气候变化对黑龙江省七星河径流驱动的影响

时间：2024-05-22

郑红，魏磊，高峰，潘华盛

(1.黑龙江省气候中心，黑龙江哈尔滨 150030；2.宝清县生产力促进中心，黑龙江宝清 155600；3.黑龙江省气象台，黑龙江哈尔滨 150030)

七星河是黑龙江省三江平原挠力河左岸的重要支流，分为内、外七星河。内七星河发源于双鸭山市七星砬子山，河水经三环泡狼豁子泄洪道向东至炮台亮子入挠力河，全长241 km，流域面积4 001 km2，其中山丘区1 600 km2。外七星河发源于完达山北麓的双鸭山，进入平原后，河身漫散于沼泽湿地区，流经黑鱼泡滞洪区折向东，漫行于沼泽区、名漂筏河，于解放亮子开始有明显河槽，转向东北在菜嘴子以上4 km处汇入挠力河，长约142 km，流域面积6 520 km2，绝大部分是平原，约占91%，山丘区面积仅为713 km2。如按平原计，内七星河流域面积为2 401 km2，外七星河流域面积平原部分为5 933 km2，则七星河流域平原部分总面积8 334 km2(图1)。

近二三十年来，我国水利、气象、地理等部门科技工作者对三江平原沼泽湿地下垫面的改变和土地利用变化及其对湿地的蓄水调洪功能及径流变化的影响[1-5]、气候变化对水资源和农业气候资源及空间分布的影响[6-9]、气候变化和水利工程建设对径流变化的影响[10-15]进行了研究，但针对气候要素本身降水、蒸发、气温的变化特别气候变暖情景对径流影响的研究却较少。笔者利用1961—2013年保安和宝清气象、水文监测资料，基于水量平衡方程，采用相关、趋势和突变检测等方法，研究七星河流域中游区段降水、气温、蒸发及其对径流驱动的影响，以期为科学地合理调配水资源、综合利用整个三江平原水资源和农业发展提供科学依据。

1 资料与方法

1.1资料来源选取的七星河保安站位于宝清县西北约30 km处的七星河乡内，距五九七农场23 km，是七星河流域中游区段的唯一代表性水文监测站。所选资料包括1961—2013年逐年七星河流域中游段保安站的降水、径流资料，挠力河中游宝清水文站的降水、蒸发、径流资料，均来自黑龙江省水文局；宝清气象站年平均气温、五九七农场降水资料，来自黑龙江省气象信息中心。其中五九七农场的降水资料年限为1967—2009年。

1.2研究方法基于水量平衡方程[16]，采用气候变化趋势分析法、相关系数分析法、Mann-Kendall突变检测法[17]等，分析了七星河流域中游区段降水、气温、蒸发及其对径流驱动的影响。

2 结果与分析

2.1七星河中游降水

2.1.1保安、宝清与五九七站降水关系。经互相关计算，保安与五九七降水的相关系数为0.88，保安与宝清降水的相关系数为0.80，宝清与五九七降水的相关系数为0.69，相关系数均达到了0.01信度检验，表明保安、宝清、五九七的面雨量关系是存在的。

图1 七星河流域周边地理形势Fig.1 Geographic situation around Qixing River Basin

从图2可以看出，近53年宝清与保安站降水年际变化较一致，保安降水呈稍上升趋势，上升幅度为6.5 mm/10 a；宝清降水基本变化不大，上升幅度为0.7 mm/10 a。保安降水多年(1971—2000年)平均为519.7 mm，宝清降水多年(1971—2000年)平均为514.9 mm，保安降水基本持平宝清降水。年降水最大值宝清、五九七站均出现在1981年，分别为826.5、879.5 mm；保安却出现在1994年，为849.0 mm，可见位于两站中间的五九七降水较多。1981年，三江平原出现有记录以来最严重的洪涝，粮食减产5成左右，个别低洼地块造成绝产[18]。年降水最少值保安和宝清出现在1967年，分别为312.7和305.3 mm，五九七出现在1976年，为375.2 mm，三江平原发生严重干旱，粮食损失惨重。3站最大与最小降水量相差近500.0 mm。

2.1.2降水变化。从图2可以看出，近53年来保安与宝清降水变化基本一致，选取代表站保安进行降水变化多项式拟合。明显所见，降水存在多与少时段的变化；1961—1979年为少水段，平均478.0 mm，较多年平均值少42.0 mm；1980—2002年为多水段，平均为540.0 mm，较多年平均值多20.0 mm；2003—2011年为少水段，平均为474.0 mm，较多年平均值少46.0 mm。2012年后保安降水将由少水转为多水时段，这一结论是与全省降水由少水转多水时段观点相一致的[19]。

图2 1961—2013年宝清与保安降水量变化Fig.2 Variation of precipitation in Baoqing and Bao’an during 1961-2013

2.2七星河与挠力河径流变化关系选取挠力河中游站宝清和相距20多公里七星河中游站保安，两站地貌特征生态环境一致，而且同在一个面雨量控制区域内，因此两站年径流变化趋势也是非常一致的(图3)。经计算，两站年径流量相关系数为0.89，远远大于0.01信度检验。宝清径流增加则保安径流就增加，宝清年径流以5 994.8 万m3/10 a在减少，保安年径流以2 180.6 万m3/10 a同样在减少。宝清多年平均径流量43 561万m3，保安多年平均径流量15 762万m3，宝清年径流为保安的2.8倍。从宝清年径流变化多项式拟合曲线来看，1961—1981年为径流增多期，平均流量为54 959万m3，较历年平均流量(43 561万m3)多11 398万m3；同期保安径流较历年平均多4 335万m3；但这一时期径流量波动也较大，近53年4次大的径流1964、1973、1974和1981年都发生在此期，尤其1981年发生特大流量，宝清为132 600万m3，是历年平均流量的3倍，保安为55 500万m3，是历年的3.5倍，造成三江平原严重洪涝；而1976—1979年也是近53年来径流量最少的4年，宝清平均不到10 000万m3，而保安为4 475万m3。1982—1997年为径流平稳期，平均流量为40 467万m3，较历年平均稍多3 094万m3，基本变化不大；同期保安径流量为15 756万m3，与历年径流持平。1998—2009年为径流减少期，宝清平均流量为28 009万m3，较历年平均减少17 552万m3；同期保安径流量为11 162万m3，较历年减少71%。2010年后特别是2013年后径流量将开始增多。

图3 1961—2013年宝清与保安年径流变化Fig.3 Annual runoff changes of Baoqing and Bao’an during 1961-2013

图4 1961—2013年保安年降水与径流量关系Fig.4 Relationship between precipitation and runoff in Bao’an during 1961-2013

2.3降水变化对七星河中游径流驱动的影响从图4可以看出，近53年来七星河中游的保安降水呈微升趋势，径流呈微降趋势，保安降水与径流均具有10年左右的重现期。经相关计算，降水与径流之间的相关系数达0.72，远大于0.01信度检验，表明保安降水多则七星河中游径流量就多，降水少则径流少；但从挠力河与七星河之间的面雨量代表站宝清来说，与七星河径流量相关系数为0.74，高于保安与径流的相关系数，尤其宝清气象站的年降水与保安径流的相关系数为0.79，相关关系更大一些。经统计，保安降水≥600 mm的年份共有13年，则对应保安径流除1988、2000、2012年偏少外，其余10年径流偏多；宝清1988和2012年降水都是偏少的(表1)。如保安降水距平百分率取≥120%为降水特多年，则共有9年，仅2000年径流偏少，其他8年则对应径流偏多2.5成。表明降水量是驱动径流变化的主要原因之一。另外，从七星河径流的减少趋势来看，主要是在1982年后，土地利用发生较大变化，它中游区域有大量水稻田种植面积的增加，如五九七农场水稻1984年仅有13 hm2，到2009年已增至16 000 hm2，扩大了1 231倍。友谊农场由1984年的377 hm2已增加至2006年的21 347 hm2，扩大了57倍。由于水稻面积大幅增加，抽取大量地下水和地表水灌溉，使地下水减少，水位下降，这样增加了地表径流补充土壤包气带的水分，影响了地表径流的流出量，导致了七星河径流量的减少。这也表明土地利用的变化和水利工程发展也是驱动地表径流减少的另一主要原因之一。

表1保安、宝清气象站年降水量≥600mm和对应保安年径流量

Table1Annualprecipitation(≥600mm)andcorrespondingannualrunoffofBao’anandBaoqingweatherstation

年份Year降水量Precipitation∥mm保安Bao’an宝清Baoqing径流Runoff∥万m319626286062517119716255162486319726297312505119746006963728119817998285550019886054631232019917486223429019948497104549020006335699207200268164219800200961959818030201261650012790201364566424830

2.4蒸发变化对七星河径流的影响选取与保安距离23 km的唯一有水面蒸发监测的宝清水文站，它的蒸发过程完全可以代表七星河中游段的蒸发。从图5可以看出，近53年来宝清蒸发呈稍下降趋势，以14.6 mm/10 a的速率下降，这与黑龙江省风速减少有关[20]；蒸发与径流相关系数为-0.25，很接近信度0.05检验，表明蒸发量大则径流就减少的反相关关系。但从蒸发对降水时段变化来看表现是不同的，多年(1971—2000年)平均蒸发量为753 mm，1961—1974年呈基本持平趋势，1975—1987年呈增加趋势，1988—2007年呈减少趋势，2008年后呈增加趋势。1961—1987年蒸发与对应径流变化的相关系数达-0.55，通过信度0.01检验；而1988—2013年相关系数为-0.14，相关很低，没有关系可寻；也可认为宝清的水面蒸发由1988年开始发生了转折性变化。1961—1987年蒸发与径流呈反位相变化，其中1976—1979年蒸发量较历年平均多2成以上，对应径流却出现了53年来极低的4年。1988—2013年反相关关系的年份仅有10年，其中1995—2008年中仅2002年为反位相变化，其他13年为正相关关系；可见1988年后蒸发与径流的反相关关系已不复存在，这也充分表明此时期也正是大力扩大水稻面积，引水灌溉，开渠打井，地下水大大减少，造成径流减少。因此，土地利用和水利工程建设改变了蒸发对径流的驱动反相关影响。

综上所述，表明蒸发对径流的驱动影响基本呈反相变化关系，即蒸发量大则径流量减少；反之亦然。尤其1961—1987年蒸发对径流的驱动影响明显；而1988—2013年蒸发对径流的驱动影响的关系已不明显，因此水利工程和降水变化成为此时段对径流驱动的主要影响因子。

图5 1961—2013年宝清水面蒸发与保安径流Fig.5 Water surface evaporation of Baoqing and runoff of Bao’an during 1961-2013

2.5气候变化对七星河径流驱动的影响

2.5.1气温变化对径流驱动的影响。选取七星河与挠力河之间唯一代表站宝清气象站的年气温和七星河保安径流，从图6可以看出，近53年宝清年平均气温以0.37 ℃/10 a的速率上升，而径流以2 180万m3/10 a的速率下降，宝清多年(1971—2000年)年平均气温为4.0 ℃。经计算，气温与径流两序列相关系数达-0.31，通过信度0.01检验，反相关关系明显，表明气温升高则径流减少，反之气温降低则径流就大。近53年来宝清年均气温高低时段变化明显，为准确地划分气温时段的变化，常采用Mann-Kendall突变趋势法[17]计算，结果表明，1988年为突变开始时间，突变前(1961—1987年)为低温时段，平均气温为3.4 ℃，低于历年平均0.6 ℃；其中假设低于年平均气温1.0 ℃为特低年，则有1964、1965、1966、1969、1972、1974、1977、1984年共8年，平均3年就有1次特低年发生；1969年发生了53年以来的极值低温年，较历年平均低2.1 ℃。突变后(1988—2013年)为气温较高时段，平均气温为4.7 ℃，高于历年平均0.6 ℃，2个时段均差为1.3 ℃；在此气温偏高时段里，1次低温年也未发生，仅有2年稍低年(2000、2009年)低于历年平均0.3 ℃，表明气候变暖后低温年数极大减少，这与黑龙江省及全国年气温变化具有同步一致的变化特征[21]。

根据上述结果，分析气温突变前后时段所对应的保安径流时段变化。突变前(1961—1987年)气温与径流量相关系数为-0.23(未通过检验)，27年平均径流量为18 751万m3，高于多年平均2成。突变后(1988—2013年)气温与径流量相关系数为-0.15(未通过检验)，26年平均径流量13 432万m3，少于多年平均1.5成。表明突变前气温偏低减少了地表土壤和水面蒸发量，造成径流偏多，反之突变后气温偏高、蒸发量加大则径流偏少。从个例分析来看，突变前低温年取年平均气温距平≤0.5 ℃的年份，有1962、1964、1965、1966、1969、1972、1974、1976、1977、1980、1981、1984、1987年共13年，其中1976、1977、1980、1984年对应径流偏少，1976和1977年径流偏少完全是由于降水特少造成；其他年份对应径流偏多，尤其1981年是近53年来径流出现最高值，不但降水最多，且年均气温低于历年0.5 ℃。突变后高温年取年平均气温距平≥0.5 ℃的年份，有1975、1982、1989、1990、1992、1993、1994、1995、1997、1998、2001、2002、2003、2004、2007、2008、2011、2013年共18年，其中1994、2002、2013年对应径流偏多或特多；其他15年则对应径流偏少。尤其2008年气温较历年偏高1.8 ℃，为近53年内最高值，则对应径流偏少53%。表明七星河流域气候暖化后气温偏高只要达到≥0.5 ℃，将加速径流的减少。由此可见，气温变化虽不能对径流变化直接产生驱动影响，但能起到加速或减少蒸发的驱动作用。

图6 1961—2013年宝清年均气温与保安径流Fig.6 Average annual temperature of Baoqing and runoff of Bao’an during 1961-2013

图7 1988—2013年保安年降水与径流Fig.7 Annual precipitation and runoff of Bao’an during 1988-2013

2.5.2气候变暖大背景下降水对径流驱动影响。气候变暖导致了极端天气频发，降水减少，干旱增加[20]，从保安降水对径流变化的影响也可揭示这一点。前面已给出气候突变时间在1988年，经计算，突变前(1961—1987年)保安降水与径流的相关系数为0.78，而突变后降水与径流的相关系数为0.82，表明突变后降水在减少而径流量也在减少的年份大大增加(图7)。从降水变化趋势看，突变后降水以19.0 mm/10 a的速率在减少，多于突变前降水减少速率(7.5 mm/10 a)，同时径流也以1 825.8万m3/10 a的速率在减少。统计表明，在突变后的26年中，出现降水偏多12年则对应径流偏多有6年，出现降水偏少12年则对应径流偏少也是12年(其中有2年降水正常不再统计之内)，而且其中有8年降水特少(≤85%)，则对应有8年径流也特少。综上表明，气候变暖，径流减少，降水成为驱动径流变化影响的主要因子。

3 结论与讨论

通过对近53年来七星河流域中游段降水、气温、蒸发及对径流驱动变化关系的分析，特别是突变前后(即变暖前后)2个时段变化特征的对比分析，结果表明，大气降水在水循环过程中仍然是驱动径流变化的主要因子；蒸发对径流具有明显的反位相变化特征，尤其是在气候突变前1961—1987年，蒸发起到了加速和减少径流的驱动影响。而气温变化虽不能对径流变化直接产生驱动影响，但却能起到增强或减弱蒸发的驱动作用和对降水起到不同冷暖气候条件下的降水对径流变化的驱动影响。另外还分析了气候变化特别是土地利用变化及水利工程建设对径流变化起着的驱动作用。该研究对于在气候变化背景下规划七星河、挠力河流域水利工程建设和水资源综合利用及管理，实现农业可持续发展具有现实和长远意义。

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