青海湖流域水資源變化特征研究

張 明，曹學(xué)章

(環(huán)境保護部 南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042)

青海湖流域水資源變化特征研究

張 明，曹學(xué)章

(環(huán)境保護部 南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042)

氣候變化；降水量；蒸發(fā)量；徑流量；青海湖

利用青海省天峻、剛察、海晏和共和氣象站建站到2010年的觀測數(shù)據(jù)，以及布哈河口、剛察和下社水文站多年的觀測數(shù)據(jù)，從降水量、氣溫、徑流量和蒸發(fā)量的多年變化分析青海湖流域的氣候變化趨勢。結(jié)果表明，歷年年平均降水量、蒸發(fā)量和徑流量都沒有明顯的變化，處于相對比較穩(wěn)定的狀態(tài)，而氣溫變化則呈現(xiàn)明顯的增加趨勢；青海湖水位變化與降水量、氣溫關(guān)系密切。

近100年來全球氣候正經(jīng)歷一場以變暖為主要特征的顯著變化，這種變化是由自然氣候和人類活動共同引起的。近50年來中國年平均氣溫升高了1.1 ℃，增溫速率為0.22 ℃/10 a，比全球或北半球同期平均值高得多，尤其是青藏高原地區(qū)增溫比較顯著[1-3]。作為世界的“第三極”，青藏高原是對氣候變化最敏感的地區(qū)之一。青海湖流域位于青藏高原東北邊緣，處于黃土高原、西北干旱區(qū)和青藏高寒區(qū)的過渡地帶，響應(yīng)全球變化引起的青藏高原氣候變化更加敏感。流入青海湖的河流有50余條，這些河流均屬于降水和冰雪融水補給型，降水和冰雪融水占年徑流量的90%以上，徑流量年內(nèi)及年際變化大，與降水和冰雪融水同步變化。流域的降水量、蒸發(fā)量是影響青海湖流域河流水文、水資源狀況的主要因素，同時水文、水資源變化又對流域植被、水循環(huán)、生態(tài)環(huán)境等具有重要影響[4-6]。因此，本研究擬從降水、蒸發(fā)和地表徑流等方面研究青海湖流域近50年的水資源變化特征。

1 流域概況

青海湖位于青藏高原東北端、祁連山地的東南部，四周高山環(huán)繞，地理位置介于北緯36°32′～37°15′、東經(jīng) 99°36′～100°46′之間，東西長106 km、南北寬63 km、周長約360 km，湖面海拔3 194 m ，湖水最深處26 m，平均深度16 m，2010年湖面面積4 331 km2。青海湖流域面積29 661 km2，其中山地占68.6%，平原占31.4%。

2 數(shù)據(jù)來源

青海湖流域內(nèi)及周邊4個氣象站(天峻、剛察、海晏、共和，圖1)建站至2010年的觀測數(shù)據(jù)來自青海省氣象局。觀測數(shù)據(jù)主要有：氣溫(日平均、日最高、日最低)、氣壓(日平均、日最高、日最低)、相對濕度(日平均、日最小)、風(fēng)速(日平均、日最大)、降水量(日合計、雪深、雪壓)、地溫(日最高、日最低，0、5、10、15、20 cm)、日照時數(shù)、蒸發(fā)量、凍土深度等，時間序列為1958—2010年。

圖1 青海湖流域氣象站與水文站分布

流域內(nèi)3個水文站(布哈河口、剛察、下社，圖1)多年來的觀測數(shù)據(jù)來自青海省水文水資源勘測局。觀測數(shù)據(jù)主要有日均降水量、氣溫、岸溫、含沙量、徑流量、水面蒸發(fā)量、水溫等，布哈河口、剛察、下社水文站觀測數(shù)據(jù)時間序列分別為1980/1982/1983—2010年。

3 研究方法

采用Kendall秩次相關(guān)檢驗法、Spearman秩次相關(guān)檢驗法、線性趨勢回歸檢驗法，取顯著性水平分別為0.05、0.01，對氣象站、水文站歷年年平均降水量、氣溫、蒸發(fā)量的序列趨勢性進行統(tǒng)計檢驗和分析。利用EMD(Empirical Mode Decomposition，經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解)方法對青海湖流域降水量、氣溫、蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進行周期性分析，得到了各站的IMF(Intrinsic Mode Function，本征模態(tài)函數(shù))分量和相應(yīng)的方差貢獻率。借助于變差系數(shù)、變化幅度(相對變化幅度、絕對變化幅度)等指標(biāo)，研究降水量和徑流量的年際分布特征。

4 結(jié)果與討論

4.1 干旱指數(shù)的變化趨勢

干旱指數(shù)是反映某一地區(qū)氣候干濕程度的指標(biāo)之一，在氣候?qū)W上一般以各地年水面蒸發(fā)能力與年降水量的比值來表示。干旱指數(shù)與氣候干濕分帶關(guān)系極為密切：通常干旱指數(shù)小于1.0時，說明該區(qū)域降水量超過水面蒸發(fā)能力，氣候濕潤或十分濕潤；干旱指數(shù)在1.0～3.0之間時，說明該區(qū)域降水量接近水面蒸發(fā)能力，氣候半濕潤；干旱指數(shù)在3.0～7.0之間時，說明該區(qū)域水面蒸發(fā)能力大于降水量，氣候偏干旱；干旱指數(shù)大于7.0時，說明氣候干旱，干旱指數(shù)越大，干旱程度越強烈。青海湖流域干旱指數(shù)在2～4之間(表1)，其中：湖周邊站點(布哈河口水文站、剛察水文站、下社水文站、剛察氣象站)干旱指數(shù)<3，說明湖周邊區(qū)域?qū)儆诎霛駶檯^(qū)；干旱指數(shù)隨著海拔的升高、降水量的增大、水面蒸發(fā)量的減小而減??；天峻氣象站干旱指數(shù)>3，屬于半干旱區(qū)，劃分結(jié)果與按降水量劃分結(jié)果基本一致。

表1 青海湖流域各氣象、水文站點的干旱指數(shù)

注：海晏、共和氣象站無相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2 降水量、氣溫與蒸發(fā)量的變化趨勢

變差系數(shù)是樣本序列的標(biāo)準(zhǔn)差與算術(shù)平均值的比值，是反映降水量年內(nèi)變化不均勻性的重要指標(biāo)[7]。1958—2010年，流域內(nèi)歷年年平均降水量呈波動增加趨勢，但增加幅度較小，平均每年增加0.88 mm，多年平均降水量為344.47 mm，歷年年平均降水量最大值出現(xiàn)在1989 年，最小值出現(xiàn)在1978 年，絕對變化幅度為352.5 mm，相對變化幅度為2.67，變差系數(shù)為0.22。青海湖流域為封閉式內(nèi)陸湖流域，流域內(nèi)無過境河流，徑流完全依賴于降水和冰雪融水。期間流域內(nèi)氣溫呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，平均升溫幅度為0.03 ℃/a。流域內(nèi)氣溫的升高導(dǎo)致冰雪融水增加，而冰雪融水量直接影響著流域地表徑流量和水資源量，因此流域內(nèi)氣溫的變化對水文、水資源的變化有著重要的影響。蒸發(fā)是流域內(nèi)水量循環(huán)的唯一消耗途徑，因此流域蒸發(fā)量的變化情況與流域水文、水資源的變化情況關(guān)系密切。期間流域內(nèi)蒸發(fā)量的年際變化趨勢不太明顯，多年平均蒸發(fā)量維持在950 mm左右。以布哈河口水文站為例，其歷年年平均降水量、蒸發(fā)量及其5 a滑動均值過程線見圖2。

圖2 布哈河口水文站年降水量、蒸發(fā)量及其5 a滑動均值過程線

4.3 地表徑流量的變化趨勢

(1)徑流量的年內(nèi)分配。徑流量年內(nèi)分配的主要影響因素有降水季節(jié)變化和流域徑流形成區(qū)的地形、水文地質(zhì)條件等。青海湖流域大多數(shù)河流徑流年內(nèi)分配極不均勻：多年平均徑流量連續(xù)最大的4個月(6—9月)徑流量占全年徑流量的62%～82%；最大月徑流量多出現(xiàn)在7月，占全年徑流量的25%左右；最小月徑流量多發(fā)生在1、2月，其徑流量不足全年徑流量的1%。

(2)徑流量的年際變化。河川徑流量的年際變化主要取決于區(qū)域水汽條件、河川徑流的補給類型和流域下墊面狀況等。徑流量的年際變幅通常用變差系數(shù)、年徑流量極值比來表示。青海湖流域大多數(shù)河流以雨水或冰雪融水補給為主，受降水不穩(wěn)定影響，年徑流量變化離差系數(shù)在0.36～0.78之間，同時年際變化較大，年徑流量極值比在4.32～9.53之間。

(3)徑流量豐枯變化。根據(jù)布哈河口水文站徑流量資料，布哈河多年平均徑流量為7.992億m3，其中1961—1968年為豐水期、1969—1977年為平水期、1978—1980年為枯水期、1981—1988年為平水期、1989—2001年為枯水期、2002—2010年為豐水期。根據(jù)剛察水文站徑流量資料，沙柳河多年平均徑流量為2.557億m3，其中1958—1976年為平水期、1977—1980年為枯水期、1981—1989年為豐水期、1990—2003年為平水期、2004—2010年為豐水期。

(4)年徑流量變化趨勢分析。采用滑動平均法、Kendall秩次相關(guān)檢驗法、Spearman秩次相關(guān)檢驗法、線性趨勢回歸檢驗法對青海湖流域主要河流代表站實測歷年年平均徑流量序列趨勢性進行統(tǒng)計檢驗和分析。以布哈河口水文站、剛察水文站為例(圖3)，由繪制的年徑流量及5 a滑動均值過程線可以看出，布哈河口站和剛察站的年徑流量都呈現(xiàn)略微的增加趨勢，但是變化趨勢并不明顯。

圖3 布哈河口、剛察水文站年徑流量及5 a滑動均值過程線

4.4 氣溫、降水量、蒸發(fā)量與徑流量的關(guān)系

分析布哈河口水文站和剛察水文站歷年年平均徑流量數(shù)據(jù)，結(jié)果表明流域內(nèi)徑流量沒有明顯的變化，這一變化特征和流域內(nèi)相應(yīng)時段降水量與蒸發(fā)量的變化特征相近。

分析青海湖流域內(nèi)氣溫、降水量、蒸發(fā)量與徑流量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)：氣溫顯著升高，導(dǎo)致流域內(nèi)冰雪、凍土融化加劇，地表徑流在春季得到的補給增多，每年3、4月徑流量呈增加趨勢，說明流域內(nèi)氣溫的升高對地表徑流的變化有著重要影響；降水量和徑流量變化相關(guān)性很大，但徑流變化對降水的響應(yīng)具有滯后效應(yīng)，滯后時間平均為20～30 d；無論是冬季還是夏季，蒸發(fā)量和徑流量的相關(guān)性都不大，這也表明流域內(nèi)蒸發(fā)量對地表徑流的影響較小；研究期內(nèi)青海湖流域除了氣溫呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，降水量、蒸發(fā)量和徑流量都沒有明顯的變化趨勢，處于波動變化狀態(tài)。

分析氣候變化對青海湖水位的影響。1958—2010年青海湖流域氣候由冷干逐漸向暖濕變化，其中；1958—2000年青海湖歷年年平均水位持續(xù)下降，同期年平均降水量則顯示出波動變化的狀態(tài)，且總體增減趨勢不明顯；2000年以后，溫度增加，降水量也有所增加，水位下降趨勢有所改變，在穩(wěn)定4～5 a后，2005年又開始了持續(xù)5 a的上升?？梢?，降水和氣溫的氣候組合對青海湖水位升降關(guān)系的影響明顯。

5 結(jié) 語

(1)氣候變化對水量平衡的影響顯著。氣候變化對徑流量的主要影響因素為降水, 其次為氣溫，而對蒸發(fā)量影響最明顯的是氣溫；對水量平衡的影響程度取決于降水量和氣溫的變化幅度及其組合關(guān)系。

(2)青海湖流域水量盈虧的直接后果是青海湖的擴展或萎縮：降水增加，地表徑流增加，青海湖擴大；溫度升高，蒸發(fā)加強，青海湖萎縮。研究表明，青海湖水位變化是氣候冷暖、干濕交替組合綜合作用的結(jié)果，不同的氣候階段青海湖水位會呈現(xiàn)不同的變化。

(3)盡管比例小，但流域凍土層地下冰對水量平衡仍有重要作用，這有待于今后進一步研究。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201409055)

P333

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1000-0941(2017)06-0051-03

張明(1982—)，男，福建順昌縣人，助理研究員，碩士，主要從事生態(tài)保護與修復(fù)研究；通信作者曹學(xué)章(1967—)，男，湖南郴州市人，研究員，碩士，主要從事生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)研究。

2016-10-15