黄河上游水源补给区气候变化及对水资源的影响（李国军,李晓媛,王振国,张胜智）

时间：2022-02-25 15:23:09 浏览量：次

摘要：应用黄河上游重要水源补给区玛曲县气温、降水资料分析得出：气温年际变化呈上升趋势，降水量年际变化呈下降趋势。气候变化导致可能蒸发量增加，可利用水资源量减少。水资源量多项式拟合变化趋势呈2谷1峰波动型，枯水期年际变化的时间尺度成倍延长。

关键词：玛曲；气候变化；可利用水资源量；水源补给区

中图分类号：P467 文献标识码：A

引言

玛曲县位于青藏高原东部边缘，站点海拔高度3 471．4 m，地理坐标34°00′N，102°05′E，属大陆性寒冷湿润气候。黄河自玛曲县西南进入甘南，流向东南经西北出境，形成黄河首曲，独特的地理环境孕育了大面积的草地和湿地生态系统，是黄河上游重要的生态屏障和水源补给区[1-3]。玛曲黄河干流在甘南境内流程433 km，流域面积1．02×10 4km 2，入境径流量38．91×10 8m 3，出境流量147×10 8m 3，黄河的水量在玛曲段的径流量增加108．1×10 8m 3，占黄河源区总径流量184．13×10 8m 3的58．7％[2]，甘南境内补给黄河的水量达45％[1]。玛曲县气候的变化呈现出气温升高，降水量减少的特点[1、4-5]，特别是20世纪80年代以来，表现出十分显著的气候暖干化趋势[6]；玛曲县气候变化导致蒸发量增加[1、4、5-6]，冻土变浅[4]，甘南境内补给黄河的水量减少了15％左右[2]，年产流量急剧减少[4]，黄河下游断流[1-2]，水资源锐减[5]，引起生态恶化[2、4-5]。本文从不同角度分析了玛曲县气候变化对水资源的影响，进一步说明年产流量急剧减少及水资源锐减，与气候变化导致的可利用水资源量的急剧减少，枯水期年际变化的时间尺度成倍延长有关。

1．1 资料

选取1967年1月至2005年12月玛曲站平均气温，平均最高、最低气温，降水量资料，1996年4月至2000年9月、2001年4～11月、2002年3～11月、2003年2月至2005年11月玛曲站土壤含水量资料。季节划分：冷季为牧草枯黄期1～3月、10～12月，暖季为牧草生长期4～9月，以下均同此。

1．2 方法

(1)气候倾向率

用一次线性方程可以定量描述气候倾向率，即y(t)=ao+a1t，dy(t)／dt=a1为趋势变化率方程，a1·10为气候倾向率，单位为0C／10 a或mm／10 a。方程中的系数用最小二乘法确定。

(2)时间序列方差周期分析[7]

此方法对气象要素年代际的分析与多项式拟合分析有较好的一致性。

(3)高桥浩一郎陆面蒸发经验公式[8]

(4)其它方法有滑动t检验[9]，气温绝对变率、降水变化熵[10]等统计方法。

2 气候变化特征

2．1 气温变化特征(图1)

玛曲县历年平均气温1．5 ℃，历年平均最高气温8．9 ℃，历年平均最低气温-4．6℃；极端最高气温30．4 ℃，出现在2000年，极端最低气温-29．6℃，出现在1971年。历年冷季平均气温-4．6℃，与历年平均最低气温相当；历年暖季平均气温7．6℃，比历年平均最高气温偏低1．3 ℃。年平均气温、暖季和冷季平均气温年际变化呈上升趋势，气候倾向率分别为0．31 ℃／10 a，0．29 ℃／10 a，0．31 ℃／10a，增温趋势显著，冷季增温趋势高于暖季。方差分析，年平均气温有16 a年代际变化周期，方差比通过信度α=0．05的F检验。1967～1983年平均气温1．1 ℃，比历年平均气温偏低0．4 ℃，为偏冷期。1984～2000年平均气温1．6 ℃，比历年平均气温偏高0．1 ℃，为缓升期，比偏冷期平均气温偏高0．5℃。2001～2005年平均气温2．3 ℃，比历年平均气温偏高0．8 ℃，为偏暖期，比缓升期平均气温偏高0．7 oC，比偏冷期平均气温偏高1．2 ℃。滑动t检验分析，1997年为突变年，1997～1998年气温突升1．6 ℃，1997年以后气温显著升高，与文献[11]对整个甘南地区突变时间分析结果相比出现滞后，说明高海拔寒冷阴湿区具有延迟气候突变能力的特征。

2．2 降水变化特征(图2)

玛曲县历年平均降水量599．3 mm，年最大降水量809．7 mm，出现在1981年，年最少降水量448．4mm，出现在1996年。历年冷季平均降水量75．2mm，占全年降水量的12．5％，历年暖季平均降水量524．1 mln，占全年降水量的87．5％。年降水量、暖季和冷季降水量年际变化呈下降趋势，气候倾向率分另4为-6．95 mm／lO a，-6．62 mm／lO a，-0．33mm／lO a，年与暖季降水量下降趋势明显，冷季下降趋势弱。方差分析，年降水量有8 a的年际变化周期，11 a和14 a的年代际变化周期，方差比均通过信度α=0．10的F检验。1967～1981年，1989-2003年2个时期降水量峰值相差14 a，在2个14 a之间，1981—1989年2个降水量峰值相差8 a。从拟合率分析降水量1 1 a的年代际变化周期为主序列周期。从图2趋势变化可以看出，1967～1978年为正距平波动期，平均降水量606．3 mm，比历年平均值多7 mm，1967～1971年呈下降趋势，1972—1978年呈上升趋势，降水量变幅较大。1979～1990年为正距平缓降期，平均降水量609．3 mm，比历年平均值多10 mm，趋势缓慢下降。1991～2002年为负距平稳定期，平均降水量566．6 mm，比历年平均值少32．7 mm，趋势平稳，2003～2005年为正距平缓升期，平均降水量662．7 mm，比历年平均值多63．4 mm，趋势缓慢上升。滑动t检验分析，1968年为突变年。降水量距平分析，>100 mm正距平出现在1967年、1978年、1979年、1981年，<100 mm负距平出现在1990年、1993年、1996年。

2．3 气温、降水的变率

从图3可看出，整个冷季平均气温绝对变率都比较偏大，冷季1月、2月平均气温绝对变率为次大和最大。暖季平均气温绝对变率基本处于平稳状态，暖季4月、9月平均气温绝对变率相对偏大。2～ 3月平均气温绝对变率以最大变化值下降。

从图4可看出整个冷季降水变化熵偏大，使降水偏多或偏少发生的几率变大，12月、1月为最大和次大。暖季降水变化熵小，降水变率也小，基本处于稳定状态。暖季4月降水变率相对偏大。9～12月降水变化熵以较大的变化值连续直线上升，2～3月降水变化熵以最大的变化值下降。

冷季气温绝对变率和降水变化熵大，会导致季节气候极端变化，2～3月季节气候极端变化特征明显。暖季气温绝对变率和降水变化熵小，季节气候变化平缓，暖季4月季节气候的过渡特征明显。

3 水资源特征

降水量与可能蒸发量之差称为可利用降水，可以将其作为衡量水资源丰枯的指标，水资源量可定义为F=P-E，式中F(mm)为水资源量，P(mm)为降水量，E(mm)为可能蒸发量(由高桥浩一郎陆面蒸发经验公式求取)。计算出历年1～12月各月的水资源量，将各月相加即得年总水资源量[8]。高桥浩一郎经验公式与桑斯韦特经验公式计算比较，结果表明，暖季的可能蒸发量平均偏差为2．9 mm，冷季桑斯韦特经验公式不适用[12]，高桥浩一郎经验公式计算较好。由于可能蒸发量用经验公式求取，与实际有偏差，可认为是系统偏差，对水资源量的距平值和多年趋势变化分析影响不大。

3．1 水资源量变化特征

玛曲县历年平均水资源量352．9 mm，年最大水资源量565．8 mm，出现在1967年，1981年为次大，年最少水资源量203．3 mm，出现在1990年，1996年为次少。历年冷季平均水资源量27．2 mm，占全年水资源量的8％，历年暖季平均水资源量325．7mm，占全年水资源量的92％。年水资源量，暖季和冷季水资源量年际变化呈下降趋势，气候倾向率分另U为-12．2 mm／10 a，-10．88 mm／10 a，-1．33mm／10 a，年与暖季的下降趋势明显，冷季下降趋势弱。从图5的多项式拟合变化趋势线看出，1967年、1968年为丰水年，1969～1976年为枯水期，1977～ 1986年为丰水期，1987～2000年为枯水期，2001～2005年增幅不大，可为正常期。水资源量多项式拟合变化趋势呈2谷1峰波动型，与可能蒸发量的多项式拟合变化趋势(图略)成反位相对应，枯水期年际变化时间尺度几乎成倍延长。

图6给出玛曲县1～12月的多年平均水资源量情况。可以看出，7月水资源量最多，8月、6月、9月、5月依次较多，4月、10月较少，11～3月最少。

从表1看出，各月同一土层土壤水分贮存量相差较小，各月30-40 cm土层土壤水分贮存量最大；30～40 cm土层是降水渗透量和土壤水分总贮存量的最大层，40～50 cm土层是次大层。暖季降水量比冷季大7倍，同一土层土壤水分总贮存量暖季比冷季偏低，说明牧草生长期耗水量大；仲春4月是牧草返青期，土壤水分总贮存量最低，易发生春旱。

4 小结

(1)从线性气候倾向率分析，气温升高，可能蒸发量增加，两者有较好的一致性；从波动趋势分析，可能蒸发量有2 a、4 a,6 a的年际变化周期(方差比均通过信度α=0．05的F检验)，而平均气温的年际变化周期长，两者最大峰值的年际变化没有相互对应，与可能蒸发量的变化较复杂有关。

(2)从线性气候倾向率分析，降水量减少，水资源量下降，两者的变化一致，但水资源量的下降趋势是降水量减少趋势的1．5倍以上；同时两者相关系数为0．98，水资源量明显受到降水量变化的影响。从波动趋势分析，两者最大峰值的年际变化没有相互对应，与温度的影响有关。

(3)冷季气温绝对变率和降水变化熵大，水资源量小；暖季气温绝对变率和降水变化熵小，水资源量大。4月气候的过渡特征比10月的变化明显，水资源量比10月小。

(4)暖季降水量比冷季大7倍，土壤水分总贮存量暖季比冷季偏低，说明牧草生长期耗水量大。

参考文献：

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作者简介：李国军(1964-)，男，甘肃灵台人，工程师，主要从事短期天气预报与研究工作．

来源：《干旱气象》2007.6

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