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黄河源区径流演变研究进展

王道席 田世民 蒋思奇 董晓宁 李志威 张丽

责任编辑:范江涛 来源:

  黄河源区是黄河流域重要的产流区和水源涵养区,年径流量占黄河流域径流量的三分之一左右,对流域水资源安全具有重要意义。本文总结了近20年发表的有关黄河源区径流演变特征及其影响因素的相关文献,对研究成果进行了系统梳理、总结和对比。各研究成果在黄河源区径流整体变化趋势上具有一致性,近几十年黄河源区径流总体呈下降趋势,且存在丰枯交替的演变特征,径流年内分配不均,存在不同时间尺度的周期性变化,未来一定时期黄河源区径流仍将有所下降。但在径流演变驱动机制方面存在一定的分歧,气温和蒸发对径流变化的影响机制仍不明确,未来径流变化的定量预测仍存在差异。基于此,未来应注重开展黄河源区径流演变驱动机制、空间特征及未来趋势等方面的研究,为黄河源区水源涵养能力提升提供支撑。

  黄河源区指唐乃亥水文站以上的黄河流域,面积约12.2万平方千米,约占黄河流域总面积的17%,年均径流量198.2亿立方米(1956年~2017年),占黄河流域年径流量的34.1%。黄河源区是黄河流域的重要产水区和水源涵养区,对黄河流域水资源演变具有重要影响。黄河源区干支流共有水文(位)测站13个,其中:干流有扎陵湖、鄂陵湖、黄河沿、吉迈、门堂、玛曲、军功、唐乃亥8个水文站,支流有久治、黄河、唐克、若尔盖、大水5个水文站。近几十年来,在气候变化和人类活动的共同影响下,黄河源区径流发生了显著变化。一方面,在全球气候变暖的大背景下,黄河源区的冰川、冻土等水源涵养单元发生了显著变化;另一方面,随着黄河源区经济社会的发展,人类活动不断增强,影响了源区草原、湿地等生态格局,进而对源区径流产生了较大影响。

  国内外许多研究者对黄河源区的径流变化及其影响因素进行了研究,然而,由于不同的研究者在开展研究过程中,选取的水文站点及个数不同、依据的水文数据系列长度不同及采用的分析方法不同,因此有关黄河源区径流在不同区域(空间尺度)和不同时期(时间尺度)的变化特征的研究成果存在一定的差异,在某些方面未形成统一的认识。习近平总书记于2019年9月提出了黄河流域生态保护和高质量发展这一重大国家战略,并提出黄河上游要以三江源、祁连山、甘南黄河上游水源涵养区等为重点,推进实施一批重大生态保护修复和建设工程,提升水源涵养能力。水源涵养能力涉及下垫面、河流、湖库、植被、冰川冻土等各种因素,其中径流变化是反映水源涵养能力的一个重要指标,对于认识和评估黄河源区水源涵养能力具有重要的参考价值。因此,有必要对当前有关黄河源区径流变化的研究成果进行系统梳理,全面认知黄河源区径流变化特征及仍存在争议的研究领域,为下一步深入开展黄河源区径流变化研究、提升黄河源区水源涵养能力、推进重大国家战略实施等提供支撑。

国内外相关研究文献概况

  笔者通过中国知网、Springer Link 外文期刊数据库、EI Village 美国工程索引库、SCI、SSCI 引文索引库等中外文资源索引库以“黄河源区、径流”“Yellow River source,runoff”为关键词搜索查找到关于黄河源区径流变化的文献,并对这些研究文献进行了详细阅读,总结了以下研究文献的主要特点。

  在空间分布上,国内外已开展的研究采用的主要是黄河沿、吉迈、玛曲、唐乃亥这4 个干流水文站的径流系列,部分文献对干流门堂、军功及支流大水、唐克水文站的径流系列进行了研究。唐乃亥水文站是黄河源区的把口水文站,使用唐乃亥水文站水文资料进行径流分析的文献有140 篇,占72%;同时,使用黄河沿、吉迈、玛曲、唐乃亥4水文站径流系列的文献有33 篇,占17%。在时间尺度上,大部分文献中依据的径流系列在1956年~2012 年之间。

  研究主要集中在径流变化特征、影响因素以及径流模拟和预报等方面。在径流变化特征方面采用的研究方法主要有趋势分析、突变检验、周期性和基流分割。趋势分析有线性趋势、滑动平均法、累积距平法、MK趋势分析法、多项式分析、有序聚类法等,突变检验有Spearman 秩次相关法、MK突变检验、R/S 法、滑动t检验法、聚类分析等,周期性分析主要使用小波方法,基流分割用到加里宁法、数字滤波法、经验斜割法、基流指数(BFI)法、时间步长(HYSEP)法、PART 法等。径流模拟和预报研究的主要方法有多元回归分析、人工神经网络、ARMA模型、SWAT 模型、VIC模型、ELMAN神经网络模型、WEP-L模型、小波神经网络、基于Schreiber 公式的径流驱动模型、SDSM降尺度模型、新安江(XAJ)模型、TOP 模型、HBV模型、多变量拟合预测模型、周期均值叠加法预测模型、数字流域模型、周期外延叠加法、自适应神经模糊推理系统(ANFIS)模型等。径流变化和影响因子之间的关系研究主要采用相关分析、互谱分析、双累积曲线、贡献率分析、累积量斜率变化率分析法等。在上述方法中,使用频率最多的是MK 检验和小波分析,反映出这两种方法在径流系列分析中的应用具有广泛性。

黄河源区径流演变研究成果

  1.年际变化

  (1)整体演变趋势。径流年际变化包括趋势、突变年份和周期3个方面,通过查阅上述文献,所有研究结果一致认为,在过去几十年内,黄河源区径流量整体呈下降趋势,源区上游黄河沿水文站年径流系列年际波动剧烈,变差系数CV值较大,而下游玛曲、唐乃亥水文站径流年际波动小,年径流系列的CV值较小。

  (2)突变年份。研究者通过不同的检验方法,均得到黄河源区径流的突变年份在1990年左右,并以1990年为界限,将1990年以前的时段作为基准期,把黄河源区径流系列划分为基准期的上升阶段和变异期的下降阶段,并对两个阶段的降水和气温的年际变化进行了分析。

  (3)周期变化。对周期变化的分析多采用小波分析方法,以径流年份的“一丰一枯”作为一个周期,不同的研究中基于不同系列长度的径流数据,研究得出源区径流存在4年~8年的小尺度周期、15年~23年的中尺度周期和36年~42年的大尺度周期变化。1959年~1979年、1965年~2000年、1970年~1997年、1993年~2010年分别存在4年、8年、6年~7年、5年的小尺度周期;1956年~2012年存在23年的中尺度周期,经历了“丰—枯—丰—枯—丰”的交替变化;1920年~2007年存在36年的大尺度周期,经历了“枯—丰—枯—丰—枯”的变化过程。1956年~1963年、1977年~1990年和2005年~2012年为丰水时段,1964年~1976年和1991年~2004年为枯水时段。黄河源区径流过程存在不同尺度的丰枯变化,研究者对黄河源区丰水期和枯水期的判断较为一致。

  在黄河源区径流年际变化方面,不同研究者的研究成果基本一致,均认为黄河源区径流在过去几十年内总体呈下降趋势,径流的突变年份在1990年左右,1990年前呈增大趋势,之后呈减小趋势,源区径流存在3个不同尺度的周期变化。与流域其他区域相比,黄河源区受人类干扰相对较小,径流变化基本反映了自然演变过程。Tian等对黄河上游干流主要水文站的径流系列进行还原并分析后,得出天然情况下其突变年份在1995年左右,表明黄河流域天然径流量突变年份应在20世纪90年代。

  2.年内变化

  径流年内变化分为年内分配和年内各时段多年变化两部分。黄河源区径流年内分配极为不均,主要集中在汛期(6月~10月),唐乃亥水文站汛期径流量占全年的71%。源区年内径流存在单峰和双峰两种峰型,双峰分别出现在7月和9月,其中20世纪90年代前,源区径流年内分布为双峰型,之后演变为单峰型,如唐乃亥水文站20世纪60年代至80年代年内均存在两个洪峰,至20世纪90年代峰型转为单峰型,仅剩下7月的洪峰,2000年后9月洪峰高度稍有恢复,但仍未恢复至90年代之前的洪峰高度。该研究成果与源区径流年际变化趋势研究成果一致,均表明20世纪90年代为黄河源区的枯水期。

  张建云等对黄河源区1956年~2018年各月径流进行趋势检验,结果表明6月和12月径流量呈上升趋势,其余10个月的径流量呈现下降趋势,其中5月、8月和9月的径流下降幅度较大。在径流年内分布上,汛期径流量减少较为显著,并导致源区10月~12月多年平均月径流减少。

  在黄河源区径流年内分布方面,当前研究成果普遍认为,黄河源区径流主要集中在汛期,存在单峰和双峰两种峰型,20世纪90年代之前为双峰型分布,之后为单峰型分布,2000年之后9月的峰值有所恢复,但仍低于90年代之前的峰值。汛期径流量呈下降趋势,其中8月和9月下降幅度大于其他月份。

黄河源区径流变化原因研究成果

  1.径流演变对气候变化的响应

  气候变化是黄河源区径流变化的重要影响因素,研究认为黄河源区蒸发和降水对径流变化的贡献率为87.9%。径流对气候变化的敏感度自上游至下游逐渐增大,降水控制短期内的径流变化,温度则决定了径流的长期变化趋势。

  1.1降水对径流演变的影响

  降水是影响径流的重要因素,近几十年来,黄河源区降水表现出冬季显著增多、秋季略有减少的特征,源区东南部是降水最多的区域。与降水总量相比,降水类型及空间变化对径流变化影响更大,与20世纪70年代相比,90年代降水量变化不大,但径流量显著减少,主要原因是90年代强降水时数减少,弱降水时数增多,降水强度显著减弱。关于降水对黄河源区径流变化的影响,主要有两种观点。

  (1)径流演变和降水变化具有同步性。研究者对黄河源区降水和径流进行相关分析,通过对比降水和径流的年际变化曲线,认为降水和径流有一致的波动特征,1961年~2005年降水和径流的丰枯变化统计表明,丰、平、枯同步的年份占60%,径流的丰枯变化很大程度上取决于降水的丰枯变化。另外,通过分析降水和径流的变异系数发现,径流的变异系数大于降水的变异系数,认为降水变化会使径流变化得到放大。

  (2)径流演变对降水变化的响应具有滞后性。有的研究者对源区径流和降水的年内分布特征进行了分析,发现秋季径流对降水的敏感度最大,且具有一定的滞后性。8月降水对9月径流的影响大于对当月径流的影响,20世纪90年代9月洪峰消减是8月降水减少导致的。此外,互谱分析的结果也表明,径流的变化滞后于降水的变化。

  通过对相关研究文献的分析发现,研究者均认为径流对降水的影响具有极强的依赖性,尤其是降雨强度和空间分布对径流影响更大。上述两种研究成果其实并不矛盾,从年际变化上看,降雨对径流的影响是同步的,但从年内分布来看,径流变化对降水的影响具有一定的滞后性。降水是影响径流量变化的重要因素。

  1.2气温对径流演变的影响

  除降水外,影响径流变化的因素还有气温、蒸发、下垫面等,黄河源区气温在过去几十年里总体表现为上升趋势,1961年~2014年气温以每10年0.36℃的速率上升。空间上从西部向东部,从中部向北部、东南部地区上升幅度逐渐升高,其中黄河源区北部地区升温幅度最大。温度升高是黄河源区蒸发量上升的主导因素,气温每升高1℃,黄河源区的蒸散发量将提高5%~10%,1979年~2014年黄河源区除西南部外其他地区蒸散发量呈上升趋势,20世纪90年代东南部蒸散发量显著增大,其中年内响应最为强烈的是秋季,同时,东南部降水减少,共同导致了20世纪90年代黄河源区径流量的减少。

  关于气温、蒸发、径流三者之间的相互作用机制,现有的研究成果之间存在一定的差异。从现有的研究成果来看,气温升高对源区径流变化的影响主要体现在3个方面:一是气温升高导致蒸发量增大,从而引起径流量减少;二是气温升高促进冻土和冰雪消融,并补充径流量;三是气温升高引起冻土消融后使得土壤下渗能力增强,导致径流量减少。

  有的研究者认为气温升高导致了黄河源区径流减少的长期变化趋势,也有研究者认为气温对径流的影响并不像降水量那么直接,气温通过其他方式间接对径流产生影响,气温升高与径流量减少之间的关系不可片面推测,需要从多个角度全面分析。还有的研究者认为气温与径流变化之间并无关系,20世纪90年代黄河源区径流量偏少与气温的关系不大。因此,在气温、蒸发和径流三者之间的关系方面亟待开展深入的研究。

  2.径流演变对下垫面变化的响应

  20世纪60年代以来,黄河源区下垫面不断发生变化,冰川冻土退化、植被覆盖度变化、湖泊湿地萎缩等,均对黄河源区的径流变化产生了一定影响。资料显示阿尼玛卿山冰川在LIA(小冰期最盛期)、1966年、2000年的面积分别为147.8平方千米、125.5平方千米、103.8平方千米,1966年~2000年冰川面积萎缩了17.3%,冰川储量亏损2.66立方千米,冰川水资源损失23.9×108立方米。

  20世纪60年代至90年代气温不断升高,加速了黄河源区冻土退化,约有3.1万平方千米的多年冻土转化为季节冻土。冰川冻土演变对黄河源区径流年内分配也有较大影响。在多年冻土覆盖率大于40%的区域,多年冻土退化对径流的影响比较显著,冻土退化导致流域退水过程减缓,冬季径流增大,与前述张建云院士的研究成果一致。1978年~2016年气温不断升高,导致融雪提前,与之前相比,源区3月径流呈增大趋势,4月~5月径流有减小趋势。同时,部分多年冻土转变为季节冻土,当春季气温回升后,冻土层和上层积雪开始消融补充径流,到5月活动层完全消融后土壤孔隙增大,下渗增强,一部分径流需要补充地下水,其余部分产流,导致6月径流系数为全年最低。

  人类活动是导致黄河源区植被退化的重要因素,20世纪70年代到80年代,源区牲畜数量达到近几十年的最高峰,过度放牧导致草地承载力下降,再加上气温升高导致的鼠类大量繁殖,使得草地加速退化。植被覆盖度降低加剧了土壤蒸散发,从而影响了源区的产流特性。而从20世纪80年代后期开始,受植被退化、土地沙化、土壤蒸散发量增大等影响,冰川冻土消融对径流的补给作用逐渐变弱。2005年,我国开始实施三江源生态保护和建设一期工程,植被情况明显好转,天然草地植被覆盖度为69%~83%,与工程修复前相比,唐乃亥水文站年径流量增加了36.9亿立方米,吉迈水文站增加了17.1亿立方米。

  从目前研究成果来看,气候变化对黄河源区径流有着显著影响,其中降水对径流变化的影响最显著,在年际变化上,降水变化和径流演变具有一致性,在年内分配上,径流演变对降水变化的响应具有滞后性。当前有关气温、蒸发和径流三者之间的关系还存在一定分歧,是下一步开展黄河源区径流变化原因分析的重点内容。下垫面变化对径流的影响主要包括冰雪冻土的消融对径流的补给,以及植被破坏引起下渗和土壤蒸散发增强,从而导致径流补给作用减弱。进入21世纪以来,国家三江源生态修复计划使得源区水源涵养量增大,径流有所恢复。

黄河源区径流演变趋势研究成果

  基于对中外文献的系统整理,目前关于黄河源区径流预测的方法主要分两种:一种是基于历史径流数据波动特征及变化趋势对已有资料进行延伸的时间序列预测方法;另一种是将未来可能发生的气候情景代入调整好的水文模型中实现径流预测。预测的未来时期主要集中在21世纪内。虽然不同的研究者采用的预测方法不同,但从各方法预测的结果来看,与20世纪90年代前(径流突变前)相比,未来一定时期黄河源区径流量均呈减少趋势,但在减少幅度上,不同的研究者得出的结论有差异。部分研究者将预测的径流量与1920年~2012年、1981年~2000年径流系列相比,得出了径流略有增大的结论,其原因可能是该系列包含了20世纪90年代的枯水系列。

讨论

  黄河源区作为黄河流域的重要产水区和水源涵养区,得到了国内外研究者的普遍关注,学者们取得了一系列研究成果。从目前的研究成果来看,研究者在黄河源区径流演变特征包括径流演变趋势、丰枯时期、突变年份以及周期特征等方面有着普遍共识;在源区径流未来演变趋势方面,相关研究成果也较为一致,均认为未来黄河源区径流与20世纪90年代前相比呈减少趋势;但在径流变化的原因上还存在一定的分歧,尤其是有关气温、蒸发和径流关系的研究。

  目前开展的黄河源区径流演变特征研究,研究区域主要集中在干流区域,对径流演变特征的分析主要以时间序列的演变特征为主,但在径流演变空间分布特征以及干支流演变特征对比等方面的研究涉及得较少。习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上指出,黄河上游要以三江源、祁连山、甘南黄河上游水源涵养区等为重点,推进实施一批重大生态保护修复和建设工程。厘清黄河源区径流演变的空间特征及驱动机制,对于有针对性地开展水源涵养能力提升工程、生态保护修复和建设工程等具有重要意义。针对当前有关气温、蒸发和径流演变关系研究存在的差异,还需要在当前研究的基础上开展更为深入的研究,揭示黄河源区径流演变的驱动机制,为源区水源涵养能力提升提供支撑。同时,黄河源区未来径流演变趋势关系到黄河流域的水资源优化配置,虽然当前研究均认为未来径流量会有所减少,但在减少幅度上还存在差异,仍需基于黄河源区径流演变的机制,通过开展综合研究和分析,给出科学合理的黄河源区未来径流变化情势和定量变幅,为黄河流域水资源优化配置和节约集约利用提供支撑。

结论

  通过梳理黄河源区径流演变的国内外研究文献,对黄河源区径流演变研究成果进行系统总结,对当前研究成果的一致性和差异性进行分析和评述,并对未来黄河源区径流演变的研究方向提出初步建议。

  第一,自20世纪60年代以来,黄河源区径流量整体呈减少趋势,径流演变过程经历了“丰—枯—丰—枯—丰”的变化,其中20世纪90年代径流量减少幅度最大。2012年以来,黄河源区径流量呈现增多的特点。黄河源区径流突变年份在1990年左右,20世纪90年代之前,径流年内分布呈现双峰型,之后呈单峰型,9月洪峰消失。

  第二,气候变化和人类活动引起的下垫面变化共同影响着黄河源区的径流演变,年际尺度上径流变化与降水变化过程一致,年内尺度径流变化滞后于降水变化。下垫面变化影响了黄河源区水源涵养能力,并引起径流量年际和年内的变化。研究者对温度、蒸发和径流之间关系的研究成果仍存在一定的分歧,表明黄河源区径流演变机制仍未形成共识。

  第三,需继续开展黄河源区径流演变驱动机制、径流空间演变特征及未来演变趋势等方面的研究,为黄河源区生态保护修复和建设工程谋划布局,为水源涵养能力提升、流域水资源优化配置和节约集约利用等提供支撑,保障黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的实施。

编辑:李银鸽 范江涛


发布时间:2020年10月20日
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