三峽工程建成蓄水對(duì)庫(kù)區(qū)參考作物蒸發(fā)蒸騰量的影響研究

何 軍，張 偉，李家明，趙樹(shù)君，張宇航，何天楷，鐘盛建，高明利

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002；3. 湖北省漳河工程管理局，湖北 荊門(mén) 448156)

0 引 言

三峽庫(kù)區(qū)位于長(zhǎng)江上游末端，庫(kù)區(qū)最高和最低緯度分別為北緯31°44′和28°31′，最大和最小經(jīng)度分別為東經(jīng)110°12′和105°49′[1]，包含了因三峽工程建設(shè)而受回水淹沒(méi)的26個(gè)縣市區(qū)。三峽水庫(kù)總庫(kù)容393 億m3，東西全長(zhǎng)662.9 km，南北最寬處達(dá)2 000 m，總面積1 084 km2，是一座河道型水庫(kù)。庫(kù)區(qū)處于氣候敏感區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)渡區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱且不穩(wěn)定，三峽工程建成后，水庫(kù)蓄水、行洪對(duì)庫(kù)區(qū)局部氣候產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。研究三峽工程建成蓄水對(duì)庫(kù)區(qū)氣候影響規(guī)律具有重要意義。

CHEN等[2]的研究發(fā)現(xiàn)三峽工程建設(shè)蓄水后，庫(kù)區(qū)周邊地區(qū)夏季有微弱的降溫效應(yīng)，而冬季則表現(xiàn)出增溫效應(yīng)。王圓圓等[3]通過(guò)廣義加性模型(GAM)分析三峽庫(kù)區(qū)2003年水庫(kù)蓄水前后平均氣溫和降水變化，1997年后，庫(kù)區(qū)年平均氣溫上升趨勢(shì)明顯，但2003年三峽工程首次蓄水后無(wú)明顯變化趨勢(shì)。劉海隆等[4]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)氣候周期性變化特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明三峽庫(kù)區(qū)最高氣溫、平均氣溫、最低氣溫以及日照時(shí)長(zhǎng)均表現(xiàn)出較好的周期性，主要周期為20 a，但降水量不具有較統(tǒng)一的周期長(zhǎng)度，以10年內(nèi)短周期為主。王梅華等[5]的研究表明，氣溫與水面蒸發(fā)之間具有較穩(wěn)定的正相關(guān)性，降水與氣溫間的相關(guān)性最弱。符坤等[6]發(fā)現(xiàn)重慶城區(qū)和萬(wàn)州的年平均氣溫上升趨勢(shì)顯著，相對(duì)平均濕度則呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，但兩地區(qū)降雨趨勢(shì)相反，重慶城區(qū)表現(xiàn)出不顯著上升趨勢(shì)。何軍等[7]對(duì)三峽工程建成前后宜昌市的氣候條件及ET0進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)大江截流后(1997-2011年)，宜昌市平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫的多年均值分別上升了0.7、0.7、0.8 ℃，平均氣壓、平均相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)表現(xiàn)出一定程度下降。宜昌市逐年ET0呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)，與平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與降雨量、平均相對(duì)濕度以及平均大氣壓呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

上述研究主要集中在三峽庫(kù)區(qū)氣溫和降水的變化，對(duì)庫(kù)區(qū)參考作物蒸發(fā)蒸騰量影響研究也僅體現(xiàn)在局部地區(qū)。本文采用M-K檢驗(yàn)法對(duì)庫(kù)區(qū)參考作物蒸發(fā)蒸騰量年際變化展開(kāi)研究，運(yùn)用通徑分析法進(jìn)一步研究三峽工程建設(shè)前后不同氣象因子對(duì)庫(kù)區(qū)參考作物蒸發(fā)蒸騰量的影響，以期為庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)水資源高效配置等提供參考。

1 研究區(qū)域內(nèi)氣象站點(diǎn)選擇及氣象資料獲取

本文選取三峽庫(kù)區(qū)5個(gè)典型區(qū)域的氣象站作為代表點(diǎn)，分別為沙坪壩、萬(wàn)州、奉節(jié)、巴東和宜昌，5個(gè)站點(diǎn)順?biāo)鞣较蜃陨嫌蜗蛳掠畏植?，各臺(tái)站的基本信息如表1所示，其中沙坪壩站位于三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)尾，宜昌站位于三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)首，如圖1。

表1 氣象臺(tái)站基本資料Tab.1 Basic data of meteorological stations

圖1 氣象臺(tái)站位置示意圖Fig.1 Schematic map of meteorological station location

研究選擇各站點(diǎn)1961-2014年的氣象觀測(cè)資料作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選取的氣象因子包括平均氣溫T、最低氣溫Tmin、最高氣溫Tmax、平均相對(duì)濕度RH、日照時(shí)長(zhǎng)n、風(fēng)速u(mài)、降水h、氣壓p等。氣象數(shù)據(jù)從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https:∥data.cma.cn/)獲取，采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)1998年推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算多年逐日參考作物蒸發(fā)蒸騰量[8,9]。數(shù)據(jù)分析時(shí)使用的M-K(Mann-kendall)檢驗(yàn)及通徑分析法的原理及詳細(xì)過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[10-13]。

2003年6月，三峽工程首次蓄水至135 m，庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍涉及湖北省和重慶市12個(gè)縣、區(qū)，是庫(kù)容第一次發(fā)生重大變化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，是三峽工程建設(shè)對(duì)庫(kù)區(qū)及周邊環(huán)境、氣候、生態(tài)等產(chǎn)生影響的開(kāi)端，故而本文將2003年作為三峽工程對(duì)庫(kù)區(qū)ET0影響的分界點(diǎn)。

2 結(jié)果和分析

2.1 ET0的年際變化規(guī)律

由表2三峽工程首次135 m蓄水(2003年)前、后ET0年際變化可知：三峽工程首次135 m蓄水前、后，奉節(jié)、巴東和宜昌地區(qū)年平均ET0始終較大。2003年前，萬(wàn)州地區(qū)年平均ET0的均值、極大值和極小值均為5各地區(qū)中最小，但2003年后，年平均ET0的均值、極大值和極小值均最小的地區(qū)為沙坪壩。對(duì)比5個(gè)地區(qū)2003年前、后年平均ET0變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，三峽庫(kù)區(qū)首次135 m蓄水前，5個(gè)地區(qū)ET0均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且巴東地區(qū)下降趨勢(shì)較其他地區(qū)更大，而三峽庫(kù)區(qū)首次135 m蓄水前后，5個(gè)地區(qū)ET0均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，巴東地區(qū)上升趨勢(shì)最緩。所選的5個(gè)研究地區(qū)兼顧庫(kù)區(qū)首位兩端，具備代表性，可見(jiàn)三峽庫(kù)區(qū)內(nèi)所有地區(qū)年平均ET0在三峽工程首次135 m蓄水前、后有著一致的變化趨勢(shì)，均表現(xiàn)為從2003年前的下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)?003年后的上升趨勢(shì)。

2.2 ET0趨勢(shì)分析及突變性檢驗(yàn)

由圖2各地區(qū)ET0突變檢驗(yàn)曲線圖可知：沙坪壩和萬(wàn)州地區(qū)UF值始終處于0刻度線以下，表明以上兩個(gè)地區(qū)年平均參考作物蒸發(fā)蒸騰量在1961-2014年間始終表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，且在1980年后表現(xiàn)為顯著性下降趨勢(shì)。奉節(jié)、巴東和宜昌地區(qū)大體呈下降趨勢(shì)，但分別在1967、1970、1974年后出現(xiàn)短暫不顯著上升趨勢(shì)。沙坪壩、萬(wàn)州、奉節(jié)、巴東和宜昌地區(qū)UF曲線和UB曲線分別在1973、1966、1976、1982、2002年出現(xiàn)交點(diǎn)，交點(diǎn)位于±1.96置信區(qū)間內(nèi)，且隨后UF曲線繼續(xù)下降，穿過(guò)-1.96置信線，表明5個(gè)地區(qū)年平均ET0均發(fā)生降低突變。對(duì)于整個(gè)庫(kù)區(qū)年平均ET0而言，庫(kù)區(qū)內(nèi)所有地區(qū)在1961-2014年間整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，各地區(qū)年平均ET0發(fā)生突變的時(shí)間不同，但均表現(xiàn)為降低突變。

2.3 影響ET0數(shù)值的主要?dú)庀笠蜃臃治?/h3>

采用通徑分析法對(duì)沙坪壩、萬(wàn)州、奉節(jié)、巴東、宜昌等5個(gè)地區(qū)三峽工程首次蓄水(2003年)前、后年平均ET0與氣象因子敏感性進(jìn)行分析，匯總結(jié)果如表3。

表2 三峽工程首次135 m蓄水(2003年)前、后ET0年際變化Tab.2 Interannual variation of reference crop evapotranspiration before and after the first 135 m storage (2003) of the Three Gorges Project

圖2 各地區(qū)ET0突變檢驗(yàn)曲線圖Fig.2 Test curve chart of reference crop evapotranspiration catastrophe in different regions

表3 三峽工程首次135 m蓄水(2003年)前、后各地區(qū)ET0通徑分析匯總Tab.3 Path analysis of ET0 before and after the first 135 m storage (2003) of the Three Gorges Project

從表3可知，沙坪壩、萬(wàn)州、巴東和宜昌地區(qū)在三峽工程首次135 m蓄水前、后年平均ET0與年平均日照時(shí)長(zhǎng)n均有著較好的相關(guān)性，表現(xiàn)為共同增減的變化情況。奉節(jié)地區(qū)1961-2002年間與ET0相關(guān)性最好的為年平均日照時(shí)長(zhǎng)n，2003年后為年平均最高氣溫Tmax。2003年前，除沙坪壩地區(qū)ET0主要受氣溫影響外，其他地區(qū)ET0受日照時(shí)長(zhǎng)n的影響較大，而在2003-2014年間，所選取的5個(gè)研究地區(qū)的ET0都主要受氣溫影響，年平均氣溫T的變化是影響參考作物蒸發(fā)蒸騰量變化的主要原因。

三峽庫(kù)區(qū)ET0與氣象因子的敏感情況在2003年前后發(fā)生了變化，三峽工程首次135 m蓄水(2003年)前，影響庫(kù)區(qū)內(nèi)各地區(qū)年平均ET0的主要?dú)庀笠蜃硬槐M相同，三峽工程首次蓄水(2003年)后，平均氣溫成為影響庫(kù)區(qū)內(nèi)各地區(qū)年平均參考作物蒸發(fā)蒸騰量的主要?dú)庀笠蜃印?/p>

3 結(jié) 論

為探明三峽工程建成蓄水對(duì)庫(kù)區(qū)參考作物蒸發(fā)蒸騰量的影響，采用M-K檢驗(yàn)法和通徑分析法等展開(kāi)相應(yīng)研究，主要結(jié)論如下。

(1)沙坪壩、萬(wàn)州、奉節(jié)、巴東和宜昌地區(qū)年平均ET0在三峽工程首次135 m蓄水前后，其變化趨勢(shì)均變現(xiàn)為從下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔?shì)，表明三峽庫(kù)區(qū)年平均參考作物蒸發(fā)蒸騰量變化趨勢(shì)在2003年前、后發(fā)生轉(zhuǎn)變，由下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔?shì)。

(2)所選取的5個(gè)代表站點(diǎn)的年平均ET0在1961-2014年間總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，雖發(fā)生突變的時(shí)間不同，但均表現(xiàn)為降低突變，表明三峽庫(kù)區(qū)年平均參考作物蒸發(fā)蒸騰量在1961-2014間逐漸減少。

(3)三峽工程首次135 m蓄水前，庫(kù)區(qū)各地影響ET0值的主要?dú)庀笠蜃佑绊懖煌耆嗤?003年后，庫(kù)區(qū)內(nèi)所有地區(qū)年平均ET0均主要受年平均氣溫的影響。

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