氣候變化對黑龍江省七星河徑流驅(qū)動的影響

鄭 紅，魏 磊，高 峰，潘華盛

(1.黑龍江省氣候中心，黑龍江哈爾濱 150030；2.寶清縣生產(chǎn)力促進中心，黑龍江寶清 155600；3.黑龍江省氣象臺，黑龍江哈爾濱 150030)

七星河是黑龍江省三江平原撓力河左岸的重要支流，分為內(nèi)、外七星河。內(nèi)七星河發(fā)源于雙鴨山市七星砬子山，河水經(jīng)三環(huán)泡狼豁子泄洪道向東至炮臺亮子入撓力河，全長241 km，流域面積4 001 km2，其中山丘區(qū)1 600 km2。外七星河發(fā)源于完達山北麓的雙鴨山，進入平原后，河身漫散于沼澤濕地區(qū)，流經(jīng)黑魚泡滯洪區(qū)折向東，漫行于沼澤區(qū)、名漂筏河，于解放亮子開始有明顯河槽，轉(zhuǎn)向東北在菜嘴子以上4 km處匯入撓力河，長約142 km，流域面積6 520 km2，絕大部分是平原，約占91%，山丘區(qū)面積僅為713 km2。如按平原計，內(nèi)七星河流域面積為2 401 km2，外七星河流域面積平原部分為5 933 km2，則七星河流域平原部分總面積8 334 km2(圖1)。

近二三十年來，我國水利、氣象、地理等部門科技工作者對三江平原沼澤濕地下墊面的改變和土地利用變化及其對濕地的蓄水調(diào)洪功能及徑流變化的影響[1-5]、氣候變化對水資源和農(nóng)業(yè)氣候資源及空間分布的影響[6-9]、氣候變化和水利工程建設(shè)對徑流變化的影響[10-15]進行了研究，但針對氣候要素本身降水、蒸發(fā)、氣溫的變化特別氣候變暖情景對徑流影響的研究卻較少。筆者利用1961—2013年保安和寶清氣象、水文監(jiān)測資料，基于水量平衡方程，采用相關(guān)、趨勢和突變檢測等方法，研究七星河流域中游區(qū)段降水、氣溫、蒸發(fā)及其對徑流驅(qū)動的影響，以期為科學(xué)地合理調(diào)配水資源、綜合利用整個三江平原水資源和農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1資料來源選取的七星河保安站位于寶清縣西北約30 km處的七星河鄉(xiāng)內(nèi)，距五九七農(nóng)場23 km，是七星河流域中游區(qū)段的唯一代表性水文監(jiān)測站。所選資料包括1961—2013年逐年七星河流域中游段保安站的降水、徑流資料，撓力河中游寶清水文站的降水、蒸發(fā)、徑流資料，均來自黑龍江省水文局；寶清氣象站年平均氣溫、五九七農(nóng)場降水資料，來自黑龍江省氣象信息中心。其中五九七農(nóng)場的降水資料年限為1967—2009年。

1.2研究方法基于水量平衡方程[16]，采用氣候變化趨勢分析法、相關(guān)系數(shù)分析法、Mann-Kendall突變檢測法[17]等，分析了七星河流域中游區(qū)段降水、氣溫、蒸發(fā)及其對徑流驅(qū)動的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1七星河中游降水

2.1.1保安、寶清與五九七站降水關(guān)系。經(jīng)互相關(guān)計算，保安與五九七降水的相關(guān)系數(shù)為0.88，保安與寶清降水的相關(guān)系數(shù)為0.80，寶清與五九七降水的相關(guān)系數(shù)為0.69，相關(guān)系數(shù)均達到了0.01信度檢驗，表明保安、寶清、五九七的面雨量關(guān)系是存在的。

圖1 七星河流域周邊地理形勢Fig.1 Geographic situation around Qixing River Basin

從圖2可以看出，近53年寶清與保安站降水年際變化較一致，保安降水呈稍上升趨勢，上升幅度為6.5 mm/10 a；寶清降水基本變化不大，上升幅度為0.7 mm/10 a。保安降水多年(1971—2000年)平均為519.7 mm，寶清降水多年(1971—2000年)平均為514.9 mm，保安降水基本持平寶清降水。年降水最大值寶清、五九七站均出現(xiàn)在1981年，分別為826.5、879.5 mm；保安卻出現(xiàn)在1994年，為849.0 mm，可見位于兩站中間的五九七降水較多。1981年，三江平原出現(xiàn)有記錄以來最嚴重的洪澇，糧食減產(chǎn)5成左右，個別低洼地塊造成絕產(chǎn)[18]。年降水最少值保安和寶清出現(xiàn)在1967年，分別為312.7和305.3 mm，五九七出現(xiàn)在1976年，為375.2 mm，三江平原發(fā)生嚴重干旱，糧食損失慘重。3站最大與最小降水量相差近500.0 mm。

2.1.2降水變化。從圖2可以看出，近53年來保安與寶清降水變化基本一致，選取代表站保安進行降水變化多項式擬合。明顯所見，降水存在多與少時段的變化；1961—1979年為少水段，平均478.0 mm，較多年平均值少42.0 mm；1980—2002年為多水段，平均為540.0 mm，較多年平均值多20.0 mm；2003—2011年為少水段，平均為474.0 mm，較多年平均值少46.0 mm。2012年后保安降水將由少水轉(zhuǎn)為多水時段，這一結(jié)論是與全省降水由少水轉(zhuǎn)多水時段觀點相一致的[19]。

圖2 1961—2013年寶清與保安降水量變化Fig.2 Variation of precipitation in Baoqing and Bao’an during 1961-2013

2.2七星河與撓力河徑流變化關(guān)系選取撓力河中游站寶清和相距20多公里七星河中游站保安，兩站地貌特征生態(tài)環(huán)境一致，而且同在一個面雨量控制區(qū)域內(nèi)，因此兩站年徑流變化趨勢也是非常一致的(圖3)。經(jīng)計算，兩站年徑流量相關(guān)系數(shù)為0.89，遠遠大于0.01信度檢驗。寶清徑流增加則保安徑流就增加，寶清年徑流以5 994.8 萬m3/10 a在減少，保安年徑流以2 180.6 萬m3/10 a同樣在減少。寶清多年平均徑流量43 561萬m3，保安多年平均徑流量15 762萬m3，寶清年徑流為保安的2.8倍。從寶清年徑流變化多項式擬合曲線來看，1961—1981年為徑流增多期，平均流量為54 959萬m3，較歷年平均流量(43 561萬m3)多11 398萬m3；同期保安徑流較歷年平均多4 335萬m3；但這一時期徑流量波動也較大，近53年4次大的徑流1964、1973、1974和1981年都發(fā)生在此期，尤其1981年發(fā)生特大流量，寶清為132 600萬m3，是歷年平均流量的3倍，保安為55 500萬m3，是歷年的3.5倍，造成三江平原嚴重洪澇；而1976—1979年也是近53年來徑流量最少的4年，寶清平均不到10 000萬m3，而保安為4 475萬m3。1982—1997年為徑流平穩(wěn)期，平均流量為40 467萬m3，較歷年平均稍多3 094萬m3，基本變化不大；同期保安徑流量為15 756萬m3，與歷年徑流持平。1998—2009年為徑流減少期，寶清平均流量為28 009萬m3，較歷年平均減少17 552萬m3；同期保安徑流量為11 162萬m3，較歷年減少71%。2010年后特別是2013年后徑流量將開始增多。

圖3 1961—2013年寶清與保安年徑流變化Fig.3 Annual runoff changes of Baoqing and Bao’an during 1961-2013

圖4 1961—2013年保安年降水與徑流量關(guān)系Fig.4 Relationship between precipitation and runoff in Bao’an during 1961-2013

2.3降水變化對七星河中游徑流驅(qū)動的影響從圖4可以看出，近53年來七星河中游的保安降水呈微升趨勢，徑流呈微降趨勢，保安降水與徑流均具有10年左右的重現(xiàn)期。經(jīng)相關(guān)計算，降水與徑流之間的相關(guān)系數(shù)達0.72，遠大于0.01信度檢驗，表明保安降水多則七星河中游徑流量就多，降水少則徑流少；但從撓力河與七星河之間的面雨量代表站寶清來說，與七星河徑流量相關(guān)系數(shù)為0.74，高于保安與徑流的相關(guān)系數(shù)，尤其寶清氣象站的年降水與保安徑流的相關(guān)系數(shù)為0.79，相關(guān)關(guān)系更大一些。經(jīng)統(tǒng)計，保安降水≥600 mm的年份共有13年，則對應(yīng)保安徑流除1988、2000、2012年偏少外，其余10年徑流偏多；寶清1988和2012年降水都是偏少的(表1)。如保安降水距平百分率取≥120%為降水特多年，則共有9年，僅2000年徑流偏少，其他8年則對應(yīng)徑流偏多2.5成。表明降水量是驅(qū)動徑流變化的主要原因之一。另外，從七星河徑流的減少趨勢來看，主要是在1982年后，土地利用發(fā)生較大變化，它中游區(qū)域有大量水稻田種植面積的增加，如五九七農(nóng)場水稻1984年僅有13 hm2，到2009年已增至16 000 hm2，擴大了1 231倍。友誼農(nóng)場由1984年的377 hm2已增加至2006年的21 347 hm2，擴大了57倍。由于水稻面積大幅增加，抽取大量地下水和地表水灌溉，使地下水減少，水位下降，這樣增加了地表徑流補充土壤包氣帶的水分，影響了地表徑流的流出量，導(dǎo)致了七星河徑流量的減少。這也表明土地利用的變化和水利工程發(fā)展也是驅(qū)動地表徑流減少的另一主要原因之一。

表1保安、寶清氣象站年降水量≥600mm和對應(yīng)保安年徑流量

Table1Annualprecipitation(≥600mm)andcorrespondingannualrunoffofBao’anandBaoqingweatherstation

年份Year降水量Precipitation∥mm保安Bao’an寶清Baoqing徑流Runoff∥萬m319626286062517119716255162486319726297312505119746006963728119817998285550019886054631232019917486223429019948497104549020006335699207200268164219800200961959818030201261650012790201364566424830

2.4蒸發(fā)變化對七星河徑流的影響選取與保安距離23 km的唯一有水面蒸發(fā)監(jiān)測的寶清水文站，它的蒸發(fā)過程完全可以代表七星河中游段的蒸發(fā)。從圖5可以看出，近53年來寶清蒸發(fā)呈稍下降趨勢，以14.6 mm/10 a的速率下降，這與黑龍江省風(fēng)速減少有關(guān)[20]；蒸發(fā)與徑流相關(guān)系數(shù)為-0.25，很接近信度0.05檢驗，表明蒸發(fā)量大則徑流就減少的反相關(guān)關(guān)系。但從蒸發(fā)對降水時段變化來看表現(xiàn)是不同的，多年(1971—2000年)平均蒸發(fā)量為753 mm，1961—1974年呈基本持平趨勢，1975—1987年呈增加趨勢，1988—2007年呈減少趨勢，2008年后呈增加趨勢。1961—1987年蒸發(fā)與對應(yīng)徑流變化的相關(guān)系數(shù)達-0.55，通過信度0.01檢驗；而1988—2013年相關(guān)系數(shù)為-0.14，相關(guān)很低，沒有關(guān)系可尋；也可認為寶清的水面蒸發(fā)由1988年開始發(fā)生了轉(zhuǎn)折性變化。1961—1987年蒸發(fā)與徑流呈反位相變化，其中1976—1979年蒸發(fā)量較歷年平均多2成以上，對應(yīng)徑流卻出現(xiàn)了53年來極低的4年。1988—2013年反相關(guān)關(guān)系的年份僅有10年，其中1995—2008年中僅2002年為反位相變化，其他13年為正相關(guān)關(guān)系；可見1988年后蒸發(fā)與徑流的反相關(guān)關(guān)系已不復(fù)存在，這也充分表明此時期也正是大力擴大水稻面積，引水灌溉，開渠打井，地下水大大減少，造成徑流減少。因此，土地利用和水利工程建設(shè)改變了蒸發(fā)對徑流的驅(qū)動反相關(guān)影響。

綜上所述，表明蒸發(fā)對徑流的驅(qū)動影響基本呈反相變化關(guān)系，即蒸發(fā)量大則徑流量減少；反之亦然。尤其1961—1987年蒸發(fā)對徑流的驅(qū)動影響明顯；而1988—2013年蒸發(fā)對徑流的驅(qū)動影響的關(guān)系已不明顯，因此水利工程和降水變化成為此時段對徑流驅(qū)動的主要影響因子。

圖5 1961—2013年寶清水面蒸發(fā)與保安徑流Fig.5 Water surface evaporation of Baoqing and runoff of Bao’an during 1961-2013

2.5氣候變化對七星河徑流驅(qū)動的影響

2.5.1氣溫變化對徑流驅(qū)動的影響。選取七星河與撓力河之間唯一代表站寶清氣象站的年氣溫和七星河保安徑流，從圖6可以看出，近53年寶清年平均氣溫以0.37 ℃/10 a的速率上升，而徑流以2 180萬m3/10 a的速率下降，寶清多年(1971—2000年)年平均氣溫為4.0 ℃。經(jīng)計算，氣溫與徑流兩序列相關(guān)系數(shù)達-0.31，通過信度0.01檢驗，反相關(guān)關(guān)系明顯，表明氣溫升高則徑流減少，反之氣溫降低則徑流就大。近53年來寶清年均氣溫高低時段變化明顯，為準確地劃分氣溫時段的變化，常采用Mann-Kendall突變趨勢法[17]計算，結(jié)果表明，1988年為突變開始時間，突變前(1961—1987年)為低溫時段，平均氣溫為3.4 ℃，低于歷年平均0.6 ℃；其中假設(shè)低于年平均氣溫1.0 ℃為特低年，則有1964、1965、1966、1969、1972、1974、1977、1984年共8年，平均3年就有1次特低年發(fā)生；1969年發(fā)生了53年以來的極值低溫年，較歷年平均低2.1 ℃。突變后(1988—2013年)為氣溫較高時段，平均氣溫為4.7 ℃，高于歷年平均0.6 ℃，2個時段均差為1.3 ℃；在此氣溫偏高時段里，1次低溫年也未發(fā)生，僅有2年稍低年(2000、2009年)低于歷年平均0.3 ℃，表明氣候變暖后低溫年數(shù)極大減少，這與黑龍江省及全國年氣溫變化具有同步一致的變化特征[21]。

根據(jù)上述結(jié)果，分析氣溫突變前后時段所對應(yīng)的保安徑流時段變化。突變前(1961—1987年)氣溫與徑流量相關(guān)系數(shù)為-0.23(未通過檢驗)，27年平均徑流量為18 751萬m3，高于多年平均2成。突變后(1988—2013年)氣溫與徑流量相關(guān)系數(shù)為-0.15(未通過檢驗)，26年平均徑流量13 432萬m3，少于多年平均1.5成。表明突變前氣溫偏低減少了地表土壤和水面蒸發(fā)量，造成徑流偏多，反之突變后氣溫偏高、蒸發(fā)量加大則徑流偏少。從個例分析來看，突變前低溫年取年平均氣溫距平≤0.5 ℃的年份，有1962、1964、1965、1966、1969、1972、1974、1976、1977、1980、1981、1984、1987年共13年，其中1976、1977、1980、1984年對應(yīng)徑流偏少，1976和1977年徑流偏少完全是由于降水特少造成；其他年份對應(yīng)徑流偏多，尤其1981年是近53年來徑流出現(xiàn)最高值，不但降水最多，且年均氣溫低于歷年0.5 ℃。突變后高溫年取年平均氣溫距平≥0.5 ℃的年份，有1975、1982、1989、1990、1992、1993、1994、1995、1997、1998、2001、2002、2003、2004、2007、2008、2011、2013年共18年，其中1994、2002、2013年對應(yīng)徑流偏多或特多；其他15年則對應(yīng)徑流偏少。尤其2008年氣溫較歷年偏高1.8 ℃，為近53年內(nèi)最高值，則對應(yīng)徑流偏少53%。表明七星河流域氣候暖化后氣溫偏高只要達到≥0.5 ℃，將加速徑流的減少。由此可見，氣溫變化雖不能對徑流變化直接產(chǎn)生驅(qū)動影響，但能起到加速或減少蒸發(fā)的驅(qū)動作用。

圖6 1961—2013年寶清年均氣溫與保安徑流Fig.6 Average annual temperature of Baoqing and runoff of Bao’an during 1961-2013

圖7 1988—2013年保安年降水與徑流Fig.7 Annual precipitation and runoff of Bao’an during 1988-2013

2.5.2氣候變暖大背景下降水對徑流驅(qū)動影響。氣候變暖導(dǎo)致了極端天氣頻發(fā)，降水減少，干旱增加[20]，從保安降水對徑流變化的影響也可揭示這一點。前面已給出氣候突變時間在1988年，經(jīng)計算，突變前(1961—1987年)保安降水與徑流的相關(guān)系數(shù)為0.78，而突變后降水與徑流的相關(guān)系數(shù)為0.82，表明突變后降水在減少而徑流量也在減少的年份大大增加(圖7)。從降水變化趨勢看，突變后降水以19.0 mm/10 a的速率在減少，多于突變前降水減少速率(7.5 mm/10 a)，同時徑流也以1 825.8萬m3/10 a的速率在減少。統(tǒng)計表明，在突變后的26年中，出現(xiàn)降水偏多12年則對應(yīng)徑流偏多有6年，出現(xiàn)降水偏少12年則對應(yīng)徑流偏少也是12年(其中有2年降水正常不再統(tǒng)計之內(nèi))，而且其中有8年降水特少(≤85%)，則對應(yīng)有8年徑流也特少。綜上表明，氣候變暖，徑流減少，降水成為驅(qū)動徑流變化影響的主要因子。

3 結(jié)論與討論

通過對近53年來七星河流域中游段降水、氣溫、蒸發(fā)及對徑流驅(qū)動變化關(guān)系的分析，特別是突變前后(即變暖前后)2個時段變化特征的對比分析，結(jié)果表明，大氣降水在水循環(huán)過程中仍然是驅(qū)動徑流變化的主要因子；蒸發(fā)對徑流具有明顯的反位相變化特征，尤其是在氣候突變前1961—1987年，蒸發(fā)起到了加速和減少徑流的驅(qū)動影響。而氣溫變化雖不能對徑流變化直接產(chǎn)生驅(qū)動影響，但卻能起到增強或減弱蒸發(fā)的驅(qū)動作用和對降水起到不同冷暖氣候條件下的降水對徑流變化的驅(qū)動影響。另外還分析了氣候變化特別是土地利用變化及水利工程建設(shè)對徑流變化起著的驅(qū)動作用。該研究對于在氣候變化背景下規(guī)劃七星河、撓力河流域水利工程建設(shè)和水資源綜合利用及管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實和長遠意義。

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