呂明俠,王一博,吳川東,白 煒
(1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,甘肅 蘭州 730030;2.甘肅省定西水文水資源勘測(cè)局,甘肅 定西 743000;3.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
干旱半干旱地區(qū)屬于氣候和生態(tài)系統(tǒng)脆弱地區(qū)[1],同時(shí)該地區(qū)流域生態(tài)水文過(guò)程受氣候和人類活動(dòng)的影響加劇[2]。隨著全球氣候變化的加劇和區(qū)域擴(kuò)展,干旱半干旱地區(qū)的氣溫顯現(xiàn)出明顯的升高[3-5],尤其在黃土高原西部的半干旱區(qū)表現(xiàn)更為突出。冉津江[6]的研究表明,自1960年以來(lái)干旱半干旱區(qū)的氣溫升高速率為(0.35±0.094)℃/10a,并且呈現(xiàn)出時(shí)空差異明顯的特點(diǎn)。毛翠翠等[7]指出,在20世紀(jì)70年代后期氣溫上升更為明顯,尤其在冬季[8-11],上升變化率達(dá)0.44℃/10a[12]。在全球氣候變化影響下,近地表溫度及水汽交換頻率發(fā)生變化,改變了空氣濕度,間接影響了降水及地表的產(chǎn)匯流等水文過(guò)程的時(shí)空變化,從而影響水文循環(huán)強(qiáng)度[13],水文循環(huán)過(guò)程的變化對(duì)區(qū)域氣候的改變有一定的促進(jìn)作用,使得氣候變化與水文過(guò)程的相互作用密不可分[14]。黃河上游主要屬于干旱半干旱地區(qū),氣候變化比較強(qiáng)烈,水文過(guò)程在一定程度上受其影響發(fā)生變化[15]。近幾十年來(lái),黃河流域的流域水文過(guò)程已經(jīng)發(fā)生了變化[16-17],黃河上游的來(lái)水主要是一級(jí)支流匯集,但各支流所處地理位置、區(qū)域氣候要素及下墊面條件有所不同,導(dǎo)致各一級(jí)支流水文過(guò)程的變化也不盡相同[18-23]。
水文循環(huán)過(guò)程對(duì)氣候變化非常敏感[24-25]。在全球氣候變化背景下祖厲河流域的降水、徑流及河道輸沙等過(guò)程出現(xiàn)了明顯的變化。近年來(lái)有學(xué)者對(duì)祖厲河流域水文過(guò)程的影響因素及變化特征已經(jīng)開展了初步研究[26-28],這些研究基本都是利用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)水文過(guò)程單方面要素進(jìn)行研究。針對(duì)氣候變化與下墊面條件改變對(duì)祖厲河河源區(qū)小流域水文過(guò)程變化影響的研究較少。在全球氣候變化背景下對(duì)祖厲河流域水文過(guò)程變化與氣候要素變化之間的相互關(guān)系研究非常有意義,開展祖厲河流域源區(qū)的氣候變化和水文效應(yīng)研究,能夠揭示在河源區(qū)小流域范圍內(nèi)氣候因素變化對(duì)水文過(guò)程影響的機(jī)理,對(duì)認(rèn)識(shí)干旱半干旱區(qū)典型流域水文過(guò)程及水資源分布對(duì)氣候變化的響應(yīng)有一定的科學(xué)價(jià)值和指導(dǎo)作用,為開展流域水文過(guò)程變化研究提供資料和方法。
祖厲河流域源起通渭縣華家?guī)X,于白銀靖遠(yuǎn)終入黃河。流域內(nèi)氣候干旱,年均氣溫6.4~8.8℃,降水貧乏、蒸發(fā)強(qiáng)烈,平均每年降水僅約300 mm,而蒸發(fā)量每年約1 559.3~1 660.6 mm。
選取祖厲河上游會(huì)寧站以上祖厲河上游的河源區(qū)為研究區(qū),南源厲河和東源祖河兩條河流于會(huì)寧縣城西匯合,區(qū)域面積為990 km2,厲河和祖河河長(zhǎng)分別為36、33 km,河流補(bǔ)給來(lái)源主要為降水。多年平均氣溫7.8℃,多年平均降水399.6 mm,主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè),灌溉少,近幾年研究區(qū)開展了坡地整治工程,修建了大量的梯田地。
本文研究資料主要有1980-2016年祖厲河上游中川、黨家峴、太平店、會(huì)寧雨量站及會(huì)寧水文站的水面蒸發(fā)、徑流、輸沙的實(shí)際水文觀測(cè)資料,以及1990-2016年會(huì)寧氣象站氣溫資料。
本文采用傳統(tǒng)的水文統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)氣候變化下的水文要素及其相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析,同時(shí)對(duì)其變化過(guò)程進(jìn)行M-K檢驗(yàn)[29]。
(1) M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)
(1)
(2) M-K非參數(shù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z
(2)
式中:S為正態(tài)分布,其均值為0,方差為n(n-1)(2n+5)/18;sign()為符號(hào)函數(shù),Xi,Xj為以i,j為序列號(hào)獨(dú)立同分布的隨機(jī)樣本,樣本總量n;Z為M-K非參數(shù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量,在給定的雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)置信水平α,有|Z|≥Z1-α/2,則通過(guò)了1-α/2的顯著性檢驗(yàn)。
(3) 非參數(shù)M-K突變檢驗(yàn)
(3)
(4)
(j=1,2,…,i;k=1,2,…,n)
(5)
(6)
(1≤k≤n)
(7)
式中:Sk為第i個(gè)樣本xi>xj(1≤j≤i)的累積數(shù);E(Sk)為均值,Var(Sk)為方差;UFk為Sk的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量,若|UFk|≥Ua,則表明數(shù)據(jù)序列的變化趨勢(shì)顯著;UBk為逆序統(tǒng)計(jì)量,曲線的交點(diǎn)為突變點(diǎn)。
根據(jù)研究區(qū)范圍內(nèi)1990-2016年的實(shí)測(cè)氣溫資料和1980-2016年的實(shí)測(cè)蒸發(fā)、降水、徑流及輸沙量資料進(jìn)行多年平均值計(jì)算并進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)分析。
1990-2016年研究區(qū)年均氣溫變化過(guò)程及M-K突變檢驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)圖1和表1。
對(duì)圖1及表1中研究區(qū)氣溫及其變化過(guò)程進(jìn)行分析可知,研究區(qū)內(nèi)1990-2016年多年平均氣溫為7.8℃,年平均最高氣溫出現(xiàn)在2016年為9.3℃,在1992年氣溫年平均最低6.5℃,最高最低氣溫相差2.8℃的幅度變化,氣溫Z值為2.681(表1),顯著性檢驗(yàn)程度極強(qiáng),表明氣溫以顯著的趨勢(shì)增加;1990年以來(lái)祖厲河上游河源區(qū)的氣候變暖加快,氣溫變化率達(dá)0.75℃/10a(圖1(a)),大于1970-2010祖厲河流域上升速率0.57℃/10a[25],表明研究區(qū)從20世紀(jì)90年代以來(lái)升溫尤其明顯;UF值在1992和1993年為負(fù)數(shù),其他年份均為正(圖1(b)),1998年后通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn),說(shuō)明氣溫在1992-1993年降低,而1990-1991,1994-2016年表現(xiàn)為暖化上升,以1997年為界,暖化過(guò)程明顯,1997年為祖厲河上游河源區(qū)氣溫突變年。
1980-2016年研究區(qū)年均蒸發(fā)量和降水量變化過(guò)程及其M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖2、3和表1。

圖1 1990-2016年研究區(qū)年均氣溫變化過(guò)程及M-K突變檢驗(yàn)

表1 水文要素變化Mann-Kendall檢驗(yàn)表
注:(1)氣溫為1990-2016年平均值;(2)*、**、***表示其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果分別為較強(qiáng)、強(qiáng)、極強(qiáng)。

圖2 1980-2016年研究區(qū)年均蒸發(fā)量變化過(guò)程及M-K突變檢驗(yàn)
分析圖2及表1可知,研究區(qū)蒸發(fā)能力強(qiáng),多年平均值為1 453.3 mm,年最大、最小蒸發(fā)量分別為1 744.3 mm(2000年)和951.6 mm(1981年),變化幅度達(dá)到972.7 mm,Z值為1.295(表1),通過(guò)了90%的顯著性檢驗(yàn),未通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn),說(shuō)明蒸發(fā)量增加趨勢(shì)顯著性較強(qiáng),增加速率為34.8 mm/10a(圖2(a));1980-1994年UF值呈正負(fù)波動(dòng)變化,但均未通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)(圖2(b)),1995年后,UF值穩(wěn)定為正,其中1999-2009年通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn),說(shuō)明1980-1994年蒸發(fā)量變化趨勢(shì)不穩(wěn)定,1995年后蒸發(fā)量呈穩(wěn)定增加趨勢(shì),其中1999-2009年間蒸發(fā)量顯著增加。根據(jù)M-K檢驗(yàn)圖,經(jīng)分析,研究區(qū)的蒸發(fā)量發(fā)生突變時(shí)間較氣候變化早,在1988年附近。蒸發(fā)是大氣圈和巖石圈連接的紐帶,還受其他因素的影響。
由圖3及表1分析結(jié)果表明,位于西北半干旱地區(qū)的祖厲河河源區(qū),降水量少,近40年來(lái),降水量年均值為399.6 mm,年最大、最小值分別為583、229.1 mm,出現(xiàn)時(shí)間分別為2003、1982年,年最大、最小降水量相差353.9 mm,年際變幅大,CV值為0.17,Z值為-0.43(表1),顯著性檢驗(yàn)程度不明顯,其減少變化不顯著;流域內(nèi)1980-2016年降水量減小速率為1.3 mm/10a(圖3(a)),波動(dòng)明顯,1980-2016年間降水高峰值頻繁發(fā)生,1984年530.9 mm,1990年518.0 mm,2003年583.0 mm,2013年490.6 mm,波動(dòng)低峰值出現(xiàn)頻率較低。研究區(qū)內(nèi)1980-1994年降水量UF值大于0(1982年小于0),1995-2016年UF值小于0(2007、2008、2014年大于0),并且均未通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)(圖3(b)),說(shuō)明1980-1994年降水總體呈增加趨勢(shì)(1982年略有減少),1995-2016年呈減少趨勢(shì)(2007、2008、2014年略有增加),但變化趨勢(shì)不顯著。根據(jù)UF曲線與UB曲線交點(diǎn)出現(xiàn)年份,在1994、2003、2008、2011年均存在突變。因?yàn)?995年前后降水均呈穩(wěn)定不顯著的增加減少趨勢(shì),只有個(gè)別年份不一致變化導(dǎo)致2003、2008、2011年突變點(diǎn)的出現(xiàn),改變研究時(shí)段進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)雜點(diǎn)剔除,得出祖厲河上游河源區(qū)突變時(shí)間為1994年,與祖厲河全流域降水突變時(shí)間1995年[23]基本一致。
1980-2016年會(huì)寧站年徑流量和輸沙量的變化過(guò)程及其M-K突變檢驗(yàn)分析結(jié)果分別見(jiàn)圖4、5和表1。

圖3 1980-2016年研究區(qū)年降水量變化過(guò)程及M-K突變檢驗(yàn)

圖4 1980-2016年會(huì)寧站年徑流量變化過(guò)程及M-K突變檢驗(yàn)

圖5 1980-2016年會(huì)寧站年輸沙量變化過(guò)程及M-K突變檢驗(yàn)
圖4及表1的分析結(jié)果顯示,祖厲河上游區(qū)徑流較小,1990年以來(lái)河道時(shí)常斷流。多年平均徑流量?jī)H800×104m3,最大、最小分別為2150×104m3和30×104m3,分別出現(xiàn)于1980、2016年,河道徑流流量幅度明顯減小,1996年以前,祖厲河河源區(qū)河道徑流量年際變化幅度較大,變化周期相對(duì)較長(zhǎng),1996年以后河道徑流量年際變幅明顯減小(圖4(a))。近40年徑流量變化的CV值為0.62,反映年際變幅大,Z值為-4.66(表1),說(shuō)明河源區(qū)河道徑流量減少趨勢(shì)極顯著;1980-2016年徑流量UF值小于0,且1996年后為強(qiáng)顯著性變化(圖4(b)),說(shuō)明河道來(lái)水量減少,速率為3.2×104m3/10a,且這種趨勢(shì)主要發(fā)生于1997-2016年,1997年開始發(fā)生突變,比祖厲河全流域徑流突變時(shí)間1995年[23]延遲。
圖5及表1的分析結(jié)果表明,研究區(qū)水土流失比較嚴(yán)重,河流含沙量大。多年平均值達(dá)233.9×104t,年最大、最小值分別為676×104t(1995年)和1.3×104t(2016年),年際之間輸沙量變幅大,CV值為0.72,Z值為-4.54(表1),通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn),說(shuō)明祖厲河上游河源區(qū)輸沙逐年減少趨勢(shì)顯著;除1985和1992年UF值大于0,1980-2016年其余年份UF值均小于0,減少趨勢(shì)在2005年之前不明顯,之后逐漸顯著,到2010年后極為顯著,說(shuō)明1985年和1992年輸沙量略有增加;1980-2016年以100×104t/10a的速率減少的變化過(guò)程,1980-2004年這種變化的趨勢(shì)不明顯,2005-2016年變化趨勢(shì)顯著,2010年開始變化極為顯著,在2008年發(fā)生突變,較徑流突變時(shí)間有所推遲,表明泥沙變化不僅僅由徑流的變化引起,還與其他因素有關(guān)。主要是因?yàn)槎嗄陙?lái)在祖厲河河源區(qū)開展了淤地壩建設(shè)和退耕還林為目的的植樹造林等水土防護(hù)治理工程,流域下墊面條件逐步發(fā)生變化,有效減小了坡面侵蝕,對(duì)區(qū)域水土流失的防治成效顯著,地表徑流含沙量逐年降低,使得泥沙突變年份延遲。
從研究結(jié)果分析,祖厲河上游河源區(qū)氣溫自20世紀(jì)80年代以來(lái)升溫明顯,升溫的速率為0.75℃/10a,高于黃河上游流域氣溫0.6℃/10a的變化速率,1997年發(fā)生突變,與整個(gè)黃河上游區(qū)發(fā)生突變的時(shí)間基本一致[30],說(shuō)明祖厲河源區(qū)的氣溫變化總的趨勢(shì)與整個(gè)黃河上游流域的變化一致。但研究區(qū)屬于典型黃土溝壑丘陵區(qū),氣候變化在總體上升的同時(shí)有局部的波動(dòng)[31-32],這種波動(dòng)是研究區(qū)地理和地貌及植被生態(tài)等要素共同作用的結(jié)果[33-34]。這樣的波動(dòng)性變化對(duì)區(qū)域水文要素有明顯的影響。研究區(qū)下墊面土壤為沙壤土,植被主要為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè),生態(tài)活動(dòng)單一,系統(tǒng)脆弱,對(duì)氣溫變化的敏感性較為強(qiáng)烈,具有典型的區(qū)域代表性。該區(qū)域的水文要素受氣候要素的脅迫作用非常強(qiáng)烈,降水和蒸發(fā)是干旱區(qū)關(guān)鍵的水文要素,通過(guò)對(duì)研究區(qū)近40年的蒸發(fā)資料研究表明,蒸發(fā)量變化過(guò)程在1995年前變化不穩(wěn)定,1995年后趨于穩(wěn)定,在1988年附近發(fā)生突變,與氣溫變化不一致,說(shuō)明區(qū)域內(nèi)蒸發(fā)不僅與氣溫有關(guān),同時(shí)還受飽和水汽壓、風(fēng)速、周圍植被生態(tài)及人類活動(dòng)等其他因素影響[35];研究區(qū)的降水在研究時(shí)段出現(xiàn)了波動(dòng)增加和減少的過(guò)程,1994年發(fā)生突變與祖厲河全流域變化過(guò)程[23]略有差異,但發(fā)生突變時(shí)間一致,且比1993年黃河上游降水突變有所滯后[36],研究區(qū)位于祖厲河源區(qū),受華家?guī)X局部小氣候條件的影響,降水變化具有區(qū)域差異性[37],減少趨勢(shì)有所推遲,祖厲河流域的暖干化過(guò)程受其影響也有所延遲。氣象要素變化趨勢(shì)及突變與祖厲河流域、黃河上游變化一致,但降水略有滯后,表明研究區(qū)小流域氣候變化是祖厲河以及黃河上游氣候變化的一部分,小尺度上很好地反映了氣候變化的總體趨勢(shì),但受局部小流域氣候的影響小流域水文循環(huán)過(guò)程發(fā)生異質(zhì)性改變,水文要素變化表現(xiàn)出地區(qū)差異性。
干旱區(qū)下墊面結(jié)構(gòu)單一,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)脆弱,生態(tài)水文過(guò)程對(duì)全球氣候變化極其敏感,全球氣溫上升,引起區(qū)域水量平衡發(fā)生改變,導(dǎo)致以研究區(qū)為代表的河源區(qū)水文循環(huán)過(guò)程發(fā)生變化,水資源量及時(shí)空分布嚴(yán)重失衡,已有大量研究表明未來(lái)氣溫將繼續(xù)升高[38-39],而降水減少的區(qū)域降水仍然繼續(xù)減少[40-41],干旱繼續(xù)突顯,這將會(huì)嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厮Y源量的分配格局,可能引起當(dāng)?shù)厣a(chǎn)過(guò)程和生態(tài)環(huán)境的改變。
在全球氣候變化過(guò)程中,應(yīng)對(duì)干旱區(qū)水資源供需矛盾的工程措施只能延緩氣候變化和進(jìn)行微弱的時(shí)空調(diào)整,并不能逆轉(zhuǎn)水資源短缺的現(xiàn)實(shí)。而小流域氣候和生態(tài)環(huán)境變化又影響降水、蒸發(fā)等水文過(guò)程[42],由于氣候變化導(dǎo)致的降雨量不斷減少和蒸發(fā)逐漸增加的現(xiàn)象將會(huì)加速該流域的水文循環(huán)過(guò)程的變化,影響流域水循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)安全。河源區(qū)小流域的氣候變化隨著區(qū)域擴(kuò)展構(gòu)成了流域、全球范圍的氣候變化,加強(qiáng)小流域氣候變化對(duì)水文循環(huán)的影響研究在很大程度上能有效預(yù)測(cè)未來(lái)短期、長(zhǎng)期時(shí)間尺度及空間尺度上流域、全球的氣候變化趨勢(shì)[43],為人類尋求有效防護(hù)措施提供依據(jù)。
根據(jù)研究區(qū)內(nèi)1980-2016年降水、徑流和輸沙量分析研究區(qū)的降水量與河道徑流量之間以及河道徑流量與輸沙量之間的變化關(guān)系,結(jié)果如圖6所示。圖6表明,降水量、徑流量及輸沙量之間的變化有明顯的相關(guān)性。
河道泥沙含量變化與下墊面及人類活動(dòng)有關(guān)[44],同時(shí)也與水文要素有關(guān)[45]。由圖6結(jié)果分析,祖厲河上游河源區(qū)為黃土溝壑區(qū),且植被蓋度較低,當(dāng)?shù)氐闹饕a(chǎn)為傳統(tǒng)的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè),暴雨型降雨導(dǎo)致土壤侵蝕嚴(yán)重,是祖厲河泥沙的主要形成區(qū);徑流量-輸沙量的線性相關(guān)性(圖6(c))高于降水量-徑流量(圖6(a)),兩者皮爾遜相關(guān)系數(shù)r分別為0.93和0.41,說(shuō)明研究區(qū)泥沙的決定因素為徑流量,其他因素的作用非常微弱,而徑流量除受降水的主要影響外,降水的時(shí)空分布及下墊面的不同特征也發(fā)揮著重要作用[46]。生態(tài)系統(tǒng)脆弱的西北半干旱區(qū)的區(qū)域水文過(guò)程受氣候變暖和人類活動(dòng)的影響強(qiáng)烈,一方面,由于氣候變化引起的降水及其時(shí)空差異使河道徑流相對(duì)區(qū)域降水的突變時(shí)間滯后[47],由此,在祖歷河上游源區(qū)出現(xiàn)了1994年降水的突變引起了1997年徑流發(fā)生突變[48],這就導(dǎo)致了雙累積曲線(圖6(b)、6(d))圖中降水量-徑流量、徑流量-輸沙量關(guān)系于1997年發(fā)生一致變化,即氣候變化是引起降水、徑流、泥沙及其相關(guān)關(guān)系變化的根本原因;另一方面,下墊面植被的種類及分布的區(qū)域差異在很大程度上影響了徑流與泥沙變化的不同步[49],隨著20世紀(jì)80年代以來(lái)大量退耕還林(草)、“121”雨水截留等水土保持工程的實(shí)施,有效改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,產(chǎn)匯流過(guò)程受其影響而有所改變,水力侵蝕減弱,河道泥沙流失減少,使得泥沙在2008年發(fā)生突變,氣候和地表生態(tài)的水文效應(yīng)明顯[2],說(shuō)明人類活動(dòng)改變了區(qū)域內(nèi)下墊面條件,造成了2008年泥沙及徑流-泥沙關(guān)系的變化。

圖6 1980-2016年研究區(qū)內(nèi)降水-徑流、徑流-泥沙相關(guān)關(guān)系及雙累積曲線圖
祖厲河上游河源區(qū)流域水文過(guò)程受氣候變化響應(yīng)強(qiáng)烈,對(duì)降水、蒸發(fā)、徑流、泥沙等關(guān)鍵水文要素都產(chǎn)生了影響。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵水文過(guò)程對(duì)氣候的響應(yīng)進(jìn)行分析,可以得出以下結(jié)論:
(1)祖厲河上游自20世紀(jì)80年代以來(lái)區(qū)域性氣候變暖明顯,氣溫顯著升高,1990-2016年上升速率為0.75℃/10a,1997年發(fā)生突變。自1995年以來(lái),祖厲河上游河源區(qū)的降水量逐漸減少,1980-2016年變化率為1.3 mm/10a,并且在1994年出現(xiàn)了突變,同時(shí)蒸發(fā)則持續(xù)增加,變化率為34.8 mm/10a,祖厲河上游河源區(qū)的河道徑流量逐漸減少,自2000年開始出現(xiàn)了持續(xù)干涸現(xiàn)象。
(2)1980-2016年,研究區(qū)的河道徑流量和輸沙量在氣候變化影響下顯著減少,變化率分別為3.2×104m3/10a、100×104t/10a。1997年徑流的突變和降水量-徑流量、徑流量-輸沙量關(guān)系的變化是對(duì)氣候變化響應(yīng)的結(jié)果,而人類保護(hù)自然環(huán)境采取工程措施,通過(guò)改善祖厲河源區(qū)小流域下墊面條件,降低了區(qū)域土壤侵蝕,引起2008年泥沙減少的突變和徑流量-輸沙量關(guān)系發(fā)生關(guān)變化。