氣候變化對黃河上游水文水資源影響的關鍵問題研究

趙明旭 關磊 李改香

【摘要】氣候方案的假定要跟月水量平衡模型密切的聯系在一起，這樣才能夠實現對黃河水文的綜合分析，并能得出具體的氣候變化內容。在具體的分析中能夠知道：水文的形成受到降水的影響很大，而在氣溫方面則表現的不是很突出，如果保持氣溫的恒定，在降水少10%的時候，土壤含水量和年徑流量都會收到巨大的影響，分別降低了 4. 3%和 5. 1%左右； 這一點也反映在汛期上，在汛期的時候表現的十分突出。

【關鍵詞】氣候變化；黃河上游；徑流量；土壤含水量

1、引言

氣候變化大多都是全球性的，在溫室氣體的影響下，全球的氣候相較以往變化很大。全球性的氣候變化對很多地區造成了不利的影響，導致了一系列的自然災害，比如干旱和洪澇災害，而最重要的是水循環的變化，變暖已經成為全人類面臨的重大問題。人們對于氣候的關注程度也不斷地上升。而氣候變化與水文密切聯系，人類在水資源的利用上已經遭遇了很嚴重的困難，很多地區面臨水資源短缺，加強水資源的管理已經成為當下重要的任務，也是緩解人類用水安全的關鍵問題，這也將有利的推動世界各地區的經濟發展。當前的研究中，水文模型和氣候模型相結合的形式非常常見。本文基于這兩者的結合，集中分析了黃河上游水文與氣候的相互關聯。

2、流域水文、氣候概況

黃河上游的地理位置非常的特別，東西南北分別是黃土高原、昆侖山界、巴顏喀拉山霾和柴達木盆地，并且在分布在青藏高原上，這種地貌也被稱作是高寒草原，蘭州以上的長度達到了2119km，22萬km2的集水面積， 不過也僅僅占到總流域的30%；由于地處青藏高原，因此海拔在4000m以上，導致氣溫的平均值非常低，是-2.5℃。這些地方的積雪對于地貌的影響非常的嚴重，并且受到來自印度洋氣流的影響，降水量也比一般地方要多，達到了500mm，降水量在黃河總流域是比較多的地區，汛期就占到了60%；徑流的充沛、植被條件的完好、降水的及時以及氣候的良好條件為大徑流量提供了條件，讓其達到了140mm，年徑流系數在多年的觀察中也被定為為0.32，這個地區的全年徑流量達到了336億m3，這個數據是整個流域的一半，這對于黃河流域來說非常的重要，而冰雪的融化是重要的來源，占到了其中的五分之一。

3、月水量平衡模型

在具體的分析中。參考標準的水平衡原理，在綜合的分析中實現了月水量平衡模型創建。 具體的分析中涉及到了融雪徑流、地面和地下徑流三個方面的內容。在比較分析中，模型能夠實現簡單的對比，并實現了綜合的推廣。但是模型對于數據的依賴性比較大，在有氣溫資料片、降水量以及蒸發能力的條件下，能夠得出如下的計算方程，具體如：

其中：Si表示當月土壤中的含水量；Si-1在表示上月土壤中的含水量；Pi表示當月的降水量；Ei 表示當月水的蒸發量；Ri表示當月的徑流量；RSi表示當月地面的徑流量；RGi 表示當月的地下徑流量；RSNi表示當月的融雪徑流量；Ew 表示蒸發能力，該值一般是通過相關的資料計算所得，也可以根據E601蒸發皿監測的實際值為準；SNi 表示當月的積血量，其值可以通過當月的降水量以及當月的氣溫曲線進行計算；ti 表示當月氣候的平均溫度；其與的幾個值如Smax、ks、kg 和ksn等是該模型的一個參數，在特定條件下為定值，其值大小是由水流域下面的墊面以及當地的氣溫決定的。在該模型中，土壤含水量是一個重要的變量，表示的是流域的狀態。在使用該模型時，首先要提供流域的初始值，也就是S0的值，隨后再取三種不同的水源進行運算，推導出流域在最后狀態下的含水值。在計算的過程中，會有一個最大的含水量Smax，通常初始值取最大值的一半。使用該模型時，人為因素對結果的影響比較大，為了降低這種影響，一般都會選擇將前兩年的計算資料當做預熱期，再根據后來的計算資料確定相關的參數。為確保模型能夠準確的反映流域的特征，通常會選取一段時間內的數據，然后用該模型加以驗證，如果在率定期和檢驗期的結果都符合有關要求，說明選用的該模型較為合適。根據蘭州站的現有資料輸入對應的數據如降水量、氣溫等，選取蘭州站在1958～1989 期間的數據資料，以測得的實際徑流量和相關的目標函數為依據來確定該模型的參數值，同時選用1990～1995期間的數據進行模型適用性檢驗。其公式為：

其中：R2表示該模型的效率；Re表示該模型的相對誤差；qri 表示徑流量的測量值；qci 表示計算徑流量，表示徑流量的測量的均值；n表示選取樣本的數目。

R2越趨向于1，同時Re越趨向于0，表明模擬的結果越準確。通過計算可知，率定期的模型效率系數視75.6%，而在檢驗期模型效率系數則是72.4%，對應的誤差都小于4%。為了使結果對比變得更為直觀，作者繪制了在1981～1995期間，本站徑流量的實際檢測值以及對應的計算值，如圖1所示。由圖可以知道，檢測的實際值與計算得到的數值具有較好的線性關系，這說明該模型能夠很好地模擬該站流域的徑流結果，因此該模型能夠用于研究溫度變化對當地水文的作用和影響。

4、氣候變化對黃河上游水文的作用和影響

4.1 對蒸發能力的影響

蒸發在水循環以及轉換過程中是一個很重要的環節。因為在水文模型中需要輸入水域的蒸發能力，而在氣候模型中只能提供溫度的變化幅度和降水的變化幅度，所以探究氣溫變化對蒸發能力的影響具有重要作用，是探究氣溫變化對流域水文影響的前提基礎和條件。根據相關的統計數據可知，在蘭州及其上游區域，氣溫的變化和水的蒸發能力具有很高的指數線性關系，其模型為：

Ew=e （ 4. 41+0. 054t）

（n=240，R=0.92）

其中：Ew表示水蒸發的能力；t表示溫度；n表示樣本的數量；r表示系數。通過公式能夠計算出溫度改變對水蒸發能力的影響程度，當氣溫增高1℃時，蒸發能力提高5.15%，而當氣溫增高2℃時，蒸發能力提高11.33%。

4.2 對上游水文的影響

全球氣候模型（GCMs）能夠評估出將來一段時期內全球各個地區氣候變化情況，雖然使用不同的氣候模型，其評估的結果也有所不同，但這些評估結果的趨勢變化還是相同的，這說明在以后的很長一段時期內，黃河流域的上游區域氣溫將會升高1.5℃，相應的降水也會有一定的變化。因為使用模型得出的結果存在不確定性，因此在探究溫度變化對水文影響的作用時，采用假定的氣候方案。考慮到當地的實際情況以及將來的相關要求，將假定的方案設定為：降水量的變化幅度分三個檔次，保持不變、±10%以及±20%；溫度的變化幅度也分為三個檔次，保持必變、±1℃以及±2℃，這兩個因素五個水平一共有25中組合。徑流量的數值能夠體現出該流域產流條件優劣，而土壤含水量對生態環境、農作物生產具有重要作用，估選取這兩個因素作為研究氣溫變化對水文影響的變量。假設溫度的改變不影響氣候因子的空間分布、不改變以后降水、溫度以及蒸發收縮以后的順序，采用月水量平衡模型得出在不同條件下的徑流量以及土壤含水量的數值。

由此可知：①降水量增加或者溫度的降低，會使流域的徑流量和土壤中的含水量增加；②降水量的變化對徑流量的影響程度要大于對土壤含水量的影響；而溫度變化對徑流量的影響程度要小于對土壤含水量的影響程度；③降水變化對徑流量以及土壤含水量的影響程度要高于溫度變化的影響程度，保持溫度不變，降水降低10%，徑流量降低12%，含水量降低6.9%，而保持降水不變，溫度升高1℃，二者分別降低了4.3%和5.1%；④降水量增加越大，溫度變化對二者的影響程度也就越大，如在降水量提高20%時，氣溫增加1℃，二者分別降低了5.3%和6.0%，而當降水降低20%時，氣溫增加1℃，二者分別降低了3.4%和4.0%；⑤在這25中不同組合的條件下，影響最為不利的組合是在降水降低20%，而溫度增加2℃，對應的徑流量降低29.8%，而土壤含水量降低21.5%。

在流域處于汛期的階段，地面徑流得到良好的發育，使得土壤含水量能夠得到及時補充，估在此階段，徑流和含水量都比較大。但是在非汛期階段，特別是一年的11月到來年的3月，當地溫度很低，降水量明顯減少而且還是以冰雪的形式出現，故土壤中含水量比較低，幾乎是處于無水蒸發的情況，而此時的地下徑流是徑流的主要組成部分，在此階段，溫度變化對徑流以及土壤含水量的影響變化較小。根據相關統計可知，在降水降低20%，溫度上升2℃時，在每年的1～3月期間，徑流量和土壤含水量則分別降低2.6mm和3.5mm，而在7～9月期間，這兩個數值分別降低為25.1mm和55.2mm。

5、黃河源區和上游徑流量的年代際變化特征及其與降水的關系

5.1 黃河源區徑流量的變化及其與降水和氣溫變化的關系

張士鋒等根據大量探究結果證明，黃河源區水循環改變情況和該地區的氣候之間存在緊密聯系，同時對黃河源區的徑流情況產生干擾。因此，本文深入探究其徑流與降水以及氣溫之間的聯系。。

5.2 黃河上游地區徑流的變化及其與降水和氣溫變化的關系

蘭州站點在1960～2003年間對黃河上游區域的每年的徑流量距離平均值的改變情況與不同年代的變化方向。由此能夠得知，其每年的徑流量也存在明顯的改變，改變范圍高達±0.4方差。而且同上文源區徑流與降水之間存在的關聯性保持一致，上游區域的徑流改變與降水之間的相關性在99%的置信水平下，高達0.69。但是，其與年際溫度改變情況之間的相關性僅為-0.38，這遠低于徑流和年降水改變情況之間的相關性，但是同源區的對比來看，要遠遠超過其與每年溫度改變情況之間的相關性 。這表示由唐乃亥至蘭州區域間每年的徑流量改變情況和氣溫之間存在明顯的關聯性。本探究進一步得知此區域間徑流和年均氣溫改變情況之間的相關性為-0.58，這是因為該地區位于比源區海拔更低的半干旱區域， 所以，其徑流和氣溫改變情況之間存在較大的聯系。不僅如此，上游徑流的年代改變情況也涉及兩個階段，即上世紀60～80年代末的偏豐水期與自90年代開始至今的偏枯水期，這同源區的年代徑流改變情況相同，也同藍永超等人獲得探究結論相吻合。所以，由90 年代開始至今，上游的徑流量迅速減少，不僅是因為源區的徑流量降低，還因為兩站點之間的區域降水量降低與氣溫明顯升高所導致的。

5.3 黃河上游徑流變化對華北水資源的影響

黃河穿過甘肅、內蒙 、山西等多個省份地區，由花園口流經河南等地，最終匯入渤海，是華北區域主要的水源。它是處于華北區域的山西、河北等省份區域人們生產生活的重要水源；同時，因為近年來天津與北京兩地的供水量嚴重不足，同樣需要由黃河調水。所以，其上游的水量改變決定了華北區域水源的改變情況。花園口站點對黃河中游流量在不同時期的年均流量改變情況的監測結果。由此能夠得知，上世紀中葉該地區自然的徑流量大概為484×108m3，60年代擴大至506.0×108 m3，而到了70年代又減小至380×108m3，80年代又擴大至425.1×108m3。但是，結合該站點在1990～1996年間實際監測到的年均徑流量僅為287.2×108m3，這與80年代的徑量相比而言，將近降低了32.4%。

黃河下游的徑流量在上世紀90年代迅速降低，這和上游水量降低之間存在緊密的關聯。下游蘭州站點在 90 年代的年均徑量要比80年代實際測量的黃河徑流量大概降低了100×108m3。結合李桂忱的探究結論可知，黃河在80年代的年均徑量為365.9×108 m3 ，但依據1990～1996年間的監測數據，其年均徑流僅為266.5×108 m3，大概降低了27.3%。經過上述的探討能夠得知，源區與上游的徑量改變情況會對下游的徑量改變產生決定性作用，從而對整個華北區域的水源量造成極大的影響。黃河出現斷流不僅是因為花園口下游區域的生產用水量急劇增多，還因為上游的來水量降低。

6、總結

本文運用水文模擬的方式，探究了黃河上游區域溫度變化對徑流以及土壤含水量影響程度。研究表明，溫度變化對土壤含水量的影響程度要低于對徑流的影響程度，降水變化對徑流量以及土壤含水量的影響程度要高于溫度變化對其的影響程度，在汛期階段，溫度變化對徑流以及土壤含水量的影響程度要高于非汛期階段。

參考文獻：

[1]王國慶，張建中.融雪徑流模型及其在唐乃亥站的應用[J].西北水資源與水工程，1997，（02）：60-64.

[2]趙人俊.流域水文模擬[M].北京：水利電力出版社，1981：120-140.