郭小芹　劉明春　曾婷等

摘要 基于5個(gè)氣象站點(diǎn)30年氣象觀測(cè)資料和近10年的水資源數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了石羊河流域水資源特征，結(jié)果表明，1981～2010年石羊河流域增暖明顯，上游年降水量顯著減少，石羊河主干流徑流量呈季節(jié)性變化；地下水位趨深，北部荒漠地區(qū)持續(xù)下降；水資源總量以0.880 9億m3/a的速度減少，且對(duì)降水的敏感度明顯高于對(duì)溫度的反映，水資源開(kāi)發(fā)利用形勢(shì)非常嚴(yán)峻。

關(guān)鍵詞 石羊河流域；氣候變化；水資源；徑流量；敏感度

中圖分類(lèi)號(hào) S271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）05-01385-03

Abstract Based on the data of five meteorological stations in 30a and water resources data in recent 10a， the characteristics of water resources in Shiyanghe River Basin were analyzed using mathematical statistics method. The results showed that Shiyanghe River Basin had changed warming significantly and its upstream precipitation had a significant reduction during 1981- 2010. Simultaneously， the annual major runoff of Shiyanghe River showed a seasonal variation. Regional groundwater had continued drawdown， especially in the northern desert region. The total amount of water resources was reduced at a rate of 0.880 9× 108 m3/a， and its sensitivity to precipitation was obvious higher than temperature， the development and utilization of water resources situation is very grim.

Key words Shiyanghe River Basin； Climate change； Water resources； River runoff； Sensitivity

石羊河流域是河西走廊內(nèi)陸河三大水系之一，河流發(fā)源于南部祁連山脈，消失于巴丹吉林和騰格里沙漠之間的荒漠地區(qū)。全流域由東向西由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營(yíng)河、東大河、西大河等8條河流組成（圖1）[1]。石羊河流域總面積4.16 km2，多年平均降水量為222 mm，自產(chǎn)水資源量為15.6億m3，與地表水不重復(fù)的凈地下水資源量1.0億m3，流域可利用水資源量平均達(dá)17.8億m3，按現(xiàn)有人口和耕地計(jì)，屬典型的資源型缺水地區(qū)。

作為我國(guó)水資源開(kāi)發(fā)程度最高的內(nèi)陸河流之一，石羊河流域水資源緊缺程度引起社會(huì)各界的高度關(guān)注[2-3]，尤其是北部荒漠地下水位下降、植被退化、荒漠化加劇等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已凸顯出“羅布泊”特征，昭示騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠會(huì)合之勢(shì)，對(duì)我國(guó)生態(tài)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著石羊河重點(diǎn)治理進(jìn)程的加快，區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用面臨著諸多研究課題[4-6]。氣候變暖將會(huì)加劇冰川消融和地表蒸發(fā)，使降水量重新分配，進(jìn)而影響研究區(qū)域乃至更大范圍的水平衡，這將對(duì)石羊河流域的水資源利用提出更高要求。筆者從石羊河流域氣候變化著手，對(duì)流域水資源狀況進(jìn)行了深入分析，以期為石羊河流域水資源開(kāi)發(fā)利用提供一些參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料選取

選用石羊河流域5個(gè)氣象站點(diǎn)（1981～2010年）逐月觀測(cè)資料以及近10年《石羊河水資源公報(bào)》數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，資料序列連續(xù)，可代表研究區(qū)域和研究對(duì)象的基本特征。石羊河流域地形復(fù)雜多變，從南到北可劃分為南部祁連山地、中部走廊平原區(qū)、北部荒漠區(qū)，選取烏鞘嶺、武威、民勤3個(gè)站點(diǎn)以代表南部、中部、北部地區(qū)，分析近30年氣候變化趨勢(shì)。

1.2 分析方法 數(shù)據(jù)處理工具為SPSS13.0、Minitab Ver 8.02，計(jì)算過(guò)程還采用了累計(jì)距平、相關(guān)分析、Mannkendall、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合[7]等，以期得到充分可靠的結(jié)論。

文中的水資源總量是指石羊河流域降水形成的地表水和地下水總量，但不等于二者的代數(shù)和，在計(jì)算中需要扣除兩者之間互相轉(zhuǎn)化的重復(fù)計(jì)算量。

徑流量是指由降水、地下水、冰雪融水補(bǔ)給而成，扣除蒸發(fā)、土壤入滲、植物截留及洼地滯蓄，經(jīng)過(guò)水文觀測(cè)得到的河流匯水面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 石羊河流域氣候變化特征

2.1.1 溫度變化趨勢(shì)。

伴隨著全球氣候變暖進(jìn)程的加快[8]，石羊河流域的增溫現(xiàn)象十分明顯（表1）。其中上游地區(qū)增溫幅度為0.293 ℃/10a、中游為0.894 ℃/10a、下游為0.548 ℃/10a，作為石羊河主干區(qū)域，武威增溫幅度最為明顯（R=0.842 9≥R0.05=0.361 0），其中20世紀(jì)90年代比80年代高0.5 ℃，21世紀(jì)以來(lái)比90年代高1.2 ℃，尤其是2006、2009年年平均溫度達(dá)10.0 ℃，比30年平均溫度偏高1.5 ℃，增暖的趨勢(shì)非常顯著。從圖2可以看出，石羊河流域增暖現(xiàn)象始于1997年，1999年起顯著增暖，這一時(shí)段也是石羊河流域綜合治理的起步階段。

2.1.2 降水量與徑流量變化。

石羊河流域地形復(fù)雜多變，降水分布極不均勻，其中南部山地海拔3 000～5 000 m，年降水量300～600 mm；中部平原海拔1 500～2 000 m，年降水量150～300 mm；北部荒漠區(qū)海拔1 000～1 500 m，年降雨量50～100 mm。從表2可知，南部山地年降水量顯著減少，突出表現(xiàn)在春、秋、冬季降水量減少；中部平原年降水量變化不大，但冬季降水量顯著減少；北部荒漠年降水量和季節(jié)降水量略有減少，冬季降水量減少明顯。以徑流量為研究對(duì)象，分析石羊河流域諸河流狀況，結(jié)果顯示西營(yíng)河、東大河、雜木河和西大河分別占總徑流量的25%、23%、18%和13%，也就是說(shuō)這4條河流為石羊河主體河流；河流徑流量呈波動(dòng)性變化，以西營(yíng)河為例，高值年份在2003年（4.43億m3）、2007年（4.39億m3），低值年份在2008～2009年（均為2.83億m3），低值年份徑流量?jī)H占高值年份的60%左右，徑流量年際變化比較明顯。

經(jīng)分析，河流徑流量與降水量密切相關(guān)，其中西營(yíng)河、雜木河、黃羊河、金塔河與南部山地烏鞘嶺站的年降水量密切相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.799、0.829、0.907、0.816；大靖河、古浪河與所在地古浪站的年降水量密切關(guān)聯(lián)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.831、0.788。說(shuō)明作為水資源總量的重要組成部分，降水量不僅嚴(yán)重影響著河流的水域面積，還影響著研究區(qū)域水資源的開(kāi)發(fā)利用程度。

2.2 石羊河主干流徑流量

對(duì)1956～2000年石羊河干流進(jìn)入民勤紅崖山水庫(kù)的徑流量分析顯示，其變化趨勢(shì)為Y=-0.098X+5.289 4（R=0.916 3≥R0.05=0.298 0），說(shuō)明主干徑流量的縮減非常顯著。

隨著石羊河流域的綜合治理，水資源狀況得到明顯改善，對(duì)2000～2010年石羊河干流年平均流量分析顯示（圖3），流量增幅為3.8 （s·m3）/10a，且增幅顯著（R=0.764 1≥R0.05=0.602 0），2010年達(dá)7.47（s·m3），是2000年的2.8倍之多，徑流量明顯增加。石羊河主干流徑流量的這種變化一方面得益于政策層面的綜合治理，如退耕還林、設(shè)施農(nóng)牧業(yè)以及節(jié)水型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的推進(jìn)，另一方面得益于人工增雨、外部調(diào)水的無(wú)條件補(bǔ)給，如景電二期工程從2000年以來(lái)不斷向石羊河流域輸水，至2010年累計(jì)向民勤調(diào)水4.98億m3，目前北部荒漠地下水位回升明顯，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。

分析石羊河主干流月流量發(fā)現(xiàn)，1～12月各月的流量分別為2.47、3.42、7.27、7.29、3.41、1.82、4.68、5.47、8.13、5.53、1.28、1.05 s·m3，全年平均流量為4.33 s·m3，可見(jiàn)，月流量表現(xiàn)出2個(gè)高峰時(shí)段，分別為3～4和8～10月，年最大流量出現(xiàn)在9月份，最小流量出現(xiàn)在11～12月，這種季節(jié)性變化與氣候特征密切相關(guān)[9-10]，8～9月份正值副熱帶高壓西伸和東退時(shí)段，當(dāng)有適宜的水汽條件時(shí)便會(huì)在當(dāng)?shù)匦纬山邓?，同時(shí)在副熱帶高壓控制時(shí)段天氣晴好，溫度攀升，還會(huì)加劇祁連山冰雪覆蓋層的消融；3～4月雖然降水偏少，但春季回暖使得冰川淺層迅速消融，從而增加了河流流量，使得研究區(qū)域主干河流呈現(xiàn)出典型的季節(jié)性特征，盡管近10年來(lái)研究區(qū)域降水量銳減，但氣候變暖卻在一定程度上補(bǔ)給了石羊河。

2.3 地下水位變化

2008年石羊河水資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀綜合評(píng)價(jià)顯示，石羊河水資源利用率172%，水資源消耗量103.4%，地表水利用率超過(guò)86%，地下水利用率超過(guò)100%，這意味隨著氣候變暖和對(duì)水資源的大量開(kāi)采，地下水已處于不可持續(xù)狀態(tài)。分析顯示，石羊河流域地下水位埋深表現(xiàn)出上游淺、下游深且有逐年增大的趨勢(shì)。其中下游北部荒漠變化趨勢(shì)為0.602 m/a，中部平原為0.030 m/a，這種變化趨勢(shì)與地下水開(kāi)發(fā)利用有密切聯(lián)系。

中部平原地下水開(kāi)采量逐年增多，60年代0.30億m3、70年代2.50億m3、80年代4.00億m3、90年代4.50億m3、2008年為4.05億m3；地下水位逐年下降，其中泉水溢出量50年代為4.24億m3，60年代減少為3.13億m3，70年代減少為1.57億m3，80年代僅為0.66億m3，到90年代僅為0.30億m3，2000年以后幾乎全部干涸；在石羊河流域重點(diǎn)治理以后地下水位下降幅度逐漸減緩，但恢復(fù)期依然遙遠(yuǎn)。

從北部荒漠地下水位變化（圖4）可以看出，地下水位持續(xù)下降，1998～2007年降幅0.589 m/a，下降趨勢(shì)非常顯著（R=0.996 0≥R0.05=0.632 0），且埋深在10～24 m；其中泉山區(qū)降幅0.868 m/a（R=0.986 6），埋深23.8 m；壩區(qū)降幅0.570 m/a（R=0.992 7），埋深21.2 m；湖區(qū)降幅0.582 m/a（R=0.989 2），埋深15.2 m。

北部荒漠多年平均降水量不足100 mm，蒸發(fā)量2 600 mm以上，區(qū)內(nèi)補(bǔ)給水源主要是石羊河徑流入境，20世紀(jì)50年代在北部荒漠低洼處還有季節(jié)性湖泊，隨著水資源開(kāi)發(fā)利用程度的提高，石羊河流入民勤的水量逐年減少，導(dǎo)致湖泊干涸，地下水位從50年代的1～4 m降至2007年15～24 m，在80年代后期防風(fēng)沙棗林全部枯死。

隨著石羊河流域綜合治理，水資源狀況得到明顯改善，其中2005年地下水實(shí)際開(kāi)采量為6.86億m3、2006年5.41億m3、2007年4.90億m3、2008年3.97億m3；2005～2010年民勤總用水量由7.44億m3減少至3.51億m3，地下水位年平均降幅由0.637 m減緩至0.289 m，局部地方有所回升，曾經(jīng)干涸的青土湖其地下水位較2007年上升了0.170 m。

2.4 石羊河流域水資源總量

石羊河水系發(fā)源于南部祁連山脈，河流補(bǔ)給主要來(lái)源于祁連山降水、高山冰雪融水和山區(qū)地下水，其中冰川融水占2.7%、山區(qū)地下水占21.9%、山區(qū)降水占75.4%，從流域水資源的基本特征分析看，山區(qū)降水形成地表徑流而匯集成河，沿途接納山區(qū)地下水和冰雪融水，自南向北流出山后基本上全部被水庫(kù)攔蓄和引入灌溉渠系，而地表水在引用途中則大量滲漏轉(zhuǎn)化為地下水，地下水至中游山前沖積扇邊緣部分又出露成泉，被再次利用，經(jīng)消耗轉(zhuǎn)化補(bǔ)給地下水，且在下游又再次溢出地表并與上游未利用的余水和部分下泄洪水匯入石羊河進(jìn)入民勤紅崖山水庫(kù)。

對(duì)2003～2009年流域水資源總量分析顯示（圖5），其變化趨勢(shì)為Y=-0.880 9X+22.258（R=0.804 5≥R0.05=0.754 0），即水資源總量以8.809億m3/10a的速度減少，其中地表水總量每年減少4.66%（R=0.766 2），地下水總量每年減少6.72%（R=0.886 6），水資源緊缺程度日益顯著。隨著石羊河綜合治理的推進(jìn)，從2009年起水資源減少趨勢(shì)得到明顯減弱，水資源總量有所回升，其中地表水和地下水基本止跌。

水資源總量的補(bǔ)給主要來(lái)源于大氣降水，那么在研究區(qū)域氣候變暖的背景之下，水資源總量會(huì)出現(xiàn)怎樣的變化呢？用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)流域水資源敏感度進(jìn)行分析，結(jié)果（表3）顯示，當(dāng)降水量保持不變時(shí)氣候變暖將使水資源總量減少，當(dāng)溫度不變時(shí)降水量增加會(huì)使得水資源總量明顯增加；水資源總量對(duì)降水的敏感度明顯高于對(duì)溫度的反映。在研究區(qū)域氣候明顯變暖的背景下，降水量的制約將使水資源開(kāi)發(fā)利用形勢(shì)更為嚴(yán)峻。

3 對(duì)策措施

石羊河流域重點(diǎn)治理的關(guān)鍵是水問(wèn)題，具體體現(xiàn)在增加北部荒漠地表水量，逐步恢復(fù)與改善民勤生態(tài)，而面對(duì)嚴(yán)峻的水資源短缺現(xiàn)實(shí)，如何建立節(jié)水型社會(huì)便成為重中之重。如控制農(nóng)田灌溉面積，降低灌溉定額指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)水權(quán)機(jī)制的改革；大力推廣以日光溫室和地膜覆蓋技術(shù)為主的節(jié)水農(nóng)業(yè)，采用渠灌、管灌、大田滴灌等節(jié)灌模式，優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，減少農(nóng)業(yè)用水總量；利用獨(dú)特的自然條件，大力推廣棉花、瓜類(lèi)、鹽地藥材、苜蓿飼草等特色農(nóng)業(yè)，減少大田農(nóng)業(yè)種植面積，提高經(jīng)濟(jì)作物效益，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)型，通過(guò)這些措施可以有效緩解水資源短缺問(wèn)題。

在加強(qiáng)石羊河流域重點(diǎn)治理的同時(shí)，如何增加降水量以有效補(bǔ)給流域水資源總量，這將是氣象部門(mén)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，由于流域徑流量的補(bǔ)給主要來(lái)源于大氣降水，而研究區(qū)域降水的季節(jié)性特征則要求人工增雨要借助有利的天氣形勢(shì)及時(shí)作業(yè)，不放過(guò)一個(gè)過(guò)程，最大程度地增加有效降水。

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