石羊河流域综合治理前后民勤水资源变化特征

赵明瑞，徐天军，彭祥荣，刘 蓉，李超超

（1.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃 兰州730020；2.民勤县气象局，甘肃 民勤733399；3.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川750021）

甘肃省民勤县地处石羊河流域下游，是我国干旱与荒漠化最严重的地区之一，也是我国沙尘暴四大策源地之一[1-3]。石羊河流域位于甘肃省河西走廊东端，河流起源于南部祁连山，由东南向西北，主要由大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河、西大河8条河流组成，除大靖河外，中部5条和东大河部分汇成石羊河流入民勤[4]。随着气候变化和石羊河流域中游用水量的增加，石羊河流入民勤的水量逐年减少，导致下游民勤地下水补给量严重不足，加之民勤本地过量提取地下水，使地下水位急剧下降，从而引起植被退化、土地盐渍化、荒漠化加重和沙尘天气频发等一系列环境问题，民勤生态环境面临严重危机[5-7]。水资源又是生态环境的本质，已有学者对石羊河流域水资源变化特征、转化规律、水资源管理以及水资源与气候变化关系等进行了大量研究[8-14]，对民勤水资源保护和利用状况等也进行了分析[15-19]。民勤生态环境受气候变化和石羊河流域水文和经济发展状况等因素的影响，水资源是主要制约因素[20]，从根本上解决民勤缺水问题，一是增加地表水输入量；二是增加地下水补给和涵养量；三是增加天上雨雪补充量[21]。2006年投资达47亿元的国家级石羊河流域综合治理（下称综治）项目启动，经过10年多的治理，下游民勤水资源现状如何，水资源危机问题是否得到缓解，所见研究报道较少。本文对综治前后的民勤自然降水、地表水、地下水变化情况进行了细致分析，其结果对民勤县水资源的开发利用、生态环境保护、石羊河流域综治效果评估以及制定后期发展规划有重要的参考价值。

1 研究区概况

甘肃省民勤县是我国干旱和荒漠化最严重的地区，水资源严重匮乏制约当地生态和社会经济发展。民勤县位于甘肃省河西走廊东北部（101°49′41″～104°12′10″E；38°3′45″～39°27′37″N）（图 1），石羊河流域下游，西、北、东三面被巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠包围，南靠武威盆地。境内最低海拔1298 m，最高海拔1936 m，平均海拔1400 m，地势由西南向东北倾斜。民勤属温带大陆性干旱气候，气候特征为：冬冷夏热，年平均气温8.8℃，极端最高气温41.7℃，极端最低气温-29.5℃；干旱缺水，年降水量113.2 mm，最长连续无降水日数194 d；蒸发剧烈，年蒸发量2675.6 mm，蒸发量是降水量的23.6倍；风大沙尘多，年大风日数17.5 d，极端最大风速 30 m/s，年沙尘暴日数17.9 d，沙尘暴最小能见度不足1 m。民勤是一个以农业为主的大县，农作物灌溉主要以提取地下水为主，地表水浇灌为辅。

图1 民勤地下水位观测井、区域自动气象站、流域内气象站及民勤位置

2 数据与方法

石羊河流域综合治理项目自2006年开始，确定1995—2005年为综治前，2006—2016年为综治以来。资料选取：（1）选取1995—2016年石羊河来水量和平均地下水位，2006—2016年地下水提取量和重点治理区地下水位，数据由民勤县水务局提供；（2）选取1995—2016年民勤降水数据，取自民勤国家基准气候站，其他降水数据均来源于石羊河流域内所在地气象站；（3）选取2006—2016年民勤县绿洲区和荒漠区地下水位数据，取自民勤县气象局的农业气象观测。

气象观测规范规定降水日为日降水量≥0.1 mm的日数，日降水量0.1～10.0 mm为小雨，10.0～24.9 mm为中雨，25.0～49.9 mm为大雨，≥50.0 mm为暴雨。降水量、地表来水量、地下水位的变化趋势统计分析采用线性趋势估计法，线性趋势的统计显著性采用t检验方法进行检验[22]。数据的相关性采用微软的Excel软件进行分析。降水相对变率用变差系数Cv=σ/x表示，其中，σ为降水的均方差，x为降水的均值[23]。

3 结果与分析

3.1 自然降水

民勤年均降水量为113.2 mm，最多年202.0 mm，最少年38.6 mm，降水自东南向西北递减，降水主要出现在6—9月。1995—2016年年降水呈弱增多趋势（图2），气候倾向率为4.2 mm/10 a（R=0.13，P＞0.1），趋势不明显。综治前（1995—2005年）年平均降水量114.7 mm，综治以来（1996—2016年）年平均降水量123.9 mm，综治以来年均降水量较综治前增大9.2 mm。降水以小雨为主，年均小雨日37.3 d，占全年降水日的94%，占总降水量的64.8%，年均中雨日2.1d，占全年降水日的5.2%，占总降水量的26.3%，年均大雨日0.3 d，占全年降水日的0.8%，占总降水量的8.9%。1995—2016年年降水日为弱增多趋势，气候倾向率为3.9 d/10 a（R=0.33，P＞0.1），趋势不明显。综治前年降水日为弱增多趋势，气候倾向率为 5.5 d/10a（R=0.26，P＞0.1），趋势不明显，综治以来年降水日为弱减少趋势，气候倾向率为-3.9 mm/10 a（R=0.18，P＞0.1），趋势不明显。1995—2016年降水变率为17.6%。综治前降水变率为19.3%，综治以来降水变率为18.5%，降水变率较综治前略有减小，降水趋于稳定。

2007年之前由于民勤观测站点所限，无法分析县域内较为详尽的降水分布情况，2005—2007年民勤逐渐建成了分布于县域内各片区的区域自动气象站12个。根据区域自动气象站降水观测资料分析，2007—2016年民勤各片区出现大雨以上量级降水共19场，年均1.9 d；出现暴雨4场，最大一场暴雨降水量达75.2 mm。暴雨及大雨主要出现在偏北部沙漠边缘和南部荒漠区，而城区测站（绿洲区）自1953年以来没有出现一场暴雨天气，说明民勤也出现局地强降水天气，强降水对地下水有一定的补给。这一结果与何清等[24]在塔克拉玛干沙漠腹地观测到强降水现象类似。

图2 民勤1995—2016年年降水量变化

3.2 地表水

石羊河是民勤唯一的地表径流，1995—2000年经石羊河流入民勤的地表来水量为祁连山雪水、山区洪水及上游下泄的冬春余水。2001—2016年通过“景电二期”提灌黄河水经石羊河向民勤输水，地表来水含外流域调水。1995—2016年地表来水量呈缓降—急升趋势，2005年为转折年（图2）。1995—2005年为缓慢减少趋势，趋势率为-0.846×108m3/10 a（R=0.90，P＜0.01），趋势显著；2006—2016 年为快速增多趋势，趋势率为1.81×108m3/10 a（R=0.91，P＜0.01），趋势显著。利用石羊河流域5个气象站1995—2005年观测的降水量，分析其变化趋势（表1），发现3个站呈增多趋势，其中，两个站增多趋势明显，另外2个站呈微弱减少趋势，说明这一阶段民勤地表来水量减少不是上游自然降水减少所致，是因为石羊河在上、中游流域面积达1.34×104km2，上、中游人口增长，土地相继开发，对水的利用和开发力度增大等因素所致[25]；2006—2016年流域内5个气象站年降水量有4站为微弱减少趋势，一个站为微弱增多趋势，趋势均不明显，说明同期石羊河来水量增多也不是自然降水所致，是因为自2001年开始通过景电二期工程每年从外流域向民勤调水，2006年石羊河流域综治项目开始实施，增大了外流域调水量，同时加大了石羊河流域内水资源的调节，来水量逐年增多，2014年起每年来水量稳定在3.0×108m3以上。自综治以来，地表来水量显著增多（图3）。其中，上游调节放水量增多明显，占总来水量的39.2%，与总来水量相关性为85.7%；景电二期工程从外流域调水量稳定增长，占总来水量的26.3%，与总来水量相关性为82.6%；天然河道来水量不稳定，占总来水量的34.5%，由于天然河道来水量为减少趋势，而总来水量因为外流域调水和本流域内调节放水量增大为增多趋势，所以天然河道来水量与总来水量相关性小，为18.3%。说明综治以来，民勤的地表来水量明显增多，主要是因为上游调节放水量增大，同时外流域调水量稳定增长。

表1 石羊河流域不同观测站点降水量变化趋势

图3 民勤1995—2016年地表来水量变化

3.3 地下水

民勤地下水的形成、分布与区内气候、水文、地貌、地质构造等自然特点和条件密切相关，民勤地下水的补给主要是地面水的输水渗漏和灌溉入渗[4]。1995—2016年民勤平均地下水位呈急降—缓升趋势（图4）。1995—2005年快速下降，趋势率为-6.43 m/10 a（R=0.97，P＜0.01），趋势显著；2006—2016年缓慢回升，趋势率为3.04 m/10 a（R=0.96，P＜0.01），趋势显著。县境内各片区由于所处地理位置与地质构造不同，地下水位的表现各不相同。分析表明，蔡旗片位于红崖山水库上游，以提取地下水浇灌为主，因石羊河河道为自然泥沙河道，输水渗漏对地下水带来有效补给，故地下水位变化幅度小，1995年在5 m左右，2016年下降到7 m左右；泉山片位于红崖山水库下游，输水河道为人工衬砌水泥河道，河道放水为阶段性放水，对地下水无有效补给，地下水的补给主要靠灌溉渗漏，受灌溉轮次和提取地下水量的影响明显，1995—2005年农作物每年只有一次河水灌溉，提取地下水量大，地下水位下降明显，从1995年的17 m左右下降到2006年的25 m左右，2006—2016年略有回升；昌宁片位于红崖山水库西侧，无地表水灌溉，农业灌溉完全靠提取地下水，地下水位下降最明显，1995年在14 m左右，2016年下降至35 m左右；位于红崖山水库最下游的西渠片，由于地下水矿化度高不易利用，农作物灌溉主要靠河水，提取地下水量小，所以地下水位较泉山片浅，1995年在10 m左右，2006年最深19 m左右，2006—2016年有所回升。

图4 民勤2006—2016年地表来水量来源分析

为进一步分析综治以来民勤地下水位变化，对2006—2016年民勤绿洲区和荒漠区测井资料分析（图5）。绿洲区（泉山片）地下水位2006—2008年呈明显下降趋势，2008—2010年变化不明显，2010—2011年为明显上升趋势，2011—2016年变化趋势不明显；荒漠区（西渠片）地下水位2006—2010年有小的上升趋势，2010—2011年呈明显回升趋势，2011—1016年变化趋势平缓，总体为弱的回升趋势。综治以来，地表来水量逐年增多，灌区农作物实现了每年2～3个轮次的地表水浇灌。2010年以来，每年来水量基本在2.6×108m3以上，农作物灌溉每年增加到3～5个轮次；2006—2010年民勤县相继关闭机井3018眼，压缩耕地2.95×104hm2，同时对地下水实施严格管理，地下水开采量由2006年之前的5.0×108m3以上减少到2010年之后的 1.0×108m3左右。地表水灌溉入渗增加和地下水开采减少使地下水位下降趋势得到有效遏制，在综治期的2011年水位有了一定回升。

图5 民勤1995—2016年地下水位变化

历史上的青土湖是一个面积较大的淡水湖，到1960年干涸，该区域植被脆弱风沙肆虐，2006年开始作为一个重点区域进行治理，红崖山水库每年向青土湖下泄一定量的生态用水，2016年下泄水量0.34×108m3，从治理区附近地下水位观测井观测资料分析（图6），治理区周边地下水位呈逐年回升态势，回升趋势率为 1.1 m/10 a（R=0.99，P＜0.01），回升趋势显著。

图6 民勤2006—2016年地下水位分析

4 结论

（1）1995—2016年民勤自然降水量为增多趋势，降水以小雨为主，雨日为增多趋势，降水量和雨日综治前为增大（多）趋势，综治以来为减小（少）趋势，趋势均不明显。1995—2016年降水变率为17.6%，综治以来降水变率较综治前减小，降水趋于稳定。民勤沙漠边缘及荒漠区出现过强降水天气，其对沙漠边缘和荒漠区地下水有一定的补给。

（2）1995—2016年民勤地表来水量呈缓降—急升趋势。1995—2005年为缓慢减少趋势，趋势显著；2006—2016年为快速增多趋势，趋势显著。原因是：综治前由于上、中游人口增长，土地相继开发，对水的利用和开发力度增大而使民勤地表来水量逐年减少，综治以来由于加大外流域调水量，本流域调节强制性给下游放水，本地减少地下水开采而使地表来水量增多。

（3）1995—2016年民勤平均地下水位呈急降—缓升趋势，1995—2005年快速下降，2006—2016年缓慢回升，趋势显著。所处地理位置不同地下水位表现不一。综治以来，由于关井压田、外流域调水，本流域调节放水、严格的水权管理等措施到位，地下水位下降趋势得到有效遏制，综治关键5 a之后，绿洲区和荒漠区地下水位有了一定回升，重点治理区（青土湖）地下水位稳步回升。