石羊河流域綜合治理前后民勤水資源變化特征

趙明瑞，徐天軍，彭祥榮，劉 蓉，李超超

（1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州730020；2.民勤縣氣象局，甘肅 民勤733399；3.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川750021）

甘肅省民勤縣地處石羊河流域下游，是我國干旱與荒漠化最嚴重的地區(qū)之一，也是我國沙塵暴四大策源地之一[1-3]。石羊河流域位于甘肅省河西走廊東端，河流起源于南部祁連山，由東南向西北，主要由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河8條河流組成，除大靖河外，中部5條和東大河部分匯成石羊河流入民勤[4]。隨著氣候變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減少，導致下游民勤地下水補給量嚴重不足，加之民勤本地過量提取地下水，使地下水位急劇下降，從而引起植被退化、土地鹽漬化、荒漠化加重和沙塵天氣頻發(fā)等一系列環(huán)境問題，民勤生態(tài)環(huán)境面臨嚴重危機[5-7]。水資源又是生態(tài)環(huán)境的本質(zhì)，已有學者對石羊河流域水資源變化特征、轉(zhuǎn)化規(guī)律、水資源管理以及水資源與氣候變化關系等進行了大量研究[8-14]，對民勤水資源保護和利用狀況等也進行了分析[15-19]。民勤生態(tài)環(huán)境受氣候變化和石羊河流域水文和經(jīng)濟發(fā)展狀況等因素的影響，水資源是主要制約因素[20]，從根本上解決民勤缺水問題，一是增加地表水輸入量；二是增加地下水補給和涵養(yǎng)量；三是增加天上雨雪補充量[21]。2006年投資達47億元的國家級石羊河流域綜合治理（下稱綜治）項目啟動，經(jīng)過10年多的治理，下游民勤水資源現(xiàn)狀如何，水資源危機問題是否得到緩解，所見研究報道較少。本文對綜治前后的民勤自然降水、地表水、地下水變化情況進行了細致分析，其結(jié)果對民勤縣水資源的開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護、石羊河流域綜治效果評估以及制定后期發(fā)展規(guī)劃有重要的參考價值。

1 研究區(qū)概況

甘肅省民勤縣是我國干旱和荒漠化最嚴重的地區(qū)，水資源嚴重匱乏制約當?shù)厣鷳B(tài)和社會經(jīng)濟發(fā)展。民勤縣位于甘肅省河西走廊東北部（101°49′41″～104°12′10″E；38°3′45″～39°27′37″N）（圖 1），石羊河流域下游，西、北、東三面被巴丹吉林沙漠與騰格里沙漠包圍，南靠武威盆地。境內(nèi)最低海拔1298 m，最高海拔1936 m，平均海拔1400 m，地勢由西南向東北傾斜。民勤屬溫帶大陸性干旱氣候，氣候特征為：冬冷夏熱，年平均氣溫8.8℃，極端最高氣溫41.7℃，極端最低氣溫-29.5℃；干旱缺水，年降水量113.2 mm，最長連續(xù)無降水日數(shù)194 d；蒸發(fā)劇烈，年蒸發(fā)量2675.6 mm，蒸發(fā)量是降水量的23.6倍；風大沙塵多，年大風日數(shù)17.5 d，極端最大風速 30 m/s，年沙塵暴日數(shù)17.9 d，沙塵暴最小能見度不足1 m。民勤是一個以農(nóng)業(yè)為主的大縣，農(nóng)作物灌溉主要以提取地下水為主，地表水澆灌為輔。

圖1 民勤地下水位觀測井、區(qū)域自動氣象站、流域內(nèi)氣象站及民勤位置

2 數(shù)據(jù)與方法

石羊河流域綜合治理項目自2006年開始，確定1995—2005年為綜治前，2006—2016年為綜治以來。資料選?。海?）選取1995—2016年石羊河來水量和平均地下水位，2006—2016年地下水提取量和重點治理區(qū)地下水位，數(shù)據(jù)由民勤縣水務局提供；（2）選取1995—2016年民勤降水數(shù)據(jù)，取自民勤國家基準氣候站，其他降水數(shù)據(jù)均來源于石羊河流域內(nèi)所在地氣象站；（3）選取2006—2016年民勤縣綠洲區(qū)和荒漠區(qū)地下水位數(shù)據(jù)，取自民勤縣氣象局的農(nóng)業(yè)氣象觀測。

氣象觀測規(guī)范規(guī)定降水日為日降水量≥0.1 mm的日數(shù)，日降水量0.1～10.0 mm為小雨，10.0～24.9 mm為中雨，25.0～49.9 mm為大雨，≥50.0 mm為暴雨。降水量、地表來水量、地下水位的變化趨勢統(tǒng)計分析采用線性趨勢估計法，線性趨勢的統(tǒng)計顯著性采用t檢驗方法進行檢驗[22]。數(shù)據(jù)的相關性采用微軟的Excel軟件進行分析。降水相對變率用變差系數(shù)Cv=σ/x表示，其中，σ為降水的均方差，x為降水的均值[23]。

3 結(jié)果與分析

3.1 自然降水

民勤年均降水量為113.2 mm，最多年202.0 mm，最少年38.6 mm，降水自東南向西北遞減，降水主要出現(xiàn)在6—9月。1995—2016年年降水呈弱增多趨勢（圖2），氣候傾向率為4.2 mm/10 a（R=0.13，P＞0.1），趨勢不明顯。綜治前（1995—2005年）年平均降水量114.7 mm，綜治以來（1996—2016年）年平均降水量123.9 mm，綜治以來年均降水量較綜治前增大9.2 mm。降水以小雨為主，年均小雨日37.3 d，占全年降水日的94%，占總降水量的64.8%，年均中雨日2.1d，占全年降水日的5.2%，占總降水量的26.3%，年均大雨日0.3 d，占全年降水日的0.8%，占總降水量的8.9%。1995—2016年年降水日為弱增多趨勢，氣候傾向率為3.9 d/10 a（R=0.33，P＞0.1），趨勢不明顯。綜治前年降水日為弱增多趨勢，氣候傾向率為 5.5 d/10a（R=0.26，P＞0.1），趨勢不明顯，綜治以來年降水日為弱減少趨勢，氣候傾向率為-3.9 mm/10 a（R=0.18，P＞0.1），趨勢不明顯。1995—2016年降水變率為17.6%。綜治前降水變率為19.3%，綜治以來降水變率為18.5%，降水變率較綜治前略有減小，降水趨于穩(wěn)定。

2007年之前由于民勤觀測站點所限，無法分析縣域內(nèi)較為詳盡的降水分布情況，2005—2007年民勤逐漸建成了分布于縣域內(nèi)各片區(qū)的區(qū)域自動氣象站12個。根據(jù)區(qū)域自動氣象站降水觀測資料分析，2007—2016年民勤各片區(qū)出現(xiàn)大雨以上量級降水共19場，年均1.9 d；出現(xiàn)暴雨4場，最大一場暴雨降水量達75.2 mm。暴雨及大雨主要出現(xiàn)在偏北部沙漠邊緣和南部荒漠區(qū)，而城區(qū)測站（綠洲區(qū)）自1953年以來沒有出現(xiàn)一場暴雨天氣，說明民勤也出現(xiàn)局地強降水天氣，強降水對地下水有一定的補給。這一結(jié)果與何清等[24]在塔克拉瑪干沙漠腹地觀測到強降水現(xiàn)象類似。

圖2 民勤1995—2016年年降水量變化

3.2 地表水

石羊河是民勤唯一的地表徑流，1995—2000年經(jīng)石羊河流入民勤的地表來水量為祁連山雪水、山區(qū)洪水及上游下泄的冬春余水。2001—2016年通過“景電二期”提灌黃河水經(jīng)石羊河向民勤輸水，地表來水含外流域調(diào)水。1995—2016年地表來水量呈緩降—急升趨勢，2005年為轉(zhuǎn)折年（圖2）。1995—2005年為緩慢減少趨勢，趨勢率為-0.846×108m3/10 a（R=0.90，P＜0.01），趨勢顯著；2006—2016 年為快速增多趨勢，趨勢率為1.81×108m3/10 a（R=0.91，P＜0.01），趨勢顯著。利用石羊河流域5個氣象站1995—2005年觀測的降水量，分析其變化趨勢（表1），發(fā)現(xiàn)3個站呈增多趨勢，其中，兩個站增多趨勢明顯，另外2個站呈微弱減少趨勢，說明這一階段民勤地表來水量減少不是上游自然降水減少所致，是因為石羊河在上、中游流域面積達1.34×104km2，上、中游人口增長，土地相繼開發(fā)，對水的利用和開發(fā)力度增大等因素所致[25]；2006—2016年流域內(nèi)5個氣象站年降水量有4站為微弱減少趨勢，一個站為微弱增多趨勢，趨勢均不明顯，說明同期石羊河來水量增多也不是自然降水所致，是因為自2001年開始通過景電二期工程每年從外流域向民勤調(diào)水，2006年石羊河流域綜治項目開始實施，增大了外流域調(diào)水量，同時加大了石羊河流域內(nèi)水資源的調(diào)節(jié)，來水量逐年增多，2014年起每年來水量穩(wěn)定在3.0×108m3以上。自綜治以來，地表來水量顯著增多（圖3）。其中，上游調(diào)節(jié)放水量增多明顯，占總來水量的39.2%，與總來水量相關性為85.7%；景電二期工程從外流域調(diào)水量穩(wěn)定增長，占總來水量的26.3%，與總來水量相關性為82.6%；天然河道來水量不穩(wěn)定，占總來水量的34.5%，由于天然河道來水量為減少趨勢，而總來水量因為外流域調(diào)水和本流域內(nèi)調(diào)節(jié)放水量增大為增多趨勢，所以天然河道來水量與總來水量相關性小，為18.3%。說明綜治以來，民勤的地表來水量明顯增多，主要是因為上游調(diào)節(jié)放水量增大，同時外流域調(diào)水量穩(wěn)定增長。

表1 石羊河流域不同觀測站點降水量變化趨勢

圖3 民勤1995—2016年地表來水量變化

3.3 地下水

民勤地下水的形成、分布與區(qū)內(nèi)氣候、水文、地貌、地質(zhì)構(gòu)造等自然特點和條件密切相關，民勤地下水的補給主要是地面水的輸水滲漏和灌溉入滲[4]。1995—2016年民勤平均地下水位呈急降—緩升趨勢（圖4）。1995—2005年快速下降，趨勢率為-6.43 m/10 a（R=0.97，P＜0.01），趨勢顯著；2006—2016年緩慢回升，趨勢率為3.04 m/10 a（R=0.96，P＜0.01），趨勢顯著?？h境內(nèi)各片區(qū)由于所處地理位置與地質(zhì)構(gòu)造不同，地下水位的表現(xiàn)各不相同。分析表明，蔡旗片位于紅崖山水庫上游，以提取地下水澆灌為主，因石羊河河道為自然泥沙河道，輸水滲漏對地下水帶來有效補給，故地下水位變化幅度小，1995年在5 m左右，2016年下降到7 m左右；泉山片位于紅崖山水庫下游，輸水河道為人工襯砌水泥河道，河道放水為階段性放水，對地下水無有效補給，地下水的補給主要靠灌溉滲漏，受灌溉輪次和提取地下水量的影響明顯，1995—2005年農(nóng)作物每年只有一次河水灌溉，提取地下水量大，地下水位下降明顯，從1995年的17 m左右下降到2006年的25 m左右，2006—2016年略有回升；昌寧片位于紅崖山水庫西側(cè)，無地表水灌溉，農(nóng)業(yè)灌溉完全靠提取地下水，地下水位下降最明顯，1995年在14 m左右，2016年下降至35 m左右；位于紅崖山水庫最下游的西渠片，由于地下水礦化度高不易利用，農(nóng)作物灌溉主要靠河水，提取地下水量小，所以地下水位較泉山片淺，1995年在10 m左右，2006年最深19 m左右，2006—2016年有所回升。

圖4 民勤2006—2016年地表來水量來源分析

為進一步分析綜治以來民勤地下水位變化，對2006—2016年民勤綠洲區(qū)和荒漠區(qū)測井資料分析（圖5）。綠洲區(qū)（泉山片）地下水位2006—2008年呈明顯下降趨勢，2008—2010年變化不明顯，2010—2011年為明顯上升趨勢，2011—2016年變化趨勢不明顯；荒漠區(qū)（西渠片）地下水位2006—2010年有小的上升趨勢，2010—2011年呈明顯回升趨勢，2011—1016年變化趨勢平緩，總體為弱的回升趨勢。綜治以來，地表來水量逐年增多，灌區(qū)農(nóng)作物實現(xiàn)了每年2～3個輪次的地表水澆灌。2010年以來，每年來水量基本在2.6×108m3以上，農(nóng)作物灌溉每年增加到3～5個輪次；2006—2010年民勤縣相繼關閉機井3018眼，壓縮耕地2.95×104hm2，同時對地下水實施嚴格管理，地下水開采量由2006年之前的5.0×108m3以上減少到2010年之后的 1.0×108m3左右。地表水灌溉入滲增加和地下水開采減少使地下水位下降趨勢得到有效遏制，在綜治期的2011年水位有了一定回升。

圖5 民勤1995—2016年地下水位變化

歷史上的青土湖是一個面積較大的淡水湖，到1960年干涸，該區(qū)域植被脆弱風沙肆虐，2006年開始作為一個重點區(qū)域進行治理，紅崖山水庫每年向青土湖下泄一定量的生態(tài)用水，2016年下泄水量0.34×108m3，從治理區(qū)附近地下水位觀測井觀測資料分析（圖6），治理區(qū)周邊地下水位呈逐年回升態(tài)勢，回升趨勢率為 1.1 m/10 a（R=0.99，P＜0.01），回升趨勢顯著。

圖6 民勤2006—2016年地下水位分析

4 結(jié)論

（1）1995—2016年民勤自然降水量為增多趨勢，降水以小雨為主，雨日為增多趨勢，降水量和雨日綜治前為增大（多）趨勢，綜治以來為減?。ㄉ伲┶厔?，趨勢均不明顯。1995—2016年降水變率為17.6%，綜治以來降水變率較綜治前減小，降水趨于穩(wěn)定。民勤沙漠邊緣及荒漠區(qū)出現(xiàn)過強降水天氣，其對沙漠邊緣和荒漠區(qū)地下水有一定的補給。

（2）1995—2016年民勤地表來水量呈緩降—急升趨勢。1995—2005年為緩慢減少趨勢，趨勢顯著；2006—2016年為快速增多趨勢，趨勢顯著。原因是：綜治前由于上、中游人口增長，土地相繼開發(fā)，對水的利用和開發(fā)力度增大而使民勤地表來水量逐年減少，綜治以來由于加大外流域調(diào)水量，本流域調(diào)節(jié)強制性給下游放水，本地減少地下水開采而使地表來水量增多。

（3）1995—2016年民勤平均地下水位呈急降—緩升趨勢，1995—2005年快速下降，2006—2016年緩慢回升，趨勢顯著。所處地理位置不同地下水位表現(xiàn)不一。綜治以來，由于關井壓田、外流域調(diào)水，本流域調(diào)節(jié)放水、嚴格的水權(quán)管理等措施到位，地下水位下降趨勢得到有效遏制，綜治關鍵5 a之后，綠洲區(qū)和荒漠區(qū)地下水位有了一定回升，重點治理區(qū)（青土湖）地下水位穩(wěn)步回升。