冰封期水庫氣溫及其冰厚、冰凍天數響應特征研究

馬令瀟，汪天祥,2,3，胡素端，許士國

(1.大連理工大學 水利工程學院水環境研究所， 遼寧 大連 116024；2.中水珠江規劃勘測設計有限公司， 廣東 廣州 510610；3.淮陰工學院 江蘇省智能工廠工程研究中心， 江蘇 淮安 223003)

我國北方中高緯度地區冬季氣溫長期在0℃以下，帶來的直接影響就是在河道、湖泊、水庫水面上形成冰蓋，形成了相對密閉的水體環境，改變了原有的開放水面狀態。水庫是北方地區主要的飲用水供水來源，但長達數月的冰封期，使得水庫形成了冰—水—沉積物多介質格局。伴隨著冰生消過程，表層水體的“排鹽效應”、底層沉積物的“污染釋放”直接或間接影響了如氮、磷等元素的遷移釋放過程。王利明等[1]指出在北方淺水湖氮磷營養鹽具有冬季大于夏季、水體大于冰體的時空分布特點，所以在冰封期水體富營養化的概率較大。楊芳等[2]對內蒙古烏梁素海水庫研究指出冰溫會隨著氣溫的變化而改變，且冰層越厚，冰溫越高。

內蒙古農業大學研究發現金海水庫水質在冬季存在一定程度的污染，并認為這與浮游藻類的種類和數量的季節性差異有一定的聯系[3]。藻類生長消耗的二氧化碳能夠促進表層水體 pH 增大，而沉積物中微生物在厭氧條件下的產酸作用，會促使水庫底層水體 pH 減小。其他諸如光照、微生物等環境條件也會有季節變化。這些研究表明，環境因子直接或者間接影響了冰封期水庫內污染物質的遷移過程[4]。而由于冰封環境的限制，對水庫冰封期水質的監測有一定的難度，即使進行監測也多是從水庫取水口處進行單點單次的取樣監測，難以掌握冰封條件下水庫水體的真實水質狀態[5]。

綜上，冰封期氣溫變化給水庫帶來的環境影響不容忽視，本文重點探討氣溫影響下的冰封期水庫冰凍天數、平均冰厚變化特征與相互關系，為冰封期水庫的環境監測與管理提供思路。

1 材料與方法

1.1 研究區域與數據來源

本文以碧流河水庫為研究對象(N:39°48′～39°57′；E122°24′～122°35′)，作為遼寧省主要供水來源，總庫容9.34億m3，平均水深12.8 m，流域面積2 814 km2，是具有典型北方冰封特征的水庫。

氣溫基礎數據中1986年—2010年來源于中國氣象數據網(普蘭店和莊河兩個站點)，2010年—2015年來源于CMADS寒區旱區科學數據中心，CMADS站點情況與研究區域位置如圖1所示。

數據分析采用ORIGIN、EXCEL、MATLAB、SURFER、GIS等工具進行。

圖1 CMADS站點分布及研究區域

1.2 研究方法

本文從趨勢性、周期性、突變性三個方面來探討碧流河水庫流域平均氣溫、冰凍天數、平均冰厚的變化特征及其相互關系[6-8]。冰厚估算采用德國Stefan在1980年提出的基于熱量交換的冰厚熱量平衡公式[9]為:

(1)

2 水庫冰封期氣溫變化特征

2.1 氣溫年際變化特征

根據碧流河水庫1986年—2015年冰封期平均氣溫變化特征(見圖2)，水庫冰封期多年平均氣溫為-4.1℃，變異系數為25%，表明水庫冰封期平均氣溫年際間變化較大[10]。2012年氣溫最低，為-5.6℃；1988年氣溫最高，為-2.1℃。而水庫冰封期氣溫在Kendall檢驗法α=0.05情況下下降明顯。同時可看出水庫冰封期氣溫具有8 a～11 a左右的波動周期。

2.2 氣溫周期性特征

對碧流河水庫1986年—2015年冰封期年平均氣溫數據進行周期性分析，結果如圖3所示。圖中有實線和虛線兩種線型，分別代表正值和負值，表示氣溫上升或下降[11]。由圖3看出碧流河水庫主要存在3類不同尺度的周期，15 a～18 a，9 a～12 a和5 a～8 a。

圖2 碧流河水庫近30年冰封期氣溫變化

圖3 冰封期氣溫Morlet小波變換實部等值線圖

小波方差圖顯示(見圖4)3類周期的峰值分別對應16 a、11 a、8 a。其中16 a時間尺度具有較強的周期變換性，但因該時間序列較短，故其代表性較弱；8 a特征尺度在1990年—2005年表現明顯，具有局部性；而11 a時間尺度在30 a以來一直很明顯；因此，11 a為碧流河水庫冰封期年平均氣溫變換周期。

圖4 氣溫小波方差圖

2.3 氣溫突變特征

如圖5所示，碧流河水庫1986年—2015年冰封期氣溫序列存在如下突變特征：上下臨界線之間產生的交點分別在2000年、2004年、2005年和2007年。而UFK曲線在2011年后超過下限閾值，出現明顯下降[12]。結合滑動t檢驗法進行判定，總體上與M-K檢驗法的結果較為接近，綜合分析認為突變點為2003年。

圖5 碧流河水庫冰封期多年平均氣溫M-K突變檢驗

3 碧流河水庫冰凍天數與冰厚響應分析

3.1 冰凍天數、冰厚年際變化分析

3.1.1 冰封期冰凍天數年際變化特征

根據碧流河水庫近30年冰封期冰凍天數變化特征(見圖6)，水庫冰封期多年平均冰凍天數為115 d，變異系數為11%，表明水庫冰封期平均冰凍天數年際間變化較大。而水庫冰凍天數在Kendall檢驗法α=0.05情況下上升不明顯[13]。

圖6 碧流河水庫近30年冰封期冰凍天數變化

最長冰封期出現在2012年，冰封期從初冰日2012年11月23日到2013年3月31日冰塊徹底融化，冰凍天數為137 d；最短冰封期出現在2006年，冰封期從初冰日2006年12月2日到2007年3月3日冰塊徹底融化，冰凍天數為92 d?；貧w分析表明水庫冰凍天數呈現緩慢增加的趨勢，這與水庫冰封期氣溫下降趨勢表現一致。M-K檢驗法也佐證了水庫冰凍天數呈現一定的增加趨勢且呈現波動性變化特征，波動周期在5 a～8 a左右，數據分析表明碧流河水庫冰封期冰凍天數呈現在波動中逐漸增加的趨勢，與氣溫下降的趨勢相呼應。

3.1.2 冰封期冰厚年際變化特征

根據碧流河水庫近30年冰封期平均冰厚變化特征(見圖7)所示，水庫冰封期多年平均冰厚為26 cm，變異系數為12%，表明水庫冰封期平均冰厚年際間變化較大。而水庫冰厚在Kendall檢驗法α=0.05情況下上升明顯。

圖7 碧流河水庫近30年冰封期冰厚變化

2006年有多年平均最小冰厚，為19 cm；2011年有多年平均最大冰厚，為33 cm；分別對應最短冰封期和最長冰封期?；貧w分析結果表明，建庫以來水庫平均冰厚呈現逐漸增大趨勢，與氣溫逐漸降低的趨勢一致。同時，M-K檢驗結果也證明水庫冰厚呈現顯著增大的趨勢。圖7可以看出碧流河水庫冰厚呈現波動性變化特征，波動周期在10 a～15 a左右，數據總體分析表明碧流河水庫冰封期冰厚呈現在波動中逐漸增加的趨勢。與氣溫和冰凍天數的趨勢相對應，冰封期氣溫越高，冰凍時間越短，對應的冰厚也越小。

接下來用小波變換分析碧流河水庫的冰凍天數和冰厚的周期性和變化趨勢。

3.2 冰封期冰凍天數及冰厚周期性特征

3.2.1 冰封期冰凍天數周期性特征

圖8所示的一實一虛兩種線型分別表示冰凍天數的延長或縮短。由圖8可知，在碧流河水庫近30年平均冰凍天數時間序列中，14 a～16 a,10 a～13 a,4 a～8 a這3類周期特征比較明顯。

圖8 碧流河水庫冰凍天數Morlet小波變換實部等值線圖

冰凍天數的小波方差分析顯示3類周期波峰分別對應16 a、12 a、5 a(見圖9)。其中16 a時間尺度最強，但由于其時間序列較短，故代表性較弱；12 a時間尺度在2000年之前明顯；5 a時間尺度貫穿整個時間范圍，且大體上比較平穩。因此，5 a為碧流河水庫平均冰凍天數變換周期。

圖9 冰凍天數小波方差圖

3.2.2 冰封期冰厚周期性特征

碧流河水庫1986年—2015年冰厚Morlet小波變換實部等值線圖見圖10，圖中實線和虛線分別表示冰層變厚或變薄[14]。由圖可知，在碧流河水庫近30年的平均冰厚時間序列中，14 a～16 a,10 a～13 a,6 a～9 a這3類周期特征比較明顯。

圖10 碧流河水庫冰厚Morlet小波變換實部等值線圖

冰厚的小波方差分析顯示3類周期波峰分別對應16 a、13 a、7 a(見圖11)。其中16 a時間尺度具有較強的周期變化性，但因其時間序列較短，故代表性較弱；7 a時間尺度在2000年之前明顯，具有階段性；而13 a時間尺度基本覆蓋整個研究時段，震蕩中心有所上升且相對平穩。綜上，認為水庫年平均冰厚變換周期為13 a。

圖11 冰厚小波方差圖

3.3 水庫冰凍天數、冰厚突變特征

3.3.1 多年冰凍天數突變特征

如圖12所示冰凍天數在兩臨界線之間共有一個交點，發生在2010年—2011年。結合滑動t檢驗法進行判定，發現均值在2008年前后發生跳躍，總體上與M-K檢驗法的結果較為接近，綜合分析認為突變點為2008年[15-16]。

圖12 碧流河水庫冰凍天數M-K突變檢驗

3.3.2 多年平均冰厚突變特征

通過M-K檢驗法，繪制水庫多年平均冰厚的突變曲線(見圖13)。上下臨界線之間分別在2004、2005和2007年產生交點。結合滑動t檢驗法進行判定，發現均值在2008年前后發生跳躍，總體上與M-K檢驗法的結果較為接近，綜合分析認為突變點為2008年。

圖13 碧流河水庫多年平均冰厚M-K突變檢驗

3.4 氣溫與冰凍天數、冰厚的相互關系分析

從總體趨勢上看，近30年來，氣溫以0.5℃/10a的速率下降；冰凍天數、冰厚分別以2.4 d/10a和1.5 cm/10a的速率增長(見表1)。從突變特征上看，氣溫在2003年突變，而冰凍天數和冰厚在同一年2008年發生突變?？梢钥闯霰鶅鎏鞌蹬c冰厚突變年份比較同步，但與冰封期氣溫有一定差異，分析認為冰凍天數除了與氣溫有關，同時也可能受到風力等其他因素影響。從周期性特性上看，冰封期碧流河水庫的氣溫、冰凍天數和冰厚的周期分別為8 a、5 a和13 a，三者間的周期性不完全同步，因此需進一步探索多因素對冰凍天數、冰厚的影響[17-18]。

表1 氣溫、冰凍天數與冰厚的相關性對比

4 結 論

(1) 碧流河水庫冰封期多年平均氣溫為-4.1℃；呈現在波動中逐漸降低的趨勢；在2003年發生突變；主要變化周期為8 a。

(2) 碧流河水庫多年平均冰凍天數為115 d；呈現在波動中逐漸增加的趨勢；在2008年發生突變；主要變化周期為5 a。

(3) 碧流河水庫多年平均冰厚為26 cm；呈現在波動中逐漸增加的趨勢；在2008年發生突變；主要變化周期為13 a。