景泰川灌區(qū)水循環(huán)要素變化特征研究

宋增芳，曾建軍，程玉菲，胡想全，李 莉，王亞竹，周懷兵

(1.甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 景泰 730400)

1 研究背景

中國(guó)西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域，具有降水量少、降水變率大、年內(nèi)分配不均、蒸發(fā)量大和干旱時(shí)段明顯的特征[1-3]。近幾十年以來(lái)強(qiáng)烈的人類活動(dòng)疊加在長(zhǎng)期自然演變的基礎(chǔ)上，使區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)遭到嚴(yán)重破壞[4]。隨著人口數(shù)量的持續(xù)增加和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以水資源開發(fā)為中心的人類活動(dòng)所導(dǎo)致的水資源重新分配更為強(qiáng)烈，如何正確認(rèn)識(shí)西北干旱區(qū)內(nèi)陸河水循環(huán)的演化規(guī)律，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到發(fā)展的同時(shí)保護(hù)和改善環(huán)境，已成當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)[5]。景泰川灌區(qū)位于我國(guó)西北干旱區(qū)，由于人類活動(dòng)頻繁和水資源時(shí)空分布極不均勻，特別是各種水利工程的修建與開發(fā)以及不合理提水，使得灌區(qū)土壤次生鹽漬化、下墊面和水資源補(bǔ)給排條件都發(fā)生了很大變化，導(dǎo)致水資源量及其轉(zhuǎn)化規(guī)律隨之發(fā)生變化，農(nóng)田水資源的合理調(diào)控和節(jié)約利用問(wèn)題也日益突出[6-8]。為防止土壤次生鹽漬化，合理提水，調(diào)節(jié)灌區(qū)水資源，科學(xué)分析當(dāng)前灌區(qū)水文循環(huán)要素的時(shí)空規(guī)律，對(duì)灌區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、水資源管理與規(guī)劃具有重要的意義[9-10]。目前對(duì)干旱區(qū)水文循環(huán)要素的影響和響應(yīng)研究較多，但針對(duì)干旱區(qū)灌區(qū)的研究較少，其降水、蒸發(fā)、徑流等對(duì)水資源的敏感性如何更鮮有研究，而利用長(zhǎng)序列歷史資料分析各水循環(huán)要素演變的趨勢(shì)、周期等特征是對(duì)區(qū)域水資源研究的基礎(chǔ)[11-13]。

本文以灌區(qū)水文循環(huán)要素變化特征為主線，實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算降水量、蒸發(fā)量等水循環(huán)要素，分析灌區(qū)的氣象要素變化特征，為灌區(qū)水資源開發(fā)利用和農(nóng)業(yè)水資源調(diào)控及高效利用提供了技術(shù)支撐，也進(jìn)一步完善了灌區(qū)水循環(huán)要素研究的理論體系。

2 數(shù)據(jù)與方法

景泰川灌區(qū)位于河西走廊東端，北緯36°27′～37°38′，東經(jīng)103°33′～105°34′，海拔高度1 275～3 321 m，氣候特征為大陸性氣候，干旱多風(fēng)，降雨稀少，年均降雨量為184.7 mm，年蒸發(fā)量高達(dá)2 433.7 mm[14]。研究選取景泰川灌區(qū)景泰氣象站近50年(1960-2008年)的降水和蒸發(fā)量資料，應(yīng)用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法和Mann-Kendall突變檢測(cè)法[15-19]，分析灌區(qū)降水量和蒸發(fā)量的時(shí)間變化特征。

3 景泰川灌區(qū)水循環(huán)要素變化特征分析

灌區(qū)作為變化環(huán)境的敏感區(qū)與密集區(qū)，在我國(guó)西北干旱區(qū)農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)方面有著相當(dāng)重要的作用。灌區(qū)的水循環(huán)與降水、蒸發(fā)、氣溫，地表徑流等因素密切相關(guān)，任何一個(gè)要素的變化都將導(dǎo)致水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生改變[20-25]。景泰川灌區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)有較長(zhǎng)時(shí)間序列的降水、蒸發(fā)等觀測(cè)資料，但對(duì)徑流鮮有研究。為此對(duì)降水、蒸發(fā)等水循環(huán)要素進(jìn)行研究。

3.1 降水量變化特征

3.1.1 降水量年變化特征 由灌區(qū)景泰氣象站1960-2008年降水量資料，得到整個(gè)灌區(qū)近50年降水量的統(tǒng)計(jì)特征值(見表1)，圖1 給出了1960-2008年灌區(qū)年降水量的年變化及線性趨勢(shì)線。由圖1的趨勢(shì)線方程y=-0.1076x+360.8可看出，49年間灌區(qū)的年降水量略有下降，但變化幅度不大。多年平均降水量為185.49 mm，降水量波動(dòng)范圍為94.8～298.4 mm，最小值出現(xiàn)在1982年，最大值出現(xiàn)在2007年，最大值與最小值之比為3.15。圖2為灌區(qū)1960-2008年平均降水量距平曲線，由灌區(qū)年降水量距平曲線圖可知，灌區(qū)多年降水量正負(fù)距平基本持平，偏多時(shí)期與偏少時(shí)期呈周期交替出現(xiàn)。

表1 多年平均降水量統(tǒng)計(jì)特征值 mm

圖1 1960-2008年灌區(qū)年降水量變化趨勢(shì)圖

圖2 1960-2008年灌區(qū)年降水量距平曲線圖

采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法計(jì)算，得出1960-2008年49 a年降水量趨勢(shì)檢驗(yàn)值為0.209，該值是大于0的，表明景泰川灌區(qū)年降水量變化趨勢(shì)為增加趨勢(shì)，又是小于臨界檢驗(yàn)值±1.96[26-28]，說(shuō)明趨勢(shì)變化不顯著。同時(shí)，也得出灌區(qū)多年各月降水量趨勢(shì)檢驗(yàn)值，如表2所示。由表2可看出，4、8、11、12月4個(gè)月趨勢(shì)檢驗(yàn)值為負(fù)值，表明在這4個(gè)月灌區(qū)降水量變化趨勢(shì)為下降趨勢(shì)，其他月份趨勢(shì)檢驗(yàn)值均大于0，為增加趨勢(shì)。其中，4月份的降水量趨勢(shì)檢驗(yàn)系值為-1.832，最接近臨界檢驗(yàn)值，但仍小于-1.96，故仍未通過(guò)檢驗(yàn)，變化不顯著。

表2 1-12月降水量Mann-Kendall檢驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

注：全年降水量Mann-Kendall檢驗(yàn)系數(shù)為0.209。

采用Mann-Kendall突變檢測(cè)法進(jìn)行灌區(qū)年降水量序列突變檢測(cè)，根據(jù)突變檢測(cè)法原理，由圖3所示，灌區(qū)降水量沒有發(fā)生突變現(xiàn)象，UFk和UBk兩條變化曲線在上下臨界線之間，說(shuō)明變化趨勢(shì)不顯著。

3.1.2 降水量季變化特征 灌區(qū)各季按3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季，9、10、11月為秋季，12月至次年2月為冬季劃分，灌區(qū)多年平均各季降水量年內(nèi)變化過(guò)程見表3。由表3可知，降水在各灌季分配不同，降水量夏季最大，占多年平均降水量的57.4%，其次是秋季、春季，冬季最小。在四季中，春秋降水呈下降趨勢(shì)，夏秋降水量呈上升趨勢(shì)，但均變化不明顯。這些趨勢(shì)由圖4的各季節(jié)降水量變化趨勢(shì)線明顯可看出夏、冬季的降雨量呈增加趨勢(shì)，春、秋季呈減少趨勢(shì)。

3.1.3 降水量月變化特征 由表4灌區(qū)降水量不同月份統(tǒng)計(jì)表可以看出，降水在年內(nèi)分配極不均勻。5、6、7、8、9月5個(gè)月份降水量較大，占多年各月平均降水量總量的84%。其他月份較少僅占16%。年內(nèi)降水量變化趨勢(shì)整體呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)，變化趨勢(shì)較明顯。從1月份的0.93 mm逐漸上升，到8月份時(shí)達(dá)到最大為43.71 mm，之后又逐漸慢慢下降到0.3 mm。

圖3 景泰川灌區(qū)年降水量 M-K法檢測(cè)圖

表3 1960-2008年灌區(qū)降水量季統(tǒng)計(jì)表 mm

圖4 1960-2008年灌區(qū)季降水量變化圖

表4 1960-2008年降水量月統(tǒng)計(jì)表 mm

3.2 蒸發(fā)量變化特征

3.2.1 蒸發(fā)量年變化特征 由灌區(qū)氣象站1960-2008年蒸發(fā)量資料，得到整個(gè)灌區(qū)49 a蒸發(fā)量的統(tǒng)計(jì)特征值(見表5)，圖5為1960-2008年景泰川灌區(qū)年蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)圖，由圖5中趨勢(shì)線方程y=-27.189x+3234可看出，49 a間灌區(qū)的年蒸發(fā)量為下降趨勢(shì)。20世紀(jì)60-70年代初期、70年代后期-21世紀(jì)，灌區(qū)蒸發(fā)均比較穩(wěn)定，最大值出現(xiàn)在1960年為3 556.1 mm，最小值出現(xiàn)在1992年為1 881.4 mm，灌區(qū)多年平均蒸發(fā)量為2 554.25 mm，其中49 a間有31 a低于均值。

表5 灌區(qū)蒸發(fā)量Mann-Kendall檢驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表 mm

采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法計(jì)算分析，景泰川灌區(qū)多年年蒸發(fā)量趨勢(shì)檢驗(yàn)系數(shù)值為-4.676，小于0，表明年蒸發(fā)量趨勢(shì)呈下降趨勢(shì)，而大于臨界檢驗(yàn)值±1.96，則變化顯著。同時(shí)表6中也列出灌區(qū)多年各月蒸發(fā)量趨勢(shì)檢驗(yàn)系數(shù)值，可看出各月趨勢(shì)檢驗(yàn)系數(shù)值均小于0，表明灌區(qū)多年月蒸發(fā)量變化趨勢(shì)呈下降趨勢(shì)。除2月和11月份外，其他各月均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。其中，5-8月4個(gè)月的檢驗(yàn)系數(shù)分別為-5.387，-4.735，-4.751，-4.785，下降趨勢(shì)最為明顯，而這幾個(gè)月中，6月、7月、8月3 個(gè)月為夏季，為此在灌區(qū)整個(gè)季節(jié)中，下降趨勢(shì)最為明顯的是夏季。

圖5 灌區(qū)年蒸發(fā)量變化趨勢(shì)圖

表6 灌區(qū)1-12月蒸發(fā)量 Mann-Kendall檢驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

注：全年蒸發(fā)量Mann-Kendall檢驗(yàn)系數(shù)為-4.676。

采用Mann-Kendall突變檢測(cè)法對(duì)年蒸發(fā)量序列進(jìn)行突變檢測(cè)，見圖6。由圖6可知，UFk和UBk兩條變化曲線在1972年左右相交，1972年出現(xiàn)降低的突變，1974年開始劇降，下降幅度大約為481.4 mm，表明在70年代灌區(qū)年蒸發(fā)量產(chǎn)生了突變性的下降變化。

圖6 景泰川灌區(qū)年蒸發(fā)量 M-K法檢測(cè)

3.2.2 蒸發(fā)量季變化特征 表7為1960-2008年灌區(qū)蒸發(fā)量季統(tǒng)計(jì)表。由表7可以看出，蒸發(fā)量在不同季節(jié)分配上表現(xiàn)出不同，蒸發(fā)量較大的為夏季和春季，各自占全年蒸發(fā)量的40%和33%，其次是秋季，冬季最小，僅占全年蒸發(fā)量的 8%。在四季中，蒸發(fā)量在春、秋兩季呈小幅度下降趨勢(shì)。與20世紀(jì)60年代相比，2000年至2008年春季的蒸發(fā)量減少了97.92 mm，而秋季的蒸發(fā)量 2000年至2008年減少了54.89 mm。

夏季蒸發(fā)量在 80年代-21世紀(jì)較穩(wěn)定，60年代處于峰頂，80年代初處于峰谷，蒸發(fā)量從60年代的469.77 mm 下降到80年代的281.67 mm，趨勢(shì)最為明顯，冬季蒸發(fā)量變化不大，圖7為1960-2008年灌區(qū)季蒸發(fā)量變化圖。由圖7可明顯看出，春夏秋3季減少，冬季比較穩(wěn)定。根據(jù)灌區(qū)各季蒸發(fā)量趨勢(shì)變化線圖，蒸發(fā)量在夏季下降趨勢(shì)出現(xiàn)最大，趨勢(shì)線斜率達(dá)到-4.699，在冬季的蒸發(fā)量表現(xiàn)出基本不變，趨勢(shì)線斜率為-0.3483。

3.2.3 蒸發(fā)量月變化特征 由表8灌區(qū)蒸發(fā)量不同月份統(tǒng)計(jì)表可以看出，蒸發(fā)量在年內(nèi)分配極不均勻。5、6、7、8月4個(gè)月份蒸發(fā)量較大，均在300 mm以上，占多年各月平均蒸發(fā)量總量的55%。尤其5、6、7月3個(gè)月蒸發(fā)量甚至達(dá)到350 mm以上，年內(nèi)蒸發(fā)量變化趨勢(shì)整體呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)，變化趨勢(shì)較明顯。由1月份的57.39 mm逐漸上升，到6月份時(shí)達(dá)到最大為366.50 mm，之后又逐漸慢慢下降到58.79 mm，最大值與最小值之比為6.4。

表7 1960-2008年灌區(qū)蒸發(fā)量季統(tǒng)計(jì)表 mm

圖7 1960-2008年灌區(qū)季蒸發(fā)量變化圖

表8 1960-2008年灌區(qū)1-12月蒸發(fā)量月統(tǒng)計(jì)表 mm

4 結(jié) 論

研究選擇景泰川灌區(qū)景泰氣象站點(diǎn)1960-2008年的降水量和蒸發(fā)量資料，運(yùn)用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法和非參數(shù)Mann-Kendall突變檢測(cè)法分析水循環(huán)要素降水量、蒸發(fā)量的年、季、月時(shí)間變化特征，主要研究結(jié)論如下：

(1)1960-2008年，灌區(qū)多年降水量的正負(fù)距平幅度大致相同，降水偏多、偏少的時(shí)期呈周期交替現(xiàn)象出現(xiàn)；灌區(qū)年蒸發(fā)量有所下降，60-70年代初期、70年代后期-21世紀(jì)，灌區(qū)蒸發(fā)均比較穩(wěn)定，灌區(qū)多年平均蒸發(fā)量為2 554.25 mm，在研究期的49 a中，有31 a的蒸發(fā)量低于此值，其中3 a數(shù)值明顯低于均值。

(2)在夏季季風(fēng)氣候影響下，灌區(qū)夏季降水量占全年降水量的57.4%，為四季最大，其次是秋季、春季，冬季為最??；夏、春季蒸發(fā)量分別占全年蒸發(fā)量的40%和33%，為主要的蒸發(fā)集中時(shí)間，秋季蒸發(fā)量次之，而冬季蒸發(fā)量?jī)H占全年蒸發(fā)量的8%，為全年最少。

(3)由降水、蒸發(fā)月變化特征分析可知，降水、蒸發(fā)在年內(nèi)各月分配極不均勻。降水在5、6、7、8、9月5個(gè)月份降水量較大，占多年各月平均降水量總量的84%。其他月份較少僅占16%；蒸發(fā)量在5、6、7、8月4個(gè)月份蒸發(fā)量較大，均在300 mm以上，占多年各月平均蒸發(fā)量總量的55%。

(4)根據(jù)灌區(qū)年降水量與年蒸發(fā)量M-K檢測(cè)圖顯示，灌區(qū)年降水量沒有發(fā)生突變現(xiàn)象；年蒸發(fā)量1972年發(fā)生降低的突變，1974年開始劇降，下降幅度大約為481.4 mm。

(5)研究成果可揭示變化環(huán)境條件對(duì)水循環(huán)要素的影響，對(duì)定量分析研究灌區(qū)水資源形成和變化規(guī)律，正確評(píng)估變化環(huán)境條件對(duì)未來(lái)沿黃灌區(qū)水資源的影響具有重要的科學(xué)意義，也對(duì)協(xié)調(diào)灌區(qū)人地關(guān)系，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、水資源合理高效利用，維持生態(tài)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)提供理論基礎(chǔ)[29]。