黑河流域上游降水与径流季节再分配及其关系研究

《Water》：Seasonal Redistribution of Precipitation and Streamflow and Their Relationships in the Upper Heihe River Basin, China

　　

气候变化正在改变高寒地区的水文过程，径流季节性的变化及其与降水输入的关系对区域水资源管理具有重要意义。基于黑河上游流域扎马什克、祁连和莺落峡三个水文站1970—2025年的月径流记录及相应降水数据，本研究采用季节贡献分析、Mann–Kendall检验、Sen斜率估计和回归分析等方法，研究了降水与径流季节分配的长期变化及其关系。结果表明：（1）降水仍强烈集中于夏季，季节格局总体稳定，但春季降水占比显著增加（每十年0.946个百分点）；（2）径流表现出显著的季节再分配，祁连站和莺落峡站夏季径流占比下降，莺落峡站春季径流占比增加；（3）降水—径流关系随季节而变化，同期关系通常在夏季较强，冬季较弱；（4）观测到的降水与径流季节性差异表明，仅凭降水时间格局无法完全解释径流季节变率。流域储存和延迟释水过程可能导致这些差异，但其各自贡献未作定量评估。这些发现突出了在高寒河流流域水资源评估中考虑径流季节再分配的重要性。

气候变化通过改变降水格局、气温、蒸散发、冰雪动态及陆地水储量等方式改变陆地水文循环，这不仅影响径流量的大小，也影响径流的时间节律和季节分配，从而改变生态系统和人类活动可利用水量的时间分布。稳态水文情势的假设因此越来越难以维持，在气候变率与积雪、冻土及地下水储存相互作用的高山区尤为如此。值得注意的是，年水资源量的变化未必能反映水资源可利用时间的变化。一个流域可能年径流变化相对有限，但径流在季节间发生显著再分配。因此，量化这种季节再分配对于理解水文对气候变化的响应及其水资源管理意义至关重要。

受积雪和冰川影响的山区流域，径流的季节情势对气候变率尤为敏感。在这些系统中，降水不一定在发生的季节直接转化为河流径流。温度变化可改变降水相态、积雪积累与消融以及产流时间。许多以积雪为主导的区域已观测到与融雪相关的径流提前，但其变化幅度和方向随海拔、降水情势和流域特征而异。在黑河上游流域，已有研究报道了气候变暖下融雪相关径流及其时间的变化。由降雪向降雨的转变可能减少临时积雪储量并改变后续释水时间，而冰川物质平衡的变化可进一步影响冰川流域融水贡献的持续性和季节分配。这些过程表明，径流季节性不能仅从同季降水量推断，而是大气强迫与流域储存和释放过程共同响应的结果。

流域储存提供了降水输入与径流响应之间的重要水文联系。降水可暂时蓄存于积雪、冻土、土壤水、地下水及其他地下储库中，然后释放到河网。这种储存可以过滤、延迟和再分配气候信号，导致降水与径流的季节分布出现差异，即使二者的长期变化相关。在以积雪为主导的流域，季节水量平衡还受降水时间、积雪储存、蒸散发和流域特征相互作用的控制。冻土条件可进一步改变入渗、地下水补给和地下流动路径，从而影响降水向径流的转化。因此，降水与径流之间的季节关系提供了仅靠年水量平衡变化无法获得的信息。在高海拔流域考察这一关系尤为重要，因为强烈的气候梯度和寒区水文过程可在产流和储水方面产生显著的空间和季节差异。

黑河上游流域位于中国西北祁连山区，为研究这些过程提供了合适条件。作为黑河流域的主要产流区，其山区源头为下游生态系统、农业和社会经济活动提供水源。该区域以强烈的海拔梯度、显著的降水季节性和积雪、冰川及冻土过程为特征。已有研究记录了气候变化下黑河流域积雪覆盖、径流、水资源可利用量及水文过程的变化。水文模拟进一步表明，冻土条件可影响黑河上游地区的地下水补给、基流以及过程线的时间与形态。其他研究表明气候变率和土地利用变化对全流域长期水文变化有贡献。这些研究显著增进了对总径流变化及其气候和人为控制的理解。然而，多数研究集中于年径流趋势、融雪过程、未来水资源可利用量或年水文变化的归因，相对较少关注降水和径流在年内的再分配方式以及其季节变化在不同水文单元间是否同步。

这一空白之所以重要，是因为降水季节性描述的是水进入流域的时间，而径流季节性反映的是降水、蒸散发、临时储水和径流传输的综合效应。因此，降水季节性的变化不一定产生成比例的径流季节性变化。已有研究表明，流域储存和雪相关过程可显著改变降水与径流之间的时间对应关系，而水文时间的变化即使在年水量输入变化相对有限时也可能发生。然而，对于黑河上游流域，降水与径流季节性之间的长期对应关系尚未在多个水文站间系统量化。特别是，降水季节贡献是否直接反映在径流季节贡献中、季节再分配的幅度和方向在不同水文单元间是否存在差异、以及哪些季节降水对径流提供最强的同期约束，仍不清楚。回答这些问题可以提供比单纯年趋势分析更具过程导向的长期水文变化视角。

因此，本研究利用1970—2025年月观测数据，研究黑河上游流域降水和径流季节性的长期变化及其关系。研究使用扎马什克、祁连和莺落峡三个水文站的径流记录以及祁连和野牛沟两个气象站的降水观测，考察不同水文单元的季节水文变率。具体目标为：（1）评估年降水和年径流的长期变化并量化其季节贡献趋势；（2）考察降水与径流季节性之间的差异并确定其长期变化在不同水文单元间是否同步；（3）评估季节降水—径流关系并比较其在不同季节和水文站间的强度。通过将季节贡献分析与降水—径流关系相结合，本研究提供了长期季节水文再分配的观测证据，并突出了年尺度水文评估可能未充分反映的水资源可利用时间变化。

2. 材料与方法

2.1. 研究区

黑河是中国第二大内陆河，发源于中国西北祁连山。黑河上游流域是流域的主要产流区，为中下游生态保护、农业生产和社会经济发展提供重要水源。上游流域以复杂地形、大海拔梯度和高寒半干旱气候为特征。降水呈现显著季节性，大部分降水发生在暖季。除降水外，季节性积雪积累与消融、冰川融水、冻土过程及地下水储存均可影响产流和释放的时间。因此，黑河上游流域的季节径流反映了大气降水输入与流域内部储存和释放过程的综合效应。

选取三个水文站代表上游流域不同水文单元：黑河干流上游的扎马什克站、八宝河支流的祁连站以及山区流域出口的莺落峡站。这些站点覆盖不同集水面积和水文条件，为考察径流季节性和降水—径流关系的空间差异提供了基础。

2.2. 数据来源

本研究使用扎马什克、祁连和莺落峡三个水文站1970—2025年的月径流数据。选择1970—2025年共同时段是因为三个水文站均有连续观测，可直接比较三个水文单元的长期和季节径流特征。径流数据取自中国水文年鉴。由于研究关注季节水量分配，在季节汇总前将月平均流量转换为月径流量，以确保季节和年径流贡献基于水量而非月流量的算术平均值计算。

1970—2025年月降水数据取自祁连和野牛沟气象站。黑河上游流域位于祁连山高海拔山区，观测网络相对稀疏。研究区内有三个常规水文站（扎马什克、祁连和莺落峡）和两个国家气象站（祁连和野牛沟），五个站均纳入本研究。采用两个气象站月降水的算术平均值作为区域降水指标，而非空间分布的流域平均降水场。气温作为补充气候信息保留，但未作为独立解释变量纳入，因为本研究未定量将径流变化归因于温度或冰冻圈过程。

所有月变量汇总为年和季节序列。四季定义为春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月）。冬季定义为同一日历年的1月、2月和12月，以确保四个季节分数之和等于相应的年总量。

2.3. 方法

2.3.1. 季节降水与径流贡献的量化

为区分年内水量分布变化与年总水量变化，采用季节分数量化降水和径流的季节贡献。季节径流分数（SSF）计算为季节径流与年径流之比。类似地，季节降水分数（PSF）计算为季节降水与年降水之比。为进一步刻画降水与径流季节分布的差异，计算季节降水—径流错配指数，即某季节径流相对贡献与降水相对贡献之差。正值表示某季节年径流比例超过相应年降水比例，负值表示相反。错配指数用作季节再分配的描述性指标，而非产流机制的直接度量。

2.3.2. 趋势检测

采用非参数Mann–Kendall（MK）检验分别评估年和季节降水与径流的趋势，趋势幅度采用Sen斜率估计器估算。已有研究强调了序列相依性对水文趋势检测的潜在影响，并遵循了水资源研究中趋势分析的一般统计程序。Sen斜率估计器是估计单调趋势幅度的稳健非参数方法，已广泛应用于水文气候研究。趋势的统计显著性采用Mann–Kendall检验评估。当n>10时，基于S的均值和方差计算标准化检验统计量Z，必要时对并列观测进行校正。Z为正表示增加趋势，Z为负表示减少趋势。当p<0.05时，趋势在95%置信水平上统计显著。对于季节序列，采用季节Mann–Kendall方法以考虑不同季节观测间序列相依性的潜在影响。

2.3.3. 季节降水—径流关系分析

为评估降水输入与径流响应之间的季节关系，对1970—2025年季节降水量与相应季节径流进行Pearson相关分析。分别对每个水文站的春、夏、秋、冬进行相关分析，以识别降水—径流耦合的季节差异。相关系数的显著性采用双尾Student t检验，p<0.05为统计显著。相关分析用于刻画降水—径流耦合的季节强度。强同期相关表明同季降水和径流的年际变率密切关联，弱相关表明同期对应关系较弱。然而，相关本身不能建立因果关系，也不能区分降雨径流、融雪、冰川融水、地下水及其他径流组分。分析基于同季降水—径流配对，因此刻画的是同期关系，未明确考虑积雪储存、地下水储存或延迟释水相关的跨季滞后效应。

2.3.4. 线性回归分析

为可视化和量化季节降水与径流之间的线性关系，进一步应用普通最小二乘（OLS）线性回归。决定系数（R2）用于描述季节径流方差中与降水线性关系相关的比例。回归显著性采用相应p值评估。

2.3.5. 数据与方法的整体说明

重要的是，Pearson相关和OLS回归在本研究中服务于不同目的：Pearson r量化线性关联的强度和方向，而OLS回归提供用于可视化和季节及站点间比较的拟合关系。

3. 结果

3.1. 年径流与降水的长期变化

1970—2025年三个水文站的年径流量均呈增加趋势。Sen斜率估计值分别为扎马什克0.048×10? m3 decade?1、祁连0.029×10? m3 decade?1和莺落峡0.094×10? m3 decade?1。三个趋势均在95%置信水平上统计显著（p<0.05）。祁连和野牛沟年降水呈弱增加趋势，但趋势不统计显著（p>0.05）。然而，与显著的年际变率相比，长期变化幅度相对较小。区域平均降水序列呈现类似格局，表明年降水的长期增加弱于且不如年径流增加一致。年降水与径流变化幅度的对比表明，年径流变化并未伴随成比例的年降水变化。更重要的是，年总量不能描述水在年内的分布方式。因此，以下各节考察降水和径流的季节特征。

3.2. 降水与径流的季节分布特征

1970—2025年降水和径流呈现显著季节变率。降水强烈集中于暖季，大部分降水发生在6—9月。7月通常记录最高月降水，其次为8月，表明黑河上游流域降水显著的夏季集中。径流也呈现明显的单峰季节格局，但其季节分布与降水不同。月径流一般从春季到夏季增加，在7月或8月达到最大值，随后在秋季逐渐下降。与降水相比，径流在秋冬季保持相对较大的比例，尤其在扎马什克和莺落峡站。因此，季节分布在幅度和时间上均存在差异。尽管最大降水和最大径流时段在夏季大致重叠，但径流的季节贡献与降水的季节贡献并不直接成比例。这一差异提供了降水输入与径流输出季节分布错配的证据。

3.3. 降水与径流季节贡献的长期变化

为区分年内水量再分配变化与年水量变化，计算了1970—2025年季节降水分数（PSF）和季节径流分数（SSF）。降水在整个研究期仍强烈集中于夏季，多年平均夏季降水分数为64.69%，其次为秋季（18.50%）、春季（15.66%）和冬季（1.14%）。尽管夏季主导的降水格局总体稳定，但春季降水分数显著增加，Sen斜率为0.946% decade?1（p<0.05）。其他季节降水分数未检测到统计显著趋势。径流也呈现夏季主导的季节分布，扎马什克、祁连和莺落峡多年平均夏季分数分别为54.34%、48.22%和52.30%。然而，祁连（?1.226% decade?1）和莺落峡（?1.095% decade?1）夏季径流分数显著下降，莺落峡春季分数显著增加（0.472% decade?1）。三个站冬季径流分数均未检测到显著趋势。这些发现表明，径流季节性的长期变化与降水季节性的变化并不完全同步。

相比之下，径流在季节分配上表现出更强的变化。夏季在三个水文站仍是主导产流季节，但其对年径流的贡献在祁连和莺落峡显著下降，Sen斜率分别为?1.226% decade?1和?1.095% decade?1（p<0.05）。在莺落峡，春季径流贡献显著增加，Sen斜率为0.472% decade?1（p<0.05）。三个站冬季径流分数均未检测到统计显著趋势。季节降水—径流错配进一步表明降水和径流年内分布的差异。正值D表示径流相对贡献超过降水的季节，负值表示相反。错配在降水贡献相对较低但径流贡献相对较大的季节尤为明显。总体而言，结果表明1970—2025年径流季节性变化强于降水季节性变化。多年平均季节分数为解释观测趋势的幅度提供了参考值。夏季仍是降水和径流的主导季节，尽管三个水文站的相对季节贡献存在差异。因此，主要特征不是降水季节性的重大转变，而是径流在季节间的再分配，特别是在较大集水面积的莺落峡站由夏季向春季的再分配。

3.4. 季节降水—径流关系

考察了降水和径流之间的季节关系，以评估各季节降水输入与径流响应的对应程度。三个水文站均观测到季节降水与径流的正相关关系，但其强度随季节显著变化。夏季表现出最强的降水—径流关系，三个站的决定系数（R2）相对较高。夏季正相关表明夏季降水的年际变化与相应季节径流变化密切关联。春季和秋季的关系弱于夏季，表明这些季节降水与径流的同期对应程度较低。冬季在多数站点表现出最弱的降水—径流关系，R2值相对较低。冬季一般表现出最弱的降水—径流关系，扎马什克、祁连和莺落峡的R2分别为0.07、0.03和0.10，相应p值分别为0.052、0.229和0.016。因此，冬季关系在莺落峡统计显著，但仅解释径流变率的一小部分，而扎马什克和祁连的关系未达到0.05显著性水平。降水—径流关系的季节对比在三个水文站间一致，尽管关系幅度因站而异。结合降水季节分布相对稳定和径流季节贡献显著变化，这些结果表明径流季节分布不能完全由降水输入的时间格局解释。

4. 讨论

4.1. 降水与径流的季节错配

黑河上游流域降水和径流的季节分布总体一致，均集中于暖季。然而，其季节贡献并不同步变化。祁连和莺落峡站夏季径流分数显著下降，而莺落峡站春季分数显著增加。相比之下，区域降水分数在春季显著增加。这些结果表明，径流季节性的变化不能仅由降水季节分布解释。流域储存和季节水量平衡可改变径流对降水响应的时间和幅度，导致降水输入与径流输出之间的差异。季节降水—径流关系为此差异提供了进一步证据。最强关系一般出现在夏季，而冬季关系相对较弱。在受积雪影响的流域，冷期降水可暂时以雪的形式储存并在较暖期释放，导致径流季节性与降水季节性不同。因此，观测到的径流再分配可能反映了降水变率和流域储水过程的综合影响。这表明在评估水文对气候变化的响应时，应将水资源可利用量的季节变化与年径流变化一并考虑。

4.2. 冰冻圈与储存过程的潜在作用

黑河上游流域是高海拔山区，积雪、冻土和其他冰冻圈过程可影响降水向径流的季节分配。已有研究记录了气候变化下黑河上游融雪径流和水文过程的变化。特别是，增温可改变积雪积累和消融时间，可能影响产流时间。莺落峡站春季径流贡献的显著增加因此与雪相关释水时间可能变化的解释一致。然而，本研究未直接量化雪水当量或融雪贡献，因此观测到的季节变化不能唯一归因于融雪过程。冻土和地下储存也可能影响降水向径流的转化。黑河上游的模拟研究表明，冻土影响入渗、地下水补给、基流和季节过程线的形态，而多年冻土条件的变化可改变高海拔环境中的水热交换。这些过程可能部分解释三个站季节径流变化的差异。然而，由于本研究未包括地下水、积雪储存或冻土动态的直接观测，这些机制应视为潜在解释而非定量分离的驱动因素。观测到的季节再分配与流域储存和延迟释水过程的潜在影响一致。积雪积累与消融、冰川融水、冻土条件和地下储存可改变黑河上游流域产流和释放的时间。然而，这些过程在本研究中未直接量化。因此，观测到的变化不能唯一归因于任何单个径流组分，所提出的机制应解释为合理解释而非已证明的因果关系。

4.3. 空间差异及其对季节水资源可利用量的意义

季节变化在三个水文站间存在差异。祁连和莺落峡夏季径流分数显著下降，而扎马什克未检测到显著季节变化。春季径流贡献的增加在莺落峡也更为明显。这些差异可能与集水面积、海拔、降水情势以及雪、地下储存和地表径流过程在各流域的整合程度不同有关。祁连站代表相对较小的源头集水区，而莺落峡整合较大山区的径流，这可能造成季节水文响应的差异。从水资源角度看，即使年径流增加，季节贡献的变化也很重要。夏季径流分数下降不一定意味着夏季绝对径流量减少，而是表明夏季径流对年水资源可利用量的相对贡献发生变化。黑河是干旱区重要的内陆河系统，水资源可利用时间的变化可影响下游水资源管理和生态过程。因此，未来评估应同时考虑径流量的大小和季节再分配，特别是在降水和冰冻圈条件持续变化的情况下。季节径流再分配也可能影响黑河中游下游绿洲灌溉的水资源可利用量。农业需水集中于生长季，上游径流季节时间的变化可能影响供水与灌溉需求的对应关系。尽管夏季径流分数下降不一定表明夏季绝对径流量减少，季节径流分配的变化可能对灌溉调度、水库运行和生态水量分配产生影响。这些潜在影响需要利用季节需水和水管理数据进一步评估。应承认若干局限性。第一，由于观测网络稀疏和地形复杂，降水仅由两个气象站观测代表。第二，降水—径流相关使用原始年和季节序列计算，因此可能部分反映共享的低频变率或长期趋势。第三，本分析未明确分离降雨径流、融雪、冰川融水、地下水、冻土贡献。未来研究应结合更密集的气象观测、遥感产品、积雪和冰川信息、地下水观测及分布式水文模拟，以进一步解析这些过程。

5. 结论

基于1970—2025年月径流和降水观测，本研究考察了中国黑河上游流域径流和降水的季节变化及其关系。主要结论总结如下：（1）三个水文站年径流均呈显著增加趋势，而年降水呈较弱且统计不显著的正向趋势。这些结果表明年径流变化和年内水量再分配代表水文变化的不同维度。（2）降水和径流均集中于暖季，但呈现不同的季节分布，表明降水输入与径流输出之间存在错配，可能反映流域储存和延迟释水。（3）1970—2025年降水季节性保持相对稳定，而祁连和莺落峡径流季节性显著变化。两站夏季径流分数显著下降，莺落峡春季分数显著增加，表明径流季节性的变化不能仅由降水季节性解释。