隴東氣候變化對(duì)涇河流域徑流的影響研究

摘 要：為了明確流經(jīng)隴東涇河的徑流量變化特征及其氣候變化對(duì)徑流量的影響，利用該地各流域有代表性的氣象站及水文站觀測(cè)資料，采用趨勢(shì)分析、多元線性回歸、累計(jì)距平、Mann-Kendall 突變分析等方法，分析徑流量的變化特征及氣候變化對(duì)其水文水資源的影響。結(jié)果表明：涇河流域徑流量呈減少趨勢(shì)，其減少速率為0.90 m3/10 s，年徑流量變化差異較大，徑流量出現(xiàn)了“增加-波動(dòng)-減少”的變化特征，目前仍處于枯年階段。夏季的徑流量最多，冬季的徑流量最少，8月份徑流量最多，1月份徑流量最少。區(qū)域內(nèi)年平均降水量呈減少趨勢(shì)，氣候傾向率為14.19 mm/10 a，流域內(nèi)降水與徑流量的變化趨勢(shì)一致且相關(guān)性顯著，降水量對(duì)徑流量補(bǔ)給明顯，徑流量變化受降水量變化主導(dǎo)。區(qū)域內(nèi)年平均氣溫呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率為0.377 ℃/10 a，潛在蒸散量受氣溫變化影響明顯，氣溫與徑流量的負(fù)相關(guān)性亦較為顯著。因降水及氣溫變化，使流域內(nèi)旱澇風(fēng)險(xiǎn)增加，需通過(guò)退耕還林涵養(yǎng)水源及雨水集流工程來(lái)減輕旱澇災(zāi)害危害。本研究結(jié)果可以為區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用、優(yōu)化水資源調(diào)配及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：徑流量；區(qū)域；氣候變化；蒸散

中圖分類號(hào)：P333

水資源是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要保障，是人類賴以生存與發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。徑流是陸地水資源存在和循環(huán)的主要形式，是人類生產(chǎn)生活用水的最主要來(lái)源。在氣候影響、自然變化和人類活動(dòng)的影響下，中國(guó)面臨著水資源供需矛盾突出、水患事件頻發(fā)、水生態(tài)系統(tǒng)退化等一系列水資源問(wèn)題，現(xiàn)已成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重大障礙性因素[2]。有研究表明，在19世紀(jì)80年代，黃河源區(qū)氣候出現(xiàn)暖干化，致使河流斷流，湖泊面積縮小，近20年，區(qū)域內(nèi)降水量較少，部分河段徑流總量減少趨勢(shì)顯著，西北內(nèi)陸河流域水資源極度短缺[3]。黃土高原降雨徑流系數(shù)僅為10%左右，水土流失嚴(yán)重，河流含沙量大，土壤侵蝕明顯，自然災(zāi)害發(fā)生頻率增加[4]。近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)河流的地表徑流做了卓有成效的研究，燕華云等[5]、曹建廷等[6]研究了長(zhǎng)江源區(qū)年內(nèi)分配時(shí)程變化規(guī)律及徑流年際變化特征，源區(qū)徑流量呈微弱的減少趨勢(shì)。張建興等[7]分析了黃河徑流量變化及其影響因子，指出徑流對(duì)降水的響應(yīng)要比氣溫變化的響應(yīng)更為顯著。方榮杰等[8]分析了西江流域干流徑流量演變特征，徑流量年際變差系數(shù)小，徑流量年際變化不大，年徑流量總體變化呈顯著下降趨勢(shì)。

氣候變化對(duì)地表徑流系統(tǒng)有顯著影響，同時(shí)由于受到人類活動(dòng)的影響，水文循環(huán)過(guò)程已發(fā)生了很大的變化[9]，成為影響徑流變化的主要原因[10]。隴東是甘肅的糧食主產(chǎn)區(qū)，是國(guó)家糧食儲(chǔ)備基地。境內(nèi)有馬蓮河、蒲河、洪河、四郎河、葫蘆河5條河流，較大的支流有27條，其中馬蓮河是涇河的最大支流。因此，對(duì)慶陽(yáng)市境內(nèi)徑流變化特征、趨勢(shì)和規(guī)律等進(jìn)行研究，探討徑流與氣候變化的內(nèi)在關(guān)系，以期為區(qū)域水資源的優(yōu)化利用、優(yōu)化水資源調(diào)配、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、鄉(xiāng)村振興和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

隴東屬黃河中游內(nèi)陸地區(qū)，介于東經(jīng)106°20′～108°45′與北緯35°15′～37°10′之間。中南部為黃土高原溝壑區(qū)，北部為黃土丘陵溝壑區(qū)，東部為黃土低山丘陵區(qū)，地形復(fù)雜多樣。董志塬平疇沃野，一望無(wú)垠，是世界上面積最大、土層最厚、保存最完整的黃土原面，堪稱“天下黃土第一塬”。子午嶺為中國(guó)黃土高原上面積最大、植被最好的水源涵養(yǎng)林，有“天然水庫(kù)”之稱。

1.2 數(shù)據(jù)資料

根據(jù)隴東河流分布情況，本研究選取環(huán)縣、華池、鎮(zhèn)原、西峰、寧縣等氣象站的1961—2016年的氣溫、降水量等氣象資料作為涇河區(qū)域氣候變化的研究資料。選取水文站的開(kāi)邊、蔡家廟、洪德、悅樂(lè)、巴家嘴的水文觀測(cè)資料，數(shù)據(jù)序列亦為1961—2016年，分析徑流量的變化特征及氣候變化對(duì)其水文水資源的影響。

1.3 研究方法

利用隴東各流域有代表性的氣象站及水文站觀測(cè)資料，采用趨勢(shì)分析、多元線性回歸、累計(jì)距平、Mann-Kendall 突變分析等方法，分析氣候變化對(duì)涇河地表徑流的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流量的變化特征

2.1.1 徑流量的年際變化特征

1961—2016年，涇河流域徑流量變化特征如圖1所示，總體呈減少趨勢(shì)，其減少速率為0.90 m3/10 s。徑流量最多出現(xiàn)在1964年，為43 745.9萬(wàn)m3，最少出現(xiàn)在2009年，為7 897.6萬(wàn)m3，徑流量年際變化差異較大。

1961—2016年，涇河流域徑流量特豐年（Pgt;20%）[11]為14年，占總年數(shù)的25%；偏豐年（20%≤Plt;10%）為4年，占總年數(shù)的7%；平年（10%≤P≤-10%）為9年，占總年數(shù)的16%；偏枯年（-20%≤Plt;-10%）為6年，占總年數(shù)的11%；特枯年（Plt;-20%）為23年，占總年數(shù)的41%。其中20世紀(jì)60—70年代為顯著偏多年份，大多為豐年；80年代中期豐年、枯年交替出現(xiàn)，變化不顯著；90年代開(kāi)始以偏少為主，最長(zhǎng)連續(xù)9年偏少，枯年顯著偏多。總體來(lái)看，隴東徑流量出現(xiàn)了由豐年向枯年的轉(zhuǎn)變，目前仍處于枯年階段。

2.1.2 徑流量年內(nèi)變化特征

涇河流域冬季的徑流量最少，為648.82萬(wàn)m3。春季的徑流量較少，為918.47萬(wàn)m3。夏季的徑流量最多，為2 566.49萬(wàn)m3，占全年的44%。秋季的徑流量也較多，為1 757.27萬(wàn)m3，占全年的30%。

隴東月平均徑流量為1 472.76萬(wàn)m3，各月徑流量很不均勻，1月份徑流量最少，為593.86萬(wàn)m3， 從1月份開(kāi)始，月徑流量逐月增加，8月份徑流量最多，為3 518.22萬(wàn)m3。7—9月是該地徑流量集中時(shí)期，為8 976.49萬(wàn)m3，占全年的51%。從9月份開(kāi)始，月徑流量減少。

從5個(gè)有代表性的水文監(jiān)測(cè)資料分析，開(kāi)邊、蔡家廟、楊家坪的最大月徑流量出現(xiàn)在8月份，悅樂(lè)、巴家嘴的最大月徑流量出現(xiàn)在7月份，峰值出現(xiàn)的差異在一定程度上預(yù)示著氣候波動(dòng)，尤其是降水對(duì)該區(qū)域徑流量的影響。

2.1.3 徑流量變化的突變分析

突變是指在一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)過(guò)渡到另一種狀態(tài)的變化，是非線性變化性質(zhì)的一種表現(xiàn)[12]。累計(jì)距平可以判斷要素長(zhǎng)期顯著的演變趨勢(shì)及持續(xù)性變化，也可診斷出發(fā)生突變的大致時(shí)間，因此，均值突變能較好反映徑流量的變化狀態(tài)。分析隴東涇河流域徑流量的累計(jì)距平變化（圖2），1961—1970年以增加為主，增速較為明顯；1971—1995年為波動(dòng)變化階段；1996年開(kāi)始到現(xiàn)在以減少為主，為持續(xù)性減少，減少的年份明顯多于增加的年份，且過(guò)渡期均具有突變的特征。

2.2 氣象因素對(duì)徑流量的影響

2.2.1 降水對(duì)徑流量的影響

隴東涇河流域內(nèi)年平均降水量為509.7 mm，呈減少趨勢(shì)（圖3），氣候傾向率為14.19 mm/10 a。流域內(nèi)降水與徑流量的變化趨勢(shì)一致，經(jīng)計(jì)算降水量與徑流量的相關(guān)系數(shù)，為0.753 0，通過(guò)了信度為0.001的顯著性檢驗(yàn)。年最多降水量為816.1 mm，最少為331.0 mm，相對(duì)應(yīng)徑流量最大年份亦是降水量最多年份。20世紀(jì)60—70年代，降雨量總體偏多，且人工開(kāi)采地下水有限，因此同期徑流量也為豐年。80年代降水量正常，90年代以后以偏少為主，且因人類活動(dòng)影響，地下水位下降，徑流量也由正常轉(zhuǎn)為枯年。

從年內(nèi)變化情況來(lái)看（表1），涇河流域內(nèi)降水與徑流量變化一致，呈單峰型分布，降水主要集中在6—9月，降雨總量占全年的68.1%，降水最大值出現(xiàn)在7月份，為104.3 mm，占全年的20.2%，8月份降水量為103.6 mm，最大徑流量出現(xiàn)在8月份。因此，隴東降水對(duì)徑流量的補(bǔ)給明顯，降水量對(duì)徑流量的變化有主導(dǎo)作用。夏季降水量年季變化較大，徑流量亦隨之變化。

2.2.2 氣溫對(duì)徑流量的影響

隴東涇河流域內(nèi)年平均氣溫9.1 ℃，呈升高趨勢(shì)（圖4），氣候傾向率為0.377 ℃/10 a。經(jīng)計(jì)算，該流域內(nèi)氣溫與徑流量的相關(guān)系數(shù)為-0.606 3，通過(guò)了信度為0.001的顯著性檢驗(yàn)。經(jīng)與降水比對(duì)分析，年降水量較充沛的年份氣溫較低，印證了該地降水與徑流量的顯著性關(guān)系。同時(shí)，氣溫的變化會(huì)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的蒸散量改變，從而影響區(qū)域徑流量。近20年來(lái)，氣溫偏高趨勢(shì)明顯，蒸散量增大，也影響區(qū)域內(nèi)徑流量減少。

隴東易發(fā)生干旱，有時(shí)春旱、春末初夏旱、伏旱“旱旱相連”，降水嚴(yán)重不足，導(dǎo)致流域內(nèi)徑流量明顯偏少。尤其在盛夏伏期，無(wú)有效降水，高溫天氣助推旱情發(fā)展，蒸散量顯著加大，徑流量明顯減少。同時(shí)由于人類活動(dòng)影響，流經(jīng)環(huán)縣到慶城、華池到慶城的馬連河部分河段水流緩細(xì)，幾乎接近斷流。

2.2.3 影響徑流量的降水、氣溫的突變分析

應(yīng)用Mann-kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[13]對(duì)隴東降水、氣溫進(jìn)行突變分析。由圖5可知，在1969年降水量發(fā)生突變，其中1961—1986年、2009—2016年UFlt;0，降水為減少趨勢(shì)，1986—2008年降水為波動(dòng)增加趨勢(shì)，但均未通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)。

隴東多年平均氣溫發(fā)生了由低溫向高溫的突變（圖6），突變點(diǎn)出現(xiàn)在1994年，通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)。1961—1971年UFlt;0，氣溫處于下降狀態(tài)，1972—2016年氣溫為升高狀態(tài)，并在1991年以后超過(guò)信度直線，增溫顯著。

3 結(jié)論

（1）隴東涇河流域徑流量呈減少趨勢(shì)，其減少速率為0.90 m3/10 s，且徑流量年際變化差異較大。徑流量出現(xiàn)了由豐年向枯年的轉(zhuǎn)變，目前仍處于枯年階段。

（2）從四季分布來(lái)看，夏季的徑流量最多，為2 566.49萬(wàn)m3，占全年的44%；秋季的徑流量也較多，占全年的30%；春季的徑流量較少，冬季的徑流量最少。從月份分布來(lái)看，8月份徑流量最多，1月份徑流量最少。多年徑流量出現(xiàn)了“增加-波動(dòng)-減少”的變化特征。

（3）區(qū)域內(nèi)年平均降水量為509.7 mm，呈減少趨勢(shì)，氣候傾向率為14.19 mm/10 a，流域內(nèi)降水與徑流量的變化趨勢(shì)一致，降水量與徑流量相關(guān)性顯著，降水量對(duì)徑流量補(bǔ)給明顯，尤其夏秋季節(jié)的降水量多少對(duì)徑流量的大小影響明顯。降水量時(shí)空分布不均，降水偏多年份多以暴雨形式出現(xiàn)，洪澇災(zāi)害頻發(fā)。

（4）區(qū)域內(nèi)年平均氣溫9.1℃，呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率為0.377 ℃/10 a。氣溫與徑流量的負(fù)相關(guān)性亦較為顯著，主要因氣溫偏高，尤其高溫干旱天氣使區(qū)域內(nèi)蒸散增大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水增加而影響徑流量的變化。

（5）區(qū)域內(nèi)的降水、氣溫均發(fā)生了突變，降水量突變發(fā)生在1969年，氣溫突變出現(xiàn)在1994年，且通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

由于氣候變化影響水文循環(huán)，使流域內(nèi)的徑流量發(fā)生相應(yīng)變化[14]。隴東涇河流域內(nèi)徑流量主要以降水補(bǔ)充為主，并伴有地下水補(bǔ)給。受季節(jié)氣候變化影響，降水增加主要集中于雨季，易暴發(fā)山洪災(zāi)害。而旱季由于降水少、氣溫高導(dǎo)致干旱程度加劇。因此，該流域旱澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較大，應(yīng)繼續(xù)采取退耕還林還草及雨水集流工程等綜合規(guī)劃管理，來(lái)涵養(yǎng)水源，減少水土流失，有效減輕旱澇災(zāi)害危害，保護(hù)土地資源可持續(xù)發(fā)展。

本研究主要從氣候角度對(duì)隴東涇河流域徑流量進(jìn)行了分析，但徑流量還受人類活動(dòng)等因素的影響，尤其近年來(lái)跨區(qū)域調(diào)水、城市及工業(yè)用水量增加及雨水集流等水利工程的影響，使徑流量變化變得較為復(fù)雜，在今后的研究中要重點(diǎn)予以考慮。

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