氣候變化對黃河上游水文水資源影響的關(guān)鍵問題研究

趙明旭 關(guān)磊 李改香

【摘要】氣候方案的假定要跟月水量平衡模型密切的聯(lián)系在一起，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)對黃河水文的綜合分析，并能得出具體的氣候變化內(nèi)容。在具體的分析中能夠知道：水文的形成受到降水的影響很大，而在氣溫方面則表現(xiàn)的不是很突出，如果保持氣溫的恒定，在降水少10%的時候，土壤含水量和年徑流量都會收到巨大的影響，分別降低了 4. 3%和 5. 1%左右； 這一點也反映在汛期上，在汛期的時候表現(xiàn)的十分突出。

【關(guān)鍵詞】氣候變化；黃河上游；徑流量；土壤含水量

1、引言

氣候變化大多都是全球性的，在溫室氣體的影響下，全球的氣候相較以往變化很大。全球性的氣候變化對很多地區(qū)造成了不利的影響，導(dǎo)致了一系列的自然災(zāi)害，比如干旱和洪澇災(zāi)害，而最重要的是水循環(huán)的變化，變暖已經(jīng)成為全人類面臨的重大問題。人們對于氣候的關(guān)注程度也不斷地上升。而氣候變化與水文密切聯(lián)系，人類在水資源的利用上已經(jīng)遭遇了很嚴(yán)重的困難，很多地區(qū)面臨水資源短缺，加強水資源的管理已經(jīng)成為當(dāng)下重要的任務(wù)，也是緩解人類用水安全的關(guān)鍵問題，這也將有利的推動世界各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。當(dāng)前的研究中，水文模型和氣候模型相結(jié)合的形式非常常見。本文基于這兩者的結(jié)合，集中分析了黃河上游水文與氣候的相互關(guān)聯(lián)。

2、流域水文、氣候概況

黃河上游的地理位置非常的特別，東西南北分別是黃土高原、昆侖山界、巴顏喀拉山霾和柴達(dá)木盆地，并且在分布在青藏高原上，這種地貌也被稱作是高寒草原，蘭州以上的長度達(dá)到了2119km，22萬km2的集水面積， 不過也僅僅占到總流域的30%；由于地處青藏高原，因此海拔在4000m以上，導(dǎo)致氣溫的平均值非常低，是-2.5℃。這些地方的積雪對于地貌的影響非常的嚴(yán)重，并且受到來自印度洋氣流的影響，降水量也比一般地方要多，達(dá)到了500mm，降水量在黃河總流域是比較多的地區(qū)，汛期就占到了60%；徑流的充沛、植被條件的完好、降水的及時以及氣候的良好條件為大徑流量提供了條件，讓其達(dá)到了140mm，年徑流系數(shù)在多年的觀察中也被定為為0.32，這個地區(qū)的全年徑流量達(dá)到了336億m3，這個數(shù)據(jù)是整個流域的一半，這對于黃河流域來說非常的重要，而冰雪的融化是重要的來源，占到了其中的五分之一。

3、月水量平衡模型

在具體的分析中。參考標(biāo)準(zhǔn)的水平衡原理，在綜合的分析中實現(xiàn)了月水量平衡模型創(chuàng)建。 具體的分析中涉及到了融雪徑流、地面和地下徑流三個方面的內(nèi)容。在比較分析中，模型能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的對比，并實現(xiàn)了綜合的推廣。但是模型對于數(shù)據(jù)的依賴性比較大，在有氣溫資料片、降水量以及蒸發(fā)能力的條件下，能夠得出如下的計算方程，具體如：

其中：Si表示當(dāng)月土壤中的含水量；Si-1在表示上月土壤中的含水量；Pi表示當(dāng)月的降水量；Ei 表示當(dāng)月水的蒸發(fā)量；Ri表示當(dāng)月的徑流量；RSi表示當(dāng)月地面的徑流量；RGi 表示當(dāng)月的地下徑流量；RSNi表示當(dāng)月的融雪徑流量；Ew 表示蒸發(fā)能力，該值一般是通過相關(guān)的資料計算所得，也可以根據(jù)E601蒸發(fā)皿監(jiān)測的實際值為準(zhǔn)；SNi 表示當(dāng)月的積血量，其值可以通過當(dāng)月的降水量以及當(dāng)月的氣溫曲線進(jìn)行計算；ti 表示當(dāng)月氣候的平均溫度；其與的幾個值如Smax、ks、kg 和ksn等是該模型的一個參數(shù)，在特定條件下為定值，其值大小是由水流域下面的墊面以及當(dāng)?shù)氐臍鉁貨Q定的。在該模型中，土壤含水量是一個重要的變量，表示的是流域的狀態(tài)。在使用該模型時，首先要提供流域的初始值，也就是S0的值，隨后再取三種不同的水源進(jìn)行運算，推導(dǎo)出流域在最后狀態(tài)下的含水值。在計算的過程中，會有一個最大的含水量Smax，通常初始值取最大值的一半。使用該模型時，人為因素對結(jié)果的影響比較大，為了降低這種影響，一般都會選擇將前兩年的計算資料當(dāng)做預(yù)熱期，再根據(jù)后來的計算資料確定相關(guān)的參數(shù)。為確保模型能夠準(zhǔn)確的反映流域的特征，通常會選取一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后用該模型加以驗證，如果在率定期和檢驗期的結(jié)果都符合有關(guān)要求，說明選用的該模型較為合適。根據(jù)蘭州站的現(xiàn)有資料輸入對應(yīng)的數(shù)據(jù)如降水量、氣溫等，選取蘭州站在1958～1989 期間的數(shù)據(jù)資料，以測得的實際徑流量和相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)為依據(jù)來確定該模型的參數(shù)值，同時選用1990～1995期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型適用性檢驗。其公式為：

其中：R2表示該模型的效率；Re表示該模型的相對誤差；qri 表示徑流量的測量值；qci 表示計算徑流量，表示徑流量的測量的均值；n表示選取樣本的數(shù)目。

R2越趨向于1，同時Re越趨向于0，表明模擬的結(jié)果越準(zhǔn)確。通過計算可知，率定期的模型效率系數(shù)視75.6%，而在檢驗期模型效率系數(shù)則是72.4%，對應(yīng)的誤差都小于4%。為了使結(jié)果對比變得更為直觀，作者繪制了在1981～1995期間，本站徑流量的實際檢測值以及對應(yīng)的計算值，如圖1所示。由圖可以知道，檢測的實際值與計算得到的數(shù)值具有較好的線性關(guān)系，這說明該模型能夠很好地模擬該站流域的徑流結(jié)果，因此該模型能夠用于研究溫度變化對當(dāng)?shù)厮牡淖饔煤陀绊憽?/p>

4、氣候變化對黃河上游水文的作用和影響

4.1 對蒸發(fā)能力的影響

蒸發(fā)在水循環(huán)以及轉(zhuǎn)換過程中是一個很重要的環(huán)節(jié)。因為在水文模型中需要輸入水域的蒸發(fā)能力，而在氣候模型中只能提供溫度的變化幅度和降水的變化幅度，所以探究氣溫變化對蒸發(fā)能力的影響具有重要作用，是探究氣溫變化對流域水文影響的前提基礎(chǔ)和條件。根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，在蘭州及其上游區(qū)域，氣溫的變化和水的蒸發(fā)能力具有很高的指數(shù)線性關(guān)系，其模型為：

Ew=e （ 4. 41+0. 054t）

（n=240，R=0.92）

其中：Ew表示水蒸發(fā)的能力；t表示溫度；n表示樣本的數(shù)量；r表示系數(shù)。通過公式能夠計算出溫度改變對水蒸發(fā)能力的影響程度，當(dāng)氣溫增高1℃時，蒸發(fā)能力提高5.15%，而當(dāng)氣溫增高2℃時，蒸發(fā)能力提高11.33%。

4.2 對上游水文的影響

全球氣候模型（GCMs）能夠評估出將來一段時期內(nèi)全球各個地區(qū)氣候變化情況，雖然使用不同的氣候模型，其評估的結(jié)果也有所不同，但這些評估結(jié)果的趨勢變化還是相同的，這說明在以后的很長一段時期內(nèi)，黃河流域的上游區(qū)域氣溫將會升高1.5℃，相應(yīng)的降水也會有一定的變化。因為使用模型得出的結(jié)果存在不確定性，因此在探究溫度變化對水文影響的作用時，采用假定的氣候方案?？紤]到當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況以及將來的相關(guān)要求，將假定的方案設(shè)定為：降水量的變化幅度分三個檔次，保持不變、±10%以及±20%；溫度的變化幅度也分為三個檔次，保持必變、±1℃以及±2℃，這兩個因素五個水平一共有25中組合。徑流量的數(shù)值能夠體現(xiàn)出該流域產(chǎn)流條件優(yōu)劣，而土壤含水量對生態(tài)環(huán)境、農(nóng)作物生產(chǎn)具有重要作用，估選取這兩個因素作為研究氣溫變化對水文影響的變量。假設(shè)溫度的改變不影響氣候因子的空間分布、不改變以后降水、溫度以及蒸發(fā)收縮以后的順序，采用月水量平衡模型得出在不同條件下的徑流量以及土壤含水量的數(shù)值。

由此可知：①降水量增加或者溫度的降低，會使流域的徑流量和土壤中的含水量增加；②降水量的變化對徑流量的影響程度要大于對土壤含水量的影響；而溫度變化對徑流量的影響程度要小于對土壤含水量的影響程度；③降水變化對徑流量以及土壤含水量的影響程度要高于溫度變化的影響程度，保持溫度不變，降水降低10%，徑流量降低12%，含水量降低6.9%，而保持降水不變，溫度升高1℃，二者分別降低了4.3%和5.1%；④降水量增加越大，溫度變化對二者的影響程度也就越大，如在降水量提高20%時，氣溫增加1℃，二者分別降低了5.3%和6.0%，而當(dāng)降水降低20%時，氣溫增加1℃，二者分別降低了3.4%和4.0%；⑤在這25中不同組合的條件下，影響最為不利的組合是在降水降低20%，而溫度增加2℃，對應(yīng)的徑流量降低29.8%，而土壤含水量降低21.5%。

在流域處于汛期的階段，地面徑流得到良好的發(fā)育，使得土壤含水量能夠得到及時補充，估在此階段，徑流和含水量都比較大。但是在非汛期階段，特別是一年的11月到來年的3月，當(dāng)?shù)販囟群艿?，降水量明顯減少而且還是以冰雪的形式出現(xiàn)，故土壤中含水量比較低，幾乎是處于無水蒸發(fā)的情況，而此時的地下徑流是徑流的主要組成部分，在此階段，溫度變化對徑流以及土壤含水量的影響變化較小。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計可知，在降水降低20%，溫度上升2℃時，在每年的1～3月期間，徑流量和土壤含水量則分別降低2.6mm和3.5mm，而在7～9月期間，這兩個數(shù)值分別降低為25.1mm和55.2mm。

5、黃河源區(qū)和上游徑流量的年代際變化特征及其與降水的關(guān)系

5.1 黃河源區(qū)徑流量的變化及其與降水和氣溫變化的關(guān)系

張士鋒等根據(jù)大量探究結(jié)果證明，黃河源區(qū)水循環(huán)改變情況和該地區(qū)的氣候之間存在緊密聯(lián)系，同時對黃河源區(qū)的徑流情況產(chǎn)生干擾。因此，本文深入探究其徑流與降水以及氣溫之間的聯(lián)系。。

5.2 黃河上游地區(qū)徑流的變化及其與降水和氣溫變化的關(guān)系

蘭州站點在1960～2003年間對黃河上游區(qū)域的每年的徑流量距離平均值的改變情況與不同年代的變化方向。由此能夠得知，其每年的徑流量也存在明顯的改變，改變范圍高達(dá)±0.4方差。而且同上文源區(qū)徑流與降水之間存在的關(guān)聯(lián)性保持一致，上游區(qū)域的徑流改變與降水之間的相關(guān)性在99%的置信水平下，高達(dá)0.69。但是，其與年際溫度改變情況之間的相關(guān)性僅為-0.38，這遠(yuǎn)低于徑流和年降水改變情況之間的相關(guān)性，但是同源區(qū)的對比來看，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其與每年溫度改變情況之間的相關(guān)性 。這表示由唐乃亥至蘭州區(qū)域間每年的徑流量改變情況和氣溫之間存在明顯的關(guān)聯(lián)性。本探究進(jìn)一步得知此區(qū)域間徑流和年均氣溫改變情況之間的相關(guān)性為-0.58，這是因為該地區(qū)位于比源區(qū)海拔更低的半干旱區(qū)域， 所以，其徑流和氣溫改變情況之間存在較大的聯(lián)系。不僅如此，上游徑流的年代改變情況也涉及兩個階段，即上世紀(jì)60～80年代末的偏豐水期與自90年代開始至今的偏枯水期，這同源區(qū)的年代徑流改變情況相同，也同藍(lán)永超等人獲得探究結(jié)論相吻合。所以，由90 年代開始至今，上游的徑流量迅速減少，不僅是因為源區(qū)的徑流量降低，還因為兩站點之間的區(qū)域降水量降低與氣溫明顯升高所導(dǎo)致的。

5.3 黃河上游徑流變化對華北水資源的影響

黃河穿過甘肅、內(nèi)蒙 、山西等多個省份地區(qū)，由花園口流經(jīng)河南等地，最終匯入渤海，是華北區(qū)域主要的水源。它是處于華北區(qū)域的山西、河北等省份區(qū)域人們生產(chǎn)生活的重要水源；同時，因為近年來天津與北京兩地的供水量嚴(yán)重不足，同樣需要由黃河調(diào)水。所以，其上游的水量改變決定了華北區(qū)域水源的改變情況?；▓@口站點對黃河中游流量在不同時期的年均流量改變情況的監(jiān)測結(jié)果。由此能夠得知，上世紀(jì)中葉該地區(qū)自然的徑流量大概為484×108m3，60年代擴(kuò)大至506.0×108 m3，而到了70年代又減小至380×108m3，80年代又?jǐn)U大至425.1×108m3。但是，結(jié)合該站點在1990～1996年間實際監(jiān)測到的年均徑流量僅為287.2×108m3，這與80年代的徑量相比而言，將近降低了32.4%。

黃河下游的徑流量在上世紀(jì)90年代迅速降低，這和上游水量降低之間存在緊密的關(guān)聯(lián)。下游蘭州站點在 90 年代的年均徑量要比80年代實際測量的黃河徑流量大概降低了100×108m3。結(jié)合李桂忱的探究結(jié)論可知，黃河在80年代的年均徑量為365.9×108 m3 ，但依據(jù)1990～1996年間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其年均徑流僅為266.5×108 m3，大概降低了27.3%。經(jīng)過上述的探討能夠得知，源區(qū)與上游的徑量改變情況會對下游的徑量改變產(chǎn)生決定性作用，從而對整個華北區(qū)域的水源量造成極大的影響。黃河出現(xiàn)斷流不僅是因為花園口下游區(qū)域的生產(chǎn)用水量急劇增多，還因為上游的來水量降低。

6、總結(jié)

本文運用水文模擬的方式，探究了黃河上游區(qū)域溫度變化對徑流以及土壤含水量影響程度。研究表明，溫度變化對土壤含水量的影響程度要低于對徑流的影響程度，降水變化對徑流量以及土壤含水量的影響程度要高于溫度變化對其的影響程度，在汛期階段，溫度變化對徑流以及土壤含水量的影響程度要高于非汛期階段。

參考文獻(xiàn)：

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