景泰川灌區水循環要素變化特征研究

宋增芳，曾建軍，程玉菲，胡想全，李 莉，王亞竹，周懷兵

(1.甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 景泰 730400)

1 研究背景

中國西北干旱區內陸河流域，具有降水量少、降水變率大、年內分配不均、蒸發量大和干旱時段明顯的特征[1-3]。近幾十年以來強烈的人類活動疊加在長期自然演變的基礎上，使區域水循環系統的平衡狀態遭到嚴重破壞[4]。隨著人口數量的持續增加和工農業生產規模的不斷擴大，以水資源開發為中心的人類活動所導致的水資源重新分配更為強烈，如何正確認識西北干旱區內陸河水循環的演化規律，在社會經濟得到發展的同時保護和改善環境，已成當今社會關注的焦點[5]。景泰川灌區位于我國西北干旱區，由于人類活動頻繁和水資源時空分布極不均勻，特別是各種水利工程的修建與開發以及不合理提水，使得灌區土壤次生鹽漬化、下墊面和水資源補給排條件都發生了很大變化，導致水資源量及其轉化規律隨之發生變化，農田水資源的合理調控和節約利用問題也日益突出[6-8]。為防止土壤次生鹽漬化，合理提水，調節灌區水資源，科學分析當前灌區水文循環要素的時空規律，對灌區的社會經濟可持續發展、水資源管理與規劃具有重要的意義[9-10]。目前對干旱區水文循環要素的影響和響應研究較多，但針對干旱區灌區的研究較少，其降水、蒸發、徑流等對水資源的敏感性如何更鮮有研究，而利用長序列歷史資料分析各水循環要素演變的趨勢、周期等特征是對區域水資源研究的基礎[11-13]。

本文以灌區水文循環要素變化特征為主線，實測水文數據為基礎，計算降水量、蒸發量等水循環要素，分析灌區的氣象要素變化特征，為灌區水資源開發利用和農業水資源調控及高效利用提供了技術支撐，也進一步完善了灌區水循環要素研究的理論體系。

2 數據與方法

景泰川灌區位于河西走廊東端，北緯36°27′～37°38′，東經103°33′～105°34′，海拔高度1 275～3 321 m，氣候特征為大陸性氣候，干旱多風，降雨稀少，年均降雨量為184.7 mm，年蒸發量高達2 433.7 mm[14]。研究選取景泰川灌區景泰氣象站近50年(1960-2008年)的降水和蒸發量資料，應用Mann-Kendall趨勢檢驗法和Mann-Kendall突變檢測法[15-19]，分析灌區降水量和蒸發量的時間變化特征。

3 景泰川灌區水循環要素變化特征分析

灌區作為變化環境的敏感區與密集區，在我國西北干旱區農業穩產方面有著相當重要的作用。灌區的水循環與降水、蒸發、氣溫，地表徑流等因素密切相關，任何一個要素的變化都將導致水循環系統發生改變[20-25]。景泰川灌區水循環系統有較長時間序列的降水、蒸發等觀測資料，但對徑流鮮有研究。為此對降水、蒸發等水循環要素進行研究。

3.1 降水量變化特征

3.1.1 降水量年變化特征 由灌區景泰氣象站1960-2008年降水量資料，得到整個灌區近50年降水量的統計特征值(見表1)，圖1 給出了1960-2008年灌區年降水量的年變化及線性趨勢線。由圖1的趨勢線方程y=-0.1076x+360.8可看出，49年間灌區的年降水量略有下降，但變化幅度不大。多年平均降水量為185.49 mm，降水量波動范圍為94.8～298.4 mm，最小值出現在1982年，最大值出現在2007年，最大值與最小值之比為3.15。圖2為灌區1960-2008年平均降水量距平曲線，由灌區年降水量距平曲線圖可知，灌區多年降水量正負距平基本持平，偏多時期與偏少時期呈周期交替出現。

表1 多年平均降水量統計特征值 mm

圖1 1960-2008年灌區年降水量變化趨勢圖

圖2 1960-2008年灌區年降水量距平曲線圖

采用Mann-Kendall趨勢檢驗法計算，得出1960-2008年49 a年降水量趨勢檢驗值為0.209，該值是大于0的，表明景泰川灌區年降水量變化趨勢為增加趨勢，又是小于臨界檢驗值±1.96[26-28]，說明趨勢變化不顯著。同時，也得出灌區多年各月降水量趨勢檢驗值，如表2所示。由表2可看出，4、8、11、12月4個月趨勢檢驗值為負值，表明在這4個月灌區降水量變化趨勢為下降趨勢，其他月份趨勢檢驗值均大于0，為增加趨勢。其中，4月份的降水量趨勢檢驗系值為-1.832，最接近臨界檢驗值，但仍小于-1.96，故仍未通過檢驗，變化不顯著。

表2 1-12月降水量Mann-Kendall檢驗系數統計表

注：全年降水量Mann-Kendall檢驗系數為0.209。

采用Mann-Kendall突變檢測法進行灌區年降水量序列突變檢測，根據突變檢測法原理，由圖3所示，灌區降水量沒有發生突變現象，UFk和UBk兩條變化曲線在上下臨界線之間，說明變化趨勢不顯著。

3.1.2 降水量季變化特征 灌區各季按3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季，9、10、11月為秋季，12月至次年2月為冬季劃分，灌區多年平均各季降水量年內變化過程見表3。由表3可知，降水在各灌季分配不同，降水量夏季最大，占多年平均降水量的57.4%，其次是秋季、春季，冬季最小。在四季中，春秋降水呈下降趨勢，夏秋降水量呈上升趨勢，但均變化不明顯。這些趨勢由圖4的各季節降水量變化趨勢線明顯可看出夏、冬季的降雨量呈增加趨勢，春、秋季呈減少趨勢。

3.1.3 降水量月變化特征 由表4灌區降水量不同月份統計表可以看出，降水在年內分配極不均勻。5、6、7、8、9月5個月份降水量較大，占多年各月平均降水量總量的84%。其他月份較少僅占16%。年內降水量變化趨勢整體呈現先升后降趨勢，變化趨勢較明顯。從1月份的0.93 mm逐漸上升，到8月份時達到最大為43.71 mm，之后又逐漸慢慢下降到0.3 mm。

圖3 景泰川灌區年降水量 M-K法檢測圖

表3 1960-2008年灌區降水量季統計表 mm

圖4 1960-2008年灌區季降水量變化圖

表4 1960-2008年降水量月統計表 mm

3.2 蒸發量變化特征

3.2.1 蒸發量年變化特征 由灌區氣象站1960-2008年蒸發量資料，得到整個灌區49 a蒸發量的統計特征值(見表5)，圖5為1960-2008年景泰川灌區年蒸發量的變化趨勢圖，由圖5中趨勢線方程y=-27.189x+3234可看出，49 a間灌區的年蒸發量為下降趨勢。20世紀60-70年代初期、70年代后期-21世紀，灌區蒸發均比較穩定，最大值出現在1960年為3 556.1 mm，最小值出現在1992年為1 881.4 mm，灌區多年平均蒸發量為2 554.25 mm，其中49 a間有31 a低于均值。

表5 灌區蒸發量Mann-Kendall檢驗系數統計表 mm

采用Mann-Kendall趨勢檢驗法計算分析，景泰川灌區多年年蒸發量趨勢檢驗系數值為-4.676，小于0，表明年蒸發量趨勢呈下降趨勢，而大于臨界檢驗值±1.96，則變化顯著。同時表6中也列出灌區多年各月蒸發量趨勢檢驗系數值，可看出各月趨勢檢驗系數值均小于0，表明灌區多年月蒸發量變化趨勢呈下降趨勢。除2月和11月份外，其他各月均通過顯著性檢驗。其中，5-8月4個月的檢驗系數分別為-5.387，-4.735，-4.751，-4.785，下降趨勢最為明顯，而這幾個月中，6月、7月、8月3 個月為夏季，為此在灌區整個季節中，下降趨勢最為明顯的是夏季。

圖5 灌區年蒸發量變化趨勢圖

表6 灌區1-12月蒸發量 Mann-Kendall檢驗系數統計表

注：全年蒸發量Mann-Kendall檢驗系數為-4.676。

采用Mann-Kendall突變檢測法對年蒸發量序列進行突變檢測，見圖6。由圖6可知，UFk和UBk兩條變化曲線在1972年左右相交，1972年出現降低的突變，1974年開始劇降，下降幅度大約為481.4 mm，表明在70年代灌區年蒸發量產生了突變性的下降變化。

圖6 景泰川灌區年蒸發量 M-K法檢測

3.2.2 蒸發量季變化特征 表7為1960-2008年灌區蒸發量季統計表。由表7可以看出，蒸發量在不同季節分配上表現出不同，蒸發量較大的為夏季和春季，各自占全年蒸發量的40%和33%，其次是秋季，冬季最小，僅占全年蒸發量的 8%。在四季中，蒸發量在春、秋兩季呈小幅度下降趨勢。與20世紀60年代相比，2000年至2008年春季的蒸發量減少了97.92 mm，而秋季的蒸發量 2000年至2008年減少了54.89 mm。

夏季蒸發量在 80年代-21世紀較穩定，60年代處于峰頂，80年代初處于峰谷，蒸發量從60年代的469.77 mm 下降到80年代的281.67 mm，趨勢最為明顯，冬季蒸發量變化不大，圖7為1960-2008年灌區季蒸發量變化圖。由圖7可明顯看出，春夏秋3季減少，冬季比較穩定。根據灌區各季蒸發量趨勢變化線圖，蒸發量在夏季下降趨勢出現最大，趨勢線斜率達到-4.699，在冬季的蒸發量表現出基本不變，趨勢線斜率為-0.3483。

3.2.3 蒸發量月變化特征 由表8灌區蒸發量不同月份統計表可以看出，蒸發量在年內分配極不均勻。5、6、7、8月4個月份蒸發量較大，均在300 mm以上，占多年各月平均蒸發量總量的55%。尤其5、6、7月3個月蒸發量甚至達到350 mm以上，年內蒸發量變化趨勢整體呈現先升后降趨勢，變化趨勢較明顯。由1月份的57.39 mm逐漸上升，到6月份時達到最大為366.50 mm，之后又逐漸慢慢下降到58.79 mm，最大值與最小值之比為6.4。

表7 1960-2008年灌區蒸發量季統計表 mm

圖7 1960-2008年灌區季蒸發量變化圖

表8 1960-2008年灌區1-12月蒸發量月統計表 mm

4 結 論

研究選擇景泰川灌區景泰氣象站點1960-2008年的降水量和蒸發量資料，運用Mann-Kendall趨勢檢驗法和非參數Mann-Kendall突變檢測法分析水循環要素降水量、蒸發量的年、季、月時間變化特征，主要研究結論如下：

(1)1960-2008年，灌區多年降水量的正負距平幅度大致相同，降水偏多、偏少的時期呈周期交替現象出現；灌區年蒸發量有所下降，60-70年代初期、70年代后期-21世紀，灌區蒸發均比較穩定，灌區多年平均蒸發量為2 554.25 mm，在研究期的49 a中，有31 a的蒸發量低于此值，其中3 a數值明顯低于均值。

(2)在夏季季風氣候影響下，灌區夏季降水量占全年降水量的57.4%，為四季最大，其次是秋季、春季，冬季為最?。幌?、春季蒸發量分別占全年蒸發量的40%和33%，為主要的蒸發集中時間，秋季蒸發量次之，而冬季蒸發量僅占全年蒸發量的8%，為全年最少。

(3)由降水、蒸發月變化特征分析可知，降水、蒸發在年內各月分配極不均勻。降水在5、6、7、8、9月5個月份降水量較大，占多年各月平均降水量總量的84%。其他月份較少僅占16%；蒸發量在5、6、7、8月4個月份蒸發量較大，均在300 mm以上，占多年各月平均蒸發量總量的55%。

(4)根據灌區年降水量與年蒸發量M-K檢測圖顯示，灌區年降水量沒有發生突變現象；年蒸發量1972年發生降低的突變，1974年開始劇降，下降幅度大約為481.4 mm。

(5)研究成果可揭示變化環境條件對水循環要素的影響，對定量分析研究灌區水資源形成和變化規律，正確評估變化環境條件對未來沿黃灌區水資源的影響具有重要的科學意義，也對協調灌區人地關系，促進經濟快速發展、水資源合理高效利用，維持生態環境、生態系統良性循環提供理論基礎[29]。