

云南大学云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室,昆明 650091
Analysis of variation in runoff and impacts factors in the Yuanjiang-Red River Basin from 1956 to 2013
LIXue

通讯作者:
收稿日期:2015-11-16
修回日期:2016-04-5
网络出版日期:2016-06-20
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
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1 引言
国际河流跨境水资源自然流动,成为流域内各国的共享资源。在全球性淡水资源短缺日益突出的趋势下,国际河流的水文过程变化、水资源开发与利用等问题广受关注[1]。中国西南地区是国际河流的集中分布区,近年来受气候变化和大规模梯级水电开发等影响,跨境水安全与纠纷问题日益突出,成为“全球水挑战”的关键地区[2]。国内****在雅鲁藏布江[3]、伊洛瓦底江[4]、怒江[5]、澜沧江[6]、红河[7,8]已经展开多项研究,涉及河川径流变化及其对气候变化和人类活动的响应等方面。然而,由于受到多种因素的制约,除澜沧江-湄公河以外,其它流域对境外部分的研究相对薄弱,难以为跨境水资源的开发利用和协调管理等提供充分的科学依据[9]。在西南国际河流中,元江-红河主要涉及中国、越南和老挝三个国家,水资源丰富,不仅对流经的国家有较好的社会经济效益,也使得上下游国家间有广泛的合作前景。目前相关研究大多集中在越南境内的红河下游,国外科学家在气候变化、河流水文过程、水资源管理等方面进行了深入研究[10-12],相比之下中国境内的研究相对薄弱,且缺乏全流域尺度的系统研究,面临着跨境水资源本底不清、关键信息缺失和国际河流管理机制研究基础薄弱等问题。新世纪以来,中国在元江-红河上游进行大规模的梯级水电开发,驱动了流域水文过程发生变化,引发下游国家的广泛关注。自然变化与工程驱动的交织,加剧了跨境水问题的复杂性。因此,本文将利用中国和越南境内气象站点的气象数据和干支流控制水文站的径流数据,从全流域尺度分析1956-2013年元江-红河径流的演变特征并探讨其影响因素,为流域跨境水资源合理利用和合作管理提供科学依据。
2 数据来源与研究方法
2.1 研究区概况
元江-红河流域总面积约15.6万km2,主要涉及中国、越南和老挝三个国家,中国占48.8%,越南占50.3%,老挝占0.9%[12]。元江-红河水系主要由元江-红河干流和众多支流组成(图1)。主要支流有黑水河、泸江和锦江,其中黑水河为红河最大的支流。
图1元江-红河流域地理位置示意
-->Figure 1Location of Yuanjiang-Red River Basin
-->
元江-红河流域属于典型的亚热带季风气候,具有明显的干湿季特征,5-10月为雨季,降水量占全年的85%以上,11-次年4月为干季,降水量不及15%[8]。降水量时空分布不均,年平均降水量为1590mm,其中中国境内约1230mm,越南境内约1810 mm[12]。元江-红河流域(包括越南太平水系)多年平均径流量约1340亿m3,中国出境径流量占39%,越南占61%。越南境内山西站(Son Tay)多年平均径流量为1108亿m3(1956-2004年),红河干流下游的水量主要来源于黑水河,黑水河贡献的水量占红河干流水量的50%以上。
流域总人口约4200万(2012年),中国境内1100万人,越南境内3100万人。中国境内土地利用主要以林地为主,面积占62%,其次是草地和耕地,分别占19%和18%。越南境内地区之间土地利用差异明显,泸江耕地面积占58.1%,主要种植经济作物;黑水河以林地为主,面积占74.4% ;三角洲地区耕地面积占66.3%,主要种植水稻[12]。红河三角洲是越南北部红河及其支流冲积而成的平原,面积约为1.5万km2,是越南北部经济中心和农业生产基地。
2.2 数据来源
(1)水文数据。中国境内2个水文站(蛮耗站和李仙江站)的流量数据来源于云南省水文局[13]。蛮耗站和李仙江站分别为元江和李仙江出境控制站,时间年限分别为1956-2013年和1957-2013年,由于李仙江站2007年开始受到梯级电站回水影响,为了保持数据年限的一致性,采用下游土卡河站2007-2013年数据进行插补。收集到了越南境内4个水文站(Yen Bai、Hoa Binh、Ghenh Ga和Son Tay站)的流量数据,其中Son Tay站为红河干流控制站,时间年限为1960-2008年[10]。Yen Bai、Hoa Binh和Ghenh Ga站1956-2006年数据由越南国家科学院海洋地质与地球物理研究所提供。(2)气象数据。中国境内41个气象站1961-2012年逐月降水、气温数据来源于云南省气象局和中国气象数据网[14]。越南境内22个气象站逐月降水和18个气象站逐月气温数据来源于越南国家科学院海洋地质与地球物理研究所。数据的起始时间大多在20世纪60年代和70年代,基本到2005-2010年之间结束,其中少数站点数据缺失,经过比较分析后进行插补。越南气象数据起始时间及观测长度不一致,但基本上覆盖了1970s-2000s间的数据,因此在分析气温、降水趋势变化时分别使用各个站点建站以来的时间序列。
2.3 研究方法
利用不均匀系数、集中度和集中期分析径流年内变化特征,公式详见参考文献[15,16]。对径流时间序列的检验主要采用非参数Mann-Kendall检验和R/S法来完成 [17,18]。小波分析法用来探讨时间序列周期成分和时间尺度变化特征,进行径流变化的周期分析[19]。3 径流变化特征分析
3.1 径流的年内变化特征
3.1.1 径流年内分配特征降水是元江-红河流域径流补给的主要来源,受降水季节分配的影响,径流年内分配不均。由于径流变化相对于降水具有滞后性,根据径流年内分配特征,红河流域汛期划为6-11月。元江-红河流域6个水文站径流年内分配如图2所示。蛮耗站、李仙江站、Son Tay、Yen Bai、Hoa Binh和Ghenh Ga水文站汛期径流量分别占年径流量的79.75%、83.84%、80.49%、78.33%、83.02%和80.45%。除Ghenh Ga水文站最大月径流量出现在7月(占年径流量的20.44%)外,其它5个站点蛮耗站、李仙江站、Son Tay、Yen Bai与Hoa Binh水文站的最大月径流量均出现在8月份,分别占年径流量的20.24%、21.63%、20.76%、19.46%和21.86%。上游蛮耗站和李仙江站最小月径流量出现在4月份,分别占年径流量的2.08%和1.47%。下游Son Tay和Ghenh Ga站最小月径流量出现在2月份,分别占年径流量的2.42%和2.12%,Yen Bai与Hoa Binh站最小月径流量出现在3月份,分别占2.75%和2.01%。蛮耗站、李仙江站、Son Tay、Yen Bai、Hoa Binh和Ghenh Ga站最大月径流量与最小月径流量比值分别为9.74、14.71、8.58、7.08、10.89和9.63,径流年内变化表现出支流大于干流的特征。

图21956-2013年元江-红河流域各站点径流量年内分配
-->Figure 2Plots of intra-annual distribution properties of runoff in the Yuanjiang-Red River Basin from 1956 to 2013
-->
3.1.2 径流年内分配的变化
计算蛮耗站、李仙江站、Yen Bai、Hoa Binh和Ghenh Ga水文站的不均匀系数、集中度和集中期,因未收集到Son Tay 站月流量数据,这里不参与计算。对于不均匀系数和集中度而言(表1),上游李仙江站大于蛮耗站,下游Hoa Binh和Ghenh Ga大于Yen Bai站,说明支流年内分配较干流更不均匀。从时间变化来看,蛮耗站、李仙江站和Hoa Binh站的不均匀系数和集中度呈减小的趋势,说明径流年内分配不均匀性减弱;而Yen Bai和Ghenh Ga站呈增加的趋势,说明径流年内分配趋于集中。从集中期来看(表2),蛮耗站、李仙江站、Yen Bai、Hoa Binh和Ghenh Ga水文站的集中期均表现出不同程度的提前趋势。其中最为明显的是蛮耗站的集中期从8月下旬提前到8月中旬,Yen Bai站从8月中旬提前到8月上旬,Ghenh Ga站从7月下旬提前到7月中旬。
Table 1
表1
表11961-2010年元江-红河流域径流年内分配不均匀系数和集中度变化
Table 1Uneven coefficient and concentration degree of intra-annual distribution of runoff in the Yuanjiang-Red River Basin from 1961 to 2010
年份 时段 | 不均匀系数 | 集中度 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
蛮耗 | 李仙江 | Yen Bai | Hoa Binh | Ghenh Ga | 蛮耗 | 李仙江 | Yen Bai | Hoa Binh | Ghenh Ga | |
1961-1970 | 0.76 | 0.85 | 0.66 | 0.89 | 0.78 | 0.49 | 0.54 | 0.44 | 0.55 | 0.50 |
1971-1980 | 0.74 | 0.82 | 0.72 | 0.86 | 0.76 | 0.47 | 0.53 | 0.47 | 0.55 | 0.51 |
1981-1990 | 0.65 | 0.78 | 0.59 | 0.78 | 0.72 | 0.45 | 0.52 | 0.41 | 0.51 | 0.48 |
1991-2000 | 0.67 | 0.81 | 0.69 | 0.82 | 0.84 | 0.44 | 0.53 | 0.45 | 0.51 | 0.53 |
2001-2010 | 0.66 | 0.80 | 0.71 | 0.81 | 0.89 | 0.44 | 0.52 | 0.46 | 0.50 | 0.56 |
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Table 2
表2
表21961-2010年元江-红河流域径流年内分配的集中期
Table 2Concentration period of intra-annual distribution of runoff in the Yuanjiang-Red River Basin from 1961 to 2010
年份 时段 | 蛮耗 | 李仙江 | Yen Bai | Hoa Binh | Ghenh Ga | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
合成向量方向/° | 出现日期 | 合成向量方向/° | 出现日期 | 合成向量方向/° | 出现日期 | 合成向量方向/° | 出现日期 | 合成向量方向/° | 出现日期 | |
1961-1970 | 230.25 | 8月23日 | 223.08 | 8月16日 | 221.98 | 8月15日 | 209.52 | 8月2日 | 203.42 | 7月26日 |
1971-1980 | 227.26 | 8月20日 | 221.66 | 8月14日 | 217.84 | 8月10日 | 209.77 | 8月2日 | 199.43 | 7月22日 |
1981-1990 | 227.44 | 8月20日 | 221.39 | 8月14日 | 221.00 | 8月14日 | 210.11 | 8月3日 | 203.50 | 7月26日 |
1991-2000 | 224.80 | 8月17日 | 220.06 | 8月13日 | 212.49 | 8月5日 | 203.39 | 7月26日 | 200.92 | 7月23日 |
2001-2010 | 219.52 | 8月12日 | 220.23 | 8月13日 | 208.22 | 8月1日 | 204.07 | 7月26日 | 191.45 | 7月14日 |
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3.2 径流年际变化特征
径流年际变化的总体特征通常用变差系数利用年径流距平百分率

图31956-2013年蛮耗站、李仙江站和Son Tay站径流年际变化的阶段性
-->Figure 3Inter-annual variation of runoff at Manhao,Lixianjiang and Son Tay station from 1956 to 2013
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3.3 径流变化趋势
对蛮耗站、李仙江站和Son Tay站1956-2013年径流量进行M-K趋势检验,Z值分别为-1.49、-2.43和-1.35,说明3个站的年平均径流量均呈递减趋势,其中李仙江站通过了95%的显著性检验。蛮耗站、李仙江站和Son Tay站的变化率分别为-3.56亿m3/10a、-4.45亿m3/10a和-25.89亿m3/10a。由图3看出,蛮耗站和李仙江站年径流量从2000年以后明显减少,尤其是2009-2013年来年径流量处于低值,这主要是由于降水减少所致,2000-2012年流域降水相对于1961-1999年平均降水减少了4.2%,2009-2012年元江-红河流域降水相对于1961-1999年平均降水减少了18.0%。利用 R/S分析方法对3个水文站的年径流量序列的持续性特征进行分析,通过该方法计算得到的Hurst指数即H值为[0,1]。当H=0.5时,标志着一个序列是随机的,现在不会影响未来;当H>0.5时,表示未来的趋势与过去一致;当H<0.5时,表明未来的总体趋势与过去相反。蛮耗站、李仙江站和Son Tay水文站的Hurst指数分别是0.3024、0.3365和0.3079。3个站Hurst指数值都小于0.5,说明未来年径流量变化与过去的变化趋势相反。结合Z值和Hurst指数值分析,如果按照目前的发展态势,未来元江-红河的年径流量可能呈上升的趋势。越南《气候变化对水资源的影响与适应性》[21]的研究报告也指出,在A2和B2两种气候变化情景下,未来3个时期2020-2039年、2040-2059年和2080-2099年红河径流量均表现出不同程度的增加趋势,其中Yen Bai站增幅为0.2%~4.0%,Ghenh Ga站增幅为0.4%~3.2%,Ta Bu站增幅为1.0%~5.5%。3.4 径流变化周期分析
对3个控制水文站年径流量进行小波分析,得到小波变换图和小波方差图(图4)。蛮耗站年径流量具有显著的年际和年代际变化特征。就年际变化而言,变化的主周期为6~9a,除此之外,还有准4a的变化周期也比较明显;就年代际变化而言,以准22a为主周期,且周期振荡基本贯穿整个系列。蛮耗站的小波方差图存在4个明显的峰值,依次对应着2a、4a、9a和22a的时间尺度。李仙江站年际变化周期为准8a的主变化周期,准4a也比较明显;年代际变化以21~22a为主周期,其次还有12~13a的变化周期。Son Tay水文站在8~10a和21~22a的变化周期与上游蛮耗站和李仙江站类似,但是由于时间序列较短,无法分析出更长时间的周期变化。3个水文站的周期变化都以21~22a的年代际变化周期最为显著,总体上径流变化周期类似,存在差别可能与上下游位置及径流的来源组成差异有关。
图41956-2013年蛮耗站、李仙江站和Son Tay站年径流量小波变换和小波方差
-->Figure 4Morlet wavelet transform and wavelet variances of annual runoff at Manhao,Lixianjiang and Son Tay station from 1956 to 2013
-->
4 径流变化的影响因素
4.1 气候变化
对中国境内41个站点的降水和气温数据进行分析(图5),结果表明1960年以来流域气温呈显著增加趋势,平均增加0.16℃/10a,尤其是2000年以后气温增加的趋势更为明显。流域降水则呈减少趋势,平均减少14mm/10a。从全流域尺度降水、气温变化趋势的空间分布来看(图6),88.9%的站点降水有减少的趋势,其中17.9%的站点趋势显著,主要分布在红河下游及三角洲地区。96.6%的站点气温有增加的趋势,其中75.4%的站点趋势显著。对中国境内元江流域和李仙江流域年降水量与径流量进行相关分析,年降水量和径流量的相关系数分别为0.87和0.78,均通过α=0.01的显著性水平检验,说明流域降水量和径流量变化关系密切。1961-2012年气候变化导致流域温度显著升高,但是蒸发能力没有表现出增加的趋势[22],因此温度和蒸发变化对径流量的影响较小,降水量的减少是径流变化的主要因素。值得关注的是2009年开始流域降水显著减少,相对于2008年减少近30%。相关研究表明,大气环流异常,不利于水汽的输送,导致2009-2013年西南地区降水明显的减少和旱灾的频发[23]。在此背景下,降水减少导致元江和李仙江径流量的锐减。
图51961-2012年中国境内元江-红河流域年降水和气温变化趋势
-->Figure 5Trend variation of annual precipitation and temperature in the Yuanjiang-Red River Basin (China) from 1961 to 2012
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图61961-2012年元江-红河流域降水和气温变化趋势的空间分布
注:中国境内站点数据时间为1961-2012年,越南境内站点数据时间为1970-2000年。
-->Figure 6Spatial distribution of trend for precipitation and temperature in the Yuanjiang-Red River Basin from 1961 to 2012
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4.2 人类活动
从图7可以看出,蛮耗站、李仙江站年降水和年径流双累积曲线变化平稳,没有表现出显著的转折变化,基本上呈线性关系,说明下垫面变化对径流量变化的影响相对较小。根据历史资料可知,20世纪50年代以来,流域内毁林开荒、陡坡耕种以及不合理的耕作方式使得森林遭到破坏,中国境内森林覆盖率从20世纪60年代的48%下降到90年代的30%,越南北部山区森林覆盖率从1943年的95%下降到1991年的17%[12]。21世纪以来中国和越南均实施天然林保护、红河防护林等系列工程,大力发展人工造林,森林覆盖率逐渐增加。随着社会经济发展和城镇化的推进,流域内耕地面积和建设用地增加,一定程度上改变了流域下垫面条件。受区域位置、气候条件、研究尺度和研究对象等因素的影响,土地利用变化对径流的影响在不同的流域会表现出不同的特征。尽管近十几年来红河流域土地利用发生了一定的变化,但是利用双累积曲线分析结果表明,降水是影响径流量变化的主要因素,下垫面变化对径流量变化的影响有限。
图71961-2012年蛮耗站和李仙江站降水-径流双累积曲线
-->Figure 7Double mass curve for annual rainfall and runoff at Manhao and Lixianjiang station from 1961 to 2012
-->
元江-红河流域水能资源丰富,自20世纪70年代开始中国和越南均在红河干支流上进行水电开发。越南黑水河和平水电站(1920MW)于1979年开工建设,1988年完工,成为当时东南亚最大的水电站。近年来越南在黑水河建设了许多大型水电工程,如山萝水电站(2400MW)和莱州水电站(1200MW)等。中国境内李仙江干流七级电站于2003年动工建设,到2010年基本建设完成;元江干流十二级梯级电站中南沙、马堵山电站已经建成,其它梯级电站将陆续建设。分析李仙江站水库建设前(1957-2002年)和建设后(2003-2013年),以及Son Tay站水库建设前(1956-1987年)和建设后(1988-2006年)月均流量变化特征(图8),可以发现水库建成后导致下游枯水期径流明显增多而汛期径流减少,径流年内分配趋向均匀,梯级水库的“削峰补枯”作用对下游洪水期防洪和枯水期灌溉具有积极的作用。日尺度上,电站运行导致的水位波动更加突出。越南****研究认为中国境内梯级电站运行使下游日水位波动较天然状态更剧烈,如黑水河Muong Te水文站日水位波动在1.5~2.0m之间,泸江Ha Giang水文站日水位波动在1.0~1.3m之间[24]。

图81957-2013年水库建设后李仙江站和Son Tay站月均流量较水库建设前的变化
注:李仙江站数据时间为1957-2013年,Son Tay站数据时间为1960-2008年。
-->Figure 8Changes of monthly runoff after the reservoir construction at Lixianjaing and Son Tay station
-->
元江-红河流域水资源开发利用率总体不高,中国位于红河上游,在水资源开发利用方面具有优势,但由于流经地区处于边远的经济不发达地区,水资源开发利用程度还比较低。中国境内1980年、1990年、2000年和2012年的水资源开发利用率分别为2.4%、3.2%、4.1%和5.3%。水资源利用主要以农业用水为主,占76.13%,工业和生活用水分别占11.65%和11.79%(2012年)[25]。越南是以农业为国民经济支柱产业的发展中国家,九大河流2001年水资源利用中农业用水量占74%,工业用水量仅占1%;预计到2020年,农业用水量将下降到56%,工业用水量将提高到16%[26]。随着流域的人口增长和社会经济的发展,未来元江-红河流域的中国、越南、老挝对水资源利用将加强。由于越南水资源对外依赖度较高,约2/3的水资源依赖于邻国,因此对国际河流水文变化将越来越重视,如何保护和合理利用跨境水资源是该3个国家共同面临的问题。
5 结论
本文利用元江-红河流域6个水文站流量数据和64个气象站点的降水、气温数据,分析近50多年来流域径流变化特征并探讨其影响因素,结果表明:(1)元江-红河径流年内分配不均匀,约80%的径流量集中于汛期(6-11月)。支流站点的径流年内分配变化大于干流,所有站点径流集中期表现出提前的趋势。
(2)元江-红河径流年际变化剧烈,具有明显的丰枯特征。20世纪50年代中期-60年代中期为枯水期,60年代中期-70年代中期为丰水期,70年代中期-90年代初期为平偏枯水期,90年代中期-2002年为平偏丰水期,2002年以后为枯水期。
(3)近50年来年平均径流量呈减少的趋势,其中李仙江站减少趋势显著。R/S分析表明未来径流量可能呈增加的趋势。
(4)元江-红河径流量变化存在显著的年际和年代际变化特征。蛮耗站和李仙江站的周期变化主要是4a、6~9a的年际变化和21~22a的年代际周期变化,Son Tay水文站在8~10a和21~22a的年际和年代际变化周期与上游蛮耗站和李仙江站基本一致,3个水文站的周期变化都以21~22a的年代际变化周期最为显著。
(5)元江-红河流域径流量减少的主要原因是流域降水变化,人类活动一定程度上改变了径流年内分配特征,但对径流量变化的影响有限。
本文旨在克服目前国际河流水文研究存在的信息障碍,立足全流域尺度进行研究,分析径流变化特征及其原因,为促进流域水资源的合理利用与协调管理提供依据。如何定量区分气候变化和人类活动对径流变化的影响,探讨流域跨境水资源管理与合作等,将是以后研究的重点。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
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