永定河上游流域水文氣象要素的歷史演變特征

侯 蕾，彭文啟，董 飛，劉經強，陳渠昌，黃愛平，陳學凱

(1.中國水利水電科學研究院，流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京100038；2.山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271000)

0 引 言

IPCC第五次評估報告：1982-2012年間，全球的地表平均溫度升高了0.85 ℃，到21世紀末，全球地表溫度變化可能超過1.5 ℃[1]。氣候變化對陸面水文循環產生了顯著影響[2,3-6]。研究全球氣候變暖背景下河川徑流的變化已成為各界普遍關注的熱點問題[7, 8]。河川徑流是重要的水資源形式，受氣候變化和下墊面變化的影響較為明顯，在時間和空間上多尺度研究氣候變化對水資源的影響程度，利用長序列氣象水文數據分析流域水文氣象要素的演變特征，是實現水資源開發利用及管理的重要基礎性工作[9]。永定河流域是我國北方干旱半干旱區頗受關注的水資源及生態環境脆弱地區。近年來，永定河流域年徑流量出現了銳減趨勢[10-12]，多數河段出現斷流現象，尤其是2000年以后官廳水庫年均徑流量僅為0.9 億m3，較1955-1981年豐水期，衰減了93%，較1955-1981年平水期衰減了60%～70%。對于永定河流域的水資源問題已有學者和專家進行了大量的研究[13-17]，目前為止，永定河流域的研究多集中于徑流衰減成因的識別[18-20]，對于永定河上游流域及主要支流的氣候水文要素演變特征的系統研究較少，并且時間序列較短。本文系統分析了流域氣溫和降水的空間分布格局，揭示了永定河上游流域及主要支流的氣溫、降水、徑流的變化特征，分析了流域徑流變化的主要影響因素，為流域水資源保護、水資源的開發利用及管理提供了技術支撐。

1 流域概況及研究方法

1.1 流域概況

永定河流域位于112°～117°45′E，39°～41°20′N之間，是海河流域的七大支流之一，流域面積約為4.70 萬km2，約為海河流域面積的14.7%[21]。流域地跨內蒙古、山西、河北、北京、天津等5個省(自治區、直轄市)，主要有桑干河、洋河兩大支流，在河北懷來縣匯合后稱永定河，在官廳水庫納入媯水河，經官廳水庫流入官廳山峽于三家店進入平原。本研究的區域在永定河上游流域，研究區面積約為4.3 萬km2，位于112°～116°22′E，38°55′～41°15′N，官廳水庫以上稱為永定河上游，約為永定河流域面積的93%，見圖1。永定河上游流域跨燕山山脈、內蒙古高原和華北平原，高程有很大差異，山區面積約占流域面積的80%，以山區為主。

圖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廳水庫、響水堡、石匣里三個水文站(來源于《海河流域水文年鑒》)的年徑流量以及流域范圍及周邊15個國家氣象站的逐日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水等氣象數據，采用Mann-Kendall 非參數檢驗[22,23]及線性回歸法對流域水文氣象要素進行了趨勢性分析；采用累積距平法[24]對流域水文氣象要素進行了突變性分析；采用Morlet小波分析了流域水文氣象要素的周期性演變特征。文中官廳水庫水文站控制流域簡稱永定河上游流域，響水堡水文站控制流域簡稱洋河流域，石匣里水文站控制流域簡稱桑干河流域。

2 結果與討論

2.1 降水、氣溫的空間分布特征

采用趨勢面分析法，利用1960-2012年永定河上游流域及周圍15個氣象臺站的統計數據來繪制流域多年的平均降水和多年平均氣溫的等值線圖(圖2、圖3)。在空間上，降水量地域性差異較大，年降水量自東南向西北遞減；受燕山山脈迎風坡多雨帶的影響，在桑干河上游以及媯水河流域的多年平均降水量較大，其中，東南部五臺山氣象站的降水量達到744 mm；受大陸性半干旱氣候的影響，洋河的上游流域多年平均降水量相對較低，其中，化德氣象站的多年平均降水量約為314 mm。多年平均氣溫地域性差異也較大，受流域地形和高程的影響，流域多年平均氣溫以北京氣象站為中心向外延伸逐漸遞減。受北京城市熱島效應[25]的影響，官廳水庫及媯水河區域氣溫偏高；張北地區受北寒帶干旱氣候以及東南地區地形的影響，洋河和桑干河流域的上游地區氣溫較低。

圖2 永定河上游流域年降水等值線圖

圖3 永定河上游流域年平均氣溫空間分布圖

2.2 降水、氣溫、徑流的年內及年代際變化特征

根據1960-2012年永定河上游流域、桑干河流域、洋河流域各月的降水統計分析(見圖4)，結果表明，流域降水量年內分配極不均勻，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。通過對降水量年代距平的變化特征分析(見圖5)。永定河河上游流域在20世紀60、70年代是豐水期，尤其60年代，降水量為452 mm，比多年平均降水值增加了6.4%，80年代、2000-2012年為枯水期，80年代的年降水量比多年平均降水量減少了15.89 mm，2000-2012年降水量較多年平均值減少了21.79 mm，90年代月降水量與多年平均的月降水變化趨勢較為一致；桑干河流域在60、70年代也是豐水期，60年代的降水量比多年平均降水增加了9.5%，80年代以后為枯水期，尤其是90年代出現了銳減現象，該時期降水量較多年平均值減少4.9%；洋河流域在60年代、70年代以及90年代是豐水期，其中70年代、90年代的降水量分別比多年平均值增加了6.3%、5.8%，在80年代、2000-2012年間，流域降水偏枯，尤其是80年代，該時期降水量比多年平均值減少了7.7%。

圖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變化圖

通過分析不同年代的月降水量的變化特征(圖4)，90年代流域月降水最大值出現在7月份，其余各年代降水量的分布不均衡，最大值主要出現在7月份和8月份；60、70年代各流域的降水偏豐，非汛期的降水量基本與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；從2000-2012開始各流域月降水的分配情況發生了明顯的變化，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。

圖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變化圖

通過分析1960-2012年各流域月平均氣溫的變化特征(圖6)。各流域四季氣溫變化分明，1月份各流域的氣溫最低，分別為-10.51、-10.96、-12.03 ℃；7月份各流域的氣溫最高，分別為21.71、20.90、21.25 ℃；秋季以后氣溫逐漸下降。通過分析不同年代各月平均氣溫的變化特征(圖6)，20世紀60、70和80年代，各月的平均氣溫均小于多年平均氣溫；90年代，各月平均氣溫與多年平均值一致；2000年以后，各月平均氣溫均大于多年平均值。通過對各流域氣溫年代距平的變化特征分析(圖7)，60、70、80年代，各流域的氣溫均降低；90年代，氣溫開始逐漸升高；2000年以后，各流域的氣溫劇增。

圖6 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域各年代氣溫月均值變化圖

圖7 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域氣溫距平值年代變化圖

通過分析各流域不同年代各月的徑流量變化特征(圖8)。研究表明，各流域的在7、8月份(夏汛)和3、4月份(春汛)徑流量較大，總體上與華北地區的氣候變化趨勢一致。20世紀70年代，各流域的月徑流均大于相應的月平均值；80、90年代，各流域的月徑流量與相應的月均值變化一致；2000年以后，各流域的月徑流偏枯，均小于相應的月均值；與不同年代的月降水、月氣溫的變化進行對比分析，70年代各流域月徑流變化特征與月降水和月氣溫的變化一致，80年代以后，各流域月徑流變化特征與月降水和月氣溫的變化特征差異性較大；結果表明，70年代，氣象條件對流域徑流量的影響較為顯著；80年代以后，人類活動成為了流域徑流變化的主導因素。

圖8 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域各年代徑流月均值變化對比圖

通過對各流域徑流量年代距平的變化特征分析(圖9)。結果表明，在20世紀60、70年代，各流域處于豐水期，尤其是60年代各流域水量豐沛，永定河上游、桑干河、洋河流域的徑流量分別比相應的多年平均徑流量增加了119.39%、147.74%、72.25%；80年代以后，各流域的徑流量處于偏枯期，尤其是2000年以后各流域徑流量出現了銳減，永定河上游、桑干河、洋河流域的徑流量分別比相應的多年平均值減少了84.7%、79.12%、75.15%。通過與降水、氣溫的年代際變化對比分析，在60、70年代，永定河上游和桑干河流域流域的徑流量變化的決定性因素是降水量，該時期降水降水較多，因此徑流量也較大；洋河流域60年代的降水量小于70年代，而60年代的徑流量明顯高于70年代，同時氣溫不斷升高，氣候干暖化趨勢顯著，因此徑流量逐漸減少；80年代以后，各流域的徑流量出現了大幅度的減少；90年代，洋河流域的降水量明顯高于多年平均值，而徑流量比多年平均值減少了2.89 億m3，減少率為23.14%，研究表明，90年代洋河流域的氣溫升高、大規模的生態建設以及水資源的過度開發導致了該時期徑流量的銳減。

圖9 各流域徑流量距平值年代際變化對比圖

2.3 降水、氣溫、徑流的年際變化特征

2.3.1 趨勢性分析

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別為452、470、365 mm。根據擬合方程的斜率可知，永定河上游流域、桑干河流域、洋河流域的降水量減少量分別為8.21、10.37、6.92 mm/10 a。如圖10所示。通過Mann-Kendall 非參數檢驗，各流域降水量統計值均為負值，分別為-1.18、-1.08、-1.1，|ZMK|<1.96,表明在1960-2012年間各流域的降水量均呈下降趨勢，而下降趨勢不顯著(β<0.05)。對1960-2012年15個氣象站點的年降水量進行M-K趨勢性檢驗分析(圖11)，結果表明，在β=0.05的顯著性水平，其中有11個氣象站點的年降水量呈減少下降趨勢，有4個氣象站點的年降水量呈增加趨勢，除五臺山站以外，其余站點的年降水量變化趨勢不顯著。

圖10 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域降水量年際變化

圖11 永定河上游流域年降水量M-k檢驗結果空間分布

永定河上游流域、桑干河流域、洋河流域多年平均氣溫分別為6.79、6.22、5.74 ℃，根據擬合方程的斜率可知，氣溫分別增加了1.85、1.98、1.78 ℃，氣溫增加率分別為0.36、0.38、0.34 ℃/10 a。如圖12所示。通過Mann-Kendall 非參數檢驗，各流域平均氣溫統計值均為正值，分別為4.86、4.36、4.91，表明在1960-2012年間各流域的氣溫均呈升高趨勢，而升高趨勢顯著(β>0.05顯著水平)。對1960-2012年15個氣象站點的年平均氣溫進行M-K趨勢性檢驗分析(圖13)，在β=0.05的顯著性水平，除河曲氣象站外，其余14個氣象站的年平均氣溫均呈顯著升高趨勢。總體來看，永定河上游流域年平均氣溫呈現顯著升高趨勢，與線性回歸分析的結果一致。

圖12 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域氣溫年際變化

圖13 永定河上游流域年氣溫M-k檢驗結果空間分布

永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域多年平均徑流量分別為6.02、3.18、2.89 億m3。通過線性回歸分析(圖14)，各流域的年徑流量均呈減少趨勢，徑流量的減少量分別為2.64、1.53、1.02 億m3/10 a。通過Mann-Kendall 非參數檢驗，各流域年徑流量統計值均為負值，分別為-7.6、-7.77、-7.17，|ZMK|>2.58表明在1960-2012年間各流域的年平均徑流量均呈下降趨勢，而下降趨勢通過了可信度99%的顯著性檢驗。

圖14 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域徑流量年際變化

2.3.2 突變性分析

通過累積距平分析，結果表明，總體上各流域的年降水量在1960-1980年呈增加趨勢，2000-2012年呈下降趨勢，豐、枯變化沒有規律性，且波動較大；各流域的年降水量沒有顯著的突變性(圖15)。總體上各流域的年平均氣溫在1960-1990年呈下降趨勢，2000-2012年呈升高趨勢；永定河上游流域有兩個年平均氣溫突變點，分別為1988年、1993年，桑干河流域、洋河流域各有一個年平均氣溫突變點，分別為1996年、1986年(圖16)。總體上各流域的年徑流量在1960-1980年呈增加趨勢，1990-2012年呈下降趨勢，永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域年徑流量的突變點分別為1981年、1982年和1983年。

圖15 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域降水量累積距平圖

圖16 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域年平均氣溫累積距平

圖17 永定河上游流域、桑干河流域和洋河流域年徑流量累積距平圖

2.4 流域徑流變化的主要影響因素

已有研究表明，20世紀80年代以后，永定河上游流域人類活動對徑流的影響占主導作用，人類活動和氣候變化對流域徑流的影響的貢獻占比約為7∶3，人類活動多樣性決定了人類活動對水文循環影響的復雜性[26]。20世紀80年代，永定河上游被列為國家水土保持重點治理區域，已有研究表明，80年代以后，流域耕地面積減少，林地增加，導致地表產流減少，而土地利用的變化對地表徑流的影響貢獻較小。20世紀50年代開始，山西省(永定河上游)建設了大量的水利工程，大中型水庫的總庫容達到了52.8 億m3，蓄水容積占多年平均地表水資源量的75.33%，因此上游來水逐年減少，永定河出現了連續斷流現象[27,28]。另外，20世紀80年代以后，隨著經濟社會的發展，該區域人口逐漸增加，因此工農業、生活用水量也隨之增加，而地下水是該地區的主要供水水源，地下水超采嚴重，在該區域形成了地下漏斗，地下水水位下降嚴重，改變了流域的水文過程，使地表徑流減少[29]。

3 結 論

文中系統的分析了永定河上游流域及主要支流的水文氣象要素的變化特征以及主要的影響因素，為流域水資源的管理和開發利用提供了技術支撐。形成以下主要結論。

(1)流域的多年平均氣溫和多年平均降水呈現地域性差異，總體上，流域的多年平均氣溫以從官廳水庫向河源地區逐漸遞減，降水量由東南向西北逐漸減少。

(2)從趨勢性角度分析，各流域的年平均氣溫均呈顯著升高趨勢，年徑流量均呈顯著下降趨勢，而年降水量的變化趨勢不明顯；從突變性的角度分析，各流域的年平均氣溫及徑流量均有突變點，而降水量無顯著突變點。

(3)流域氣溫四季分明，年內降水量分配極不均衡，在20世紀60、70年代，徑流量變化的主導因素是氣象要素；而80年代以后，流域的徑流量變化的主要影響因素是由人類活動引起的。

(4)影響永定河流域水資源變化的主要因素是水利工程攔蓄及高強度的社會取用水，如果恢復永定河自然的河流水文過程，一方面，應通過恢復河流的自然屬性等措施，逐漸實現洪水的資源化，緩解流域水資源短缺問題，另一方面，應從轉變用水結構，大力節水入手。

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