气候变化对多年冻土区径流组成的影响分析

蒋佑承; 刘蛟; 商滢; You-cheng JIANG; Jiao LIU; Ying SHANG

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (3) : 63-68,73.

气候变化对多年冻土区径流组成的影响分析

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Research on the Influence of Climate Change on the Different Runoff Components in the Permafrost Area： A Case Study of the Source Area of the Yangtze River

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摘要

以多年冻土为主要下垫面的寒区流域水资源对气候变化敏感，以长江源区为例，根据数字滤波法对直门达水文站1966-2015年月径流的基流分析结果，明确了长江源区径流及其不同成分的变化规律；进一步利用格兰杰因果检验和累积斜率法分别定性和定量地分析了降水和温度对径流组成的影响。结果表明：近50年来，长江源区总径流呈现增加趋势，2004年发生突变后年平均径流量增长36.49 亿m³，基流和地表径流各贡献了50%；近50年持续地增温是引起径流变化的格兰杰原因，更有助于对河道径流成分变化的预测分析；对比径流突变前后，增温不仅改变降水形式，影响了地表产流，同时也改变了下渗后土壤水的冻融过程，对基流和地表径流改变的贡献率分别为90%和76%、高于降水变化68%和57%的贡献率。气候变化背景下，持续的增温对降水产流和下渗过程的影响，是多年冻土区流域径流成分变化的主要原因。

Abstract

The water resources in the cold basin with permafrost as the main underlying surface are sensitive to climate change， taking the source area of the Yangtze River for instance， according to the base flow analysis results of runoff from Zhimengda Hydrological Station from 1966 to 2015 by the digital filter method， the variation rules of runoff and its different components in the source area of the Yangtze River are clarified. Furthermore， Granger Causality Test and Cumulative Slope Method are used to analyze the influences of precipitation and temperature on runoff. The results show that in recent 50 years， the total runoff of the Yangtze River presents an increasing trend， after the mutation point in 2004， the annual average runoff increased by 3.649 billion m³， and underground runoff and surface runoff contributed 50% respectively. The continuous increase in temperature in the last 50 years is the Granger cause of runoff variation， which is helpful to the prediction and analysis of runoff composition variation. Comparing before and after the mutation point， the surface runoff is influenced by the changes of precipitation， and also the freezing-thawing process of soil water is changed after infiltration because of the continuous increase in temperature， the contribution rates of temperature for the changes of underground runoff and surface runoff are respectively 90% and 76%， higher than that of 68% and 57% of the change of precipitation. Under the background of climate change， the continuous increase in temperature changes the precipitation form and soil water freezing-thawing process， and which is the main reason for the change in runoff composition in the permafrost area.

关键词

气候变化 / 多年冻土 / 径流成分 / 径流变化分析 / 长江源区

Key words

climate change / permafrost / runoff components / analysis of runoff change / Yangtze River Source Area

基金

西华大学青年学者后备人才计划(DC1900007192)

西华大学研究生创新基金(ycjj2019041)

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蒋佑承 , 刘蛟 , 商滢. 气候变化对多年冻土区径流组成的影响分析[J].中国农村水利水电, 2021(3): 63-68,73

You-cheng JIANG , Jiao LIU , Ying SHANG. Research on the Influence of Climate Change on the Different Runoff Components in the Permafrost Area： A Case Study of the Source Area of the Yangtze River[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(3): 63-68,73

0 引言

联合国政府间气候变化专门委员会第五次会议发布的评估报告进一步提升了国际社会对于气候变化认识，更加明确了气候变化对区域发展的影响^［1］。长江源区是长江径流变化的启动区、气候变化的敏感区^［2］，同时作为国家三江源保护区的重要组成部分，对区域生态保障发挥着重要的水源涵养功能^［3］。冻土作为长江源区下垫面的主要构件，在气候变化背景下，对河道径流的形成具有深刻的影响^{［4， 5］}。这不仅关系到区域内的生态环境发展，同时也将对整个中下游流域的水资源利用产生影响^［6］。

河道径流是流域中气候和下垫面各种自然因素综合作用的结果^［7］，其演变过程既表现出确定性的规律也伴有强烈的随机性^［8］。长江源区水文过程的空间异质性强，径流形成过程复杂且对气候变化敏感^［9］。张士峰^［10］等分析了气候变化背景下，降水和潜在蒸散发对三江源区径流的驱动作用，李其江^［11］的研究进一步指出降水量和蒸发量分别是长江源区径流变化的主导因素和重要因素。同时也有研究表明，温度升高导致的融水增加是源区径流变化的主要原因^{［12， 13］}。曹伟等^［14］的研究更指出增温背景下的冻土退化及活动层变化会破坏地下水和地表水的补径排条件，使水资源的稳定性与生态环境遭到严重破坏。也有研究推测气温升高将会导致多年冻土区的活动层增厚，增加土壤蓄水容量^{［15， 16］}，从而导致降雨下渗量增加和基流量增大。在众多影响因素的量化分析中，李燕等^［17］根据长江源区1960-2012年直门达水文观测数据，分析得出源区降水与非降水因素对径流量增大的贡献分别为67.85%和32.15%；Mao等^［18］指出三江源区降水因子的波动在近50年来并不显著，对该区域河道径流变化的总体解释率不超过30%，而温度的变化却是全球陆地增幅最大的地区之一。现有对流域径流变化的影响分析研究较多，但多将影响因素及其贡献分为气候变化与人类活动两大类别^{［19， 20］}，而长江源径流变化的非降水因素的解释率占有较高比例，这其中温度变化对源区冻土结构的改变，不仅体现在对地表产流重要的控制性作用，也对下渗到活动层中的水流运动起到了支配作用^{［5， 21］}。使得在分析长江源这样的多年冻土区流域的河道径流变化时，不能忽略该区温度变化对土壤水冻融过程的影响^［22-24］。

冻土分布占长江源区总面积的97%，其冻结层的不透水性、蓄水调节作用和抑制蒸发作用对产汇流过程具有支配作用。从目前研究来看，关于长江源区升温的影响多集中在定性的分析上，对径流变化也少有从径流组成方面考虑的。因此，本文根据长江源区径流及其成分变化规律，采用定性与定量相结合的方法，分析多年冻土区流域降水和温度对不同径流成分的影响。

1 研究区概况以及数据资料

1.1 研究区概况

长江发源于青海省唐古拉山中段的格拉丹东山脉的冰舌末端，本次研究范围为直门达水文站以上控制的流域（如图1所示），大致位于E90°43′~E96°45′，N32°30′~N35°35′之间，流域面积13.7 万km²。研究区地处世界屋脊—青藏高原的腹地，其地貌以高原丘陵为主，地势高亢，平均海拔近5 000 m，区内常年平均气温在-5.5~4.0 ℃，属于典型且独特的高寒生态系统。研究区内冻土现象广有发育（如图1所示），占总面积的97％，其中多年冻土77％，季节性冻土20％，丰富的冻土发育对于维系高寒湿地和地表水资源的形成有着重要的作用。雨水、地下冰融水、地表冰雪融水成为长江源区地表水资源的主要补给来源，同时也影响着水资源的年际波动和长期演变趋势，进而波及广大的中、下游地区，影响整个长江流域水资源的可持续利用^{［12， 25］}。

图1 长江源区示意图

Fig.1 The Yangtze River source area

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1.2 数据资料

（1）气象资料。降水数据采用国家气象中心基于地面

2 472个台站降水资料，本文选用长江源区中上游的五道梁站、沱沱河站以及下游的曲麻莱站和治多站的降水数据，利用薄盘样条法（TPS，Thin Plate Spline）进行插值，生成覆盖全国的0.5°分辨率的空间网格降水数据。温度数据基于国家气象信息中心的中国地面高密度台站（约2 400 个国家级气象观测站）的气温资料，同样选用以上四站的温度数据，利用薄盘样条法进行空间插值，生成的覆盖全国的0.5°的分辨率的空间网格温度数据。

（2）水文资料。径流数据采用研究区控制水文站—直门达站1966-2015年逐月观测的流量资料，并基于数字滤波法对月径流数据进行基流分割。

2 分析方法

本文基于直门达水文站1966-2015年逐月流量数据，通过基于数字滤波法的基流分割，采用Mann-Kendall检验分析近50年长江源区径流及其成分的变化趋势，然后结合降水和温度数据，根据格兰杰因果检验与累积斜率法，从定性和定量的角度解析径流成分变化的原因，并结合研究区水文过程特点展开剖析。

2.1 数字滤波法

数字滤波法源于信号分析，作为基流分割中数值模拟法的一种，主要考虑基流受降水的季节性分布影响较小，流量相对稳定，因此将径流中基流部分作为低频信号处理，而将基流以外的地表径流部分作为高频信号处理。基于数字滤波法的基流分割计算迅速、稳定，适用于长时间序列的流量处理。α滤波参数表示基流消退的系数，在多数研究实践中表明其值取0.925～0.95能得到较好的分割效果^［26］，再通过对前人研究结论的综合分析^{［27， 28］}，α取值为0.925时能对长江源等寒旱区的基流分割取得较好的效果。

2.2 Mann-Kendall突变点检验

Mann-Kendall检验法（简称M-K检验），M-K检验法是世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）推荐并广泛使用的非参数检验方法，其应用不需要样本遵从一定的分布，也不会受少数异常值的干扰，计算简便。本文利用M-K检验法对径流时间序列做趋势与突变检验，显著水平取为0.05。

2.3 格兰杰因果分析法

用于分析经济数据的格兰杰因果检验法同样适用于自然科学领域，相比于社会经济经济水平的不平稳，气象水文数据基本上是平稳的，变量间存在均衡关系，互相影响，与我们所知的自然规律也相符合^{［29， 30］}。

本文采用格兰杰因果检验法检验近50年长江源区的降水、温度变化是否有助于对径流的预测，若接受原假设H ₀，则降水或温度变化对径流变化的因果关系不存在，若拒绝原假设H ₀，则降水或温度变化是径流变化的格兰杰因果原因，原假设的统计量：

F = \frac{(R S S_{R} - R S S_{U}) / k}{R S S_{U} / T - 2 k} ~ F (k, T - 2 k)

（1）

式中：RSS_R 表示施加约束条件下模型的残差平方和；RSS_U 表示不施加约束条件下模型的残差平方和；k表示Y的最大滞后阶数；2 k表示无约束模型中有待估的参数个数；T为样本容量。

在满足高斯分布（多元正态分布）假定下，式（1）统计量渐进服从F分布，以此进一步明确气候因子与径流变化之间的因果关系。

2.4 累积斜率法

降水和温度是影响流域径流过程的两个主要气象因素。采用相关方法对年径流序列突变点进行识别，根据突变点将年径流序列按时间顺序从前到后划分为m个时段，将第1个时段设为基准期，后面m-1个时段设为影响期。建立累积年径流量、累积年降水量和累积年均气温（y）与年份（t）的线性相关方程y=S t+a ₀（S为关系式斜率；a为关系式截矩），分时段求出各关系式的斜率S ^［31］。将基准期定为 a 时期，影响期定为 b 时期。累积径流量、累积降水量、累积气温与年份的关系式斜率在 a 时期分别为S_Ra 、S_Pa 、S_Ta，在 b 时期分别为S_Rb 、S_Pb 、S_Tb。根据以下公式^［32］完成降水和温度变化对径流量变化贡献率的计算如下：

K_{S R} = \frac{S_{R b} - S_{R a}}{|S_{R a}|} \times 100 %

（2）

K_{S P} = \frac{S_{P b} - S_{P a}}{|S_{P a}|} \times 100 %

（3）

K_{S T} = \frac{S_{T b} - S_{T a}}{|S_{T a}|} \times 100 %

（4）

η_{P} = \frac{K_{S P}}{K_{S R}} \times 100 %

（5）

η_{T} = \frac{K_{S T}}{K_{S R}} \times 100 %

（6）

式中：K_SR，K_SP，K_ST 分别为影响期相对于基准期的变化率；η_p 和η_T 分别表示降水与温度对径流变化的贡献率。

3 径流变化规律分析

3.1 基流分割结果

根据对逐月径流的基流划分结果，统计出了直门达站1966-2015年际间径流成分组成的曲线图（如图2所示），近50年来，长江源区河道径流中的地表径流和基流两种不同的径流成分均表现为波动上升趋势，且年均增长量分别为0.424和0.421亿m³/a。从对河道的补给贡献来看，基流的贡献更大，占了53.8%，而地表径流占了46.2%，这主要是由于长江源区地处寒区流域，在秋冬季节中地表水处于冻结状态，河道径流主要来源于基流补给，在11-翌年3月的基流贡献比例达到73%。本次基流分析结果与其他学者^{［28， 33］}对长江源区的基流研究结果基本相符。

图2 长江源1966-2015年基流分割结果

Fig.2 The segmentation results in the source region of Yangtze River in 1966-2015

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在基流计算中一般通过基流量占总径流量的比例即基流指数（Base flow Index，BFI）来量化，长江源区直门达站BFI的年际变化如图3所示。虽然近50年来，河道基流量伴随径流的增加也呈增加的趋势，但BFI指数却表现为上下波动且整体减少的趋势。气候变化背景下，地下基流对河道径流的贡献表现为缓慢地减小。

**图3 长江源区1966-2015年BFI指数**

Fig.3 The BFI index in the source region of Yangtze River in 1966-2015

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3.2 年际间径流成分变化

对长江源区年平均径流量的M-K检验（如图4所示）表明，源区径流在2000年之前呈现出波动的变化，在2000年之后呈稳定的上升趋势，且在2012年之后在置信度为95%水平上表现出显著的增长趋势，2004年为径流突变年，不同径流成分也表现出同样的变化趋势。2004年突变后年平均径流较突变之前增加了约36.49 亿m³，这其中地表径流和基流各贡献了18.16和18.33 亿 m³，两者的贡献率各占了约50%。根据长江源区径流形成特点，进一步分析其原因可能是由于气候变化背景下，源区的降水和温度都表现为上升的趋势（如图5所示），降水增加了源区的来水量，而温度升高不仅改变了降水形式发生变化，使得更多的降雪向能快速产流的降雨形式转变^［34］，从而提高了地表径流的补给；同时增温也导致了冻土层退化，使得土壤的下渗能力增加，基流补给量增加^［35］，并且温度的这两种作用在对径流组成的影响方面基本是等效的，而原本更高的基流贡献占比便表现为了逐渐减小的趋势，即BFI指数呈现出缓慢地减小趋势（如图3所示）。

图4 长江源1966-2015年多年平均径流量M-K检验曲线图

Fig.4 The M-K test curve of multi-year average runoff in the source region of Yangtze River in 1966-2015

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图5 长江源1966-2015年降水与温度年际变化曲线

Fig.5 The precipitation and temperature curve of the source region of Yangtze River in 1966-2015

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3.3 年内径流成分变化

将流域内平均降水量、平均温度以及直门达水文站的BFI指数按径流突变年份前后划分为1966-2003年（基准期）和2004-2015年（变化期），并统计两个时期内多年月平均的变化量，结果如图6所示。对比两个时期发现，1-4月的降水量基本没有变化，虽然温度有所升高，但都还是在0 ℃以下，源区土壤水仍处于冻结状态，升温并没有对降水形式和土壤冻结产生影响，因此1-4月的BFI指数基本无变化。从5月开始，突变期的降水出现了明显的增加，增温也增加到了1.15 ℃，突破土壤水解冻的阈值温度^［36］。因此，5月份开始源区的液态降水明显增加，冻土也开始进入缓慢的消融期，降雨、前期地表冰下液态水以及冻土水开始向地下渗透，补充地下水，但受源区地形影响，解冻后的土壤水在侧向流动中，在山前又往往从地表流出，以地表径流的形式补给河道，这个过程较为缓慢，存在一定的滞后性^［12］。因此从年内变化来看，5月温度升高，土壤下渗量增强后，形成的壤中流对河道内的基流和地表径流两种补给方式都有所提高，加之降水形式的改变后更能快速的形成地表径流补给，因此从7月开始，河道径流的BFI指数开始有所下降。由于壤中流的滞后性，使得这种趋势一直持续到12月。

**图6 长江源径流突变前后年内降水量、温度与BFI指数变化图**

Fig.6 Variation chart of precipitation, temperature and BFI index before and after mutation point in the Research Area

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4 气象因素对径流影响分析

4.1 格兰杰因果检验

根据长江源区气象要素变化，从流域水文特点的角度探讨了气候变化对径流的影响，鉴于多年冻土区水循环的复杂性，为了进一步探究降水和温度变化与径流组成之间的因果关系，以便于开展气候变化影响下径流的预测分析，对近50年的降水、温度、地表径流和基流的时间序列进行格兰杰因果分析。用于分析的时间序列均通过平稳性检验（其中降水影响分析为水平平稳，温度影响分析为一阶平稳），时间序列均符合格兰杰因果分析的要求。

本次格兰杰因果检验的结果表明（表1）：在 90%的置信水平区间内，2004年径流突变后，降水（P）为基流（BQ）和地表径流（SQ）变化的格兰杰原因。而从近50年来长时间的序列来看，源区的温度变化（T）为基流和地表径流变化的格兰杰原因，考虑持续的增温影响才更有助于气候变化背景下对河道径流组成的变化预测。

表1 格兰杰因果检验表

Tab.1 Ganger causality test

时间序列	P值
时间序列	P→SQ 的影响	P→BQ 的影响	T→SQ 的影响	T→BQ 的影响
1966-2003年	0.915	0.734 4	0.214	0.234
2004-2015年	0.014 8^**	0.038 0^**	0.202	0.177
1966-2015年	0.468	0.301	0.087^*	0.067^*

注：**，*表示在95%，90%的显著水平上拒绝原假设。

4.2 降水和温度对径流变化贡献率分析

格兰杰因果检验统计分析了降水和温度变化与径流成分变化之间的定性的因果关系，同样根据径流突变前后两个时期中不同径流成分、气候因子和年份关系的累积曲线（如图7所示），利用累积斜率法对降水和温度的影响进行量化。不同要素曲线变化的具体参数如表2所示。

图7 径流成分、气候因子与年份关系的累积曲线

Fig.7 Accumulation curve of runoff compositionand climate factor with years

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表2 不同时期径流、降水和温度累积斜率及所占比例

Tab.2 The cumulative slope and proportion of runoff, precipitation and temperature in different periods

检验因子	时期	累积斜率	变化量	变化率/ %
BQ	1966-2003年	67.13	21 亿m³/a	31.2
BQ	2004-2015年	88.08	21 亿m³/a	31.2
SQ	1966-2003年	56.70	20.98 亿m³/a	37.0
SQ	2004-2015年	77.68	20.98 亿m³/a	37.0
T	1966-2003年	-5.08	1.4 ℃/a	27.6
T	2004-2015年	-3.68	1.4 ℃/a	27.6
P	1966-2003年	396.84	83.2 mm/a	21.0
P	2004-2015年	480.05	83.2 mm/a	21.0

从表2知：与基准期相比，BQ的变化量为20.95 亿m³/a，变化率为31%；温度变化量为1.4 ℃/a，变化率为28%，则温度对BQ变化的贡献率约为90%；降水变化量为83.21 mm/a，变化率为21%，则降水对BQ变化的贡献率约为68%；SQ的变化量20.98亿m³/a，变化率为37%，则温度对SQ变化的贡献率约为76%；降水对SQ变化的贡献率约为57%。

径流的形成在水循环中受到温度和降水的综合影响，使得两个因素贡献率之和大于等于1^［37］。温度不仅通过改变降水形式以及土壤水冻融过程，影响降水的产汇流过程，从而改变径流形成，更进一步通过热量平衡影响区域的蒸散发，改变原有的水量平衡。因此从降水和温度累计斜率与变化量推求的贡献率来看，温度变化对长江源区径流组成的贡献率更大。

5 结论

利用直门达水文站观测的流量资料以及长江源区空间网格的降水和气温数据，对长江源径流变化特征以及与气候变化之间影响关系的研究，主要得到以下几条结论。

（1）近50年来，长江源区径流量表现为波动的上升趋势，2004年发生突变后年平均径流量增长约36.49亿m³，其中地表径流和地下基流各贡献了50%；源区的降水增加及温度增加则通过对降水形式以及冻土层结构的改变，使得多年平均地表的产流量和下渗量同时增加，导致原本更大的BFI指数呈现出缓慢的下降趋势。

（2）根据格兰杰因果检验的结果，近50年的气候变化背景下，温度更有助于河道地表径流和基流变化的分析预测，而降水变化的影响只在达到一定程度后，既在突变年份后才突显出来。

（3）在多要素综合影响下，累积斜率的贡献率分析表明，对于基流的改变，温度与降水的贡献率分别为90%和68%；对于地表径流，温度与降水的贡献率分别为76%和57%。温度不仅改变了长江源区的产汇流过程，也影响了区域水量平衡，是影响长江源区径流发生改变的主要原因。

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0 引言
1 研究区概况以及数据资料
1.1 研究区概况
图1 长江源区示意图
1.2 数据资料
（1）气象资料。降水数据采用国家气象中心基于地面
2 分析方法
2.1 数字滤波法
2.2 Mann-Kendall突变点检验
2.3 格兰杰因果分析法
2.4 累积斜率法
3 径流变化规律分析
3.1 基流分割结果
图2 长江源1966-2015年基流分割结果
图3 长江源区1966-2015年BFI指数
3.2 年际间径流成分变化
图4 长江源1966-2015年多年平均径流量M-K检验曲线图
图5 长江源1966-2015年降水与温度年际变化曲线
3.3 年内径流成分变化
图6 长江源径流突变前后年内降水量、温度与BFI指数变化图
4 气象因素对径流影响分析
4.1 格兰杰因果检验
表1 格兰杰因果检验表
4.2 降水和温度对径流变化贡献率分析
图7 径流成分、气候因子与年份关系的累积曲线
表2 不同时期径流、降水和温度累积斜率及所占比例
5 结论
参考文献

收稿日期	出版日期
2020-05-16	2021-03-15
发布日期
2021-04-07

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