1956—2012年黄河源区径流变化特征分析

苏中海++陈伟忠

摘要 以黄河源为研究区，采用集中度、集中期、线性倾向估计、Mann-Kendall突变检验等方法，研究了黄河源区径流的年内、年际、年代际趋势性变化，突变点检测。结果表明：黄河源区上游1956—2012年径流量总体呈弱增加趋势，下游呈弱减少趋势，上游径流量年际变化较下游剧烈。黄河源径流集中度主要集中在40%～60%，上游集中度高于下游。集中期主要分布在7月下旬到8月下旬且有提前趨势。21世纪以来，黄河源径流上游偏丰，下游偏枯。吉迈站年径流量突变点发生在1988年、2008年。玛曲站和唐乃亥站年径流量突变均发生在1991年。

关键词 黄河源区；径流；变化特征；1956—2012年

中图分类号 P339 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）22-0178-03

Abstract Based on the source region of the Yellow River as research area，using concentration，concentrated period，the linear trend estimation，Mann-Kendall mutation testing，runoff during the year，interannual and interdecadal trend changes，and sudden change detection were studied. Results showed that during 1956-2012，the runoff increased slightly in upstream of source region of Yellow River，and decreased slightly in downstream，and interannual variability of upstream was drastically compared with downstream. Runoff concentration was mainly concentrated in 40%～60%，and concentration of runoff in upstream was higher than that in downstream. Concentrated period of runoff was mainly distributed from late July to late August，and this trend became much earlier. Since the 21 Century，runoff was abundant in upstream of source region of Yellow River，and low in downstream. Annual runoff sudden change at Jimai Station occurred in 1988 and 2008，and at Maqu Station and Tangnaihai Station，annual runoff sudden changes all occurred in 1991.

Key words source region of Yellow River；runoff；change characteristics；1956-2012

黄河发源于青海省巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地。本文研究范围为唐乃亥水文站以上流域，位于青藏高原腹地，面积12.20万km2。黄河源区是整个黄河起始地，其水资源状况和变化对西部地区和中、下游地区的资源环境有重要影响[1-2]。近年来，研究黄河源径流的论著较多。郑红星和刘昌明[3]采用1952—1997年月天然径流资料，从年内分配不均匀系数、集中度和集中期、变化幅度等角度分析了黄河源区径流年内分配变化规律；张少文等[4]采用1724—1997年的年径流资料，利用小波分析展示了在不同时间尺度下黄河上游年径流丰、枯变化过程；杨建平等[5]采用两期遥感影像资料分析了冰川变化及其对河川径流的影响；贾仰文等[6]应用WEP-L模型分析了气温和降水变化对黄河源区年、月径流过程的影响；赵仁荣等[7]采用1956—1997年径流数据采用斯波曼秩次相关法分析了黄河源区20世纪60年代以来径流变化情况，并从降水、气温、下垫面等影响因素定性探讨了黄河源区径流变化原因。随着2005年一期三江源生态保护和建设工程的实施，源区生态状况明显好转。同时，在全球气候变化的背景下，青藏高原出现暖湿化特征。气候变化和人类活动对黄河源区水资源和生态环境的影响已成为社会日益关注的焦点和研究的热点问题。河川径流的变化特征影响社会系统的安全和生态系统的健康。因此，多角度认知黄河源区最新的径流变化特征显得更为迫切。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源与处理

本研究收集到黄河水利委员会水文局4处黄河干流长系列站点（黄河沿、吉迈、玛曲、唐乃亥4处水文站）1956—2012年径流资料。黄河沿站由于受上游扎陵湖、鄂陵湖的影响比其他三站严重，径流数据难以反映上游产流情况，故未采用。

1.2 研究方法

1.2.1 径流集中期和集中度的计算。集中期是最大径流量出现的时段，反映全年径流量集中月份，以径流向量合成后的方位进行计算。径流集中度是反映径流量在年内的集中程度的指标，通过各月径流量向量累加的合成量占全年总量的比例来计算。

本文对径流集中度和集中期进行概化处理（表1），设0°为1月径流向量的位置，30°为2月径流向量的位置，以此类推[8]。集中期出现的时间按照其代表月份的起始角度来计算。

1.2.2 线性倾向估计法。以xi为因变量，样本量为n，建立xi与ti之间的一元线性回归方程：

xi=a+bti（i=1，2，…，n）

式中，xi为某一变量，a为回归常数，ti为时间，b为回归系数（其符号表示变量x的趋势倾向）；a和b利用最小二乘法进行估计[9]。采用t检验法对拟合优度R2进行显著性检验，确定变量x与时间t之间线性变化趋势是否显著。取显著性水平α1=0.05，n=57，查表得临界值rα1=0.271，則r2α1=0.073 4。取显著性水平α2=0.001，n=57，查表得临界值rα2=0.439，则r2α2=0.192 7。

1.2.3 突变检验。采用Mann-Kendall法（The sequential vers-ion of the Mann-Kendall test）对突变现象进行检验，确定其时间序列上的变化趋势和突变点[10]。在此基础上，Sneyers[9]发展了改进的方法，可以检测水文气象要素且精度较高[11]。其基本原理如下：对于一个时间序列数据X={x1，x2，x3，…，xn-1，xn}，假设该序列无趋势，并构造统计变量dk，其计算方法如下：

产生的随机序列dk（2≤k≤N）近似的服从正态分布，其期望值E（dk）和方差Var（dk）为：

根据以上假设，计算统计变量UF（dk）：

然后将以上过程运用于X的逆序列X′={x1，x2，x3，…，xn-1，xn}，再重复以上过程产生UF′（dk），计算UB（dk）：

最后将获得的UF（dk）和UB（dk）以正向时间序列绘制曲线UF和UB；在显著性水平下α=0.05时，若曲线UF超过置信区间UF=±1.96，说明存在显著的向上或向下的趋势；若曲线UF和UB在置信区间内相交，该交点为突变点[12-13]。

1.2.4 模比系数差积曲线。差积曲线法是将每一年的系列资料与多年平均系列资料的离差逐年依次累加，然后绘制这种差值与时间的关系曲线进行周期分析。而系列第i年的模比系数等于这年的系列资料与多年平均系列资料的比值。模比系数差积曲线法的基本特点：曲线上一个完整的上升段表示一个丰水期。曲线上围绕一个数值小范围的波动，这一段时间过程表示一个平水期，一个完整的下降段则表示一个枯水期。经分析整理模比系数差积公式为：

Zi=Zi-1+（ki-1）

式中，Zi—系列第i年的差积值。

2 结果与分析

2.1 径流量的时间变化

2.1.1 集中度和集中期的年变化。黄河源上下游站点径流集中度主要集中于40%～60%，上游集中度高于下游。吉迈站和唐乃亥站集中度有弱减少趋势，变化倾向率分别为 -0.795、0.334/10年，说明年内分配更趋均匀；而玛曲站集中度有弱增加趋势，变化倾向率为0.084/10年，年内分配更趋不均匀。集中期主要分布在7月下旬到8月下旬且有提前趋势，吉迈站、玛曲站、唐乃亥站变化倾向率分别为-1.850、 -1.147、0.732 d/10年（图1）。

2.1.2 径流量年际变化。黄河源区吉迈站1956—2012年径流量呈弱增加趋势，变化倾向率为1.327亿m3/10年；玛曲站和唐乃亥站年径流量呈弱减少趋势，变化倾向率分别为 -1.448亿m3/10年和1.65亿m3/10年。黄河源上游径流量年际变化较下游剧烈，上游吉迈站年径流量极值比为4.2，变差系数Cv为0.41，而下游玛曲站和唐乃亥站年径流量极值比均为3.1，变差系数0.27左右（图2、表2）。

2.1.3 年代际变化。从年代级时间尺度看，20世纪60年代黄河源上游吉迈站径流量与多年均值接近，处于平水期，而下游的玛曲、唐乃亥站偏丰。70年代，吉迈站径流量偏丰；玛曲站和唐乃亥站处于平水期。80年代黄河源区整体处于丰水期；而90年代整体处于枯水期。新世纪以来，上游站吉迈站偏丰，下游两站偏枯（表3）。

2.2 突变分析

根据Mann-Kendall突变检验，吉迈站UF和UB的交点有8个，但前3个交点和后2个交点，距离系列的起始和终止年份很近，突变不明显，而中间2个突变点距离很近，判断应为一个突变点，综合分析突变发生在1988年、2008年。玛曲站年径流量突变点发生在1991年。唐乃亥站年径流量突变点发生在1991年。黄河源径流上下游突变并非一致，在1990年左右黄河源发生了突变。进入新世纪，上游吉迈站在2008年发生突变，下游站点未发生突变（图3）。

3 结论

（1）黄河源径流集中度主要在40%～60%，上游集中度高于下游。集中期主要分布在7月下旬到8月下旬且有提前趋势。

（2）黄河源区吉迈站1956—2012年径流量呈弱增加趋势；玛曲站和唐乃亥站年径流量呈弱减少趋势。黄河源上游径流量年际变化较下游剧烈，上游吉迈站年径流量极值比为4.2，变差系数Cv为0.41，而下游玛曲站和唐乃亥站年径流量极值比均为3.1，变差系数0.27左右。

（3）20世纪60年代上游径流处于平水期，而下游偏丰。70年代，上游偏丰；下游处于平水期。80年代整体处于丰水期；而90年代整体处于枯水期。21世纪以来，上游偏丰，下游偏枯。

（4）吉迈站突变发生在1988年、2008年。玛曲站、唐乃亥站突变均发生在1991年。

4 参考文献

[1] IMMERZEEL W W，VANBEEK L P，BIERKENS M F.Climate Change Will Affect the Asian Water Towers[J].Science，2010，328（5984）：1382-1385.

[2] WU Q B，ZHU Y L，LIU Y Z.Evalation model permafrost thermal stability and thawing sensibility under human activity[J].Clod Regions Science and Technology，2002，34（1）：19-30.

[3] 鄭红星，刘昌明.黄河源区径流年内分配变化规律分析[J].地理科学进展，2003，22（6）：585-590.

[4] 张少文，丁晶，廖杰.基于小波的黄河上游天然年径流变化特性分析[J].四川大学学报（工程科学版），2004，36（3）：32-37.

[5] 杨建平，丁永建，刘时银，等.长江黄河源区冰川变化及其对河川径流的影响[J].自然资源学报，2003，18（5）：595-603.

[6] 贾仰文，高辉，牛存稳，等.气候变化对黄河源区径流过程的影响[J].水利学报，2008，39（1）：52-58.

[7] 赵仁荣，陈海潮，朱松立，等.黄河源区径流变化及原因分析[J].人民黄河，2007，29（4）：15-16.

[8] 刘贤赵，李嘉竹，宿庆，等.基于集中度与集中期的径流年内分配研究[J].地理科学，2007，27（6）：791-795.

[9] SNEYERS R.On the use of statistical analysis for the objective determination of climate change[J].Meteorologische Zeitschrift，1992（1）：247-256.

[10] LIU Q，YANG Z，CUI B.Spatial and temporal variability of annual prec-ipitation during 1961-2006 in Yellow River Basin，China[J].Journal of Hydrology，2008，361（3/4）：330-338.

[11] YANG S，TIAN F.Abrupt change of runoff and its major driving factors in Haihe River Catchment，China[J].Journal of Hydrology，2009，374（3/4）：373-383.

[12] ZHANG S，LU X X.Hydrological responses to precipitation varivation and diverse human activities in a mountainous tributary of the lower Xijiang，China[J].CATENA，2009，77（2）：130-142.

[13] MORAES J M，PELLEGRINO G Q，BALLESTER M V，et al.Trends in hydrological parameters of a Southern Brazilian Watershed and its relation to human induced changes[J].Water Resources Management，1998，12（4）：295-311.