長江源區(qū)基流變化規(guī)律及其氣象影響因素分析

邵 駿，熊 瑩，卜 慧，王 政 祥

(長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010)

0 引 言

徑流過程是在流域尺度上一系列復(fù)雜過程的結(jié)果[1]，包含有不同的水源組成，其中河川基流是河流最穩(wěn)定的水源，也是枯水季節(jié)河流的基本流量，其對于流域內(nèi)生活生產(chǎn)用水和河流水生態(tài)環(huán)境具有重要作用。Hall[2]于1968年提出基流的定義，即來源于地下水或是其他延遲部分的徑流。也有學(xué)者將其定義為下滲水到達(dá)地下水面并注入河道的部分[3]。如何區(qū)分徑流的不同組分，需要對徑流進(jìn)行地表徑流和基流的劃分。但是到目前為止，由于無法通過實驗對基流分割的結(jié)果進(jìn)行科學(xué)論證[1]，因此基流分割不僅是水文水資源研究的熱點，亦是難點[4]?；鞣指罘椒ㄖ饕▓D形分割法、水量平衡法、同位素法和數(shù)值模擬法等[5-7]。其中，對于數(shù)值模擬法中的加里寧(加里寧-阿巴里揚)試算法是根據(jù)河川基流量一般由基巖裂隙地下水所補(bǔ)給的特點，假定地下水含水層向河道排泄的水量(即河川基流量)與地表徑流量之間存在比例關(guān)系，利用試算法確定合理的比例系數(shù)，再利用水平衡方程演算得出年河川基流量。該方法具有一定的理論基礎(chǔ)，物理意義明確，可減少人為因素影響的任意性[8]。鄭繼堯等[9]對加里寧法進(jìn)行了改進(jìn)，認(rèn)為基流量是由前期所有的地下徑流量加權(quán)計算得到的。改進(jìn)后的加里寧法對徑流過程的擬合程度較好，在基流計算方法中相對成熟，并多次應(yīng)用于高寒旱區(qū)[10-14]。因此，本文采用改進(jìn)加里寧法作為河川基流分割方法。

長江源區(qū)地處青藏高原腹地，海拔高、氣溫低，存在大量的冰川、積雪和凍土等固態(tài)水，同時也存在著沼澤、湖泊等液態(tài)水，被譽為“中華水塔”“亞洲水塔”，是中國重要的生態(tài)安全屏障、戰(zhàn)略資源儲備基地[15]。在全球氣候變化背景下，長江源區(qū)水資源發(fā)生了很大的變化，具體表現(xiàn)在冰川融化、降水變化以及濕地面積變化[16]。冰川融水是長江源區(qū)河川徑流補(bǔ)給的重要來源，近幾十年來在氣候變暖的影響下，長江源區(qū)冰川加劇退縮、湖泊顯著擴(kuò)張、冰川徑流增加[17]，由此導(dǎo)致的河川徑流變化將會影響整個長江流域的供水安全、生態(tài)安全[18]?，F(xiàn)有研究表明，長江源區(qū)對全球氣候變暖的響應(yīng)最為敏感[19]。長江源區(qū)的沱沱河站、直門達(dá)站徑流量呈現(xiàn)顯著增加趨勢[20-21]，從而河川基流也必然存在相應(yīng)變化。目前研究大多關(guān)注長江源區(qū)地表徑流變化，對河川基流變化規(guī)律研究成果較少。因此，本文以長江源區(qū)為研究區(qū)域，利用直門達(dá)水文站1957～2020年實測日流量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究長江源區(qū)基流變化規(guī)律，探討影響基流變化的氣象因素及相應(yīng)的影響程度。研究成果對揭示氣候變化條件下長江源區(qū)河川徑流組成及其水文響應(yīng)規(guī)律有著重要的科學(xué)與現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)域與研究方法

長江源區(qū)通常是指玉樹直門達(dá)水文站以上的流域，由長江正源沱沱河、南源當(dāng)曲、北源楚瑪爾河和通天河組成，干流全長1 174 km，流域面積14.2萬km2(含巴塘河)。沱沱河與當(dāng)曲匯合于囊極巴隴，長346 km；囊極巴隴至玉樹市巴塘河口稱通天河，長828 km。其中囊極巴隴至楚瑪爾河河口為通天河上段，長278 km；楚瑪爾河河口以下至巴塘河口為通天河下段，長550 km。長江源區(qū)及通天河水系及測站分布見圖1。

圖1 長江源區(qū)和通天河水系測站分布

本文徑流數(shù)據(jù)采用長江源區(qū)控制站直門達(dá)水文站建站后1957～2020年逐日流量資料。降水、氣溫數(shù)據(jù)以沱沱河、五道梁、曲麻萊、玉樹、清水河、治多6個氣象站1961～2018年逐日氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用克里金插值法計算加權(quán)平均值[22]，得到1961～2018年流域面平均降水量、平均氣溫。

本文采用改進(jìn)加里寧法進(jìn)行河川基流分割，該方法具體原理及計算步驟詳見參考文獻(xiàn)[9]。采用雙累積曲線法研究基流變化的影響程度。繪制基流和氣象因素之間的雙累積曲線，分析雙累積曲線的斜率變化。若斜率發(fā)生了轉(zhuǎn)折，表明氣象因素在基準(zhǔn)期和變化期的一致性發(fā)生變化，從而影響了基流。將變化期的數(shù)據(jù)帶入基準(zhǔn)期的擬合關(guān)系式中，可得到變化期內(nèi)逐年基流量的理論值。實測值與理論值之差即為該氣象因素對基流的影響值，從而得出不同氣象因素對基流的影響程度。

2 結(jié)果與討論

2.1 基流計算結(jié)果及比較分析

采用改進(jìn)加里寧法對長江源區(qū)直門達(dá)水文站1957～2020年實測徑流進(jìn)行基流分割，得到逐年基流量，成果如圖2所示。經(jīng)分析計算，長江源區(qū)直門達(dá)水文站1957～2020年多年平均河川基流為53.4億 m3，多年平均基徑比(基流量比徑流量)為0.4。基流年內(nèi)分配差別較大，其中豐水期6～9月基流量約占全年基流總量的70%以上，枯水期約占全年基流總量的30%左右，其中12月至次年3月河川徑流基本上以基流補(bǔ)給為主，基徑比在0.9以上。將本次計算結(jié)果與第三次全國水資源調(diào)查評價1956～2016年河川基流量成果進(jìn)行比較(見圖2)，該成果采用斜割法和加里寧法[10]計算得到。從圖2中可見兩者變化規(guī)律及趨勢基本吻合，表明本次采用改進(jìn)加里寧法計算的長江源區(qū)河川基流成果合理，也與現(xiàn)有研究成果基本相符[13，23]。

圖2 改進(jìn)加里寧法計算的基流量與已有成果對比

2.2 長江源區(qū)徑流與基流的年際變化

采用滑動平均法與Mann-Kendall非參數(shù)檢驗研究長江源區(qū)徑流與基流的年際變化規(guī)律。如圖3所示，分別為直門達(dá)水文站年徑流量與年基流量的滑動平均曲線和Mann-Kendall曲線。從圖3中可見，兩者的變化規(guī)律基本一致，總體上呈現(xiàn)振蕩上升的趨勢，兩者均在1960年代、1980年代、2008年以后較均值偏豐，1970年代、1990年代較均值偏枯。1957～2020年整體線性傾向率分別為0.801億m3/a和0.312億m3/a，說明徑流增加的幅度較基流更為明顯。Mann-Kendall曲線在2008，2014年和2017年出現(xiàn)交叉，即從2008年左右發(fā)生突變，表明2008年之后長江源區(qū)徑流和基流均開始突變增加。采用Mann-Kendall檢驗、Spearman檢驗對直門達(dá)水文站年徑流和年基流量變化趨勢進(jìn)行檢驗，成果列于表1。在顯著性水平α=0.05下，Uα/2=1.96，rs=0.213，兩者均呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢。

圖3 直門達(dá)水文站年徑流量與年基流量的滑動平均曲線與Mann-Kendall曲線

表1 直門達(dá)水文站年徑流量與年基流量變化趨勢檢驗結(jié)果

2.3 氣象因素對基流的影響分析

影響基流的因素眾多，包括下墊面條件、氣象因素、流域蒸散發(fā)、人類活動影響等[1]。直門達(dá)以上的長江源區(qū)，受人類活動影響較小，下墊面條件改變不大，因此本次研究重點關(guān)注氣象因素對基流的可能影響。陳利群等[24]在研究黃河源區(qū)基流變化特征時，發(fā)現(xiàn)降水與基流具有很好的相關(guān)關(guān)系，年降水量決定年基流量，而氣溫同時也影響基流。因此，本文選取降水量、氣溫兩種氣象要素進(jìn)行分析。

首先分析降水量、氣溫1961～2018年的變化規(guī)律。繪制1961～2018年降水量、氣溫的Mann-Kendall曲線(見圖4)，降水量、氣溫突變點分別發(fā)生在2007年和1999年，與現(xiàn)有研究成果結(jié)論一致[21]。根據(jù)Mann-Kendall非參數(shù)檢驗結(jié)果，以突變年份為界將時間系列分為前后兩個時期，繪制降水量和氣溫單累積曲線圖，如圖4所示。從圖4中可知，長江源區(qū)的降水、氣溫均呈現(xiàn)顯著的上升趨勢。降水突變增加的時間點與徑流和基流突變時間較為接近。由表2可知：2008～2018年長江源區(qū)降水量在變化期內(nèi)增加幅度為5.4 mm/a；氣溫在1999年前后發(fā)生突變上升，變化期內(nèi)升溫幅度為0.07 ℃/a，表明長江源區(qū)近20 a來整體呈現(xiàn)暖濕化趨勢。

圖4 長江源區(qū)降水量、氣溫的單累積曲線和Mann-Kendall曲線

表2 長江源區(qū)氣象因素的累積量斜率及均值變化

在分析氣象因素突變規(guī)律后，繪制基流與氣象因素之間的雙累積曲線，由此討論氣象因素對基流的可能影響。圖5為降水量、氣溫與基流量之間的雙累積曲線，繪制基準(zhǔn)期和變化期的線性擬合曲線，不同時期R2均在0.98以上，表明擬合精度較高。從圖5(a)可見，基流與降水量相關(guān)程度最好，兩者在變化期內(nèi)偏離程度并不大，表明基流增加與降水增加之間存在密切的關(guān)聯(lián)性，主要原因是由于降水引起的徑流增加從而導(dǎo)致基流增加。圖5(b)為基流與氣溫的雙累積曲線，2000年以后氣溫突變升高使得基流增加，由此導(dǎo)致基流發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)折，表明對于長江源區(qū)，基流受氣溫變化影響較為敏感。

圖5 長江源區(qū)降水量、氣溫與基流量之間的雙累積曲線

依據(jù)變化期的累積降水量、累積氣溫，采用基準(zhǔn)期的線性擬合關(guān)系計算出變化期的理論基流累積量，同時計算出變化期內(nèi)的年均影響值，成果見表3。從表3中可見，長江源區(qū)氣溫升高、降水增加均對基流產(chǎn)生影響，其中氣溫升高使得基流增加達(dá)33.5億m3/a，由降水增加使得基流增加幅度為6.5億m3/a。

表3 長江源區(qū)氣象因素對基流的影響程度

氣候變化對基流的影響機(jī)制十分復(fù)雜。降水對基流的影響是最直接的，由于降水是河川徑流的主要來源，因此降水增加直接造成地下水補(bǔ)給量增加[13，25-27]。關(guān)于氣溫對基流的影響，雖然物理機(jī)制尚不明確，但與長江源區(qū)特殊的地理環(huán)境和基流形成機(jī)制緊密相關(guān)。長江源區(qū)地處高海拔寒區(qū)，氣溫影響長江源區(qū)內(nèi)廣布的冰川、積雪、凍土、濕地、湖泊和河流。根據(jù)現(xiàn)有成果，進(jìn)入21世紀(jì)以來，長江源區(qū)的徑流量隨著溫度升高和降水增加逐漸增大，且隨溫度增加其變化趨勢增大，可能與長江源區(qū)徑流受冰川、積雪和凍土影響有關(guān)[20，25]。長江源區(qū)氣溫升高有助于冰川和積雪融化，對徑流的補(bǔ)給起到促進(jìn)作用，特別是2001年之后徑流的顯著增加跟溫度急劇上升導(dǎo)致的冰川和積雪融水關(guān)系密切[26]。隨著全球變暖，青藏高原溫度升高，位于青藏高原腹地的長江源區(qū)氣溫顯著升高，以冬季氣溫升高幅度最大[25]。冬季氣溫與基流量存在一定關(guān)聯(lián)，冬季氣溫升高，使得冰雪消融和土壤凍結(jié)推后，凍土退化、釋放地下水，補(bǔ)給河流，同時凍土活動層厚度增加，季節(jié)性凍結(jié)減少，土壤凍融的變化加強(qiáng)了水分向地下的遷移，使得基流增多[13，26]。

3 結(jié)論與展望

針對氣候變化背景下長江源區(qū)徑流變化事實，本文采用改進(jìn)加里寧法計算長江源區(qū)河川基流，在此基礎(chǔ)上分析基流變化規(guī)律，探討影響基流變化的氣象因素及相應(yīng)的影響程度。研究結(jié)果表明：

(1) 長江源區(qū)直門達(dá)水文站基流變化規(guī)律與徑流變化基本同步，兩者在總體上呈現(xiàn)振蕩上升的趨勢，2008年之后長江源區(qū)基流和徑流均開始突變增加。

(2) 分析基流與降水量和氣溫之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，長江源區(qū)近20 a來整體呈現(xiàn)暖濕化趨勢，源區(qū)降水增加和氣溫升高均對基流增加產(chǎn)生影響?；髟黾邮芙邓绊戄^大，同時對氣溫變化較為敏感。

(3) 基流的影響因素眾多，長江源區(qū)基流變化與氣象因素之間的聯(lián)系非常復(fù)雜。本文僅從統(tǒng)計分析角度初步分析了降水和氣溫要素對基流的影響。由于降水是河川徑流的主要來源，降水增加直接造成地下水補(bǔ)給量增加，而氣溫升高有助于冰川、積雪和凍土融化，對基流的補(bǔ)給起到促進(jìn)作用。后期將建立寒區(qū)水文模型，從物理機(jī)制角度進(jìn)一步研究長江源區(qū)基流變化的作用機(jī)理。