气候变化背景下长江黄河源区径流和输沙演变特征

Evolution characteristics of runoff and sediment transport in source regions of Yangtze River and Yellow River under climate change

摘要

目的 研究长江黄河源区水文和输沙演变特征，能够加深理解寒区地表过程对气候变化的响应机制，为保护青藏高原生态环境、促进区域可持续发展以及应对全球气候变化提供依据。 方法 以长江黄河源区为研究区域，采用Mann-Kendall趋势检验法、突变分析、水沙关系曲线等方法分析河川径流输沙的趋势变化、阶段特征和水沙平衡变化。 结果 长江黄河源区1965—2020年气候呈现“暖湿化”的变化规律，长江黄河源区年平均降水量为502.98 mm，黄河源区年平均降水量较多，长江源区年平均降水量较少。黄河源区黄河沿和吉迈水文站径流呈现微弱增加的态势，长江源区的沱沱河和直门达水文站径流均呈现增加的变化趋势，其中沱沱河站增加达到了显著水平。输沙量拐点之后，产沙因子增大，而输沙因子减小；相比于旱季，侵蚀物质的增加是黄河源区唐乃亥站雨季输沙量增大的主要因素，而径流输沙能力的增强是长江源区直门达站雨季输沙作用增强的主导因素。 结论 长江黄河源区过去60年气候呈现“暖湿化”，侵蚀物质和径流输沙能力对不同源区雨季输沙量影响存在差异。

Abstract

Objective The study investigates the evolution characteristics of hydrological processes and sediment transport in the source regions of the Yangtze River and Yellow River， in order to deepen understanding of the response mechanisms of surface processes in cold regions to climate change， providing a basis for ecological protection in the Qinghai-Xizang Plateau and sustainable regional development under global climate change. Methods Focusing on the source regions of the Yangtze River and Yellow River， this study employed the Mann-Kendall trend test， abrupt change analysis， and sediment rating curves to explore trend variations， stage characteristics， and changes in the flow-sediment balance of river runoff and sediment transport. Results The results showed that from 1965 to 2020， the climate in the study area exhibited a “warming and wetting” pattern. The average annual precipitation was 502.98 mm， with higher values in the Yellow River source region and lower values in the Yangtze River source region. Runoff at the Huangheyan and Jimai hydrological stations in the Yellow River source region showed a slight increasing trend. In the Yangtze River source region， runoff at the Tuotuo River and Zhimenda hydrological stations also increased， with the increase at the Tuotuo River station reaching statistical significance. After reaching the turning point in sediment transport， sediment production factor increased while sediment transport factors decreased. Compared to the dry season， increased erodible material was the primary factor driving higher sediment transport during the rainy season at the Tangnaihai station in the Yellow River source region， whereas enhanced runoff sediment transport capacity was the dominant factor contributing to greater sediment transport during the rainy season at the Zhimenda station in the Yangtze River source region. Conclusion Over the past 60 years， the climate in the source regions of the Yangtze and Yellow Rivers has exhibited a “warming and wetting” trend. The impacts of erodible materials and runoff transport capacity on sediment transport during the rainy season differ across different source regions.

Graphical abstract

关键词

长江黄河源区 / 气候变化 / 水沙关系 / 暖湿化 / 水文过程

Key words

source regions of Yangtze River and Yellow River / climate change / flow-sediment relationship / warming and wetting trend / hydrological processes

长江黄河源区地处青藏高原腹地，是长江和黄河的发源地，是我国重要的水源涵养区和补给地^［1］。长江源区和黄河源区水资源储量分别为179.42亿m³、137.59亿m³，为长江和黄河分别提供25%和49%的水量^［2-3］。近年来，随着全球气候变化，源区出现冰川消融、积雪融化和冻土退化等现象，由此导致水文过程、水沙关系发生一系列变化。刘光生等^［4］发现1961—2007年源区年际及不同季节径流量均呈减少趋势，其中黄河源区径流减少最显著，长江源区和黄河源区径流减幅分别为2.78%和3.08%，其中夏秋季节减幅最明显。蔡宜晴等^［5］分析源区1956—2012年的年径流演变规律，表明长江源区直门达站年径流呈现显著的增加趋势，唐乃亥站年径流量以下降为主，并且直门达和吉迈站在2004年发生显著性突变；其年径流量具有6~8 a和23 a两个主周期，其中以23 a的时间尺度周期为主，表现出3个偏多期和2个偏少期。气候变化是长江黄河源区水沙变化的主导因素，其对长江源和黄河源径流变化贡献率为55.21%~92.85%和52.47%~68.50%。张凡等^［6］研究发现长江黄河源区输沙量均呈现非显著减少的变化趋势，输沙量主要与降水的相关性较高；周银军等^［7］研究发现长江源区9月输沙量年内占比从2005—2016年的13%增加至2017—2023年的20%。然而，长江黄河源区地貌多样、气候复杂，长期遭受水力、风力、冻融等侵蚀作用的影响，整体呈现出西北区域气候干旱寒冷，地表以荒漠为主；东南区域水热条件较好，植被覆盖度高。在时间变化趋势上，长江黄河源区气候、水文和生态要素呈现出较大的年际波动，存在明显的线性变化趋势和季节性特征。长江黄河源区这种复杂变化的气候、水文、生态要素时空分布格局，是特殊的地理特征和气候变化共同作用的结果，这对系统认识源区生态环境变化带了来巨大的困难。因此，系统揭示长江黄河源区气象、水文和输沙要素的演变趋势，辨识不同要素的时空演变特征，能够为青藏高原生态安全屏障建设提供支撑。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

长江黄河源区地处青藏高原腹地，是长江和黄河的发源地（图1），地理位置为东经90°29′—103°41′，北纬32°12′—35°51′，是我国重要的生态屏障。黄河发源于巴颜喀拉山，长江发源于唐古拉山山脉。该地区地貌主要是海拔超过6 000 m的极高山、超过4 000 m的高山以及丘陵台地和平原，共同构成起伏缓和的高原夷平面。气候属于高原大陆型气候，表现为干湿季节明显、昼夜温差大、日照时间长、太阳辐射强烈、四季变化不明显。

1.2 数据来源与处理

本文的水文资料来源于水利部长江水利委员会《长江流域水文资料年鉴》和水利部黄河水利委员会《黄河流域水文资料年鉴》，包括长江源区沱沱河1960—2020年径流数据和1985—2020年的输沙数据、长江源区直门达1960—2020年径流数据和1965—2020年的输沙数据，以及黄河源区黄河沿、吉迈、玛曲和唐乃亥的1960—2020年径流数据和1965—2020年输沙数据。通过中国气象数据共享网（http://data.cma.cn）下载获得长江黄河源区范围内11个气象站点1965—2020年的气象数据，包括最高温度、最低温度、平均温度、日降水量。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall趋势检验和突变检验

Mann-Kendall（MK）趋势检验和Mann-Kendall突变检验分析是水文时间序列常用的方法，能够很好地反映气象水文序列的变化发展规律，具有精确度高、不受异常值干扰、适用于非正态分布数据的优点。已有较多研究详细介绍该计算方法^［8-9］，本文不再赘述。

2.2 水沙关系曲线

水沙关系曲线（Sediment Rating Curve）建立含沙量和流量之间的关系，反映水沙关系曲线及影响因素的变化，对认识流域水沙变化特征具有十分重要的意义。已有大量学者开展水沙关系曲线的研究，形式也多种多样，包括线性、幂函数、多项式等多种类型^［10-12］，现多采用幂函数形式：

\mathrm{S}\mathrm{S}\mathrm{C}=a\cdot Q^b（1）

当对两边同时取对数，转化为：

\mathrm{l}\mathrm{n}(\mathrm{S}\mathrm{S}\mathrm{C})=\mathrm{l}\mathrm{n}(a)+b\cdot \mathrm{l}\mathrm{n}(Q)（2）

式中：SSC表示含沙量（kg/m³）；Q表示平均流量（m³/s）；a为系数，b是指数。

该关系式反映流域的产输沙特性，其中参数a和b共同构成输沙变化的指示因子。参数a代表单位流量下的含沙量，是流域的产沙特性的指标。a的值越高，表明流域内可侵蚀的地表风化物丰富，泥沙供给量充足，易于被侵蚀、搬运和沉积；而参数b是对数关系式中的斜率，表示河流搬运能力的强弱，间接反映河流输沙能力的强弱，b的值越大，河流的输沙能力越强^［13］。

3 结果与分析

3.1 降水年际变化特征

通过分析长江黄河源区1965—2020年降水资料（图2），结果表明1965—2020年长江黄河源区年平均降水量为502.98 mm，分区来看，黄河源区年平均降水量较多，长江源区年平均降水量较少。在年际变化趋势上，长江源区降水量年际变化速率最高，达到1.48 mm/a，通过p<0.01显著性水平检验；黄河源区年际降水呈现不显著的增加趋势。降水量的变化与青藏高原独特的热力和动力作用密切相关，同时气候变暖加速了陆地水循环进程，增加了空气中的水汽含量，为降水的发生创造了有利的条件^［14］。

3.2 气温年际变化特征

长江黄河源区1965—2020年年均气温呈现上升趋势，升温速率为0.4 ℃/10 a，且通过0.01的显著性水平检验（图3）。这与青藏高原20世纪以来快速变暖，近50年升温速率是全球同期平均升温速率的2倍，达到0.3~0.4 ℃/10 a的研究结论一致^［15］。通过突变检验表明长江黄河源区年际气温的阶段性特征，检验结果表明，长江黄河源区年平均气温在1997年发生突变，突变前多年平均气温为-1.46 ℃，突变后多年平均气温为-0.22 ℃，气温升幅近1.23 ℃；同时1997年后年际升温速率达到0.37 ℃/10 a，是突变前升温速率的3.9倍，因此近20年是长江黄河源区最暖、气温升幅最大的时期。

3.3 径流输沙年际变化特征

选取黄河源黄河沿、吉迈、玛曲和唐乃亥以及长江源沱沱河、直门达水文站进行分析，黄河源区的黄河沿水文站多年平均径流量最少，为7.84亿m³，除主要受区域降水的影响外，扎陵湖和鄂陵湖对径流起到调蓄作用^［16］；吉迈、玛曲和唐乃亥多年平均径流量分别为42.51亿m³，146.49亿m³，206.18亿m³，1960—2020年黄河沿和吉迈水文站径流呈现微弱增加的态势，增长速率分别为0.18亿m³/10 a和0.6亿m³/10 a；而玛曲和唐乃亥年际径流呈现不显著减少的趋势，变化速率分别为3.1亿m³/10 a和3.4亿m³/10 a（图4）。长江源区的沱沱河和直门达水文站多年平均径流量为10.13亿m³，136.09亿m³，1960—2020年两个站点均呈现增加的变化趋势，其中沱沱河站增加达到显著水平，增长速率为1.3亿m³/10 a（图5）。长江源区是江河源区冰川分布最集中的地区，其水文过程主要受到降水和冰川消融的影响，冰川面积达1 570 km²，主要分布在通天河以上的地区^［17］。随着气温升高，冰川发生显著的消融，其融水的丰枯变化成为长江源区径流变化的关键驱动因素^［18-20］。

为进一步揭示长江黄河源区输沙的年际变化特征，图6是输沙量的年际变化结果。黄河源和长江源不同的站点呈现出不同的演化特征，不同的站点输沙量的时间拐点也不同，整体呈现出“下游站点拐点时间滞后于上游站点”特征。长江源区沱沱河输沙量的时间拐点发生在1997年，1985—1997年年平均输沙量为50.92万t，而1998—2020年年平均输沙量为137.35万t，相比于1998年前，输沙量增加一倍多；长江源区把口站直门达的输沙量拐点发生在2009年，1965—2009年和2010—2020年年均输沙量分别为919.29万t和1 308.67万t，2010—2020年输沙量比1965—2009年输沙量增加42.35%。

黄河源区吉迈水文站的输沙拐点发生在1988年，1965—1988年和1989—2020年的年均输沙量分别为123.67万t和64.21万t，减少幅度为48.08%；唐乃亥站在1994年输沙量发生转变，1965—1994年和1995—2020年的年均输沙量分别为1 455.27万t和1 005.99万t，减幅为39.87%。

3.4 水沙关系结果与分析

将长江黄河源区的4个站点沱沱河、直门达、吉迈和唐乃亥进行含沙量和流量幂函数拟合（图7），除唐乃亥站1995—2020年时间段，其他站点的水沙拟合关系均显著（p<0.05）。拟合后得到的关系曲线中系数a和指数b在不同的站点具有较大差异，整体表现出“输沙量拐点之后，幂函数的水沙关系式中系数a增大，指数b减小”的变化趋势。长江源区沱沱河站在1985—1997年的产沙因子a为0.079，输沙能力表征因子b为2.79；在1998—2020年的产沙因子a为0.099，输沙能力表征因子b为2.30，产沙因子a增幅达24.37%，输沙因子b减幅为17.56%；直门达站的产沙因子a在两个时期相比增幅超一倍，而输沙因子b减幅达51.77%。而长江源区年际输沙呈现增长的趋势，这与产沙因子a的增加密切相关，气候变暖导致多年冻土转化为季节性冻土，原先冻结的土壤不断融化，为侵蚀提供丰富的侵蚀物质源^［21］。本研究拟合的沱沱河水沙关系曲线参数与张凡等^［22］的研究结果略有差异，这主要源于研究的时间尺度不同，年尺度的输沙量明显较高。

黄河源区年际输沙以减少为主要的演变趋势，与之相对应，吉迈站和唐乃亥站的输沙因子b在输沙突变年份之后减小。吉迈站在1965—1988年的输沙因子b为2.58，而1989—2020年减少到1.88，减幅为27.13%；而唐乃亥站输沙因子b由突变年份前的3.26减少到突变年份后的1.28。输沙因子b的变化与温度密切相关，Syvitski等^［11］指出输沙因子b与温度呈现负相关关系，随着温度升高，输沙因子减小。

为了进一步揭示长江黄河源区不同季节的水沙关系差异（图8），将当年11月—次年5月和当年6月—10月分别划分为旱季和雨季，整体而言，雨季含沙量普遍高于旱季，不同江河源区旱雨季的水沙关系具有显著的差异。黄河源区由旱季到雨季，产沙因子a增大，输沙因子b较小，表明侵蚀物质的增加是黄河源区雨季输沙量增大的主要因素；而长江源区由旱季到雨季，产沙因子a减小，输沙因子b增大，表明径流输沙能力的增强是长江源区雨季输沙作用增强的主导因素。

4 讨论

本研究采用幂函数的水沙关系曲线探究径流和输沙之间的关系，表明长江黄河源区输沙量拐点之后，幂函数的水沙关系式中系数a增大，指数b减小。其中，系数a值表示流域内可侵蚀搬运的沉积物较多，易被侵蚀的物质丰富，泥沙供给量较多；指数b表示河流的侵蚀动力，主要反映水流的挟沙能力强弱^［23］。侵蚀物质的增加与冻土退化密切关联，伴随着气温升高，黄河源区的冻土活动层厚度逐渐变大，多年冻土转为季节性冻土^［24］，引起土壤水分变化，对输沙量产生显著的影响^［25］。金会军等^［26］研究表明黄河源区多年冻土下界普遍升高50~80 m，最大季节冻深平均减少0.12 m，大片分布的冻土转变为岛状、斑状分布，多年冻土层变薄，冻土面积缩减，融区范围扩大；Qin等^［27］通过模拟得到黄河源区季节性冻土厚度以1.2 cm的速度减少；Luo等^［28］研究表明1985—2014年三江源区季节性冻土最大冻结深度及冻结期呈现一个连续并且加速下降的趋势，下降速率为3.98 cm/10 a。冻土的存在，常被视为隔水层或弱透水层，随着冻土退化，原先的多年冻土转为季节性冻土，冻融循环下土壤中的水分发生相变、体积发生变化，土体发生膨胀或者收缩，破坏土体结构和形状，土壤团聚体、容重和黏结性均发生改变，增大土壤的可蚀性^［29］。另外，全球变暖背景下，长江黄河源区呈现暖湿化趋势，降水和气温呈现显著的区域性特征，同时随着三江源自然保护区的成立和水利工程的建设，下垫面条件发生明显的变化，改变寒区流域的入渗、产流、汇流等水文过程，进而对侵蚀和输沙过程产生显著的影响，成为长江黄河源区水沙关系变化的关键因素。

5 结论

（1）长江黄河源区1965—2020年气候呈现出“暖湿化”的变化趋势。长江黄河源区年平均降水量为502.98 mm，黄河源区年平均降水量较多，长江源区年平均降水量较少。在年际变化趋势上，长江源区降水量呈显著增加趋势，增速为1.48 mm/a，黄河源区降水量呈不显著增加趋势，全区整体增湿速率为1.18 mm/a。

（2）黄河源区黄河沿和吉迈水文站径流呈现微弱增加的态势，玛曲和唐乃亥年际径流呈现不显著减少的趋势；长江源区的沱沱河和直门达水文站径流呈现增加的趋势，沱沱河径流变化达到了显著性水平。

（3）黄河源和长江源不同站点输沙量呈现出不同的演化特征，整体表现出“下游站点输沙突变时间滞后于上游站点”的特征。水沙关系曲线表明，输沙量拐点之后，产沙因子增大，而输沙因子减小；相比于旱季，侵蚀物质的增加是黄河源区唐乃亥站雨季输沙量增大的主要因素，而径流输沙能力的增强是长江源区直门达站雨季输沙作用增强的主导因素。

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基金资助

国家重点研发计划课题“能量和水分相态变化对区域产汇流过程的影响及模拟”(2022YFC3201701)