水資源約束下張掖市徑流演變規(guī)律研究

張恒銘

(甘肅省慶陽市水文水資源勘測局，甘肅 慶陽 745000)

在干旱日益嚴重的西北干旱地區(qū)，水資源問題非常突出。加之全球氣候變化的影響，區(qū)域水資源總量發(fā)生了很大變化，導致其時空分布重組[1]。區(qū)域小氣候的變化直接影響溫度和降水的變化，導致地表徑流的時空分布特征與演變規(guī)律也受到影響[2- 3]。研究發(fā)現(xiàn)，我國主要流域年徑流量為減少趨勢，尤其是西北干旱區(qū)的河流該現(xiàn)象較為嚴重[4]，若長期如此，將嚴重影響區(qū)域水資源合理分配和人類可持續(xù)發(fā)展[5- 6]。張掖市是西北干旱區(qū)典型的內(nèi)陸河流域綠洲城市，其水資源要素稟賦決定了城市發(fā)展?jié)摿7]，黑河流域貫穿張掖市境內(nèi)，已成為當?shù)刈罹哂绊懥Φ纳鐣?jīng)濟發(fā)展和水資源利用的區(qū)域[8]。2000年國家實施黑河調(diào)水后，人均水資源減少到1190m3，每公頃水資源量減少到7665m3，僅占全國平均水平57%和29%，水資源嚴重緊缺，致使生產(chǎn)生活總需求量與水資源總供給量出現(xiàn)缺口矛盾[9]。

近年來，張掖市采取總量控制與水價改革等措施節(jié)約水資源[10- 11]，盡管節(jié)水工作取得了很大的成就，但水資源不足和分配不合理的問題仍然存在[12]。關于研究張掖市徑流變化的文獻較多，也已取得一些成果，柴小軍[13]等研究了張掖市的降水特征發(fā)現(xiàn)，1960—2016年張掖市年及降水均呈現(xiàn)增加趨勢；基于1956—2004年張掖市的降水觀測數(shù)據(jù)，康淑媛[14]使用非參數(shù)檢驗方法(Mann-Kendall)研究了降水的時空分布，發(fā)現(xiàn)降水量總體上呈現(xiàn)增加的趨勢；王鈞[15]等研究認為，黑河流域上游和中游的年降水量正在增加，西南地區(qū)的年降水量增長率可以達到(6.1～8.3)mm/10a；張凱[16]研究發(fā)現(xiàn)自20世紀中至末期，黑河中上游的年平均降水量呈增加趨勢，增幅高達17%；但是截至目前，多是基于單一流域空間分布特征的研究，對單點尺度上多流域特征的全面研究還略顯不足[17- 18]。通過常規(guī)方法研究水文氣象長序列變化趨勢的研究較多，例如M-K法、累計距平分析法等[19- 23]，對河流徑流量的變化趨勢分析[24- 25]等。

本文綜合線性傾向估計法、Mann-Kendall秩次分析及累積距平法，利用1957—2019年張掖市河流的徑流量資料對其變化過程進行詳細的統(tǒng)計分析，探明水資源約束下的徑流演變規(guī)律，為水資源的合理調(diào)度和政府決策提供支持。采用Microsoft Excel 2010對所測數(shù)據(jù)進行計算，利用SPSS 19.0軟件比較各處理相關數(shù)據(jù)差異的顯著性，Origin Pro8.0作圖。

1 研究區(qū)概況

張掖市在河西走廊中部，屬于黑河上游中上部分，地理位置為E97°20′～102°12′，N37°28′～39°57′，海拔1770m。該市轄5個縣和1個區(qū)，人均水量極低，約為1300m3[26]。氣候環(huán)境惡劣，冬季氣溫低且干燥，春季風沙大，降水少。年內(nèi)平均氣溫約為7℃，蒸發(fā)量大(2100mm)而降水少(270mm)，自然成為制約張掖市經(jīng)濟社會發(fā)展的最嚴格條件之一[27]。

充沛的黑河流域過境水量，為張掖市綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)奠定了堅實基礎。

2 結(jié)果分析

2.1 徑流量特征及顯著性診斷分析

圖1為1957—2019年張掖市主要河流實測年徑流量過程曲線，通過M-K法及線性回歸分析法診斷了8個水文站的年徑流量變化趨勢，梨園河站和鶯落峽站的實測徑流量呈上升趨勢，但并不十分明顯，兩者年徑流量的線性趨勢率分別為0.0125×108m3/a和0.073×108m3/a。剩余站的年徑流量均呈減少的趨勢，其中童子壩河減少的趨勢最明顯，年下降幅度為0.0069×108m3/a；洪水河減少的趨勢最弱，年下降幅度為0.0015×108m3/a。

圖1 張掖市1957—2010年實測年徑流量過程

張掖位于中國西北干旱區(qū)，使得四季的降水極為不均勻。降水主要集中在6—8月(如圖2所示)，均呈正態(tài)分布變化，占全年的63.5%，其中7月的降水占全年的24.9%。12—次年2月降水量很小，僅占總降水量的3.89%。春季和秋季的降水量相差無幾，分別占年降水量的11.50%。在枯水季節(jié)，降水稀少，對徑流幾乎沒有直接影響，最小月徑流量主要發(fā)生在12月以及次年的1—2月。主要是1—2月份為我國農(nóng)歷春節(jié)，生活用水量需求明顯增加，保證率要求最高；另一方面，為應對春季農(nóng)業(yè)灌溉，提前儲水，使得最小流量的出現(xiàn)加大了地區(qū)水資源的供需矛盾，它對沿線地區(qū)的水安全，河網(wǎng)地區(qū)的水環(huán)境和水生態(tài)構(gòu)成威脅。但就鶯落峽站而言，7月的最大流量為130.8m3/s，占全年總流量的21.9%；梨園河次之，為23.81 m3/s，占全年總流量的27.9%；馬營河最小，僅為1.92 m3/s，占全年總流量的10%。

圖2 1957—2010年實測月流量過程

從表1可以看出，鶯落峽和梨園河年徑流量的M-K值分別為1.38和1.52，呈上升趨勢;其它水文站的年徑流量M-K值均為負值，呈下降趨勢；其中，童子壩河、酥油口河、大堵麻河及馬營河測得的年徑流量的M-K值超過0.05的置信度閾值為1.96，表明有明顯的下降趨勢，而海潮壩和洪水河在0.05置信水平閾值±1.96之間，變化趨勢不顯著。酥油口河、鶯落峽、梨園河季節(jié)性徑流M-K值均超過0.05的置信度閾值-1.96，為顯著性減少趨勢。海潮壩河的徑流在夏季和秋季沒有減少的趨勢，而春季則為非顯著性減少；馬營河、洪水河的春夏秋三季均為非顯著性減少趨勢，大堵麻河和童子壩河春秋季為減少趨勢不顯著。夏季，只有大堵麻河與童子壩河的徑流量增加較弱。

表1 張掖市1957年至2010 年實測年徑流量演變趨勢診斷

2.2 年、季徑流量累計距平分析

圖3為1957—2019年張掖市年徑流量累積距平曲線圖?？傮w上8個站的降水偏多和偏少時期均呈現(xiàn)奇偶年周期性交替，圖3中綠色虛線將其劃分為A、B、C、D四個階段，也就是說，從20世紀50年代末到60年代末干旱時期很短；從20世紀80年代初到90年代末，這是一個相對較長和雨水充沛的時期；從20世紀90年代末到2010年，雖然天然徑流呈現(xiàn)下降-上升-下降-上升的波動過程，然而其降水的增幅程度較60年代提高了9.1%左右。大致上符合西北地區(qū)降水變化趨勢的規(guī)律[28]，這是由于20世紀80年代中期至90年代中期的強南風，利于將源于印度洋和西太平洋的南方水汽輸送到北部，從而導致整個祁連山的降水偏高，也包括黑河流域[29]。2000—2002年是2年的枯水期，2003—2009年為6年的枯水期，然而降水量比上個枯水期多；1993年之后開始了新的豐水期。不難發(fā)現(xiàn)，降水量的多寡和氣溫變化呈現(xiàn)正比關系，換言之，氣溫的升高與降低決定著降水量的多與少，該結(jié)論與前人在研究基本一致[30]。

圖3 1957—2010年實測年徑流量累計距平圖

鶯落峽1957—2019年的天然徑流序列可分為以下三個時期，即1959—1965年，1989—1996年和1998—2002年是3個重要的枯水段；4個顯著的豐水段，即1965—1968年，1970—1972年、1987—1990年、2002—2015年，年徑流在1989年達到峰值，約為7.07億m3。洪水河、梨園河的年徑流變化過程曲線基本相似，奇、偶年分別呈現(xiàn)出不同幅度波動上升和下降的趨勢，即豐-枯-豐-枯的變化過程。其他站點的變化過程很小，基本上相同，因此在此不再贅述。各季的降水量均呈波動變化的趨勢(如圖4所示)，由于洪水河、馬營河、海潮壩、大堵麻河都靠近南部祁連山區(qū)；其次，越向西北，距離東南水汽源地越遠，氣候越干旱。張掖在祁連山北坡，東西走向的山脈對降水量的再分配作用比較顯著。春季，西北干旱地區(qū)降水較少，西北部的梨園河降水量明顯少于其它季節(jié)。秋季，降水量下降的趨勢大于上升，這可能是因為東南季風的影響，導致該季節(jié)降水量相對復雜。夏季，因東南季風作用，西太平洋的水汽幾乎無法到達，致使降水驟減。冬季，在西風帶作用下加之盛行偏北風，氣流被抬升很快因水汽凝結(jié)形成較多降水，使得較夏季明顯。除馬營河外，其余的站點1970—2005年，夏、秋季上升趨勢明顯大于下降趨勢，基本上呈現(xiàn)大幅度的上升過程；馬營河1970—2005年春、秋季基本呈現(xiàn)下降的過程，距平值較小。

圖4 1957—2010年四季徑流量累計距平圖

2.3 徑流預測分析—以鶯落峽為例

通過2.1、2.2節(jié)的分析，以鶯落峽為例，利用SDSM(statistical down scaling model)模型[31]進行徑流模擬預測。對于SDSM模型，將1978—1989年基準期日降水量的觀測值和模擬值進行比較分析(如圖5所示)，整體擬合度較高，其中6月降雨量模擬值偏高，比觀測值多出近22mm，1—12月相對偏差均低于30%，雖然有些月份高于該值，總體上模擬效果較佳。

圖5 降水量觀測值與模擬值對比

本文將預測期分為2021—2030年、2031—2040年、2041—2050年3個時期，如圖6所示，將RCP8.5、RCP4.5、RCP2.6三種情景下3個不同時期的預測統(tǒng)計結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，未來鶯落峽流域降水總體所增加。相較基準期，RCP2.6情景下，2021—2030 年降水增加量為17.33mm，2031—2040年減少了1.26mm，到2041—2050年降水量較之基準期增加了29.75mm；同理，RCP4.5情景下，3個時段內(nèi)，分別增加了24.86、5.52、24.99；RCP2.6情景下，依次增加了13.21、15.88、37.8mm。

圖6 不同情景模式下鶯落峽降水量預測

利用 SDSM模型生成RCP8.5、RCP4.5、RCP2.6三種未來氣候情景，將3個未來氣候情景輸入到經(jīng)校準的SWAT模型中，以預測2021—2050年鶯落峽的徑流變化過程，結(jié)果如圖7所示。分析發(fā)現(xiàn)，2021—2050年間，鶯落峽徑流量在RCP8.5、RCP4.5、RCP2.6三種情景下都呈現(xiàn)出增加趨勢。在RCP8.5情景下，徑流量從2021—2050年呈增長趨勢，其中徑流量從2041—2050年增幅最大；同理，在RCP4.5情景下，徑流從2021—2040年呈現(xiàn)略微增加的趨勢，到2041—2050年時增加幅度較大，約為前者的5倍；在RCP2.6情景下，徑流從2021—2050年也是先增加后減少，又增加。3種情景在2041—2050年時徑流均顯著增加。

圖7 不同情景模式下鶯落峽徑流預測變化圖

3 結(jié)語

通過線性趨勢估計，Kendall秩分析和累積距平分析，對張掖市黑河水系1957—2010年的8條主要河流的天然徑流量變化進行統(tǒng)計分析，并以鶯落峽為例，使用SAWT模型和SDSM模型可以預測徑流，初步得出以下結(jié)論：

(1)1957—2019年，張掖市主要河流實測徑流量呈現(xiàn)下降趨勢，海潮壩河及洪水河變化趨勢不顯著。

(2)累計距平法分析表明1957—2019年降水偏多和偏少時期，呈奇偶年周期性交替，其中鶯落峽的年徑流量在1989年達到最大值，約為7.07億m3。

(3)20世紀90年代末—2019年，降水呈現(xiàn)下降-上升-下降-上升的波動過程，側(cè)面反映出徑流演變過程的周期性、階段性和持續(xù)性。

(4)通過SWAT模型預測鶯落峽RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種未來情況下2021—2050年的降水和徑流量，發(fā)現(xiàn)鶯落峽降水量呈上升趨勢且出現(xiàn)增濕的特點，2041—2050年時增幅較大，比基準期分別增加約為2.1億、2.2億、2.28億m3。