氣候變化下石羊河流域水資源特征分析

郭小芹　劉明春　曾婷等

摘要 基于5個氣象站點30年氣象觀測資料和近10年的水資源數據，運用數理統計方法分析了石羊河流域水資源特征，結果表明，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性變化；地下水位趨深，北部荒漠地區持續下降；水資源總量以0.880 9億m3/a的速度減少，且對降水的敏感度明顯高于對溫度的反映，水資源開發利用形勢非常嚴峻。

關鍵詞 石羊河流域；氣候變化；水資源；徑流量；敏感度

中圖分類號 S271 文獻標識碼 A 文章編號 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陸河三大水系之一，河流發源于南部祁連山脈，消失于巴丹吉林和騰格里沙漠之間的荒漠地區。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，自產水資源量為15.6億m3，與地表水不重復的凈地下水資源量1.0億m3，流域可利用水資源量平均達17.8億m3，按現有人口和耕地計，屬典型的資源型缺水地區。

作為我國水資源開發程度最高的內陸河流之一，石羊河流域水資源緊缺程度引起社會各界的高度關注[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環境問題已凸顯出“羅布泊”特征，昭示騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠會合之勢，對我國生態安全構成嚴重威脅。隨著石羊河重點治理進程的加快，區域水資源開發利用面臨著諸多研究課題[4-6]。氣候變暖將會加劇冰川消融和地表蒸發，使降水量重新分配，進而影響研究區域乃至更大范圍的水平衡，這將對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，對流域水資源狀況進行了深入分析，以期為石羊河流域水資源開發利用提供一些參考依據。

1 資料與方法

1.1 資料選取

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

1.2 分析方法 數據處理工具為SPSS13.0、Minitab Ver 8.02，計算過程還采用了累計距平、相關分析、Mannkendall、神經網絡耦合[7]等，以期得到充分可靠的結論。

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和，在計算中需要扣除兩者之間互相轉化的重復計算量。

徑流量是指由降水、地下水、冰雪融水補給而成，扣除蒸發、土壤入滲、植物截留及洼地滯蓄，經過水文觀測得到的河流匯水面積。

2 結果與分析

2.1 石羊河流域氣候變化特征

2.1.1 溫度變化趨勢。

伴隨著全球氣候變暖進程的加快[8]，石羊河流域的增溫現象十分明顯（表1）。其中上游地區增溫幅度為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90年代比80年代高0.5 ℃，21世紀以來比90年代高1.2 ℃，尤其是2006、2009年年平均溫度達10.0 ℃，比30年平均溫度偏高1.5 ℃，增暖的趨勢非常顯著。從圖2可以看出，石羊河流域增暖現象始于1997年，1999年起顯著增暖，這一時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降水量略有減少，冬季降水量減少明顯。以徑流量為研究對象，分析石羊河流域諸河流狀況，結果顯示西營河、東大河、雜木河和西大河分別占總徑流量的25%、23%、18%和13%，也就是說這4條河流為石羊河主體河流；河流徑流量呈波動性變化，以西營河為例，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），低值年份徑流量僅占高值年份的60%左右，徑流量年際變化比較明顯。

經分析，河流徑流量與降水量密切相關，其中西營河、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，其相關系數分別為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聯，其相關系數分別為0.831、0.788。說明作為水資源總量的重要組成部分，降水量不僅嚴重影響著河流的水域面積，還影響著研究區域水資源的開發利用程度。

2.2 石羊河主干流徑流量

對1956～2000年石羊河干流進入民勤紅崖山水庫的徑流量分析顯示，其變化趨勢為Y=-0.098X+5.289 4（R=0.916 3≥R0.05=0.298 0），說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、設施農牧業以及節水型經濟增長方式的推進，另一方面得益于人工增雨、外部調水的無條件補給，如景電二期工程從2000年以來不斷向石羊河流域輸水，至2010年累計向民勤調水4.98億m3，目前北部荒漠地下水位回升明顯，生態環境得到明顯改善。

分析石羊河主干流月流量發現，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，月流量表現出2個高峰時段，分別為3～4和8～10月，年最大流量出現在9月份，最小流量出現在11～12月，這種季節性變化與氣候特征密切相關[9-10]，8～9月份正值副熱帶高壓西伸和東退時段，當有適宜的水汽條件時便會在當地形成降水，同時在副熱帶高壓控制時段天氣晴好，溫度攀升，還會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，使得研究區域主干河流呈現出典型的季節性特征，盡管近10年來研究區域降水量銳減，但氣候變暖卻在一定程度上補給了石羊河。

2.3 地下水位變化

2008年石羊河水資源開發現狀綜合評價顯示，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86%，地下水利用率超過100%，這意味隨著氣候變暖和對水資源的大量開采，地下水已處于不可持續狀態。分析顯示，石羊河流域地下水位埋深表現出上游淺、下游深且有逐年增大的趨勢。其中下游北部荒漠變化趨勢為0.602 m/a，中部平原為0.030 m/a，這種變化趨勢與地下水開發利用有密切聯系。

中部平原地下水開采量逐年增多，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；在石羊河流域重點治理以后地下水位下降幅度逐漸減緩，但恢復期依然遙遠。

從北部荒漠地下水位變化（圖4）可以看出，地下水位持續下降，1998～2007年降幅0.589 m/a，下降趨勢非常顯著（R=0.996 0≥R0.05=0.632 0），且埋深在10～24 m；其中泉山區降幅0.868 m/a（R=0.986 6），埋深23.8 m；壩區降幅0.570 m/a（R=0.992 7），埋深21.2 m；湖區降幅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，蒸發量2 600 mm以上，區內補給水源主要是石羊河徑流入境，20世紀50年代在北部荒漠低洼處還有季節性湖泊，隨著水資源開發利用程度的提高，石羊河流入民勤的水量逐年減少，導致湖泊干涸，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年地下水實際開采量為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

石羊河水系發源于南部祁連山脈，河流補給主要來源于祁連山降水、高山冰雪融水和山區地下水，其中冰川融水占2.7%、山區地下水占21.9%、山區降水占75.4%，從流域水資源的基本特征分析看，山區降水形成地表徑流而匯集成河，沿途接納山區地下水和冰雪融水，自南向北流出山后基本上全部被水庫攔蓄和引入灌溉渠系，而地表水在引用途中則大量滲漏轉化為地下水，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，經消耗轉化補給地下水，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入民勤紅崖山水庫。

對2003～2009年流域水資源總量分析顯示（圖5），其變化趨勢為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，從2009年起水資源減少趨勢得到明顯減弱，水資源總量有所回升，其中地表水和地下水基本止跌。

水資源總量的補給主要來源于大氣降水，那么在研究區域氣候變暖的背景之下，水資源總量會出現怎樣的變化呢？用神經網絡對流域水資源敏感度進行分析，結果（表3）顯示，當降水量保持不變時氣候變暖將使水資源總量減少，當溫度不變時降水量增加會使得水資源總量明顯增加；水資源總量對降水的敏感度明顯高于對溫度的反映。在研究區域氣候明顯變暖的背景下，降水量的制約將使水資源開發利用形勢更為嚴峻。

3 對策措施

石羊河流域重點治理的關鍵是水問題，具體體現在增加北部荒漠地表水量，逐步恢復與改善民勤生態，而面對嚴峻的水資源短缺現實，如何建立節水型社會便成為重中之重。如控制農田灌溉面積，降低灌溉定額指標，實現水權機制的改革；大力推廣以日光溫室和地膜覆蓋技術為主的節水農業，采用渠灌、管灌、大田滴灌等節灌模式，優化農業種植結構，減少農業用水總量；利用獨特的自然條件，大力推廣棉花、瓜類、鹽地藥材、苜蓿飼草等特色農業，減少大田農業種植面積，提高經濟作物效益，實現農業產業化的轉型，通過這些措施可以有效緩解水資源短缺問題。

在加強石羊河流域重點治理的同時，如何增加降水量以有效補給流域水資源總量，這將是氣象部門面臨的嚴峻挑戰，由于流域徑流量的補給主要來源于大氣降水，而研究區域降水的季節性特征則要求人工增雨要借助有利的天氣形勢及時作業，不放過一個過程，最大程度地增加有效降水。

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