黑河上游径流演变规律及其变化原因分析

Analysis of the runoff development law and its causes in the upper reaches of the Heihe River

摘要

目的 分析黑河流域径流演变规律及其变化原因，为区域水资源优化配置提供依据。 方法 本文采用MK检验法、Morlet小波函数法、基于水热条件变化原理的累积量斜率变化率比较法等方法，分析黑河上游出山口莺落峡河川径流演变的多时间尺度复杂结构；以径流突变年份为转折点分割序列，量化气候因子和人类活动对径流变化的影响程度。 结果 年径流突变点为2005年，突变后呈显著增加趋势；径流变化的第一主周期为24 a，最近丰水期为2009~2018年；流域内气候变化对径流变化的贡献率为70.2%，人类活动贡献率为29.8%。 结论 2019年后莺落峡径流丰枯情况可能发生转变，气候变化是径流增加的主导因素，研究结论可为流域径流演变规律及水资源优化配置提供理论支撑。

Abstract

Objective The analysis of runoff evolution law and its causes of Heihe River basin，and the basis for the optimal allocation of regional water resources，has important guiding significance for the optimal allocation of water resources and ecological environmental protection. Method In this paper,MK test method,Morlet wavelet function method and cumulative slope change rate comparison method based on the change principle of hydrothermal conditions are used to analyze the multi-time scale complex structure of runoff evolution of Yingluoxia River in the upper reaches of Heihe River; taking the abrupt change year of runoff as the turning point segmentation sequence,the influence of climatic factors and human activities on runoff change is quantified. Result The turning point of annual runoff was in 2005,and the annual runoff showed a significant increasing trend after the turning point.The first major cycle of runoff change is 24 years，and the latest wet season is 2009~2018.The contribution rate of climate change to runoff change in the watershed is 70.2%,and the contribution rate of human activities is 29.8%. Conclusion The situation of high and low runoff in Yingluoxia may change after 2019.Climate change is the main factor of runoff increase.The research conclusions can provide theoretical support for the evolution law of runoff and the optimal allocation of water resources.

Graphical abstract

关键词

黑河 / 径流演变 / 小波分析 / 人类活动 / 气候变化 / 贡献率

Key words

Heihe River / runoff evolution / wavelet analysis / human activity / climate change / contribution rate

河西内陆河流域地处河西走廊中部，发源于祁连山北坡最大的内陆河，是我国第二大内陆河。随着经济社会的快速发展，黑河流域水资源开发利用矛盾凸显，生态环境恶化，主要表现在下游地区天然绿洲萎缩、终端湖泊干涸、土地沙漠化加快，长期以来制约着干旱区经济和社会的可持续发展^［1-2］。在全球气候变化的大背景下，黑河流域的气候特征也发生着显著变化^［3-4］。

近年来，对黑河流域径流变化的研究较为深入。陈子豪等^［5］定量分析了莺落峡水文站年径流量演变周期，表明莺落峡站年径流量变化主要受到28 a和13 a两个主周期影响；廉耀康等^［6］分析了出山口径流量与源区降水量的相关关系和匹配度，得出年径流量与黑河源区年降水量存在正相关关系且有较好的匹配关系；李培都等^［7］分析了莺落峡、正义峡、哨马营和狼心山水文站径流量序列，表明各站点径流量趋势变化不同，同一流域的不同河段，主控周期不一致；刘志方等^［8］对莺落峡站（1944~2010年）的年均径流量（AAR）进行了多尺度分析，发现降水对径流的影响很大，为径流的主要补给来源；赵娜等^［9］研究表明未来气候变化有助于缓解黑河流域水资源短缺的现状。李秋菊等^［10］采用张橹经验公式，分析黑河流域上游气象因子及土地利用类型的变化对径流变化的影响，得出降水和永久性冰川雪地融化对径流增加产生正效应。以上文献从不同角度和层次揭示了黑河流域径流演变规律及其变化的原因，但结合径流周期演变规律量化分析气候变化和人类活动对径流量变化贡献率的不多。黑河作为我国西北地区第二大内陆河，其流域水资源短缺已成为困扰其生存发展的突出问题^［11］。莺落峡断面是黑河出山口站，控制着上游主要产流区的来水量，分析其径流演变规律对黑河流域水资源合理开发利用、社会经济可持续发展、制定变化环境下水资源适应性措施具有重要意义^［12］。

本文以黑河流域上游为研究区域，采用MK检验法、Morlet小波函数法分析莺落峡水文站1945~2020年径流量突变点和变化周期，预测径流丰枯情况；结合径流演变规律分析情况，基于流域内降雨量和气温资料，以径流的突变年份为转折点，应用累积量斜率变化率比较法，定量分析气候因子和人类活动对径流量增加的贡献率。从气候变化和人类活动两个方面定量分析径流变化的影响因素，为区域水资源优化配置、规划提供理论基础^［13］。

1 研究区概况

黑河上游位于祁连山北麓腹地，为甘肃省和青海省的交界地带，涉及甘肃省张掖市、酒泉市；青海省海北藏族自治州、海西蒙古族自治州。上游祁连山区海拔4 000 m以上的中高山终年积雪，分布着现代冰川，年降水量350 mm以上，是黑河流域主要的产流区和水源来源区。河道长约303 km，区内山高谷深，河床陡峻，气候阴湿寒冷，植被覆盖较好，经济活动以牧业为主^［14］。东部支流八宝河于祁连县黄藏寺村汇入黑河，祁连县城建有祁连水文站；西部黑河干流由西向东，在黄藏寺村折转成由南向北，地盘子水电站建有札马什克（二）水文站。流域内已建有约8座梯级水电站，祁连县黄藏寺村建有1座水利枢纽工程—黄藏寺水利枢纽工程，该工程是国务院确定的172项节水供水重大水利工程之一，计划2021年实现蓄水目标。黑河上游出山把口站莺落峡水文站，始建于1944年，位于张掖市龙渠乡三青湾村，控制流域面积约1×10⁵ km²，多年平均径流量15.8亿m³。水文站、雨量站分布见图1。

2 数据来源和方法

2.1 数据来源

研究区域内径流量采用莺落峡水文站1945~2020年数据，该站自建站以来，测站位置未变动，数据来源于水文站整编资料，资料完整、可靠。降水量采用包括祁连、札马什克、莺落峡3个水文站及7个雨量站，总共10个测点数据。气温采用包括祁连、札马什克、莺落峡3个水文站及3个气象站，总共6个测点数据。根据《甘肃省第三次水资源调查评价》成果及方法，共收集整理1974~2020年历年降水量和年平均气温资料。

2.2 研究方法

2.2.1 小波分析法

上世纪80年代初，Morlet提出的一种具有时-频多分辨率功能的小波分析法，为研究时间序列演变规律提供了重要依据^［15］。小波分析的基本思想是用一簇小波函数逼近时间序列，能清晰地揭示序列的不同时间尺度频域和时域的分布规律，定性分析系统未来发展趋势^［16-18］。

小波函数ψ（t）∈L²（R）是具有震荡性且能够迅速衰减到零的一类函数，满足公式：

{\int }_{-\infty }^{+\infty }\psi (t)dt=\mathrm{0}（1）

式中：ψ（t）是基小波函数。通过尺度的伸缩和时间轴上的平移变化构成一簇函数系^［19］，即：

{\psi }_{\mathrm{a},\mathrm{b}}(t)={\left|a\right|}^{-\mathrm{1}/\mathrm{2}}\psi (\frac{t-b}{a}) （a,b\in R,a\ne \mathrm{0}）（2）

式中：{\psi }_{a,b}(t)是子小波；a是伸缩尺度，反映频域内周期长度变化；b是平移参数，反应时域内平移变化。对于能量有限信号f(t)\in L^{\mathrm{2}}(R)，子小波的连续小波变换公式：

W_f(a,b)={\left|a\right|}^{-\mathrm{1}/\mathrm{2}}{\int }_{R}f(t)\overline{\psi }(\frac{t-b}{a})\mathrm{d}t（3）

式中：W_f(a,b)是小波变换系数；f（t）是平方可积函数；\overline{\psi }(\frac{t-b}{a})和\psi (\frac{t-b}{a})互为复共轭函数。对于离散的水文时间序列数据，设函数f(k\mathrm{\Delta }t)（k=1，2，…，N；\mathrm{\Delta }t为取样间隔），则离散小波变换公式^［20］：

W_f(a,b)={\left|a\right|}^{-\mathrm{1}/\mathrm{2}}\mathrm{\Delta }t{\displaystyle \sum _{k=\mathrm{1}}^N}f(k\Delta t)\overline{\psi }(\frac{k\mathrm{\Delta }t-b}{a})（4）

实际应用研究中，关键过程是由小波变换方程得到小波系数，再通过这些系数来分析时间序列的时域和频域演变规律。通常需根据问题的具体情况选择合适的基小波函数，本文选用目前在水文时间序列中应用较多的Morlet连续复小波变换，分析径流时间序列的多时间尺度特征。

2.2.2 累积量斜率变化率比较法

径流变化是气候因子和人类活动共同作用的结果，不同区域间气候变化和人类活动对径流的影响程度会有差异。河西内陆河流域地处干旱区，地表径流对气候变化的响应更敏感，影响的气候因子主要为降水、气温、蒸发量等，而人类活动因素比较复杂，可通过分析气候因子的综合影响，间接得出人类活动对径流的综合影响。

根据文献［21］，累积量斜率变化率比较法是将降水对径流量变化的影响，用累积降水量斜率变化率R_SP和累积径流量斜率变化率R_SR的比值C_P定量表示；将气温变化导致蒸发量变化进而引起径流量变化的影响，用累积蒸散量斜率变化率R_ST和累积径流量斜率变化率R_SR的比值C_ET定量表示，即：

R_SR=100×（S_Ra-S_Rb）/S_Rb（5）

R_SP=100×（S_Pa-S_Rb）/S_Pb（6）

R_ST=100×（S_Ta-S_Tb）/S_Tb（7）

C_P=R_SP/R_SR（8）

C_ET=R_ST/R_SR（9）

式中：S_Ra、S_Rb为累积径流量—年份线性关系转折点前后的斜率；S_Pa、S_Pb为累积降水量—年份线性关系转折点前后的斜率；S_Ta、S_Tb为累积气温—年份线性关系转折点前后的斜率。根据线性关系的回归线得出斜率。人类活动对径流量变化的贡献率C_H为：

C_H=100-C_P-C_ET（10）

气候变化对径流的影响主要体现为水、热方面，具体为降水和气温。降水和气温对径流的影响作用相当，则气候变化对径流的影响可归结为累积气候因子斜率变化率，用累积气温—降水线性关系斜率变化率R_SP-T 表示气候因子对径流变化的综合影响^［22］。气候因子对径流量变化的贡献率为C_C，则：

R_SP-T=100×（S_P-Ta-S_P-Tb ）/S_P-Tb（11）

C_C=R_SP-T/R_SR（12）

C_H=100-C_C（13）

式中：S_P-Ta、S_P-Tb分别为累积气温—降水线性关系转折点前后的斜率。

3 结果与分析

3.1 径流突变年份分析

采用MK检验法对莺落峡水文站1945~2020年径流量进行分析。MK检验法是一种非参数统计检验法，是世界气象组织推荐且已广泛应用的方法，适用水文、气象等非正态分布的数据，检测范围宽，量化程度高^［23-25］。莺落峡水文站历年径流变化过程见图2；MK检验统计量变化过程见图3。

由图2可知，莺落峡水文站年径流量变化过程呈增长趋势，增长率0.072 7亿m³/a，经卡方检验，检验统计量Z=21.185，P=0<0.05，因此线性趋势显著；由图3可知，径流变化的突变年份为2005年，且于2008年突破置信水平线表现为显著增加趋势。为验证MK检验结果，采用双累积曲线法、有序聚类法（T_α/2=1.64）、Lee-Heghinan法（T_α/2=1.64）对年径流量突变分析，结果见表1，由表可得，突变年份2005年结果可靠。经计算2006~2020年多年平均径流量为20.2 亿m³，较1945~2005年（15.6亿m³）增加29.5%。

3.2 径流演变规律分析

河川径流在演化过程中，不存在严格意义上的周期变化规律，随着研究尺度的不同，周期变化规律发生相应的变化，频域上表现为大尺度变化周期嵌套小尺度变化周期，时域中存在多层次的时间尺度结构及不同的局部变化特征。本研究基于莺落峡水文站1945~2020年共计76 a实测年径流量序列，采用Morlet连续复小波函数，最大时间尺度为32 a，分析莺落峡水文站径流演变规律。

3.2.1 小波系数实部等值线图

小波系数实部等值线图反映径流序列不同时间尺度的周期变化和时域分布规律，根据变化规律分析径流丰枯变化情况。系数实部值为正时，表示丰水期；为负时，表示枯水期。经计算可得莺落峡水文站年径流量小波系数实部等值线见图4。图中红色虚线为负值，黑色实线为正值，横坐标为年份，纵坐标为时间尺度。

由图4可知，莺落峡水文站径流演变过程中存在20~28 a和8~14 a 2种时间尺度的周期变化规律，其中20~28 a尺度上出现丰-枯交替的4次震荡；8~14 a尺度上出现枯-丰交替的9次震荡。以上两个尺度的周期变化在整个分析时段表现的相对稳定，具有全域性。

3.2.2 小波方差及主周期趋势图

小波方差图反映径流时间序列的波动能量随不同时间尺度的分布情况，波动能量峰值对应的时间尺度为径流演变过程中的主周期。莺落峡水文站径流量小波变换的小波方差见图5，图中存在3个较为明显的峰值，最大峰值24 a，说明24 a左右的波动能量最强，为年径流量变化的第一主周期；其次为12 a，最小为4 a。上述3个时间尺度的周期变化规律控制着目前研究时间范围内的径流量变化特征。

根据小波方差图，绘制第一主周期24 a的小波实部系数变化过程（图6），该变化过程可分析径流未来丰枯变化趋势。由图6可知，径流变化的平均周期约为15 a，约经历了5个丰-枯变换周期，最近的丰水期为2009~2018年，该结论与MK检验结果基本一致。

3.3 气候变化和人类活动对径流量变化的贡献

在理清莺落峡断面径流在不同时间尺度上丰枯情况、变化趋势的基础上，分析气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。基于黑河上游流域1974~2020年降水量和气温系列资料，分析气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率，降水、气温变化过程分别见图7、8。由图可得，降水呈减少趋势，减少率0.346 6 mm/a，经卡方检验，检验统计量Z=0.624，P=0.430>0.05，线性趋势不显著；气温呈上升趋势，上升率0.040 7 ℃/a，经卡方检验，检验统计量Z=36.773，P=0<0.05，线性趋势显著。

采用皮尔逊相关系数法分析莺落峡水文站径流量与气候因子降水、气温的线性相关关系，相关系数见表2。由表2可得，年径流与降水低度相关，与气温中度相关，均通过了0.01显著性水平，且两者对径流的影响作用相当。随着气温的升高，径流随之增加，间接说明气温升高导致冰川积雪融水增加可能是径流增加的主要原因之一。

综上，可用累积气温—降水线性关系斜率变化计算气候因子对径流的贡献率。莺落峡水文站径流量—年份和降水—气温累积关系分别见图9和图10，以2005年突变年份为转折点，令1974~2005年为时间段A，2006~2020年为时间段B。根据公式（5）~（13），计算累积径流量、累积降水—气温A段和B段的斜率及其变化率，见表3。由表可得，气候因子对径流量增加的贡献率为70.21%，影响相对较大；人类活动对径流量增加的贡献率为29.79%，影响相对较小。

黑河干流梯级水电站水能开发始于2001年，至2012年已建成梯级电站8座，具有日调节能力的6座，水电站（群）人为调度运行蓄放水对径流过程的干扰增大，但对径流量的增加影响不大。

4 讨论与结论

本文基于黑河流域最新（截止2020年底）水文、气象资料，应用小波分析法、累积量斜率变化率等方法，揭示径流周期演变规律，量化气候变化和人类活动对径流变化的影响程度，分析结果基本合理。

1） 莺落峡径流演变过程存在3类时间尺度控制径流在整个时间域内的变化规律，分别为24 a、12a和3 a，其中24 a时间尺度的周期震荡最强；通过分析24 a时间尺度的周期趋势图，首次分析得出径流变化的平均周期约为15 a，大约经历了5个丰-枯转换周期，最近的丰水期为2009~2018年，该结论与MK检验法得出的结论基本一致，即2005年后呈显著增加趋势，两种方法得到相互印证。2019年后丰枯情况有可能发生转变，丰枯周期规律的变化对未来水资源合理规划具有重要指导意义。

2） 结合径流演变规律分析结论，基于气候变化可归结为水热条件变化的理论，应用累积降水-气温斜率变化率法定量分析气候因子对径流变化的影响程度，得出气候变化的贡献率为70.2%，人类活动的贡献率为29.8%。

3） 黑河上游区域人类活动主要是梯级水电站建设，截止2012年在运行且具有日调节能力的水电站约6座，但梯级水电站建设导致蒸散量变化对径流增加的影响不大，径流增加的主要原因是气候变化影响，但具体是如何影响，需要进一步深入研究。

4） 黑河径流主要补给源为祁连山区冰川融水，径流对气候变化更加敏感，研究该区域气候变化对径流的影响机理，具有典型性、科学性。

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基金资助

甘肃省地热水水资源研究项目(GSAU-JSZX-2020-1205)

甘肃省重点研发计划项目(21YF5FA094)

甘肃省水利科学试验研究及技术推广项目(甘水建管发〔2021〕71号)

甘肃科考区径流变化事实及原因分析(2019QZKK0203-09)

甘肃省水利科学试验研究及技术推广项目(22GSLK051)