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汾河水文水資源對氣候變化的響應(yīng)分析

2021-02-18 09:38:10溫進(jìn)利
黑龍江水利科技 2021年12期
關(guān)鍵詞:水資源量蒸發(fā)量汾河

溫進(jìn)利,王 煒

(1.山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心,太原 030002;2.太原市水利技術(shù)推廣服務(wù)站,太原 030002)

1 項(xiàng)目區(qū)概況

汾河流域位于大陸性季風(fēng)氣候帶,在副熱帶海洋氣團(tuán)和極地大陸氣團(tuán)等的影響下,大陸性季風(fēng)氣候特征明顯,春季較短,少雨干旱多風(fēng)沙,夏季高溫多暴雨,秋季溫和,冬季干寒,且表現(xiàn)出十分明顯的山地氣候垂直變化特征。從東南向西北降雨量逐漸遞減,流域年平均降雨量為503.9mm,且大部分時(shí)間降雨量在400-600mm范圍內(nèi),高山局地降雨在650mm以上,年際變化大且年內(nèi)分配十分不均勻,全年超出75%的降水主要出現(xiàn)在6-9月,且降雨主要水汽來源來自夏季風(fēng)所帶來的暖濕氣流。

2 研究方法

在汾河流域選取8個(gè)氣象站,具體見表1,并以各氣象站1960-2019年降水和年氣溫逐年資料為基本氣候要素,氣象站資料均取自國家氣象信息中心。

表1 氣象站及氣象資料長度

汾河流域水資源主要來自大氣降水和夏季風(fēng)帶來的暖濕氣流,相當(dāng)一部分因蒸發(fā)而損耗,所以根據(jù)水量平衡原理,在降水量中減除蒸發(fā)量后便可得到汾河流域可利用降水量,并以此作為水資源量。具體而言,采用以下經(jīng)驗(yàn)公式:

(1)

式中:E為汾河流域陸面蒸發(fā)量,mm;P為汾河流域月降水量,mm;T為汾河流域月氣溫均值,℃。另F=(P-E)A,F(xiàn)為汾河流域可利用水資源量;A為項(xiàng)目區(qū)面積,汾河流域面積為3.9469×104km2,以下便基于此思路和方法進(jìn)行汾河流域水文水資源響應(yīng)分析[1-2]。

3 項(xiàng)目區(qū)氣候特征

3.1 氣溫、降水特征

項(xiàng)目區(qū)氣溫和降水表現(xiàn)出明顯的年際及年代際變化特征,選取流域內(nèi)具有代表性的臨汾、介休、太原、3個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行年代際變化分析,具體情況詳見表2和表3。

表2 汾河流域代表性測站氣溫年代際變化 ℃

從表2中可以看出,汾河流域在1990-1999年間氣溫最高,冬季氣溫從1960年開始至2019年呈現(xiàn)出明顯升高的趨勢,臨汾站、介休站、太原站2010-2019年測站冬季年平均氣溫比1960-1969年平均增大1.9℃、2.32℃和2.10℃;其余測站氣溫變化趨勢并不十分明顯。

表3 汾河流域代表性測站降水年代際變化 mm

從表3可以看出,汾河流域各典型測站降水量夏季變化趨勢最為明顯,且夏季降水呈逐年減少趨勢;從年平均降水量值來看,1970-1979年間夏季降水偏高,此后有減小趨勢。通過進(jìn)行以上時(shí)期臨汾站、太原站和介休站年平均氣溫與降水的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),兩者存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,但變化趨勢并不同步。

3.2 蒸發(fā)特征

根據(jù)式(1)求出汾河流域陸面蒸發(fā)量,根據(jù)流域1960-2019年蒸發(fā)量的年際變化可以看出,流域多年平均蒸發(fā)量102mm,最大最小值分別出現(xiàn)在2001年和1994年,分別為116.8mm和57.1mm。此外,根據(jù)對流域蒸發(fā)量滑動均值變動趨勢的分析可以發(fā)現(xiàn),汾河流域在20世紀(jì)90年代以前其蒸發(fā)量基本位于年平均值以下,此后便明顯高出年平均值。

4 水文水資源對氣候變化的響應(yīng)

4.1 水資源變化趨勢

根據(jù)可利用降水量的計(jì)算,可得出汾河流域1960-2019年水資源量年際變動情況,汾河流域多年水資源量均值33.59×108m3,最大值40.37×108m3出現(xiàn)在1988年,最小值29.88×108m3出現(xiàn)在1986年。而且近10年來,汾河流域水資源量已經(jīng)轉(zhuǎn)為正距平狀態(tài),水資源量均超出均值水平,表明流域水資源量穩(wěn)定增多,且水資源增多時(shí)期基本和氣溫升高時(shí)期相對應(yīng),說明氣候變暖對汾河流域水資源量的變動存在影響。

4.2 對降水變化的響應(yīng)

通過分析降水量、蒸發(fā)量、水資源量的季節(jié)性分配以進(jìn)行水文水資源對降水變化響應(yīng)的分析,結(jié)果詳見表4。由表可知,汾河流域降水主要集中在夏季,夏季降水量在全年總降水量中占比54.9%,其次為秋季,占比將近30%,這也與項(xiàng)目區(qū)夏秋多雨、冬春少雨的特征吻合。蒸發(fā)的變動趨勢與降雨較為接近,夏季蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)總量的比為57.19%,所不同的是,春季蒸發(fā)量比秋季蒸發(fā)量大13.53%。這種變動趨勢主要與溫度及季風(fēng)進(jìn)程有關(guān)。

降水和蒸發(fā)是影響水資源量的兩個(gè)主要方面,降水和蒸發(fā)的年內(nèi)變化對流域水資源存在重要影響。

4.3 對氣溫變化的響應(yīng)

根據(jù)文章所采用的水資源量的計(jì)算公式,水資源量的變化除受降水影響較大外,還受到氣溫的影響。氣溫主要影響降水形態(tài)、冰雪消融、蒸發(fā),進(jìn)而對流域水資源量產(chǎn)生影響。根據(jù)氣溫與汾河流域水資源量的相關(guān)性圖(圖1)中的6階多項(xiàng)式擬合曲線,汾河流域R2=0.114,說明氣溫和流域水資源量相關(guān)性較差,且不存在線性關(guān)系,氣溫對流域水資源的影響并非降水量那樣直接,而是通過其他方式影響流域水資源量[3]。

圖1 汾河流域氣溫與水資源量的相關(guān)性

汾河源所分布的積雪和凍土面積在源區(qū)總面積中占比0.76%,所以,汾河源水資源受冰雪融水和大氣降水共同補(bǔ)給,而冰川和凍土對氣溫變化十分敏感,源區(qū)冰雪消融基本出現(xiàn)在正溫期。與流域降水情況相比較可以看出,氣溫升至0℃以上后汾河流域降水和蒸發(fā)均增大,水資源量也增多,可見,氣溫的升高有利于汾河源冰雪消融,增大對流域水資源的補(bǔ)給。

根據(jù)研究和調(diào)查結(jié)果,汾河源積雪面積在1960-2010年間減少了1.5%,且在1993年以后情況有所逆轉(zhuǎn),這與流域氣溫在20世紀(jì)90年代初明顯上升有關(guān),這也從另一方面說明,氣溫是直接影響流域積雪消融的重要?dú)夂蛞?。積雪消融后的徑流是流域水資源補(bǔ)給的重要來源,汾河流域積雪消融徑流量在徑流總量中占比在9.4%左右。

此外,氣溫的變化還會引起蒸發(fā)量的變動,且兩者存在一定的正相關(guān)關(guān)系,即隨著氣溫的升高,大氣內(nèi)水氣壓和飽水量逐漸增大,對蒸發(fā)產(chǎn)生促進(jìn)作用。隨著蒸發(fā)量的增大,所消耗的流域水資源量隨著增大,流域水資源量減小。故氣溫對汾河源積雪消融有積極作用,并能增加流域水資源量,但隨著氣溫的升高,蒸發(fā)量增大,又會造成流域水資源量減少,所以氣溫對汾河流域水資源量的影響頗為復(fù)雜。

5 結(jié) 論

綜上所述,從50a時(shí)間尺度看汾河流域降水量變動趨勢并不顯著,但氣溫和蒸發(fā)均呈明顯變動,但是在20世紀(jì)90年代流域氣溫、降水及蒸發(fā)均表現(xiàn)出較為明顯的變動,這主要與全球氣候變暖有直接關(guān)系。降水變化對汾河流域水資源有直接影響,而氣溫對流域水資源的影響較為復(fù)雜,隨著氣溫的升高汾河源積雪消融速度加快,所提供的消融性水資源量增多,但是氣溫升高同時(shí)又會導(dǎo)致蒸發(fā)量的增大,會消耗過多的水資源量。根據(jù)筆者推測,這可能是數(shù)十年來汾河流域水資源波動變化且無明顯增加或減少的主要原因。對于汾河流域而言,若氣溫變化不明顯,則因降水原因而引起的水資源增加和蒸發(fā)所消耗的水資源減少幾乎相當(dāng),不會引起水資源量的明顯改變。

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