意的是,近70 a以来,5月份乌弄龙断面径流呈缓慢上涨的趋势,但近30 a来,这一趋势是相反的,5月份径流受澜沧江源头区域积雪量影响较大,径流下降与气温变化及前期降水总量均有关系。

进一步对8月份乌弄龙径流序列进行M-K检验,识别径流的突变特征,结果表明(图3(b)),20世纪70年代初,澜沧江上游径流存在突变,突变后,8月份流量呈下降趋势。UF统计量显示20世纪80—90年代末该月的流量下降最明显,这一时期出现2个流量极小值点,月均流量仅有约700 m3/s,较多年平均偏少56%;而在近10 a中,2015—2016年附近再次出现流量显著下降趋势。下文将结合上游代表站的气象资料,对近30 a来5月份和8月份径流变化与气温、降水的关联进行分析。

图3 乌弄龙断面月径流演变趋势

4 澜沧江上游径流对降水、气温的响应分析

青藏高原正在经历以暖湿化为主要特征的气候变化过程[19-20],特别是近二三十年来,青藏高原地表与地下水资源发生显著变化[21-22]。受青藏高原气象资料较少限制,选取流域内杂多和昌都2个气象站点作为代表站对上游1990—2019年气温与降水趋势进行分析。杂多站位于青海省玉树藏族自治州杂多县境内,该站气象要素可以反映澜沧江青海境内流域(澜沧江源头)的温湿变化特征。昌都站位于西藏自治区昌都市境内,是澜沧江上游中部站点,从昌都往下澜沧江逐步流入横断山脉中的峡谷,东西向分水岭迅速缩小,昌都站可以反映澜沧江西藏境内流域的温湿变化特征。

4.1 澜沧江上游降水、气温与乌弄龙断面流量相关性分析

使用Pearson相关系数计算乌弄龙径流与杂多、昌都两站降水和气温的相关性(表2),乌弄龙断面年径流与两站的年降水量的相关系数分别为0.63与0.64,通过α=0.05的显著性检验,表明澜沧江上游径流以降水产流为主,年径流变化受到降水量变化的影响。8月份,杂多与昌都多年平均降水量分别为96.3 mm和100.5 mm,两站降水与径流相关系数分别为0.61与0.60,表明青海、西藏两个省(区)降水量均与澜沧江上游径流密切相关,2个省区降水量变化均会影响上游径流。

表2 杂多和昌都气温、降水与乌弄龙径流相关系数

春季随澜沧江源头区域温度逐渐升高,源头的积雪开始缓慢融化,径流同时受气温与降水的影响。计算得到5月份杂多站气温与乌弄龙断面径流的相关系数为0.22,具有一致变化的特点;相反地,径流和降水的相关系数为-0.25。尽管相关性未达到显著性水平,但可反映出处于青藏高原干湿转化的5月份[23],若出现温度偏高、降水量偏少的气象条件时,是利于上游径流增加的,而阴雨天气会减慢积雪融化过程。6月份随着澜沧江上游流域逐渐进入雨季,杂多站降水与径流的相关系数提高至0.30,通过α=0.1的显著性检验,降水径流相关性明显提高,而气温则转为负相关,与5月份相反。说明在5—6月份,澜沧江上游源头区域气温和降水对乌弄龙断面河川径流预报会产生较大影响,需考虑融雪产流与降水产流两种不同的物理过程。5月份昌都站的气温、降水与乌弄龙流量的相关性均较弱,一方面由于昌都站5月份多年平均降水量接近40 mm,受枯水期不饱和下垫面的影响,产流较小;另一方面该站与源头主要积雪区距离较远,气温与融雪关系较杂多站要弱。

4.2 5月份澜沧江上游气温变化分析

澜沧江上游冬春季积雪主要集中在源头东侧澜沧江与金沙江的分水岭上,积雪最深处雪水当量可>100 mm。为了更清楚地反映澜沧江源头区域5月份气温与径流的相关程度,对杂多站气温与乌弄龙断面径流序列作10 a滑动相关分析,结果如图4所示。

图4 1—4月份杂多站累计降水量及4、5月份乌弄龙断面径流与同期杂多站气温滑动相关性

1990—2004年间,杂多站5月份气温与乌弄龙断面流量的相关高达0.5左右,特别是在1994—2003年这10 a中,前期1—4月份平均降水(雪)量为51.5 mm,5月份气温与径流的相关系数达到0.58,基本呈现冬春季降雪越强,杂多站5月份气温变化对融雪产流影响越显著的规律。但值得注意的是,2000年以来,5月份杂多站气温与上游径流的相关性变弱,特别是2019年,前期上游降水(雪)很强,但气温与径流相关性接近于0。采用相同的方法对4月份气温与径流相关系数进行计算,发现从2000年初开始,4月份杂多站气温与上游径流相关系数逐渐增大,近10 a以来相关系数已经接近0.50,4月份气温与径流的关系好于5月份。

已有研究表明,20世纪60年代至21世纪初,青藏高原中部平均气温呈上升趋势,其速率为0.39 ℃/(10 a),冻结结束日以2.88 d/(10 a)的速率提前[24]。对杂多站1990年以来气温进行线性回归,杂多站气温变化与青藏高原气温逐步上升的趋势是一致的,近30 a来4、5月份平均气温正分别以0.42 ℃/(10 a)和0.27 ℃/(10 a)的速率上升。在全球变暖背景下,青藏高原气温升高,造成高原大部分地区冰川物质亏损速率加速,春季返青期提前[25],澜沧江源头区域气温升高,直接影响澜沧江上游冰川、积雪融化时间,未来一段时间,澜沧江上游4月份径流可能会有进一步增大的趋势。

4.3 8月份澜沧江上游降水变化分析

对昌都与杂多2个站点1990—2019年的年降水量进行回归计算,昌都站降水量变化趋势为-2.0%/(10 a),杂多站降水量变化趋势为4%/(10 a),上游降水年代际变化较小,与乌弄龙年径流量在长期趋势上基本稳定的结论是一致的。然而,8月份昌都站降水量变化趋势达到-10.6%/(10 a),杂多站为1.1%/(10 a),径流减少对昌都站降水变化的响应较好,表明近30 a来西藏境内流域降水量减少直接影响到澜沧江上游8月份径流量。

5 结论与讨论

5.1 结 论

本文利用1953年以来(自有整编资料开始)乌弄龙断面径流资料对澜沧江上游径流长期趋势进行了分析,并结合近30 a上游杂多、昌都两个代表站气温与降水资料,对澜沧江上游的水资源演变特征进行分析,得到如下结论：

(1)近30 a来澜沧江上游径流年际差异有所减小,在年代际尺度上径流仅呈现微弱的下降趋势,径流变化周期主要以2—4 a为主,2000年以后4—8 a的周期信号增强。

(2)澜沧江上游春、秋两个季节的径流基本保持稳定,冬季径流有所增加,夏季径流减少,其中8月份径流呈现显著的下降趋势,径流减少突变点在20世纪70年代初,下降速率达4.8%/(10 a),折合水量2.0亿m3/(10 a),1990年以来,下降趋势更加明显并达到9.8%/(10 a)。

(3)澜沧江上游5月份径流对源头区域气温响应较好,且前期降水(雪)越强,两者关系越密切。在全球变暖的大背景下,近30 a来杂多站4、5月份平均气温正分别以0.42 ℃/(10 a)和0.27 ℃/(10 a)的速率上升,特别是2000年以来,受源头区域变暖影响,已表现出融雪(冰)提前,径流对4月气温响应程度升高的特点。

(4)近30 a以来,8月份昌都站降水量递减的速率达到10.6%/(10 a),与该月上游径流量显著下降的趋势一致。

5.2 讨 论

以青藏高原为核心的第三极是全球气候变暖最强烈的地区,也是未来全球气候变化影响不确定性最大的地区,冰川加速退缩、冰川径流增加、水循环加强,“亚洲水塔”正在发生剧烈变化[25-26]。近年来,澜沧江上游径流年际特征也发生着巨大的变化,2019年受前期积雪偏强与气温持续偏高影响,4月份乌弄龙断面日均最大流量超多年平均1倍以上,全月流量较多年平均偏多55%,为1953年以来4月流量最大值;2022年3月中下旬上游杂多站日均气温>6 ℃,超气候平均8 ℃以上,乌弄龙断面径流在一周时间内增加近200 m3/s。在全球变暖背景下,澜沧江上游融雪径流特征可能正在发生变化,气温升高导致的融雪(冰)期提前需要引起高度重视,需结合流域特征进行深入研究,并采取积极应对措施。