甘肅省長(zhǎng)江流域水循環(huán)及變化分析研究

吳彥昭，陳 凱，金 泉，陳 均，王漢卿

(1.甘肅省隴南水文水資源勘測(cè)局，甘肅 隴南 742500;2.甘肅省臨洮水文水資源勘測(cè)局，甘肅 臨洮 730500)

水循環(huán)按照不同分類具有不同的理解，區(qū)域水循環(huán)[1]是一個(gè)小循環(huán)，不同的小循環(huán)根據(jù)所在的地理位置，特別是與海洋距離不同，循環(huán)形式也不同。小循環(huán)主要包括降水、蒸發(fā)、徑流三個(gè)方面，水循環(huán)具有其區(qū)域獨(dú)特特性。改革開放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展，人類活動(dòng)加劇，以及全球氣候變化較大，大的水循環(huán)也發(fā)生了較大的變化，區(qū)域循環(huán)也發(fā)生了變化[2]。對(duì)水循環(huán)規(guī)律的研究，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)發(fā)展具有指導(dǎo)性意義。

水循環(huán)研究隨著科技的進(jìn)步，技術(shù)和手段方法也不斷提高，特別是遙感監(jiān)測(cè)[3]和分析方面具有很大的突破。對(duì)甘肅省長(zhǎng)江流域水文特性研究較多，對(duì)降水、蒸發(fā)、徑流單因素分析較多[4]，其次相互關(guān)系也比較多，這些分析研究總體上反映了該區(qū)域具有數(shù)字化[4-5]的水文特性。目前小區(qū)域內(nèi)動(dòng)態(tài)分析水循環(huán)中水文要素關(guān)系的比較少，甘肅省長(zhǎng)江流域同樣較少，將來(lái)水文研究必然是向數(shù)字化、信息化、動(dòng)態(tài)化發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 區(qū)域概況

甘肅省長(zhǎng)江流域位于甘肅省南部，可分成嘉陵江干流和白龍江兩大重點(diǎn)流域。嘉陵江干流發(fā)源于陜西省秦嶺南麓，流經(jīng)鳳縣至兩當(dāng)縣進(jìn)入甘肅省，后經(jīng)徽縣東部又進(jìn)入陜西略陽(yáng)縣。主要支流有楊店河、廟河、永寧河、洛河、青泥河、西漢水、燕子河等。嘉陵江干流甘肅省內(nèi)流域面積18500km2，自產(chǎn)地表水資源38.5億m3。白龍江發(fā)源于郎木寺附近，流經(jīng)甘肅省甘南、隴南兩市。主要包含岷河、角弓河、拱壩河、北峪河、白水江、草壩河等支流，省內(nèi)流域面積19500km2，自產(chǎn)地表水資源量57.2億m3。

1.2 資料收集

資料來(lái)源于第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果，資料系列采用1956—2016年，主要收集了降水、蒸發(fā)、徑流等資料。其中雨量站110處，資料系列小于等于20年的4站，占3.6%；21～30年的22站，占1.8%；31～40年的24站，占21.8%；41～50年的16站，占14.5%；大于50年的共64站，占58.2%，雨量站站網(wǎng)密度348km2/站。蒸發(fā)23站，站年數(shù)1035年，站網(wǎng)密度535km2/站。徑流25站，小于等于20年的有4站，占16%；21～40年的9站，占36%；41～60年的8站，占32%；大于60年的4站，占16%。站點(diǎn)分布具體如圖1所示。

1.3 研究方法

將甘肅長(zhǎng)江流域劃分兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是白龍江區(qū)域，一個(gè)是嘉陵江干流區(qū)域，將兩個(gè)區(qū)域分別作為一個(gè)整體區(qū)域，共三個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析研究。

1.3.1水循環(huán)相關(guān)參數(shù)

通過(guò)對(duì)水循環(huán)主要相關(guān)參數(shù)分析，確定區(qū)域內(nèi)水循環(huán)特性。其主要參數(shù)有陸面蒸發(fā)系數(shù)e[6](En/P)、地表產(chǎn)流系數(shù)r[7](Rs/P)、降水入滲補(bǔ)給系數(shù)a[8](Pr/P)等，水循環(huán)系數(shù)同下墊面和氣候因素具有較強(qiáng)的相關(guān)性，呈現(xiàn)出區(qū)域特征。它們間相互動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，又隨著下墊面和氣候變化而發(fā)生變化，水循環(huán)三系數(shù)間存在e+r+a≈1這樣的關(guān)系，陸面蒸發(fā)系數(shù)、地表產(chǎn)流系數(shù)、降水入滲補(bǔ)給系數(shù)三參數(shù)反映了該地區(qū)的降水轉(zhuǎn)換的三個(gè)方向，其中陸面蒸發(fā)系數(shù)表示陸面蒸發(fā)能力，地表產(chǎn)流系數(shù)計(jì)算的時(shí)候要扣除河川的基流，減去冰川融化和地下水補(bǔ)給的影響。計(jì)算降水入滲補(bǔ)給系數(shù)需計(jì)算降水入滲補(bǔ)給量[9]，公式如下：

Pr=P·α·F/10

(1)

式中，Pr—降水入滲補(bǔ)給量，萬(wàn)m3；P—年降水量，mm；α—降水入滲補(bǔ)給系數(shù)；F—均衡計(jì)算區(qū)計(jì)算面積，km2。

地表產(chǎn)流量計(jì)算公式：

Rs=R-Rg

(2)

式中，R—地表自產(chǎn)水量，萬(wàn)m3；Rg—河川基流量，萬(wàn)m3。

1.3.2點(diǎn)到面數(shù)據(jù)計(jì)算

在水循環(huán)平衡計(jì)算過(guò)程中，將直接采用甘肅省第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)自產(chǎn)、降水、陸面蒸發(fā)面數(shù)據(jù)計(jì)算的成果，其面數(shù)據(jù)的計(jì)算方法是，根據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制等值線，根據(jù)繪制的等值線采用空間插值法量算面數(shù)據(jù)。

1.3.3趨勢(shì)分析檢測(cè)

趨勢(shì)分析方法較多，本文采用五年滑動(dòng)平均法，趨勢(shì)顯著性檢測(cè)采用坎德爾秩次相關(guān)法[11]。原假設(shè)為無(wú)趨勢(shì)，當(dāng)給定顯著水平a后，在正態(tài)分布表中查出臨界值Ua/2，當(dāng)|U|Ua/2時(shí)，拒絕原假設(shè)，即趨勢(shì)顯著。

1.3.4突變分析檢測(cè)

水循環(huán)要素突變分析即分析其相關(guān)因子的關(guān)系轉(zhuǎn)變年份，單因子突變分析一般是采用分割樣本的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法較多，有累積距平法、有序聚類法[12]、滑動(dòng)t檢驗(yàn)法[11]等，對(duì)突變顯著性和突變年份進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，置信度α均采用0.05，其相關(guān)值Ua/2=1.96、Ta/2=1.64。

1.3.5周期分析評(píng)價(jià)

水循環(huán)要素點(diǎn)同水文要素一樣不是平穩(wěn)變化，存在一定的周期變化。周期分析方法較多，目前采用小波分析法[13]對(duì)時(shí)間序列要素分析，是一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)。它是一個(gè)時(shí)頻局部變化分析方法:高頻段時(shí)，頻域窗口增大，時(shí)間窗口減小；低頻段時(shí)，時(shí)間窗口增大，而頻域窗口減小。

水循環(huán)要素的變化并不是以一種固定的周期運(yùn)動(dòng)，而是存在各種時(shí)間尺度的變化和局部波動(dòng)，使要素變化在時(shí)域中存在多層次時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)和局部變化的特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 水循環(huán)相關(guān)參數(shù)變化趨勢(shì)

采用五年滑動(dòng)平均法對(duì)各參數(shù)進(jìn)行濾波，繪制五年滑動(dòng)平均值變化圖，如圖1—3所示。從圖中可以看出，陸面蒸發(fā)系數(shù)三個(gè)區(qū)域都呈增加趨勢(shì)，地表產(chǎn)流系數(shù)呈減少趨勢(shì)、降水入滲補(bǔ)給系數(shù)三個(gè)區(qū)域都呈減少趨勢(shì)。

蒸發(fā)系數(shù)嘉陵江干流流域整體大于白龍江流域，地表產(chǎn)流系數(shù)白龍江流域整體大于嘉陵江干流流域，降水入滲補(bǔ)給系數(shù)白龍江流域整體大于嘉陵江干流流域。

圖1 蒸發(fā)系數(shù)五年滑動(dòng)平均值變化圖

圖2 地表產(chǎn)流系數(shù)五年滑動(dòng)平均值變化圖

圖3 降水入滲補(bǔ)給系數(shù)五年滑動(dòng)平均值變化圖

采用線性回歸法、坎德爾秩次相關(guān)法對(duì)水循環(huán)參數(shù)變化趨勢(shì)顯著性分析，計(jì)算成果列入表1。從計(jì)算成果可以得出：陸面蒸發(fā)系數(shù)三個(gè)區(qū)域增加趨勢(shì)都顯著，地表產(chǎn)流系數(shù)、降水入滲補(bǔ)給系數(shù)三個(gè)區(qū)域減少趨勢(shì)都顯著。

表1 水循環(huán)相關(guān)參數(shù)變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)表

2.2 水循環(huán)相關(guān)參數(shù)突變分析

采用有序聚類法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)法[15]，進(jìn)行水循環(huán)相關(guān)參數(shù)突變顯著性及突變年份進(jìn)行分析計(jì)算，列入表2，從表中可以看出突變年份基本在1993年至1995年間，突變顯著。

蒸發(fā)系數(shù)白龍江流域突變年份在1995年左右，嘉陵江干流流域突變年份在1993年左右，長(zhǎng)江流域整體在1993年左右；地表產(chǎn)流系數(shù)白龍江流域在1995年左右，嘉陵江干流流域在1993年左右，長(zhǎng)江流域整體在1995年左右；降水入滲補(bǔ)給系數(shù)白龍江流域在1995年左右，嘉陵江干流流域在1993年左右，長(zhǎng)江流域整體在1993年左右。

表2 水循環(huán)相關(guān)參數(shù)突變分析統(tǒng)計(jì)表

2.3 水循環(huán)相關(guān)參數(shù)周期分析

水循環(huán)相關(guān)參數(shù)周期分析以甘肅省長(zhǎng)江流域整體采用小波分析法進(jìn)行分析，陸面蒸發(fā)系數(shù)小波分析圖如圖4所示。從圖4中可以看出在10、15、20年頻率上，出現(xiàn)增加和減少相互交替的周期變化。10年頻率時(shí)間尺度在1965—1975年、1985—1995年和2010年之后小波系數(shù)正負(fù)交替出現(xiàn)，周期性波動(dòng)較為顯著。15年頻率時(shí)間尺度在1963—1983年、1983—1998年和2010年之后小波系數(shù)正負(fù)交替出現(xiàn)，周期性波動(dòng)較為顯著。20年頻率時(shí)間尺度在1960—1980年、1985—2005年和2010年[16]之后小波系數(shù)正負(fù)交替出現(xiàn)，周期性波動(dòng)較為顯著。

圖4 甘肅省長(zhǎng)江流域陸面蒸發(fā)系數(shù)小波分析圖

地表產(chǎn)流系數(shù)小波分析圖如圖5所示。從圖5中可以看出地表產(chǎn)流系數(shù)在10、15、20年頻率上，也出現(xiàn)增加和減少相互交替的周期變化，同陸面蒸發(fā)系數(shù)小波分析圖變化基本相似。

圖5 甘肅省長(zhǎng)江流域地表產(chǎn)流系數(shù)小波分析圖

降水入滲補(bǔ)給系數(shù)小波分析圖如圖6所示。從圖6看出，表產(chǎn)流系數(shù)周期變化也基本相似。

圖6 甘肅省長(zhǎng)江流域降水入滲補(bǔ)給系數(shù)小波分析圖

2.4 水循環(huán)相關(guān)參數(shù)平衡分析

用陸面蒸發(fā)系數(shù)、地表產(chǎn)流系數(shù)和降水入滲補(bǔ)給系數(shù)作直方圖，如圖7所示，從圖7中可以看出三個(gè)流域的陸面蒸發(fā)系數(shù)、地表產(chǎn)流系數(shù)和降水入滲補(bǔ)給系數(shù)相加值基本等于1。嘉陵江降水入滲補(bǔ)給系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于白龍江流域，其陸面蒸發(fā)系數(shù)較高，結(jié)合嘉陵江干流流域多耕地，多植被，白龍江流域多石山，植被良好。也說(shuō)明了多耕地陸面蒸發(fā)能力強(qiáng)于石山區(qū)，石山區(qū)降雨入滲補(bǔ)給能力強(qiáng)，石山區(qū)河川基流穩(wěn)定性好。

圖7 黑河流域徑流深等值線圖

2.5 水循環(huán)相關(guān)參數(shù)相關(guān)分析

對(duì)甘肅省長(zhǎng)江流域水循環(huán)相關(guān)參數(shù)相關(guān)分析，明確它們之間的相互關(guān)系和依賴程度，采用線性相關(guān)系數(shù)[17]進(jìn)行分析，將分析成果列入表3。從表中可以得出它們?nèi)咧g相關(guān)性比較顯著，地表產(chǎn)流系數(shù)和降水入滲降水補(bǔ)給系數(shù)除了降雨影響外還受人類活動(dòng)影響，由于白龍江多水電站和水庫(kù)，導(dǎo)致兩者間相關(guān)性稍低。陸面蒸發(fā)系數(shù)同地表產(chǎn)流系數(shù)和降水入滲補(bǔ)給系數(shù)成反相關(guān)，相關(guān)程度較高。

表3 水循環(huán)相關(guān)參數(shù)相關(guān)分析統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)甘肅長(zhǎng)江流域水循環(huán)相關(guān)參數(shù)的分析計(jì)算，得出白龍江流域和嘉陵江干流流域存在差異，但也具有一定的一致性。水循環(huán)相關(guān)參數(shù)變化趨勢(shì)，e呈增加趨勢(shì)，r和a呈減少趨勢(shì)，趨勢(shì)都為顯著；其突變年份在1993至1995年左右；周期在10、15、20年頻率上，出現(xiàn)較明顯的交替變化。e與r、a反相關(guān)，為高度相關(guān)，r與a為正相關(guān)，為顯著相關(guān)。

水循環(huán)過(guò)程中的各種要素是不斷變化的，變化受下墊面變化的影響，不同下墊面具有不同特點(diǎn)，白龍江多山區(qū)域，其山多為石山，較嘉陵江干流陸面蒸發(fā)量少，但白龍江產(chǎn)流稍大，在汛期易形成洪水災(zāi)害。而蒸發(fā)量較大的嘉陵江干流區(qū)域整體比白龍江濕潤(rùn)多雨、日照少。同時(shí)通過(guò)相關(guān)參數(shù)可以看出水循環(huán)相關(guān)參數(shù)也受人類活動(dòng)影響[18]，白龍江流域受人類活動(dòng)比嘉陵江強(qiáng)。