冰封期水庫氣溫及其冰厚、冰凍天數(shù)響應(yīng)特征研究

馬令瀟，汪天祥,2,3，胡素端，許士國

(1.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院水環(huán)境研究所， 遼寧 大連 116024；2.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司， 廣東 廣州 510610；3.淮陰工學(xué)院 江蘇省智能工廠工程研究中心， 江蘇 淮安 223003)

我國北方中高緯度地區(qū)冬季氣溫長期在0℃以下，帶來的直接影響就是在河道、湖泊、水庫水面上形成冰蓋，形成了相對密閉的水體環(huán)境，改變了原有的開放水面狀態(tài)。水庫是北方地區(qū)主要的飲用水供水來源，但長達數(shù)月的冰封期，使得水庫形成了冰—水—沉積物多介質(zhì)格局。伴隨著冰生消過程，表層水體的“排鹽效應(yīng)”、底層沉積物的“污染釋放”直接或間接影響了如氮、磷等元素的遷移釋放過程。王利明等[1]指出在北方淺水湖氮磷營養(yǎng)鹽具有冬季大于夏季、水體大于冰體的時空分布特點，所以在冰封期水體富營養(yǎng)化的概率較大。楊芳等[2]對內(nèi)蒙古烏梁素海水庫研究指出冰溫會隨著氣溫的變化而改變，且冰層越厚，冰溫越高。

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)金海水庫水質(zhì)在冬季存在一定程度的污染，并認為這與浮游藻類的種類和數(shù)量的季節(jié)性差異有一定的聯(lián)系[3]。藻類生長消耗的二氧化碳能夠促進表層水體 pH 增大，而沉積物中微生物在厭氧條件下的產(chǎn)酸作用，會促使水庫底層水體 pH 減小。其他諸如光照、微生物等環(huán)境條件也會有季節(jié)變化。這些研究表明，環(huán)境因子直接或者間接影響了冰封期水庫內(nèi)污染物質(zhì)的遷移過程[4]。而由于冰封環(huán)境的限制，對水庫冰封期水質(zhì)的監(jiān)測有一定的難度，即使進行監(jiān)測也多是從水庫取水口處進行單點單次的取樣監(jiān)測，難以掌握冰封條件下水庫水體的真實水質(zhì)狀態(tài)[5]。

綜上，冰封期氣溫變化給水庫帶來的環(huán)境影響不容忽視，本文重點探討氣溫影響下的冰封期水庫冰凍天數(shù)、平均冰厚變化特征與相互關(guān)系，為冰封期水庫的環(huán)境監(jiān)測與管理提供思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

本文以碧流河水庫為研究對象(N:39°48′～39°57′；E122°24′～122°35′)，作為遼寧省主要供水來源，總庫容9.34億m3，平均水深12.8 m，流域面積2 814 km2，是具有典型北方冰封特征的水庫。

氣溫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中1986年—2010年來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(普蘭店和莊河兩個站點)，2010年—2015年來源于CMADS寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，CMADS站點情況與研究區(qū)域位置如圖1所示。

數(shù)據(jù)分析采用ORIGIN、EXCEL、MATLAB、SURFER、GIS等工具進行。

圖1 CMADS站點分布及研究區(qū)域

1.2 研究方法

本文從趨勢性、周期性、突變性三個方面來探討碧流河水庫流域平均氣溫、冰凍天數(shù)、平均冰厚的變化特征及其相互關(guān)系[6-8]。冰厚估算采用德國Stefan在1980年提出的基于熱量交換的冰厚熱量平衡公式[9]為:

(1)

2 水庫冰封期氣溫變化特征

2.1 氣溫年際變化特征

根據(jù)碧流河水庫1986年—2015年冰封期平均氣溫變化特征(見圖2)，水庫冰封期多年平均氣溫為-4.1℃，變異系數(shù)為25%，表明水庫冰封期平均氣溫年際間變化較大[10]。2012年氣溫最低，為-5.6℃；1988年氣溫最高，為-2.1℃。而水庫冰封期氣溫在Kendall檢驗法α=0.05情況下下降明顯。同時可看出水庫冰封期氣溫具有8 a～11 a左右的波動周期。

2.2 氣溫周期性特征

對碧流河水庫1986年—2015年冰封期年平均氣溫數(shù)據(jù)進行周期性分析，結(jié)果如圖3所示。圖中有實線和虛線兩種線型，分別代表正值和負值，表示氣溫上升或下降[11]。由圖3看出碧流河水庫主要存在3類不同尺度的周期，15 a～18 a，9 a～12 a和5 a～8 a。

圖2 碧流河水庫近30年冰封期氣溫變化

圖3 冰封期氣溫Morlet小波變換實部等值線圖

小波方差圖顯示(見圖4)3類周期的峰值分別對應(yīng)16 a、11 a、8 a。其中16 a時間尺度具有較強的周期變換性，但因該時間序列較短，故其代表性較弱；8 a特征尺度在1990年—2005年表現(xiàn)明顯，具有局部性；而11 a時間尺度在30 a以來一直很明顯；因此，11 a為碧流河水庫冰封期年平均氣溫變換周期。

圖4 氣溫小波方差圖

2.3 氣溫突變特征

如圖5所示，碧流河水庫1986年—2015年冰封期氣溫序列存在如下突變特征：上下臨界線之間產(chǎn)生的交點分別在2000年、2004年、2005年和2007年。而UFK曲線在2011年后超過下限閾值，出現(xiàn)明顯下降[12]。結(jié)合滑動t檢驗法進行判定，總體上與M-K檢驗法的結(jié)果較為接近，綜合分析認為突變點為2003年。

圖5 碧流河水庫冰封期多年平均氣溫M-K突變檢驗

3 碧流河水庫冰凍天數(shù)與冰厚響應(yīng)分析

3.1 冰凍天數(shù)、冰厚年際變化分析

3.1.1 冰封期冰凍天數(shù)年際變化特征

根據(jù)碧流河水庫近30年冰封期冰凍天數(shù)變化特征(見圖6)，水庫冰封期多年平均冰凍天數(shù)為115 d，變異系數(shù)為11%，表明水庫冰封期平均冰凍天數(shù)年際間變化較大。而水庫冰凍天數(shù)在Kendall檢驗法α=0.05情況下上升不明顯[13]。

圖6 碧流河水庫近30年冰封期冰凍天數(shù)變化

最長冰封期出現(xiàn)在2012年，冰封期從初冰日2012年11月23日到2013年3月31日冰塊徹底融化，冰凍天數(shù)為137 d；最短冰封期出現(xiàn)在2006年，冰封期從初冰日2006年12月2日到2007年3月3日冰塊徹底融化，冰凍天數(shù)為92 d?；貧w分析表明水庫冰凍天數(shù)呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，這與水庫冰封期氣溫下降趨勢表現(xiàn)一致。M-K檢驗法也佐證了水庫冰凍天數(shù)呈現(xiàn)一定的增加趨勢且呈現(xiàn)波動性變化特征，波動周期在5 a～8 a左右，數(shù)據(jù)分析表明碧流河水庫冰封期冰凍天數(shù)呈現(xiàn)在波動中逐漸增加的趨勢，與氣溫下降的趨勢相呼應(yīng)。

3.1.2 冰封期冰厚年際變化特征

根據(jù)碧流河水庫近30年冰封期平均冰厚變化特征(見圖7)所示，水庫冰封期多年平均冰厚為26 cm，變異系數(shù)為12%，表明水庫冰封期平均冰厚年際間變化較大。而水庫冰厚在Kendall檢驗法α=0.05情況下上升明顯。

圖7 碧流河水庫近30年冰封期冰厚變化

2006年有多年平均最小冰厚，為19 cm；2011年有多年平均最大冰厚，為33 cm；分別對應(yīng)最短冰封期和最長冰封期?；貧w分析結(jié)果表明，建庫以來水庫平均冰厚呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，與氣溫逐漸降低的趨勢一致。同時，M-K檢驗結(jié)果也證明水庫冰厚呈現(xiàn)顯著增大的趨勢。圖7可以看出碧流河水庫冰厚呈現(xiàn)波動性變化特征，波動周期在10 a～15 a左右，數(shù)據(jù)總體分析表明碧流河水庫冰封期冰厚呈現(xiàn)在波動中逐漸增加的趨勢。與氣溫和冰凍天數(shù)的趨勢相對應(yīng)，冰封期氣溫越高，冰凍時間越短，對應(yīng)的冰厚也越小。

接下來用小波變換分析碧流河水庫的冰凍天數(shù)和冰厚的周期性和變化趨勢。

3.2 冰封期冰凍天數(shù)及冰厚周期性特征

3.2.1 冰封期冰凍天數(shù)周期性特征

圖8所示的一實一虛兩種線型分別表示冰凍天數(shù)的延長或縮短。由圖8可知，在碧流河水庫近30年平均冰凍天數(shù)時間序列中，14 a～16 a,10 a～13 a,4 a～8 a這3類周期特征比較明顯。

圖8 碧流河水庫冰凍天數(shù)Morlet小波變換實部等值線圖

冰凍天數(shù)的小波方差分析顯示3類周期波峰分別對應(yīng)16 a、12 a、5 a(見圖9)。其中16 a時間尺度最強，但由于其時間序列較短，故代表性較弱；12 a時間尺度在2000年之前明顯；5 a時間尺度貫穿整個時間范圍，且大體上比較平穩(wěn)。因此，5 a為碧流河水庫平均冰凍天數(shù)變換周期。

圖9 冰凍天數(shù)小波方差圖

3.2.2 冰封期冰厚周期性特征

碧流河水庫1986年—2015年冰厚Morlet小波變換實部等值線圖見圖10，圖中實線和虛線分別表示冰層變厚或變薄[14]。由圖可知，在碧流河水庫近30年的平均冰厚時間序列中，14 a～16 a,10 a～13 a,6 a～9 a這3類周期特征比較明顯。

圖10 碧流河水庫冰厚Morlet小波變換實部等值線圖

冰厚的小波方差分析顯示3類周期波峰分別對應(yīng)16 a、13 a、7 a(見圖11)。其中16 a時間尺度具有較強的周期變化性，但因其時間序列較短，故代表性較弱；7 a時間尺度在2000年之前明顯，具有階段性；而13 a時間尺度基本覆蓋整個研究時段，震蕩中心有所上升且相對平穩(wěn)。綜上，認為水庫年平均冰厚變換周期為13 a。

圖11 冰厚小波方差圖

3.3 水庫冰凍天數(shù)、冰厚突變特征

3.3.1 多年冰凍天數(shù)突變特征

如圖12所示冰凍天數(shù)在兩臨界線之間共有一個交點，發(fā)生在2010年—2011年。結(jié)合滑動t檢驗法進行判定，發(fā)現(xiàn)均值在2008年前后發(fā)生跳躍，總體上與M-K檢驗法的結(jié)果較為接近，綜合分析認為突變點為2008年[15-16]。

圖12 碧流河水庫冰凍天數(shù)M-K突變檢驗

3.3.2 多年平均冰厚突變特征

通過M-K檢驗法，繪制水庫多年平均冰厚的突變曲線(見圖13)。上下臨界線之間分別在2004、2005和2007年產(chǎn)生交點。結(jié)合滑動t檢驗法進行判定，發(fā)現(xiàn)均值在2008年前后發(fā)生跳躍，總體上與M-K檢驗法的結(jié)果較為接近，綜合分析認為突變點為2008年。

圖13 碧流河水庫多年平均冰厚M-K突變檢驗

3.4 氣溫與冰凍天數(shù)、冰厚的相互關(guān)系分析

從總體趨勢上看，近30年來，氣溫以0.5℃/10a的速率下降；冰凍天數(shù)、冰厚分別以2.4 d/10a和1.5 cm/10a的速率增長(見表1)。從突變特征上看，氣溫在2003年突變，而冰凍天數(shù)和冰厚在同一年2008年發(fā)生突變。可以看出冰凍天數(shù)與冰厚突變年份比較同步，但與冰封期氣溫有一定差異，分析認為冰凍天數(shù)除了與氣溫有關(guān)，同時也可能受到風(fēng)力等其他因素影響。從周期性特性上看，冰封期碧流河水庫的氣溫、冰凍天數(shù)和冰厚的周期分別為8 a、5 a和13 a，三者間的周期性不完全同步，因此需進一步探索多因素對冰凍天數(shù)、冰厚的影響[17-18]。

表1 氣溫、冰凍天數(shù)與冰厚的相關(guān)性對比

4 結(jié) 論

(1) 碧流河水庫冰封期多年平均氣溫為-4.1℃；呈現(xiàn)在波動中逐漸降低的趨勢；在2003年發(fā)生突變；主要變化周期為8 a。

(2) 碧流河水庫多年平均冰凍天數(shù)為115 d；呈現(xiàn)在波動中逐漸增加的趨勢；在2008年發(fā)生突變；主要變化周期為5 a。

(3) 碧流河水庫多年平均冰厚為26 cm；呈現(xiàn)在波動中逐漸增加的趨勢；在2008年發(fā)生突變；主要變化周期為13 a。