西北內(nèi)陸縣域氣候變化及其對(duì)河川徑流的影響

操信春,吳普特,3,郝仕龍,趙西寧,3

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西楊陵712100;2.國(guó)家節(jié)水灌溉楊凌工程技術(shù)研究中心,陜西楊陵712100;3.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西楊陵712100;4.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊陵 712100）

以增溫為特征的全球氣候變化已成為不爭(zhēng)的事實(shí)[1-2]。近百年來(lái)全球平均氣溫增溫為0.74℃,近五十年我國(guó)年平均氣溫增加 1.1℃,增溫速率為0.22℃/10 a[3]。增暖最明顯的地區(qū)包括東北、華北、西北和青藏高原北部[4]。氣候變化引發(fā)的水資源問(wèn)題影響著人類(lèi)社會(huì),威脅生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的安全,區(qū)域性氣候變化及其對(duì)當(dāng)?shù)厮乃Y源的影響日益成為人們關(guān)注與研究的熱點(diǎn)[5-7]。

黑河流域地處我國(guó)西北內(nèi)陸干旱區(qū),黑河為我國(guó)第二大內(nèi)陸河,是河西走廊綠洲的支柱,也是防御北部沙漠入侵的屏障。水資源是制約區(qū)域農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的主要因素,由于氣候變化以及人口增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,黑河流域各地區(qū)及各部門(mén)的用水量急劇增加,水資源供需矛盾日益突出[8]。黑河流域氣候變化特征及其對(duì)水文水資源的影響是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展戰(zhàn)略決策的依據(jù)。研究縣域氣候變化的水文效應(yīng)具有重要的意義,為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 區(qū)域概況

甘肅省民樂(lè)縣地處河西走廊中段,祁連山北麓,張掖市東南部 ,黑河流域上游,位于東經(jīng) 100°22′59″-101°13′9″,北緯 37°56′19″-38°48′17″。年平均氣溫1.8～5.2℃,多年平均降水量340 mm左右,蒸發(fā)量1 638 mm,屬大陸性荒漠草原氣候?？h境內(nèi)發(fā)源于青海省祁連縣祁連山北坡的蘇油口河、大堵麻河、海潮壩河、洪水河和童子壩河的平均年徑流量之和約3.601億m3,約占全縣地表水資源總量的87%。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

民樂(lè)縣和祁連縣1958-2008年逐年降雨總量、年平均氣溫以及1982年1月至2008年12月年的逐月平均氣溫資料。1958-2008年蘇油口河、大堵麻河、海潮壩河、洪水河及童子壩河歷年徑流總量。

2 分析方法

氣溫?cái)?shù)據(jù)取民樂(lè)、祁連兩站的平均值,徑流值為以上五條河流年徑流量的總和。

2.1 Mann-Kendall秩相關(guān)分析法

年平均氣溫、年降水量及年徑流量的變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)分析采用Mann-Kendall秩相關(guān)分析法[9-10]進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。該方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,這一方法的核心是通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法檢驗(yàn)時(shí)間序列要素均值變化的確切時(shí)間來(lái)確定躍變變化的確切時(shí)間。

Mann-Kendall法的分析原理為[11]:給定信度值α,Xt(t=1,2,…)為一時(shí)間序列,先確定其序列的對(duì)偶數(shù)(Xi＜Xj,i,j=1,2,…)的個(gè)數(shù) p,再確定Var(λ)和U,公式如下:

所有的U值組成一條曲線U1(實(shí)線),如果U1＞0,表明有上升趨勢(shì),U1＜0則表明有下降的趨勢(shì)。本文中 α=0.05,當(dāng)│U │＞U0.05/2=1.96時(shí),表示變化趨勢(shì)顯著。把此法用于時(shí)間序列數(shù)據(jù)的反序列中,可得另一曲線U2(虛線),如果曲線U1和U2的交叉點(diǎn)位于信度線之間,則認(rèn)為是突變的開(kāi)始[12]。

2.2 多元線性擬合

氣候要素對(duì)河川徑流有重要的影響,降水可以直接補(bǔ)給徑流,徑流量對(duì)降水的增減變化較敏感;溫度的變化會(huì)影響蒸發(fā)、冰川融化等因素,從而影響徑流量。氣候變化徑流量的影響及預(yù)測(cè)用多元線性擬合的方法?；鶞?zhǔn)期歷年年均氣溫及降水量與徑流量擬合成一個(gè)多元線性回歸方程:

式中:Q——徑流量;P——降水量;T——年均氣溫;a0,a1,a2為回歸系數(shù)。

由此方程可得出歷年徑流的計(jì)算值,通過(guò)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較,可以看出氣候變化對(duì)河川徑流的影響方式及程度。1959-2008年的每隔5 a的氣溫、降水和徑流取平均值得到10組數(shù)據(jù),再以氣溫、降水為自變量進(jìn)行多元線性回歸。利用回歸關(guān)系式,在每5 a的平均氣溫、降水符合當(dāng)前線性變化趨勢(shì)的條件下預(yù)測(cè)未來(lái)5,10,15,20,25 a中每5 a內(nèi)的徑流量平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣候變化

3.1.1 氣溫變化 年均氣溫的分析結(jié)果如圖1。由Mann-Kendall法分析結(jié)果(圖1a)可以看出:氣溫的躍變開(kāi)始于1986年左右(躍變點(diǎn)根據(jù)積累曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)再做t檢驗(yàn)來(lái)確定),與整個(gè)西北地區(qū)的情況相類(lèi)似[13];年均氣溫變化過(guò)程按時(shí)間可分為隨機(jī)微弱增減但總體保持平穩(wěn)的基準(zhǔn)期(1958-1986年)和年均氣溫增加較明顯的增溫期(1987-2008年);增溫期內(nèi)的1993-2008年達(dá)到0.05信度的顯著性水平。

該區(qū)域的多年氣溫平均值為2.24℃,基準(zhǔn)期的年均氣溫值幾乎全部(僅1978年值略大于平均值,為2.33℃)小于歷年的平均值,而增溫期基本與基準(zhǔn)期相反(圖1b)。基準(zhǔn)期年均氣溫的平均值為1.75℃,增長(zhǎng)期為2.89℃,后者較前者高出65.1%。線性擬合得出,基準(zhǔn)期的溫度增長(zhǎng)率為0.01℃/10 a,可認(rèn)為基本沒(méi)有變化;增溫期為0.62℃/10 a,增溫顯著;1958-2008年的溫度增長(zhǎng)率為0.37℃/10 a,大于全國(guó)1951-2004年的升溫速度(0.25℃/10 a),也略大于整個(gè)西北干旱半干旱區(qū)1961-2006年間的0.34℃/10 a[14]。2002年的年平均氣溫為51 a來(lái)的最大值,達(dá)3.72℃,1998年次之,為3.68℃。

圖1 年平均氣溫分析

將3-5月劃分為春季,6-8月為夏季,9-11月為秋季,12月至次年2月為冬季(下同),由計(jì)算得出增溫期(1987-2008年)的季平均氣溫增加速率分別為0.98,0.93,0.56,0.48℃/10 a。說(shuō)明各季平均氣溫均呈整體上升趨勢(shì);春季和夏季的增溫速率相當(dāng)且都大于年平均氣溫增加速率,冬季的增溫速率最小;年平均氣溫的升高以春季和夏季的貢獻(xiàn)最大。

民樂(lè)站與祁連站51 a來(lái)年均變化趨勢(shì)有良好的一致性,民樂(lè)站的基準(zhǔn)期、增溫期和全序列的氣溫傾向率分別為-0.07,0.68,0.47℃/10 a,祁連站的為-0.03,0.53,0.26℃/10 a。

3.1.2降水變化情況 民樂(lè)站和祁連站1958-2008年的年降水量平均值序列數(shù)據(jù)的Mann-Kendall法突變分析結(jié)果如圖2a。分析表明:在95%信度水平下,年降水量經(jīng)歷了先減小后增加的過(guò)程,前期的減小趨勢(shì)并不明顯,且整體上呈增加趨勢(shì);降水量增加的趨勢(shì)開(kāi)始于1974年左右并且在1978年發(fā)生突變,突變年份前后的平均年降水值分別為326.1 mm和382.3 mm。

區(qū)域的平均年降水量為360.2 mm,線性擬合出的增長(zhǎng)速度為19.5 mm/10 a;突變年(1978年)后的波動(dòng)性與之前相比,有增大的跡象(圖2b);從年代上看,60-90年代的平均值分別為318.0,340.9,378.6,379.3 mm,21世紀(jì)前9年的平均值為392.5 mm,后者較前者均有上升趨勢(shì);年均降水量的最小值、最大值分別出現(xiàn)在1962年及2003年,為273.4,513.7 mm。

圖2 降水量分析

3.2 氣候變化對(duì)河川徑流的影響

徑流量經(jīng)歷了下降-增長(zhǎng)-下降的過(guò)程,但前期的增長(zhǎng)和下降的趨勢(shì)都不明顯(圖3);增長(zhǎng)期(1978-1992年)內(nèi)的1990年附近有一個(gè)突變點(diǎn),隨即又進(jìn)入了不間斷的下降期;2001年以后減小的趨勢(shì)顯著。

圖3 歷年徑流量M ann-Kendall法分析圖

五條河流年徑流總和的平均值為3.601億m3,年際間的波動(dòng)較大,但整體上呈下降的趨勢(shì),這與黑河干流鶯落峽站1950-2004年徑流量的變化趨勢(shì)相反[15];最大值和最小值分別出現(xiàn)在1989年和2001年,為5.861,2.181億m3;1994-2008年減小的趨勢(shì)較明顯,期間只有2003年和2007年的徑流量略大于歷年平均值。年凈流量的減小和來(lái)水量的不確定性給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)維護(hù)及水資源的綜合管理帶來(lái)挑戰(zhàn)。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),1963-1982年20 a間的氣溫、降水與徑流量的線性相關(guān)性較強(qiáng),利用多元線性回歸法(處理中,為了統(tǒng)一數(shù)量級(jí),降水量的單位以dm計(jì))可以得出如下方程:

將歷年降水、年均氣溫?cái)?shù)據(jù)代入公式(4)中可得出的歷年徑流量的計(jì)算值;計(jì)算值與實(shí)測(cè)值年際間的增、減趨勢(shì)基本一致(圖4);1980年代中期以后,計(jì)算值的年際波動(dòng)性明顯小于實(shí)測(cè)值。

圖4 徑流量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

降水、氣溫的增加對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)正好相反(公式3),它們綜合對(duì)徑流的影響視各自變化的程度而定。1983年的徑流量、降水量都為1958年以來(lái)的最大值,氣溫為1958年以來(lái)的最小值之一;1989年的氣溫為歷年的平均水平,而1988年、1989年的降水量分別為439.0,440.4 mm,且黑河流域的流量受前一年10月以來(lái)的降水量影響[16],導(dǎo)致1989年突然出現(xiàn)了一個(gè)流量高出歷年平均值62.8%大值;2001年是徑流量最小的年份,也是徑流量顯著減少的起點(diǎn),該年的降水量為近30 a來(lái)的最小值,年均氣溫達(dá)3.3℃,1958年以來(lái)僅小于1998年、1999年。所以,徑流量的極值對(duì)降水的變化較敏感,氣溫對(duì)徑流量的影響更加復(fù)雜,且氣溫的穩(wěn)步升高和降水的波動(dòng)性增大導(dǎo)致徑流的跳躍性減少。

分別求出1959-2008年間每5 a的平均氣溫、降水及徑流量值,得出三者關(guān)系的回歸方程為

在每5 a的平均氣溫、降水變化符合當(dāng)前線性趨勢(shì)的前提下,利用公式(4)可以預(yù)測(cè)出2009-2013年、2014-2018年 、2019-2023年、2024-2028 年 、2029-2033年間平均年徑流量分別為3.160,3.088,3.016,2.945,2.873億 m3,分別為歷年平均值的87.8%,85.6%,83.8%,81.8%,79.8%,僅為 1979-1983年平均值的78.0%,76.2%,74.4%,72.7%,70.9%。由于河川徑流量的年際波動(dòng)較大且將來(lái)河川徑流量有逐漸減少趨勢(shì)的可能,可以采取以下應(yīng)對(duì)措施:調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),加大工業(yè)發(fā)展力度,減少高耗水農(nóng)業(yè)的比例;調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu),適當(dāng)減少糧食作物、增加低耗水經(jīng)濟(jì)作物的種植面積;推行節(jié)水灌溉技術(shù),高效利用灌溉水;宣傳節(jié)水理念,使當(dāng)?shù)孛癖娫鰪?qiáng)節(jié)水意識(shí);分質(zhì)供水,提高水的重復(fù)利用率?？傊?應(yīng)提高水資源的綜合管理水平,使有限的水資源最大限度地發(fā)揮作用。

4 結(jié)論

(1)1958-2008年黑河流域上游民樂(lè)-祁連境內(nèi)氣候的變化表現(xiàn)為年均氣溫升高和年降水量增多。年平均氣溫序列數(shù)據(jù)可分為兩個(gè)階段,分別是基準(zhǔn)期1958-1986年和增溫期1987-2008年;氣溫在1987年發(fā)生躍變且1993年后增長(zhǎng)顯著;與基準(zhǔn)期相比,增長(zhǎng)期內(nèi)的平均氣溫上升了65.1%,增幅達(dá)1.14℃;全年各季度氣溫呈整體上升趨勢(shì),春季和夏季的貢獻(xiàn)最大。年降水量的躍變發(fā)生在80年代中期,51 a間的增加速率為19.5 mm/10 a;80年代中期以后,年際波動(dòng)性增大。

(2)氣候變化與河川徑流變化的關(guān)系密切,1958-2008年間民樂(lè)縣河川徑流量整體上呈減少趨勢(shì),氣候變化期年際來(lái)水的波動(dòng)性增大;降水對(duì)河川徑流的敏感性大于氣溫;降水、氣溫的增加對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)正好相反;區(qū)域氣溫的穩(wěn)步升高和降水的波動(dòng)性增大導(dǎo)致徑流的跳躍性減少。

(3)在未來(lái)每5 a的平均氣溫、降水按當(dāng)前線性趨勢(shì)變化的前提下,預(yù)計(jì)從2009-2013開(kāi)始后的每個(gè)五年內(nèi)民樂(lè)縣河川徑流量將會(huì)減少為1958-2008年平均值的 87.8%,85.6%,83.8%,81.8%和79.8%。而且,每一年的具體來(lái)水量難以估計(jì)。對(duì)此,調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)、節(jié)水灌溉、增強(qiáng)節(jié)水意識(shí)、分質(zhì)供水等,可作為應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)氐乇硭Y源變化的有效措施。

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