西北内陆县域气候变化及其对河川径流的影响

操信春,吴普特,3,郝仕龙,赵西宁,3

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨陵712100;2.国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心,陕西杨陵712100;3.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨陵712100;4.西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨陵 712100）

以增温为特征的全球气候变化已成为不争的事实[1-2]。近百年来全球平均气温增温为0.74℃,近五十年我国年平均气温增加 1.1℃,增温速率为0.22℃/10 a[3]。增暖最明显的地区包括东北、华北、西北和青藏高原北部[4]。气候变化引发的水资源问题影响着人类社会,威胁生态系统和社会经济发展的安全,区域性气候变化及其对当地水文水资源的影响日益成为人们关注与研究的热点[5-7]。

黑河流域地处我国西北内陆干旱区,黑河为我国第二大内陆河,是河西走廊绿洲的支柱,也是防御北部沙漠入侵的屏障。水资源是制约区域农业、经济、社会和生态可持续发展的主要因素,由于气候变化以及人口增长和社会经济的发展,黑河流域各地区及各部门的用水量急剧增加,水资源供需矛盾日益突出[8]。黑河流域气候变化特征及其对水文水资源的影响是当地经济社会发展战略决策的依据。研究县域气候变化的水文效应具有重要的意义,为当地经济社会发展提供科学依据。

1 区域概况及数据来源

1.1 区域概况

甘肃省民乐县地处河西走廊中段,祁连山北麓,张掖市东南部 ,黑河流域上游,位于东经 100°22′59″-101°13′9″,北纬 37°56′19″-38°48′17″。年平均气温1.8～5.2℃,多年平均降水量340 mm左右,蒸发量1 638 mm,属大陆性荒漠草原气候。县境内发源于青海省祁连县祁连山北坡的苏油口河、大堵麻河、海潮坝河、洪水河和童子坝河的平均年径流量之和约3.601亿m3,约占全县地表水资源总量的87%。

1.2 数据来源

民乐县和祁连县1958-2008年逐年降雨总量、年平均气温以及1982年1月至2008年12月年的逐月平均气温资料。1958-2008年苏油口河、大堵麻河、海潮坝河、洪水河及童子坝河历年径流总量。

2 分析方法

气温数据取民乐、祁连两站的平均值,径流值为以上五条河流年径流量的总和。

2.1 Mann-Kendall秩相关分析法

年平均气温、年降水量及年径流量的变化趋势和突变点分析采用Mann-Kendall秩相关分析法[9-10]进行统计分析。该方法是一种非参数统计检验方法,这一方法的核心是通过统计学方法检验时间序列要素均值变化的确切时间来确定跃变变化的确切时间。

Mann-Kendall法的分析原理为[11]:给定信度值α,Xt(t=1,2,…)为一时间序列,先确定其序列的对偶数(Xi＜Xj,i,j=1,2,…)的个数 p,再确定Var(λ)和U,公式如下:

所有的U值组成一条曲线U1(实线),如果U1＞0,表明有上升趋势,U1＜0则表明有下降的趋势。本文中 α=0.05,当│U │＞U0.05/2=1.96时,表示变化趋势显著。把此法用于时间序列数据的反序列中,可得另一曲线U2(虚线),如果曲线U1和U2的交叉点位于信度线之间,则认为是突变的开始[12]。

2.2 多元线性拟合

气候要素对河川径流有重要的影响,降水可以直接补给径流,径流量对降水的增减变化较敏感;温度的变化会影响蒸发、冰川融化等因素,从而影响径流量。气候变化径流量的影响及预测用多元线性拟合的方法。基准期历年年均气温及降水量与径流量拟合成一个多元线性回归方程:

式中:Q——径流量;P——降水量;T——年均气温;a0,a1,a2为回归系数。

由此方程可得出历年径流的计算值,通过计算值与实测值的比较,可以看出气候变化对河川径流的影响方式及程度。1959-2008年的每隔5 a的气温、降水和径流取平均值得到10组数据,再以气温、降水为自变量进行多元线性回归。利用回归关系式,在每5 a的平均气温、降水符合当前线性变化趋势的条件下预测未来5,10,15,20,25 a中每5 a内的径流量平均值。

3 结果与分析

3.1 气候变化

3.1.1 气温变化 年均气温的分析结果如图1。由Mann-Kendall法分析结果(图1a)可以看出:气温的跃变开始于1986年左右(跃变点根据积累曲线的转折点再做t检验来确定),与整个西北地区的情况相类似[13];年均气温变化过程按时间可分为随机微弱增减但总体保持平稳的基准期(1958-1986年)和年均气温增加较明显的增温期(1987-2008年);增温期内的1993-2008年达到0.05信度的显著性水平。

该区域的多年气温平均值为2.24℃,基准期的年均气温值几乎全部(仅1978年值略大于平均值,为2.33℃)小于历年的平均值,而增温期基本与基准期相反(图1b)。基准期年均气温的平均值为1.75℃,增长期为2.89℃,后者较前者高出65.1%。线性拟合得出,基准期的温度增长率为0.01℃/10 a,可认为基本没有变化;增温期为0.62℃/10 a,增温显著;1958-2008年的温度增长率为0.37℃/10 a,大于全国1951-2004年的升温速度(0.25℃/10 a),也略大于整个西北干旱半干旱区1961-2006年间的0.34℃/10 a[14]。2002年的年平均气温为51 a来的最大值,达3.72℃,1998年次之,为3.68℃。

图1 年平均气温分析

将3-5月划分为春季,6-8月为夏季,9-11月为秋季,12月至次年2月为冬季(下同),由计算得出增温期(1987-2008年)的季平均气温增加速率分别为0.98,0.93,0.56,0.48℃/10 a。说明各季平均气温均呈整体上升趋势;春季和夏季的增温速率相当且都大于年平均气温增加速率,冬季的增温速率最小;年平均气温的升高以春季和夏季的贡献最大。

民乐站与祁连站51 a来年均变化趋势有良好的一致性,民乐站的基准期、增温期和全序列的气温倾向率分别为-0.07,0.68,0.47℃/10 a,祁连站的为-0.03,0.53,0.26℃/10 a。

3.1.2降水变化情况 民乐站和祁连站1958-2008年的年降水量平均值序列数据的Mann-Kendall法突变分析结果如图2a。分析表明:在95%信度水平下,年降水量经历了先减小后增加的过程,前期的减小趋势并不明显,且整体上呈增加趋势;降水量增加的趋势开始于1974年左右并且在1978年发生突变,突变年份前后的平均年降水值分别为326.1 mm和382.3 mm。

区域的平均年降水量为360.2 mm,线性拟合出的增长速度为19.5 mm/10 a;突变年(1978年)后的波动性与之前相比,有增大的迹象(图2b);从年代上看,60-90年代的平均值分别为318.0,340.9,378.6,379.3 mm,21世纪前9年的平均值为392.5 mm,后者较前者均有上升趋势;年均降水量的最小值、最大值分别出现在1962年及2003年,为273.4,513.7 mm。

图2 降水量分析

3.2 气候变化对河川径流的影响

径流量经历了下降-增长-下降的过程,但前期的增长和下降的趋势都不明显(图3);增长期(1978-1992年)内的1990年附近有一个突变点,随即又进入了不间断的下降期;2001年以后减小的趋势显著。

图3 历年径流量M ann-Kendall法分析图

五条河流年径流总和的平均值为3.601亿m3,年际间的波动较大,但整体上呈下降的趋势,这与黑河干流莺落峡站1950-2004年径流量的变化趋势相反[15];最大值和最小值分别出现在1989年和2001年,为5.861,2.181亿m3;1994-2008年减小的趋势较明显,期间只有2003年和2007年的径流量略大于历年平均值。年净流量的减小和来水量的不确定性给当地农业生产、生态维护及水资源的综合管理带来挑战。分析数据发现,1963-1982年20 a间的气温、降水与径流量的线性相关性较强,利用多元线性回归法(处理中,为了统一数量级,降水量的单位以dm计)可以得出如下方程:

将历年降水、年均气温数据代入公式(4)中可得出的历年径流量的计算值;计算值与实测值年际间的增、减趋势基本一致(图4);1980年代中期以后,计算值的年际波动性明显小于实测值。

图4 径流量实测值与计算值比较

降水、气温的增加对径流变化的贡献正好相反(公式3),它们综合对径流的影响视各自变化的程度而定。1983年的径流量、降水量都为1958年以来的最大值,气温为1958年以来的最小值之一;1989年的气温为历年的平均水平,而1988年、1989年的降水量分别为439.0,440.4 mm,且黑河流域的流量受前一年10月以来的降水量影响[16],导致1989年突然出现了一个流量高出历年平均值62.8%大值;2001年是径流量最小的年份,也是径流量显著减少的起点,该年的降水量为近30 a来的最小值,年均气温达3.3℃,1958年以来仅小于1998年、1999年。所以,径流量的极值对降水的变化较敏感,气温对径流量的影响更加复杂,且气温的稳步升高和降水的波动性增大导致径流的跳跃性减少。

分别求出1959-2008年间每5 a的平均气温、降水及径流量值,得出三者关系的回归方程为

在每5 a的平均气温、降水变化符合当前线性趋势的前提下,利用公式(4)可以预测出2009-2013年、2014-2018年 、2019-2023年、2024-2028 年 、2029-2033年间平均年径流量分别为3.160,3.088,3.016,2.945,2.873亿 m3,分别为历年平均值的87.8%,85.6%,83.8%,81.8%,79.8%,仅为 1979-1983年平均值的78.0%,76.2%,74.4%,72.7%,70.9%。由于河川径流量的年际波动较大且将来河川径流量有逐渐减少趋势的可能,可以采取以下应对措施:调整产业结构,加大工业发展力度,减少高耗水农业的比例;调整农作物种植结构,适当减少粮食作物、增加低耗水经济作物的种植面积;推行节水灌溉技术,高效利用灌溉水;宣传节水理念,使当地民众增强节水意识;分质供水,提高水的重复利用率。总之,应提高水资源的综合管理水平,使有限的水资源最大限度地发挥作用。

4 结论

(1)1958-2008年黑河流域上游民乐-祁连境内气候的变化表现为年均气温升高和年降水量增多。年平均气温序列数据可分为两个阶段,分别是基准期1958-1986年和增温期1987-2008年;气温在1987年发生跃变且1993年后增长显著;与基准期相比,增长期内的平均气温上升了65.1%,增幅达1.14℃;全年各季度气温呈整体上升趋势,春季和夏季的贡献最大。年降水量的跃变发生在80年代中期,51 a间的增加速率为19.5 mm/10 a;80年代中期以后,年际波动性增大。

(2)气候变化与河川径流变化的关系密切,1958-2008年间民乐县河川径流量整体上呈减少趋势,气候变化期年际来水的波动性增大;降水对河川径流的敏感性大于气温;降水、气温的增加对径流变化的贡献正好相反;区域气温的稳步升高和降水的波动性增大导致径流的跳跃性减少。

(3)在未来每5 a的平均气温、降水按当前线性趋势变化的前提下,预计从2009-2013开始后的每个五年内民乐县河川径流量将会减少为1958-2008年平均值的 87.8%,85.6%,83.8%,81.8%和79.8%。而且,每一年的具体来水量难以估计。对此,调整产业结构和农作物的种植结构、节水灌溉、增强节水意识、分质供水等,可作为应对当地地表水资源变化的有效措施。

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