甘南州主要河流地表徑流演變趨勢研究

(甘肅省臨洮水文水資源勘測局，甘肅 臨洮 730500)

隨著全球氣候變化加劇、土地利用和城鎮(zhèn)化建設(shè)等對下墊面的劇烈改變以及水土資源開發(fā)利用的影響，甘南州水循環(huán)及生態(tài)水文過程發(fā)生了顯著變化，尤其是2000年以來，隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展、城鎮(zhèn)化加速推進、退耕還林還草、大規(guī)模植樹造林、土地利用格局發(fā)生了顯著變化，耕地、林草地、建設(shè)用地均顯著增加。下墊面條件的劇烈變化使得區(qū)域水循環(huán)過程與格局發(fā)生了時間和空間上的重大變化，局部地區(qū)產(chǎn)匯流機制發(fā)生了根本變化，導(dǎo)致河川天然徑流量不同程度的減少,甘南州作為黃河和長江重要產(chǎn)水區(qū)，徑流量減少顯著。為了能及時準(zhǔn)確掌握甘南州地表水資源情勢出現(xiàn)的新變化，十分有必要開展全州主要河流地表徑流演變趨勢分析研究。

1 研究區(qū)概況[1]

甘南州地處青藏高原與黃土高原過渡地帶，地形地貌復(fù)雜高亢，地勢西高東低，南高北低，大體由西南向東北傾斜，南部為岷迭山區(qū)，東部為丘陵山地，西北部為廣闊的草甸草區(qū)。海拔1 100～4 900 m，大部分在3 000 m以上。地貌可分為高山草原區(qū)、高山森林區(qū)、低山丘陵區(qū)三類。境內(nèi)因地形復(fù)雜而形成高寒低溫、濕潤多雨的氣候，長冬無夏，春秋短促。年均氣溫以瑪曲縣為最低點，向東南方向逐漸增高。全年平均氣溫低于10℃的低溫天氣，一般長達八至十個月，年均氣溫僅1.7℃。年均降水量568.1 mm，總體趨勢是以郎木寺為中心向四周遞減，郎木寺為800 mm，夏河、舟曲為440 mm。年均蒸發(fā)量1 383.3 mm。日照時數(shù)2 303.7 h。全年無霜期僅30 d左右。

2 DEM數(shù)據(jù)河網(wǎng)提取

采用DEM 數(shù)據(jù)源是由美國奮進號航天飛機于2000年2 月獲得的SRTM DEM，中國境內(nèi)可用的數(shù)據(jù)為3″(分辨率約90 m)，數(shù)據(jù)的大地平面基準(zhǔn)為WGS84，高程基準(zhǔn)為EGM96，垂直誤差小于16 m(90% 置信度)。本研究采用的原始DEM 數(shù)據(jù)是從CGIA-CSI SRTM 90 m數(shù)據(jù)庫下載，經(jīng)過投影變換、圖像拼接和邊界裁剪等處理得到甘南州流域區(qū)域DEM。再借用Arc Hydro Tools 工具提取流域水系信息，包括五個流程: DEM 的預(yù)處理、水流流向確定、匯流柵格圖的生成、自動生成河網(wǎng)以及子流域邊界的劃分，最終得到本課題甘南州研究區(qū)的河網(wǎng)水系分布。

3 站網(wǎng)分布及資料選用

3.1 河流站網(wǎng)分布

甘南州分屬黃河、長江兩大流域，碌曲縣郎木寺鎮(zhèn)及一個行政村、迭部縣絕大部分縣域、舟曲縣全境屬長江流域，其余縣市均為黃河流域。甘南州內(nèi)有白龍江、黃河、洮河、大夏河“一江三河” 流經(jīng)。對流域面積大于50 km2的主要河流進行了全面的調(diào)查，流域地形地貌、境內(nèi)河長、平均氣溫、平均降水、平均海拔、河道寬度、平均流速、平均深度及河道比降等，最終確定了流域面積大于50 km2的主要河流200條，重點河流41條其中黃河干流2條、洮河22條、大夏河9條、白龍江8條，詳見甘南州重點河流統(tǒng)計表1，甘南州河流水系站網(wǎng)分布見圖1。

圖1 甘南州河流水系站網(wǎng)分布

3.2 資料選用及插補延長[3～5]

按照設(shè)站時間早、觀測系列長、資料質(zhì)量好，分布均勻，代表性好的原則，共選用甘南州境內(nèi)外28處雨量站、26處水文站，作為降水、徑流計算依據(jù)站點。用建立線性回歸、等值線內(nèi)插、相關(guān)系數(shù)等方法進行了插補延長，其中對已做插補的資料，經(jīng)近期資料相關(guān)檢驗，對個別站點重新進行了插補，從而保證了插補資料的精度，提高了系列代表性。

表1 甘南州重點河流統(tǒng)計表

4 降水量變化及地表徑流趨勢

4.1 降水量變化分析[2-3]

4.1.1 可靠性

共選用甘南州境內(nèi)外28處雨量站，作為降水計算依據(jù)站點?；A(chǔ)資料來自《中華人民共和國水文年鑒》、歷年水文資料整編成果，氣象站歷年降水資料等。采用實測資料共1 435站年，資料系列最長的岷縣氣象站有78 a觀測，其余站點資料系列在32～76 a之間，采用的實測資料完整，真實可靠，精度較高。經(jīng)過插補延長，本次分析統(tǒng)一采用1956-2016年61年資料系列，滿足降水量分析計算的要求。

4.1.2 代表性

資料系列代表性直接影響水資源評價成果的質(zhì)量，對1956-2015年同步期年降水量的豐枯情況以及多年系列的豐枯周期變化情況進行分析，來檢驗采用資料系列的代表性。選取系列較長的部分降水代表站點采用模比系數(shù)差積曲線分析系列代表性，見圖2～圖5。

圖2 洮河下巴溝站年降水模比系數(shù)差積曲線

圖3 大夏河甘加站年降水模比系數(shù)差積曲線

圖4 黃河瑪曲站年降水模比系數(shù)差積曲線

圖5 白龍江舟曲站年降水模比系數(shù)差積曲線

4.1.3 等值線繪制

根據(jù)各單站年降水量統(tǒng)計分析結(jié)果，繪制1956-2016年同步期多年平均年降水量等值線圖，以反映降水量的地區(qū)分布規(guī)律。見圖6。

4.1.4 泰森多邊形計算

甘南州降水量站點相對比較均勻，本次選用周邊及區(qū)域內(nèi)43個降水量站點，用泰森多邊形法分析計算各區(qū)間的降水量。其步驟如下：在地圖上將降水觀測點兩兩相連，構(gòu)成許多三角形(包括鄰近流域的測站)，形成三角形網(wǎng)，然后對每個三角形各邊作垂直平分線，用這些垂直平分線構(gòu)成以每個測站為核心的多邊形。假定每個降水量站的控制面積即為此多邊形面積，見圖7。

圖6 降水量等值線圖

圖7 泰森多邊形計算結(jié)果圖

4.1.5 降水量變化分析

經(jīng)對甘南州“一江三河”代表降水站1956-2015年降水量資料分析計算，對各站年降水量分別進行了多年均值、近3年均值、近10 a均值分析計算，各河流具體情況見表2。

4.1.6 降水量分析結(jié)果

本次分析甘南州降水量等值線圖計算的成果為566.3 mm，用泰森多邊形法計算的成果為566.0 mm，兩者比較接近，評價按照降水量等值線圖評價計算了流域和行政降水成果，本次在行政區(qū)區(qū)域內(nèi)將太子山與蓮花山自然保護區(qū)單獨進行計算，成果見表3、表4。

4.2 地表徑流趨勢分析[4-8]

4.2.1 資料可靠性

本次共選取水文站26個，其中嘉陵江11個、洮河9個、大夏河3個、渭河1個、黃河2個，共1 155站年實測徑流資料，其中嘉陵江445站年，洮河459站年，渭河36站年，大夏河124站年，黃河91站年。對所收集的實測徑流資料進行整理、分析和審查，重點對資料的可靠性進行審查，對一些站點資料進行了還原計算或插補延長，資料插補延長，主要采用相關(guān)法通過鄰站資料進行延長，相關(guān)系數(shù)大都在0.8以上，所用資料可靠，精度較高，成果可信，資料滿足水資源評價的基本要求。

4.2.2 資料代表性

水文站年徑流量系列代表性主要通過代表站年徑流差積曲線對其進行分析。通過分析計算，繪制模比系數(shù)差積曲線可以看出，年徑流系列總體包含了平水—最豐—偏枯—偏豐—最枯的樣本，豐、平、枯基本對應(yīng)，說明系列代表性很好，見圖8～圖11。

表2 甘南州各河流代表站年降水量分析表 mm

表3 甘南州流域分區(qū)降水量成果統(tǒng)計表

表4 甘南州行政分區(qū)降水量成果統(tǒng)計表

4.2.3 資料一致性

根據(jù)相關(guān)水文技術(shù)的要求，由于人類活動改變了流域下墊面條件，導(dǎo)致入滲、徑流、蒸發(fā)等水文要素發(fā)生一定的變化，從而造成徑流的減少(或)增加。下墊面變化對產(chǎn)流的影響非常復(fù)雜，而在干旱半濕潤地區(qū)，許多流域的徑流因下墊面變化而衰減的現(xiàn)象普遍存在。因此，對選用站的年降水～徑流關(guān)系進行分析，檢查天然年徑流系列的一致性。本次通過對甘南州境內(nèi)主要控制水文站累積年降水量與累積年徑流量的相關(guān)性分析，各站年降水～徑流關(guān)系較好，資料的一致性滿足計算要求。

圖8 洮河下巴溝站年徑流模比系數(shù)差積曲線

圖9 大夏河夏河站年徑流模比系數(shù)差積曲線

圖10 黃河瑪曲站年徑流模比系數(shù)差積曲線

圖11 白龍江舟曲站年徑流模比系數(shù)差積曲線

4.2.4 徑流深等值線圖繪制

根據(jù)各單站統(tǒng)計分析結(jié)果，繪制了1956-2016年同步期系列多年平均天然年徑流深等值線圖(見圖12)。繪制過程以年徑流深均值點據(jù)作為基本依據(jù)，結(jié)合自然地理情況勾繪等值線。當(dāng)?shù)戎稻€跨越較大山脈時，等值線有適當(dāng)?shù)挠鼗兀苊鈾M穿主山體；當(dāng)?shù)戎稻€跨越較大河流時，避免了斜交。與以往繪制的平均年徑流深等值線圖進行了對照分析，對有明顯差異的地區(qū)進行了分析論證或作了必要的修改。

4.2.5 天然徑流變化趨勢

經(jīng)對甘南州“一江三河”控制水文站實測至2016年徑流量資料分析計算，對各站年平均流量分別進行了多年均值、近3 a均值、近10 a均值、跳躍前均值、跳躍后均值分析計算。各河流具體情況表5。

4.2.6 自產(chǎn)地表水資源量

甘南州按照行政區(qū)劃有7個縣級行政區(qū)和2個自然保護區(qū)，水資源評價分區(qū)按照全國水資源分區(qū)，甘南州分為河源至瑪曲、瑪曲至龍羊峽，渭河寶雞峽以上南岸，大夏河，洮河，白龍江6個水資源三級分區(qū)。本次采用徑流累加法分析計算，即計算分區(qū)內(nèi)控制站徑流與非控制區(qū)徑流之和，非控制站區(qū)徑流借用相似流域參證站徑流模數(shù)推算，最后按流域或控制站進行平差，分別編制區(qū)域、流域分區(qū)的徑流累加法計算公式計算。同時用徑流深等值線圖進行合理性檢查，直到兩者誤差控制在5%以內(nèi)。結(jié)果顯示甘南州1956-2016年系列平均自產(chǎn)水資源量為88.72億 m3，徑流深為236.8 mm。流域分區(qū)自產(chǎn)水資源量見表6，行政分區(qū)自產(chǎn)水資源量見表7。

5 地表徑流演變趨勢原因分析

1)徑流機理及特性分析：由于區(qū)域內(nèi)有利的地形條件和較強烈的上升運動及一定的持續(xù)時間，不僅有大尺度的天氣系統(tǒng)出現(xiàn)，造成大面積降雨或暴雨，而且中小尺度的天氣系統(tǒng)也很活躍，地區(qū)性陣性降水次數(shù)甚多。徑流補給的來源為大氣降水，但由于降水的時間與空間分布的不同而形成不同的補給成分。

2)氣溫上升：全球氣候變暖使甘南州的氣溫、降水過程發(fā)生了顯著的變化。但由于區(qū)域內(nèi)各地所處位置不同，地勢、地形差異較大，致使流域內(nèi)的氣溫和降水對全球變暖的響應(yīng)程度也不盡相同。流域內(nèi)平均氣溫的逐年變化過程一般呈鋸齒狀高頻振蕩，不易看出其變化趨勢。但用年平均氣溫與時間建立直線關(guān)系，其總體變化趨勢便顯現(xiàn)出來，總體趨勢明顯上升。

3)降水量減少：與氣溫上升形成鮮明對照的是降水量減少。降水變化較溫度更為復(fù)雜，減幅最大的為位于降水高值區(qū)瑪曲一帶，1960s降水量比1990s減少212.6 mm，減幅達28.5%，平均遞減率達53.2 mm/10a；而位于流域西北和東北的唐乃亥則變化甚微。流域平均降水量1990s比1960s減少13.9 mm，減少的速率為3.5 mm/10a。由此看來, 氣候變暖對流域東南部降水的影響最大。

4)陸地蒸發(fā)增大：在降水量大，供水充分的條件下，陸地蒸發(fā)量趨近于水面蒸發(fā)能力，因此水面蒸發(fā)量是陸地蒸發(fā)量的上限；當(dāng)氣候干燥，徑流深很小時陸地蒸發(fā)量趨近于降水量，以降水量為下限。陸地蒸發(fā)主要受水熱條件和下墊面條件制約，由于氣溫升高，大面積草原退化和土壤沙化，裸露地表的蒸發(fā)量必然增大。

表5 甘南州控制水文站年平均流量變化分析表 m3/s

表6 甘南州流域分區(qū)水資源評價成果

表7 甘南州行政分區(qū)水資源評價成果

5)區(qū)域性草場退化：黃河源區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)主要為高寒草甸和高寒草原，近年來，以草場退化為主的植被生態(tài)衰退呈不斷加劇的趨勢。據(jù)中科院寒旱所上個世紀(jì)90年代末的調(diào)查結(jié)果顯示與上個世紀(jì)70、80、90年代三期的衛(wèi)星影像解譯分析結(jié)果比較，高寒草甸植被由高寒草原80年代以前的2.3%的年平均退化率上升到90年代的4.6%。沼澤植被出現(xiàn)自然疏干,逐漸向草甸化演替,中、旱生植物侵入，沼澤濕地萎縮退化并大量消失。

6)人類活動干擾：甘南州部分草原人類長期的超載放牧，使原本極為脆弱的生態(tài)環(huán)境遭到破壞而無力恢復(fù)，產(chǎn)生嚴重的退化問題。由于大部分草原之中有非常名貴的天然中草藥，在利益的驅(qū)使下，長期以來大量人群進行肆意采挖，沒有任何組織和保護措施，嚴重破壞了當(dāng)?shù)氐闹脖毁Y源。

7)鼠害：據(jù)調(diào)查黃河源區(qū)部分草場平均每畝地有15個鼠洞，每個洞穴掏出的沙土有45 m3之多，挖出的松土總和約675 m3，換算成實土約為450 m3，可填充的水量相當(dāng)于約675 mm的水深。而源區(qū)的年平均降水量多在600 mm以下，不足以填充鼠洞，更談不上形成地表徑流。

6 結(jié)語

綜上所述，分析結(jié)果顯示：甘南州由于主要產(chǎn)流區(qū)降水量顯著減少，蒸發(fā)量增大，以及下墊面條件發(fā)生變化，如區(qū)域性草場退化、人類活動以及鼠害等因素使下墊面的產(chǎn)流條件變壞，降水下落到地面后便大量下滲存貯在土壤中，而后逐步蒸發(fā)消失。在同等降水的條件下，產(chǎn)生的徑流量將顯著減少。下墊面條件變化對徑流的影響量占徑流總減少量的38.7%；降水和氣溫變化對徑流的影響量占徑流總減少量的61.3%。研究結(jié)果全面、客觀地反映了甘南州主要河流地表徑流演變趨勢的基本情況，具有很強的科學(xué)性、實用性，將為甘南州水資源管理涉及合理開發(fā)、優(yōu)化配置等工作中可起到技術(shù)支撐作用，因此其社會意義明顯。