近50年來甘肅省河西中部地區徑流變化特征及驅動因素

張立峰, 閆浩文, 段煥娥, 張明旺, 楊樹文

(1.蘭州交通大學 測繪與地理信息學院, 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省張掖市國土資源局, 甘肅 張掖 734000)

近50年來甘肅省河西中部地區徑流變化特征及驅動因素

張立峰1, 閆浩文1, 段煥娥1, 張明旺2, 楊樹文1

(1.蘭州交通大學 測繪與地理信息學院, 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省張掖市國土資源局, 甘肅 張掖 734000)

[目的] 對近50 a來甘肅省河西中部地區徑流變化特征及驅動因素進行分析，為該地區生態建設和社會經濟的可持續發展提供科學依據。 [方法] 應用研究區徑流數據，以年際極值比和變差系數反映徑流的年際變化特征，運用數理統計方法開展研究。 [結果] (1) 研究區年內徑流呈單峰型，夏季所占比例最高，冬季最低；該區徑流以降水量補給為主。 (2) 年均徑流近年來呈減少趨勢，豐枯變化較小，但與其海拔呈正相關；從西至東由減少趨勢逐漸減弱至增加趨勢明顯。 (3) 年均徑流突變性特征一致性較差，年際變化具有多尺度循環振蕩周期，主要存在8和24 a明顯準周期，其中8 a波動最強，其徑流先后經歷了“多—少—多—少……”13次循環交替，2010年之后徑流再次減少，可能持續到2018年。 (4) 氣溫升高和降水量增加對該區徑流變化產生影響，而人類活動對其影響微弱。 [結論] 研究區徑流以降水補給為主，近50 a其豐枯變化較小，從東到西由增加趨勢轉變為減少趨勢，突變性特征一致性較差，具有8 a顯著周期，氣溫和降水主導徑流變化。

河西中部地區; 徑流變化; 氣候變化; 水文氣象

目前，全球氣候變化是國際科學界最為關注的熱點問題之一。徑流受氣候、地貌、土壤、植被等自然條件以及人類活動的耦合作用，其演變過程不僅表現出一定的規律性，同時也伴隨著強烈的隨機性[1]。近年來，隨著全球變暖和人類活動影響的不斷加劇，河川徑流發生了顯著的時空變化，直接影響到了水資源的配置、開發與利用，以及生態系統的物理、化學和生物過程[2-3]。

IPCC(intergovernmental panel on climate change)第4次評估報告指出，全球持續變暖的大背景下，探索自然變化和人類活動影響下的水資源演變規律是一個新的水科學問題。從此，中國許多學者在這一方面做了大量的研究；侯欽磊等[4]對近50 a渭河徑流變化進行研究，并對人類活動和氣候變化對徑流的影響做了定量分析；凌紅波等[5]研究了葉爾羌河年徑流量與降水量的集中性；Ma等[6]研究了石羊河流域氣候變化和人類活動二元模式下徑流的變化規律；Zhang等[7]對降水量變化和人類活動對徑流的徑流影響做出了區分。

河西地區河川徑流主要靠冰川融水和降水補給，研究表明氣溫的上升將引起冰川消融[8-9]，因此，氣候變化勢必會導致河西地區水文水資源等方面的變化，從而影響河西地區本身及其周圍的生態系統、人地關系系統、人類生存環境和經濟社會發展。近年來，許多學者對河西地區的氣候變化、水沙變化、土地利用變化等方面做了大量的研究工作，同時也得到了一些重要成果[10-12]。河西中部地區主要集中于黑河流域中上游，水資源為該區的工業、農業和水利等各方面的建設提供了用水保證，也促進了該地區的經濟社會發展。因此，全球變化的大背景下，研究河西中部地區的水文水資源變化及其驅動因子顯得尤為重要。本文應用徑流數據，以年際極值比和變差系數反映徑流的年際變化特征，運用數理統計方法系統分析了河西地區徑流的年內年際變化特征、徑流的變化趨勢和未來變化趨勢，探討了氣候變化和人類活動兩個因素對徑流變化的影響。

1 數據來源與處理方法

1.1 研究區概況

河西地區位于甘肅省西北部，東起烏鞘嶺，西與新疆交接，南至祁連山和阿爾金山主分水嶺北坡，北到內蒙古自治區和蒙古國邊界，地理范圍在37°17′—42°48′N，93°23′—104°12′E。按照地貌特征可分為南部祁連山地、中部走廊平原區和北部北山山地。祁連山是中國干旱、半干旱過渡區，內陸水系與外流水系交匯帶，海拔4 700 m 以上終年積雪，廣泛發育現代冰川，是河西地區三大內陸河石羊河、黑河和疏勒河發源地，也是河西綠洲的重要水源地，制約著河西地區荒漠和綠洲生態系統發展。氣候屬溫帶大陸性氣候，干旱少雨，蒸發強烈。降水量基本呈東南向西北逐漸減少的趨勢，蒸發量自西北向東南遞減，靠近祁連山地區最小。河西地區包括亞大陸性冰川和極大陸性冰川，面積1 972.5 km2，冰儲量9.54×1010m3，是河西地區水資源特殊的存貯形式。山區年平均總徑流量中，冰川融水量約占12%，加上自然降水量，出山徑流量為河西地區總經流的99%以上[13]。河西中部地區屬于黑河流域中上游，海拔一般在2 300 m以上，主要以人工農田、耕地、草地為主。

1.2 數據來源

1957—2010年河西中部地區水文數據由中國科學院西北生態環境資源研究院提供，各水文站的地理位置詳見表1。氣象數據由中國氣象科學數據共享服務網提供(http：∥sds.cma.gov.cn)，選取張掖和高臺氣象站用于分析徑流變化的驅動因子。

表1 河西中部區水文站和氣象站的地理信息

2.3 處理方法

表5顯示，隨著青貯發酵時間的延長，5種不同比例混合青貯過程中大腸桿菌的數量大體呈先增加后逐漸減少的趨勢，直至最后檢測不出大腸桿菌的數量。0%、25%的青貯飼料中大腸桿菌數量在青貯發酵的第11 d左右達到高峰，為109數量級，50%的青貯飼料中大腸桿菌數量在青貯發酵的第20 d達到高峰，為109數量級。100%的青貯飼料中大腸桿菌數量在青貯發酵的第5 d左右達到高峰，為108數量級，到第45 d之后檢測不出大腸桿菌的存在。

采用線性趨勢法，累計距平法[14]分析河西中部地區年徑流量的趨勢性和階段性(豐枯特征)；采用Mann-Kendall檢驗法[15]檢測其突變點，揭示出徑流的多尺度特征；采用Morlet小波分析法[16]分析年徑流的周期性；采用多元線性回歸探討氣溫和降水量對徑流變化的影響。

根據徑流豐枯等級的劃分標準，按距平百分率p來劃分徑流的豐枯等級，其計算表達式為：

p=(某年徑流量—多年平均值)/多年平均值×100%

當p>20%時為豐水；10%

2 結果與分析

2.1 年內徑流特征

河西中部地區徑流主要受降水量的影響較大，降水季節的差異性，從而導致徑流的年內分配也表現出很大的差異性。1957—2010年河西中部地區各水文站年內徑流分布基本呈單峰型(除正義峽水文站外)，各月徑流量分布不均勻(圖1)，1—3月徑流量偏少，4—5月開始緩慢上升，至6月急劇增加，7月，8月達到年內高值，其中7月最高，8月次之，9月快速減少，10月繼續減少，11—12月再次回歸年內低值。春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月至翌年2月)以及汛期(6—10月)徑流分別占全年徑流總量的比例不同，其中夏季所占比例最高，冬季最低，這與葉爾羌河地區[5]和討賴河山區[17]的研究結論相一致。但正義峽水文站表現出了差異性，年內分配來看，5月徑流量在年內達到最小值，9月達到最大值，總體冬季(12月至翌年2月)徑流量占全年徑流總量的比例最高，正義峽水文站處于低海拔區，可能受到人類活動等的影響，差異性的詳細解釋將會在后文討論。各氣象站點降水量的年內分配也表現出了單峰性(圖2)，這種特征與各水文站點(除正義峽水文站外)徑流量的年內分布特征相似，說明該區徑流受降水量的影響較大。

一般而言，變差系數Cv與年際極值比(最大與最小徑流量比值)能夠反映徑流年際變化的總體特征[4]。河西中部地區各站點年際變化特征如表2所示。從表2可以看出，各站點的徑流年際極值比和Cv均較小，說明河西中部地區豐枯變化小。這與渭河流域表現出差異性[4]。西段水文站點徑流年際極值比和Cv較為高，說明西段的豐枯變化較為劇烈，西段在水資源利用和管理上難度較大。其中正義峽水文站年際極值比和Cv值較其他水文站高，可能是由于該水文站(海拔為1 280 m)處于低海拔區，其受到其他因素的影響。札馬什克水文站的年際極值比和Cv值表現為最低值，可能是該站點處于高海拔區(海拔為2 810.2 m)，很難受到人類活動等的影響；其次紅沙河水文站值較小，同樣是海拔(2 350 m)較高，受人類活動影響較小導致；其他各水文站的年際極值比和Cv值較為接近。從而可以看出，水文站的年際極值比和Cv值與海拔表現出正相關性。

圖1 河西中部地區各水文站點年內徑流量變化

圖2 河西中部地區各氣象站點年內降水量變化

河西中部地區6個水文站的年徑流總量的線性趨勢見下圖3，可以看出札馬什克和鶯落峽水文站的年徑流總量表現出增加的變化趨勢，其變化率分別為1.995和3.296 〔m3/(s·10 a)〕，這與疏勒河上游地區[18]徑流變化趨勢相一致；正義峽、紅沙河和新地水文站年徑流總量表現出遞減的變化趨勢，犁園堡水文站整體變化趨勢較微弱。5 a滑動平均曲線顯示，各個水文站均表現出了明顯的峰和谷。空間上可以看出，河西中部地區年平均徑流量也受地理位置的影響，偏西地區的站點(正義峽、新地和紅沙河)年均徑流量總體呈減少的趨勢，偏東地區(扎馬什克、鶯落峽和犁園堡)則呈相反的趨勢。總體而言，從西至東，年均徑流量由減少趨勢逐漸減弱至增加趨勢明顯。

表2 河西中部徑流年際變化特征值

圖3 河西中部各水文站年徑流總量變化趨勢

本研究利用豐枯等級反映年際徑流變化的長持續性特征，河西中部地區年徑流豐枯年際變化曲線顯示(圖4)，扎馬什克站和鶯落峽站1959—1980年期間基本上處于豐水期，此后其余年間豐水期和枯水期波動頻繁，時段歷時較短，基本上僅有1～3 a；正義峽站1957—1990年，豐水期和枯水期波動頻繁，1990—2005年基本處于豐水期，之后變為枯水期；犁園堡站主要經歷了3次大的波動，豐(1960—1975年)—枯(1975—1989年)—豐(1989—2004年)，枯水期歷時較長，歷時14 a；紅沙河站和新地站整體上豐水期和枯水期波動頻繁；大多數站點都在2005年之后處于枯水期，說明了近年來該區徑流量呈減少的趨勢。

圖4 河西中部地區年徑流豐枯年際變化

1957—2010年河西中部地區各水文站點年徑流突變性分析結果顯示(圖5)，扎馬什克站1957—2005年徑流呈波動中增加趨勢，2005年之后增加幅度變快，2009—2010年存在突變點；鶯落峽站年徑流在1957—1974年呈減少趨勢，之后呈穩定階段，在1990年，2004年發生突變；正義峽站年徑流在1957—1990年呈減少趨勢，之后呈顯著增加趨勢，沒有檢測到突變信息；犁園堡站年徑流變化較為復雜，在1957—1969年呈減少趨勢，1969—1984年呈增加趨勢，1984—2003年呈減少趨勢，之后呈顯著增加趨勢，在1962年存在突變點；紅沙河和新地站年徑流變化較為穩定，呈波動中減少趨勢，均在1964年存在突變點。鶯落峽水文站點表現出的特征與年徑流總量變化特征相一致(圖3)。

河西中部地區1957—2010年徑流的年際變化具有多尺度循環振蕩周期特征(圖6)。各時間尺度徑流小波分析顯示，扎馬什克、鶯落峽和正義峽站均存在波動最強的24 a明顯準周期，其中扎馬什克還存在主要的4，8 a的準周期，鶯落峽存在8 a的準周期，正義峽存在主要的6 a準周期；犁園堡周期性較弱，主要存在6和30 a的準周期；紅沙河和新地站點主要存在8和18 a的準周期，其中8 a周期波動最強，在8 a準周期下，徑流先后經歷了“多—少—多—少……”13次循環交替，可以推算2010年之后徑流再次偏少，并可能持續到2018年。各個水文站點徑流特征的差異性表明了河西中部地區存在地貌與氣候等的復雜性。

2.2 徑流變化的影響因子分析

河西中部地區1957—2010年各站點徑流量與氣象要素的多元線性回歸結果表明(表3)，各站點年徑流與日照時數呈負相關，可能是由于隨著日照時數增多，由此產生的蒸發量增大對年徑流量的增加起到削弱作用[19]；扎馬什克、鶯落峽、紅沙河以及新地站的年徑流量與年均氣溫和年均最高氣溫呈正相關，已有研究表明[20]，氣溫升高可能使流域冰雪融水增加，加大了徑流中冰雪融水補給的成分，進而使徑流中降水補給和冰雪融水補給的比例在一定程度上發生改變。氣溫升高引起的冰雪融水量大于蒸發量時，氣溫與徑流呈正相關，反之，氣溫與徑流呈負相關。扎馬什克、鶯落峽、紅沙河以及新地站靠近祁連山區，祁連山冰川近年來大面積退縮[21]，冰雪融水對徑流起到了補給作用。正義峽和犁園堡站年徑流量與年均氣溫和年均最高氣溫呈負相關，正義峽和犁園堡水文站較其它水文站距祁連山冰川區遠，冰雪融水量的補給小于蒸發量，因此，表現出了負相關。各站點的降水量和相對濕度與年徑流量均呈正相關，尤其正義峽和犁園堡站，達到顯著正相關，說明主要以降水補給為主，局部較為濕潤；各站點的年徑流量與平均風速相關性較弱，表明平均風速對其影響較弱。

表3 河西中部地區各站點徑流與氣象各要素的相關關系

注：*表示達到0.1顯著性水平。

圖6 河西中部地區年徑流小波系數實部和小波方差

雙累積曲線法通常是用來分析時間序列的一種方法。基本理論是將兩個變量按同一時間長度逐步累加，然后計算散點趨勢，其拐點可作為分析變量階段性變化的依據[22]。當無其他因素影響時，同時忽略氣溫引起的融雪對降水量的補給，僅有降水量的變化，雙累積曲線應為一直線；當受到人類活動等其他因素影響時，曲線將會發生偏移，由此可根據雙累積曲線發生偏移的年代確定受人類活動發生顯著改變的時間點，偏移的程度反映人類活動影響的程度，因此，降水與徑流的雙累積曲線可以揭示人類活動對徑流影響的階段性變化。河西中部地區降水—徑流雙曲線如圖7所示，可以看出，各個水文站點(正義峽站點除外)的降水—徑流累積曲線無顯著偏移，說明該地區河流徑流量未受人類活動干擾或干擾很微弱；可能是由于水文站海拔較高，人類難以影響。正義峽水文站點的降水—徑流累計曲線自1990年之后發生偏移，雙累計曲線偏移之前的時段認為徑流未受到人類活動的干擾，之后受到人類活動的影響，這應與該時期農業灌溉用水增加有關，還可能與該時期國家實施水利工程設施建設、退耕還林等措施有關，有待下一步更深層次的討論。

圖7 河西中部地區各水文站降水-徑流雙累積曲線

3 結 論

(1) 全球變暖背景下，近50 a河西中部地區各水文站年內徑流分布基本呈單峰型(除正義峽水文站外)，各月徑流量分布不均勻，夏季所占比例最高，冬季最低。低海拔的正義峽水文站表現出了明顯的不同；5月徑流量在年內達到最小值，9月達到最大值，冬季(12月至翌年2月)徑流量占全年徑流總量的比例高于其他站，表明該區徑流受到蒸發損耗和灌溉引水的影響。

(2) 河西中部地區豐枯變化較小，大多數水文站點均在2005年之后處于枯水期，說明了近年來該區徑流量呈減少的趨勢，同時發現水文站的豐枯變化特征與其海拔存在正相關性。年平均徑流量受地理位置的影響，偏西地區年均徑流量總體有減少的趨勢，偏東地區則有相反的趨勢。總體而言，從西至東，年均徑流量由減少趨勢逐漸減弱至增加趨勢明顯。

(3) 河西中部地區年徑流突變性特征一致性較差，各個水文站點的突變時間不一致；年徑流的年際變化具有多尺度循環振蕩周期特征，主要存在波動最強的8和24 a明顯準周期，其中8 a周期波動最強，在8 a準周期下，徑流先后經歷了“多—少—多—少……”13次循環交替，可以推算2010年之后徑流量再次偏少，并可能持續到2018年。各個水文站點徑流特征的差異性表明了河西中部地區存在地貌與氣候等的復雜性。

(4) 氣溫升高和降水量增加對徑流形成產生一定影響，而人類活動對其影響微弱。正義峽水文站點1990年之后將受到人類活動影響，徑流量有所減少，這應與該時期農業灌溉用水增加有關。

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Variation Characteristics of Runoff and Its Driving Forces in Recent 50 Years in Middle Hexi Corridor of Gansu Province

ZHANG Lifeng1, YAN Haowen1, DUAN Huane1， ZHANG Mingwang2， YANG Shuwen1

(1.FacultyofGeomatics,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou,Gansu730070，China; 2.TheBureauofLandResourcesZhangye,Zhangye,Gansu734000，China)

[Objective] The variation characteristics of runoff and its driving factors in the past 50 years in the middle area of Hexi corridor in Gansu Province were analyzed to provide a scientific basis for the ecological construction and the sustainable development of social economy. [Methods] Based on runoff data in the study area, the characteristics of the inter-annual variability of runoff were reflected with annual extreme value ratio and coefficient of variation, and other statistics methods. [Results] (1) The distribution of the runoff showed an unimodal type in the middle area of Hexi region. The proportion was the highest in summer, and it was the lowest in winter. The runoff mainly was sourced from precipitation. (2) The runoff had a decreasing trend in recent years, and the change of hydrologic characteristic was positively correlated with elevation. The annual average runoff had a reducing trend and then gradually became an increasing trend from the west to the south. (3) The mutation characteristics of the annual runoff was poor consistent in the middle of the Hexi region and inter-annual variability of the annual runoff had a characteristic of multi-scale oscillation. The fluctuation had a quasi-cycle obviously in 8 a and 24 a, and the quasi-cycle in 8 a was more obvious, whereof 13 cycles as “much-less-much-less…” were observed. The runoff reduced after 2010, and might increase in 2018. (4) Runoff was both affected by the increase of temperature and precipitation, while was little affected by human activity. [Conclusion] Runoff is mainly supplied by precipitation in the study area. The changes were smaller in the past nearly 50 years. The annual average runoff had a reducing trend and then gradually became an increasing trend from the west to the south, and had a strongest quasi-cycle obviously in 8 a. Temperature and rainfall are the two main causes of runoff change.

the middle area of Hexi region; runoff; climate change; hydro-meteorology

2016-04-20

2016-09-20

甘肅省自然科學基金項目“基于GIS和RS的城市土地利用動態演化與模擬研究”(148RJZA028); 蘭州交通大學青年科學基金項目(2013002)

張立峰(1982—),男(漢族),吉林省農安市人,博士研究生,研究方向為地理信息系統及其應用。E-mail:zhanglf@mail.lzjtu.cn。

A

1000-288X(2017)02-0057-08

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