气候变化对黄河上游水文水资源影响的关键问题研究

赵明旭 关磊 李改香

【摘要】气候方案的假定要跟月水量平衡模型密切的联系在一起，这样才能够实现对黄河水文的综合分析，并能得出具体的气候变化内容。在具体的分析中能够知道：水文的形成受到降水的影响很大，而在气温方面则表现的不是很突出，如果保持气温的恒定，在降水少10%的时候，土壤含水量和年径流量都会收到巨大的影响，分别降低了 4. 3%和 5. 1%左右； 这一点也反映在汛期上，在汛期的时候表现的十分突出。

【关键词】气候变化；黄河上游；径流量；土壤含水量

1、引言

气候变化大多都是全球性的，在温室气体的影响下，全球的气候相较以往变化很大。全球性的气候变化对很多地区造成了不利的影响，导致了一系列的自然灾害，比如干旱和洪涝灾害，而最重要的是水循环的变化，变暖已经成为全人类面临的重大问题。人们对于气候的关注程度也不断地上升。而气候变化与水文密切联系，人类在水资源的利用上已经遭遇了很严重的困难，很多地区面临水资源短缺，加强水资源的管理已经成为当下重要的任务，也是缓解人类用水安全的关键问题，这也将有利的推动世界各地区的经济发展。当前的研究中，水文模型和气候模型相结合的形式非常常见。本文基于这两者的结合，集中分析了黄河上游水文与气候的相互关联。

2、流域水文、气候概况

黄河上游的地理位置非常的特别，东西南北分别是黄土高原、昆仑山界、巴颜喀拉山霾和柴达木盆地，并且在分布在青藏高原上，这种地貌也被称作是高寒草原，兰州以上的长度达到了2119km，22万km2的集水面积， 不过也仅仅占到总流域的30%；由于地处青藏高原，因此海拔在4000m以上，导致气温的平均值非常低，是-2.5℃。这些地方的积雪对于地貌的影响非常的严重，并且受到来自印度洋气流的影响，降水量也比一般地方要多，达到了500mm，降水量在黄河总流域是比较多的地区，汛期就占到了60%；径流的充沛、植被条件的完好、降水的及时以及气候的良好条件为大径流量提供了条件，让其达到了140mm，年径流系数在多年的观察中也被定为为0.32，这个地区的全年径流量达到了336亿m3，这个数据是整个流域的一半，这对于黄河流域来说非常的重要，而冰雪的融化是重要的来源，占到了其中的五分之一。

3、月水量平衡模型

在具体的分析中。参考标准的水平衡原理，在综合的分析中实现了月水量平衡模型创建。 具体的分析中涉及到了融雪径流、地面和地下径流三个方面的内容。在比较分析中，模型能够实现简单的对比，并实现了综合的推广。但是模型对于数据的依赖性比较大，在有气温资料片、降水量以及蒸发能力的条件下，能够得出如下的计算方程，具体如：

其中：Si表示当月土壤中的含水量；Si-1在表示上月土壤中的含水量；Pi表示当月的降水量；Ei 表示当月水的蒸发量；Ri表示当月的径流量；RSi表示当月地面的径流量；RGi 表示当月的地下径流量；RSNi表示当月的融雪径流量；Ew 表示蒸发能力，该值一般是通过相关的资料计算所得，也可以根据E601蒸发皿监测的实际值为准；SNi 表示当月的积血量，其值可以通过当月的降水量以及当月的气温曲线进行计算；ti 表示当月气候的平均温度；其与的几个值如Smax、ks、kg 和ksn等是该模型的一个参数，在特定条件下为定值，其值大小是由水流域下面的垫面以及当地的气温决定的。在该模型中，土壤含水量是一个重要的变量，表示的是流域的状态。在使用该模型时，首先要提供流域的初始值，也就是S0的值，随后再取三种不同的水源进行运算，推导出流域在最后状态下的含水值。在计算的过程中，会有一个最大的含水量Smax，通常初始值取最大值的一半。使用该模型时，人为因素对结果的影响比较大，为了降低这种影响，一般都会选择将前两年的计算资料当做预热期，再根据后来的计算资料确定相关的参数。为确保模型能够准确的反映流域的特征，通常会选取一段时间内的数据，然后用该模型加以验证，如果在率定期和檢验期的结果都符合有关要求，说明选用的该模型较为合适。根据兰州站的现有资料输入对应的数据如降水量、气温等，选取兰州站在1958～1989 期间的数据资料，以测得的实际径流量和相关的目标函数为依据来确定该模型的参数值，同时选用1990～1995期间的数据进行模型适用性检验。其公式为：

其中：R2表示该模型的效率；Re表示该模型的相对误差；qri 表示径流量的测量值；qci 表示计算径流量，表示径流量的测量的均值；n表示选取样本的数目。

R2越趋向于1，同时Re越趋向于0，表明模拟的结果越准确。通过计算可知，率定期的模型效率系数视75.6%，而在检验期模型效率系数则是72.4%，对应的误差都小于4%。为了使结果对比变得更为直观，作者绘制了在1981～1995期间，本站径流量的实际检测值以及对应的计算值，如图1所示。由图可以知道，检测的实际值与计算得到的数值具有较好的线性关系，这说明该模型能够很好地模拟该站流域的径流结果，因此该模型能够用于研究温度变化对当地水文的作用和影响。

4、气候变化对黄河上游水文的作用和影响

4.1 对蒸发能力的影响

蒸发在水循环以及转换过程中是一个很重要的环节。因为在水文模型中需要输入水域的蒸发能力，而在气候模型中只能提供温度的变化幅度和降水的变化幅度，所以探究气温变化对蒸发能力的影响具有重要作用，是探究气温变化对流域水文影响的前提基础和条件。根据相关的统计数据可知，在兰州及其上游区域，气温的变化和水的蒸发能力具有很高的指数线性关系，其模型为：

Ew=e （ 4. 41+0. 054t）

（n=240，R=0.92）

其中：Ew表示水蒸发的能力；t表示温度；n表示样本的数量；r表示系数。通过公式能够计算出温度改变对水蒸发能力的影响程度，当气温增高1℃时，蒸发能力提高5.15%，而当气温增高2℃时，蒸发能力提高11.33%。

4.2 对上游水文的影响

全球气候模型（GCMs）能够评估出将来一段时期内全球各个地区气候变化情况，虽然使用不同的气候模型，其评估的结果也有所不同，但这些评估结果的趋势变化还是相同的，这说明在以后的很长一段时期内，黄河流域的上游区域气温将会升高1.5℃，相应的降水也会有一定的变化。因为使用模型得出的结果存在不确定性，因此在探究温度变化对水文影响的作用时，采用假定的气候方案。考虑到当地的实际情况以及将来的相关要求，将假定的方案设定为：降水量的变化幅度分三个档次，保持不变、±10%以及±20%；温度的变化幅度也分为三个档次，保持必变、±1℃以及±2℃，这两个因素五个水平一共有25中组合。径流量的数值能够体现出该流域产流条件优劣，而土壤含水量对生态环境、农作物生产具有重要作用，估选取这两个因素作为研究气温变化对水文影响的变量。假设温度的改变不影响气候因子的空间分布、不改变以后降水、温度以及蒸发收缩以后的顺序，采用月水量平衡模型得出在不同条件下的径流量以及土壤含水量的数值。

由此可知：①降水量增加或者温度的降低，会使流域的径流量和土壤中的含水量增加；②降水量的变化对径流量的影响程度要大于对土壤含水量的影响；而温度变化对径流量的影响程度要小于对土壤含水量的影响程度；③降水变化对径流量以及土壤含水量的影响程度要高于温度变化的影响程度，保持温度不变，降水降低10%，径流量降低12%，含水量降低6.9%，而保持降水不变，温度升高1℃，二者分别降低了4.3%和5.1%；④降水量增加越大，温度变化对二者的影响程度也就越大，如在降水量提高20%时，气温增加1℃，二者分别降低了5.3%和6.0%，而当降水降低20%时，气温增加1℃，二者分别降低了3.4%和4.0%；⑤在这25中不同组合的条件下，影响最为不利的组合是在降水降低20%，而温度增加2℃，对应的径流量降低29.8%，而土壤含水量降低21.5%。

在流域处于汛期的阶段，地面径流得到良好的发育，使得土壤含水量能够得到及时补充，估在此阶段，径流和含水量都比较大。但是在非汛期阶段，特别是一年的11月到来年的3月，当地温度很低，降水量明显减少而且还是以冰雪的形式出现，故土壤中含水量比较低，几乎是处于无水蒸发的情况，而此时的地下径流是径流的主要组成部分，在此阶段，温度变化对径流以及土壤含水量的影响变化较小。根据相关统计可知，在降水降低20%，温度上升2℃时，在每年的1～3月期间，径流量和土壤含水量则分别降低2.6mm和3.5mm，而在7～9月期间，这两个数值分别降低为25.1mm和55.2mm。

5、黄河源区和上游径流量的年代际变化特征及其与降水的关系

5.1 黄河源区径流量的变化及其与降水和气温变化的关系

张士锋等根据大量探究结果证明，黄河源区水循环改变情况和该地区的气候之间存在紧密联系，同时对黄河源区的径流情况产生干扰。因此，本文深入探究其径流与降水以及气温之间的联系。。

5.2 黄河上游地区径流的变化及其与降水和气温变化的关系

兰州站点在1960～2003年间对黄河上游区域的每年的径流量距离平均值的改变情况与不同年代的变化方向。由此能够得知，其每年的径流量也存在明显的改变，改变范围高达±0.4方差。而且同上文源区径流与降水之间存在的关联性保持一致，上游区域的径流改变与降水之间的相关性在99%的置信水平下，高达0.69。但是，其与年际温度改变情况之间的相关性仅为-0.38，这远低于径流和年降水改变情况之间的相关性，但是同源区的对比来看，要远远超过其与每年温度改变情况之间的相关性 。这表示由唐乃亥至兰州区域间每年的径流量改变情况和气温之间存在明显的关联性。本探究进一步得知此区域间径流和年均气温改变情况之间的相关性为-0.58，这是因为该地区位于比源区海拔更低的半干旱区域， 所以，其径流和气温改变情况之间存在较大的联系。不仅如此，上游径流的年代改变情况也涉及两个阶段，即上世纪60～80年代末的偏丰水期与自90年代开始至今的偏枯水期，这同源区的年代径流改变情况相同，也同蓝永超等人获得探究结论相吻合。所以，由90 年代开始至今，上游的径流量迅速减少，不仅是因为源区的径流量降低，还因为两站点之间的区域降水量降低与气温明显升高所导致的。

5.3 黄河上游徑流变化对华北水资源的影响

黄河穿过甘肃、内蒙 、山西等多个省份地区，由花园口流经河南等地，最终汇入渤海，是华北区域主要的水源。它是处于华北区域的山西、河北等省份区域人们生产生活的重要水源；同时，因为近年来天津与北京两地的供水量严重不足，同样需要由黄河调水。所以，其上游的水量改变决定了华北区域水源的改变情况。花园口站点对黄河中游流量在不同时期的年均流量改变情况的监测结果。由此能够得知，上世纪中叶该地区自然的径流量大概为484×108m3，60年代扩大至506.0×108 m3，而到了70年代又减小至380×108m3，80年代又扩大至425.1×108m3。但是，结合该站点在1990～1996年间实际监测到的年均径流量仅为287.2×108m3，这与80年代的径量相比而言，将近降低了32.4%。

黄河下游的径流量在上世纪90年代迅速降低，这和上游水量降低之间存在紧密的关联。下游兰州站点在 90 年代的年均径量要比80年代实际测量的黄河径流量大概降低了100×108m3。结合李桂忱的探究结论可知，黄河在80年代的年均径量为365.9×108 m3 ，但依据1990～1996年间的监测数据，其年均径流仅为266.5×108 m3，大概降低了27.3%。经过上述的探讨能够得知，源区与上游的径量改变情况会对下游的径量改变产生决定性作用，从而对整个华北区域的水源量造成极大的影响。黄河出现断流不仅是因为花园口下游区域的生产用水量急剧增多，还因为上游的来水量降低。

6、总结

本文运用水文模拟的方式，探究了黄河上游区域温度变化对径流以及土壤含水量影响程度。研究表明，温度变化对土壤含水量的影响程度要低于对径流的影响程度，降水变化对径流量以及土壤含水量的影响程度要高于温度变化对其的影响程度，在汛期阶段，温度变化对径流以及土壤含水量的影响程度要高于非汛期阶段。

参考文献：

[1]王国庆，张建中.融雪径流模型及其在唐乃亥站的应用[J].西北水资源与水工程，1997，（02）：60-64.

[2]赵人俊.流域水文模拟[M].北京：水利电力出版社，1981：120-140.