一、黑河出山径流量变化特征
黑河流域水系的各支流流量都存在年际、年内丰水与枯水变化，主要河流的径流特征如表3-12所示，特丰水与特枯水期流量比值介于2.1～3.1倍之间。
表3-12 黑河流域主要河流径流特征（108 m3/a）
近600年以来黑河流域出山径流变化，如图3-10所示。黑河上游与出山口之间径流量变化趋势基本相同，1515～1760年期间山区两站径流变化趋势基本一致，仅是变化幅度有别。1860年至现今，它们变化的趋势也是相似，但是发生的时间有别。不同之处是两站径流量变化幅度及强度是不同的。山区上游段（扎马什克站）径流的变幅远大于出山口处，这与山区降水量的年变幅较大有关。因为这一区段降水量变幅较大，而汇流面积又相对较小，所以使径流量的变化幅度增大。另外两站径流量的峰值、谷值分布位置存在差异。如1490～1513年、1760～1814年和1827～1858年期间，扎马什克站径流量为峰值，莺落峡站径流量则为谷值。除了两测站间汇流面积有差别外，扎马什克站只是黑河上游的一个分支。
图3-10 近600多年以来黑河干流山区与出山口径流量变化过程
在黑河流域内，黑河干流是流量最大的河流，莺落峡出山口多年平均流量为15.8×108 m3/a，最大流量为23.1×108 m3（1989年），最小流量为11.1×108 m3（1973年），最大与最小流量值相差12.0×108 m3。在95%保证率下，径流量为12.1×108 m3/a；相对于50%保证率（径流量15.6×108 m3/a），年变率为-22.4%。而梨园河和讨赖河在95%保证率下，径流量分别为1.4×108 m3/a和4.9×108 m3/a；相对于50%保证率，径流量分别是2.2×108 m3/a和6.2×108 m3/a，年变率分别为-36.4%和-21.0%（图3-11）。
图3-11 近50多年以来黑河流域主要河流径流量动态变化过程
在黑河流域，以季节性积雪融水和降雨补给为主的河流，其Cv值与年际极值比（Wmax/Wmin）较大。以高山冰雪融水或地下水补给为主的河流，Cv值则较小（丁永建等，1999a）；陈仁升等，2001）。从图3-11和表3-13可见，黑河干流的年际变化Cv值均小于0.19，为区内各水系最小值，这与山区地下水补给有关。在黑河（莺落峡站）平水年中，地下水补给河流的水量占地表径流量的1／3以上，高山冰雪融水的补给约占9%。由于地下水和高山冰雪融水的补给在地表径流中占有相当的比重，所以黑河干流出山径流量的年际变化相对比较稳定，Cv值与年际极值比也较降雨补给为主的河流为小。
表3-13 黑河流域各测站径流多年平均年径流量特征值
径流量在年内分配中，受季风影响，四季分明。冬季是河川径流的枯水季节，主要依靠地下水补给，最小流量出现在11月至来年的3月。4月以后气温明显升高，积雪融化和河网储冰解冻形成春汛，流量显著增大。夏、秋两季是降水量较多，而且是比较集中的时期，也是河流发生洪水产流量较大的时期，6～9月汛期多年平均流量占全年来水量的65%以上（表3-14）。
表3-14 黑河、梨园河年内径流量特征值（m3/s）
黑河干流径流的枯水月份多出现在11月至来年的3月，占年径流总量的13.3%，与山区冬季低气温期对应（图3-12），是山区地下水（基流）补给河水的典型特征。
多年来1～3月和11～12月，黑河上游源（山）区的气温一直维持在-5℃以下，河水、降水和融冰融雪水的补给作用都微弱，特别是1～3月河水最低流量主要由山区地下水补给维持，在莺落峡站上游山区的地下水补给河水量至少占地表径流总量的30%以上。
黑河干流径流的丰水月份多出现在每年的6～9月，这与上游山区夏季高温相对应，山区降水和融冰融雪水集中补给河水，使河水流量出现年内峰值，而积雪分布最少（图3-13）。
黑河干流多年动态变化表明，其年径流的丰枯变化与每年的5、6、7、8月份来水情况密切相关，其累计径流量占年总量的64.0%～71.9%，丰水年权重增大（表3-15）。换言之，5～8月来水量的多少在很大程度上决定了当年的总径流丰枯水平。6～8月份来水量大，多为丰水年；6～8月份来水少，多为枯水年。
图3-12 黑河流域祁连山托来牧场1～3月和11、12月多年气温分布
图3-13 黑河流域各月份积雪分布
表3-15 黑河干流多年径流不同距平百分率月权重（m3/s）
祁连山山区地下水对河流补给变化，主要影响每年11月至来年4月的地表径流变化，降水影响6～8月份的地表径流特征。
二、黑河出山径流量组成变化特征
（一）基本特征
根据1957～2000年黑河干流莺落峡站出山径流资料，按枯水径流期（11月至来年3月）、雪融水径流期（4～5月）和洪水径流期（6～10月）统计相关分析，如图3-14所示。
山区地下水基流补给河水量，存在周期性波动变化（图3-14a）。20世纪70年代末以前处于偏枯状态，80年代至90年代初偏丰。11月至来年3月份的多年平均径流量为16.3 m3/s，据此推算该段时间山区地下水补给地表径流总量约2.1×108 m3。
图3-14 不同水文条件下黑河流域莺落峡站径流动态变化
从历年4～5月地表径流的补给动态变化特征可见，反映出地表径流主要受山区地下水和雪融水补给影响，降雨少而影响微弱。随着气温的升高，5月份径流量明显大于4月份，雪融水补给增多（图3-14b）。4～5月份的多年平均径流量为37.6 m3/s，该时段径流总量约2×108 m3，与11月至来年3月份的径流变化相比，增加了雪融水量，约占这一时期径流总量的57.4%。
山区地下水对地表径流补给量多少与区域降水变化有一定的关系，一般滞后2～3年。冰雪融水补给变化与当年气温变化相关。降水补给主要与6～9月份的大气水汽量动态变化关联。
进入洪水径流期（6～9月），出现了山区地下水、降水和冰雪融水多源补给地表径流的丰水季节，其中降水占较大比重（图3-14c）。这一时期的径流多年动态变化，与降水量变化相似，振幅较大，峰谷明显。该时段的多年平均径流量为90.7 m3/s，径流总水量约12×108 m3，其中降水补给约占58.3%。
综合上述分析结果可见，在多年平均径流量中，山区地下水、冰雪融水和降水对地表径流补给的多年动态变化规律不完全一致，受气温与降水嵌套综合影响，多源补给地表径流过程中存在丰枯互补机制。
（二）年内动态特征
1957～2000年系列黑河干流多年平均出山径流（组成）年内动态特征，如图3-15所示。在年内，地表径流量也是随着气温和降水量而变化。在气温较低、降水较少的冬季，地表径流以山区地下水补给为主。进入春季（4～5月下旬），气温升高，冰雪融水量不断增大，地表径流由冬季的地下水单源补给转变为地下水和冰雪融水共同补给，径流量明显增大。到6～9月份，气温进一步升高，降水量显著增大，同时山区地下水受降水入渗的影响，基流补给地表径流水量也随之增加。在多源补给作用下，夏秋季节的地表径流量达到全年的丰水期。10月份之后，气温下降、降水量减少，地表径流量也逐渐减少。
图3-15 黑河干流地表径流组成切割关系
以最大径流月（或最高温度月）为参照时间，以降水枯年和特枯年的冰雪融水补给地表径流时段的径流递增率确定包线（图3-15），选取的特枯年为1962年、1973年、1979年和1995年，据此计算出1957～2000年黑河干流多年平均径流量为16.1×108 m3/a，其中山区降水对地表径流的补给量为8.4×108 m3/a、占河水总补给量的52.4%；地下水对河水补给量为6.1×108 m3/a，占河水总补给量的37.8%；冰雪川融水补给量为1.6×108 m3/a，占河水总补给量的9.8%，其中雪融水0.83×108 m3/a，占河水总量的5.2%；冰川融水0.75×108 m3/a，占河水总量的4.6%。
三、黑河出山径流量多年丰枯阶段特征与趋势
（一）周期性阶段特征
黑河干流出山径流量的年际变化具有明显的阶段性，从1944～2000年，大体经历了4个枯水段和4个丰水段（图3-16）。其中枯水期持续最长时段为13年，最短时段为4年；丰水期持续最长时段为10年，最短时段为3年。枯水期累计年份为32年，丰水期累计年份为25年，枯水期年份比丰水期多7年。1990年以后，黑河流域进入了一个丰、枯交替阶段，其中前期多枯水年，末期偏丰水年，为3年丰水、1年平水和6年枯水。1990～2000年期间，黑河干流时段平均流量低于多年平均值的2.21%。
图3-16 黑河干流年径流量序列距平和5年滑动平均曲线
若按丰水、平水和枯水的年份统计，在1944～2000年系列中，平水年份占38.6%，枯水年份占36.8%，丰水年份占24.6%。枯水和平水年份共出现43年，占75.4%。
若以年径流量≤15×108 m3、15×108～17×108 m3和≥17×108 m3作为枯、平、丰水年的度量指标，则1944～2000年期间黑河干流年均流量为15.9×108 m3，其中丰水年14年，平均年流量为19.3×108 m3；平水年22年，平均年流量为15.9×108 m3；枯水年21年，平均年流量为13.7×108 m3。通过差积分析表明，近50年以来黑河经历了2次丰水和3次枯水的周期性变化，1952～1959年和1981～1989年分别为丰水期，1944～1951年、1968～1980年和1990年以来分别为枯水期（图3-17）。
2个丰水期的时段多年平均流量分别为17.69×108m3和17.44×108m3，3个枯水期时段多年平均流量分别为14.78×108m3、14.64×108m3和15.89×108m3。1944～1967年和1968～1989年2个周期的时段（23年）多年平均径流量分别为16.11×108m3和15.86×108m3，1990～2000年平均径流量为15.59×108m3。由此可见，黑河干流径流量的周期变化基本呈现比较稳定状态，丰枯变化有序，具有3年、6～7年、11～13年和22～23年的周期性。
图3-17 黑河干流径流量差积动态与趋势
蓝永超等（1999）以傅立叶波谱方法对黑河出山径流量进行功率谱分析、谐波分析和方差分析，研究结果表明，黑河出山地表径流量变化存在着3年、6～7年、11～13年和22～23年的主周期。上述变化周期的物理意义是，3年及6～7年周期与副高脊线位置的准3年周期（徐国昌等，1992）及地极移动振幅变化7年左右的周期是一致的，它们均是影响我国西部广大地区降水的重要系统，并且其变化与地球离心力系统、大气环流以及空气质量、水分输送等变化相关（蓝永超等，1999），进而影响黑河流域水文循环系统变化。11～13年和22～23年周期性可能与天体运动规律和太阳黑子强弱变化的中长波周期有关（陈兴芳，1997）。太阳黑子活动有 22年和11年左右的中短期变化（康兴成，1992，1993，2002，2003；霍世青等，2001）。当太阳黑子活动增强时，经向环流增强，纬向环流减弱。经向环流增强有利于空气南北交换，同时，由于纬向环流减弱使青藏高原热低压加强，祁连山东部地区降水增多，从而使黑河出山径流量增加。反之，在经向环流减弱，纬向环流发展条件下，黑河出山径流量减少。1990年是太阳活动22年周期的峰年（霍世青等，2001），以至1990年以后随着经向环流逐渐减弱和纬向环流不断增强，祁连山东部地区降水量出现减少过程，从而使黑河出山径流量总体上呈现一个下降的趋势。
总之，从黑河干流出山径流的年际变化来看，存在不同时空尺度的丰枯变化周期性，丰枯变化极值比为1.95，总的周期性变化特征是：1952年之前偏枯，50年代偏丰、60年代转平、70年代平偏枯、80年代丰水，1991年之后偏枯。出山径流存在着3年、6～7年，11～12年、21～23年的变化周期，其中以6～7年和3年周期最为显著。
（二）预测趋势分析
黑河出山径流量变化的因素众多，彼此关联复杂，如降水、气温、冰川、积雪、冻土和基流等，各种因素变化存在一定的不确定性。
根据均生函数（均值生成函数）的周期外延预测模型，采用主成分析（经验正交函数）方法，提取时间序列的优势周期，构建拟合序列的适宜数学模型，由此获得未来黑河流域径流变化趋势（蓝永超等，1999；冯建英，2001；李栋梁等，2003a，b）。
预测模型中包括趋势项X（t），周期项∑Pi（t）和随机项ε（t），达到模式如下：
西北内陆黑河流域水循环与地下水形成演化模式
式中：Y（t）——黑河出山实际径流量值；
Y’（t）———黑河出山径流量的预测值；
∑Pi（t）——从原始序列中所提取的不同长度周期序列；
∑Xj（t）——反映长期演变趋势；
βi和Фj——权重系数；
ε（t）———主要表示随机误差，即ε（t）=Y（t）-Y’（t），在预报中应使ε（t）尽可能的小。
根据1944～2000年系列黑河干流径流丰枯周期性变化规律，利用预测模型获得2001～2030年时段多年平均径流量为15.67×108 m3/a，比1944～2000年系列均值衰减0.24×108 m3/a，衰减幅度平均1.5%。与1990～2000年平均径流量相比，增加0.51%。由图3-18可见，2017年以前黑河干流径流处于偏枯水期，2018～2026年期间处于偏丰水期，2027年之后再度出现枯水期。未来枯水期的时段多年平均径流量为15.33×108 m3/a，与系列均值比较平均减少2.97%。未来丰水期的时段多年平均径流量为16.28×108 m3/a，高出系列均值3.04%。
图3-18 黑河干流径流变化过程与未来30年预测结果
四、人类活动影响下水文效应
（一）人类活动对水循环条件影响
人类对水土资源开发，导致黑河流域水循环条件发生变化。在20世纪50年代中期至60年代中期，张掖地区，包括张掖、临泽、高台三县（市）沿山灌区及民乐、山丹县引黑灌区，有效灌溉面积稳定在（10.7～12.0）×104 hm2，70年代中期至80年代中期有效灌溉面积稳定在13.3×104 hm2左右。1990～1994年张掖、临泽和高台三县（市）的黑河、梨园河及井泉混合灌区实灌面积为（13.4～13.7）×104 hm2，引水量（17.3～19.5）×108 m3。下游地区的用水主要是金塔县、鼎新灌区、东风场区以及内蒙古的额济纳旗。鼎新灌区的开发始于清代，有效灌溉面积0.73×104 hm2，年引水量0.8×108 m3左右。东风场区引黑河水主要用于林带绿化、农田与菜地灌溉以及生活用水。额济纳旗的开发始于汉代的戍边屯垦，明中叶以后随着河西走廊经济的发展，下游入境水量逐渐减少。
根据龚家栋等（1998）研究成果，黑河下游在历史上接受西支讨赖河和东支黑河的径流，至狼心山分为东西两河，分别注入尾闾区的索果诺尔（东居延海）和嘎顺诺尔（西居延海）。1947年在讨赖河修建鸳鸯池水库（蓄水1200×104 m3），解放后该水库大坝几次加高（蓄水量增至6300×104 m3）以及修建解放村水库（蓄水3900×104 m3），使讨赖河在50年代末就基本无水汇入干流。
进入20世纪后期，黑河流域水循环状况每况愈下。例如1958年西居延海水域面积267 km2，1961年秋干涸。1958年东居延海的水域面积35.5 km2，自1962年以来先后干涸5次，1992年彻底干涸。额济纳旗原有6大湖泊，从20世纪80年代末至90年代初相继全部干涸。50年前额济纳绿洲面积尚存3.2×104 km2，而如今仅有0.33×104 km2。河湖岸带的胡杨林已经从过去的5.0×104 hm2减少到现今的2.26×104 hm2，柽柳林由15×104 hm2减少到10×104 hm2。草本植物曾有130多种，目前只存30多种。野生动物原有180多种，现在基本绝迹。
20世纪60年代以来，林草灌溉面积有所下降，1990～1995年草原灌溉面积为34.4～4.87×104 hm2。80年代以前正义峡断面多年平均在10×108 m3以上，而1990～1994年平均正义峡仅有7.3×108 m3，水量在逐年减少。上游来水量减少，也使下游区地下水补给量减少，加之开采量增加，地下水水位不断下降。近10年来在额济纳盆地1000多眼机井中，已有60%供水不足，10%干涸。与此同时地下水矿化度普遍增高至1 g/L以上，甚至达到2～3 g/L。
不仅如此，黑河流域水循环条件被人为地改变，还造成土地沙化面积不断增加。1990年以前，张掖地区沙漠化面积增加较快，1990年达到历史高峰，比1949年增加约4.1%。1949～1995年期间下游区金塔沙化面积增加了约14.95%，呈持续增长趋势，成为农业区内沙漠化程度严重地区。从20世纪60～80年代，额济纳地区的戈壁和沙漠面积年递增0.15 hm2，1987～1991年间沙漠化面积增加了约5.6%，呈不断加强的趋势。
（二）人类活动现状
黑河中游地区农业耕地面积占全流域的92.75%，水资源消耗量占全流域的86.85%，中游地区水土资源开发利用程度已经达到相当程度，对流域水循环已经产生严重影响。根据《2000年甘肃省水利综合年报》数据，黑河中游张掖、酒泉地区现有灌溉耕地面积22.2×104 hm2，其中农业灌溉面积为19.2×104 hm2，灌溉林地为 2.3×104 hm2，灌溉果园为0.34×104 hm2，牧草灌溉面积为0.39×104 hm2。2000年黑河中游干流区农田灌溉面积16.3×104 hm2，包括山丹、民乐、肃南、张掖川等县市，其中鼎新灌区有0.41×104 hm2。讨赖河区有农田灌溉面积6.1×104 hm2，包括酒泉市、嘉峪关市、金塔县鸳鸯池灌区，其中甘肃省农垦公司灌溉面积为0.2×104 hm2。
2000年黑河中游地区仅水利工程的供水量就达32.30×108 m3/a，其中，农业用水量为31.1×108 m3/a，工业用水量为 0.81×108 m3/a，城镇生活用水量为0.49×108 m3/a，加上未纳入统计范围的工厂自备水源、小城镇和农村社会用水量，中游地区总用水量达34.84×108 m3/a。蓄水工程供水量为8.62×108 m3/a，引水工程供水量为18.32×108 m3/a，机电井及水泵等供水量为5.36×108 m3/a。浅层地下水开采量占总用水量的15.4%。
2000年黑河流域实测出山水资源量为32.76×108 m3/a，为平水年份。1～6月全流域几乎滴雨未降，在用水量最大的4～6月份山区河流补给平原区的水量非常有限，开采地下水是补充水量不足的主要途径，以至2000年区域水资源利用程度达到106.4%，下游额济纳生态环境需水缺少基本保障。
五、黑河流域出山水资源量变化
黑河流域有水文站控制的河流有8条，包括山丹河、洪水河、大诸马河、黑河干流、梨园河、丰乐河、洪水坝河和冰沟河，其他没有水文站控制的小河的出山水资源量仅占出山总水资源量的10%。
黑河干流流域多年平均出山水资源量为19.96×108 m3/a，其中莺落峡多年平均出山水资源量为 15.57×108 m3/a，梨园河为1.85×108 m3/a，山丹河、洪水河、大渚马河多年平均出山水量分别为0.49×108 m3/a、1.03×108 m3/a、1.05×108 m3/a。黑河流域讨赖河区多年平均出山水量为9.53×108 m3/a，其中冰沟为6.27×108 m3/a，洪水坝河为2.32×108 m3/a，丰乐河为0.94×108 m3/a。黑河流域有水文站控制的多年平均出山水资源量为29.61×108 m3/a，再加上没有水文站控制出山水资源量，总计32.57×108 m3/a。2000年黑河流域实测出山水资源量为32.76×108 m3/a。
从黑河流域多年动态变化来看，出山总水资源量略有增加。60年代时段多年平均水资源量为31.28×108 m3/a，70年代为32.27×108 m3/a，80年代34.60×108 m3/a。1990～2001年平均水资源量为32.06×108 m3/a。
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