隴東氣候變化對涇河流域徑流的影響研究

摘 要：為了明確流經隴東涇河的徑流量變化特征及其氣候變化對徑流量的影響，利用該地各流域有代表性的氣象站及水文站觀測資料，采用趨勢分析、多元線性回歸、累計距平、Mann-Kendall 突變分析等方法，分析徑流量的變化特征及氣候變化對其水文水資源的影響。結果表明：涇河流域徑流量呈減少趨勢，其減少速率為0.90 m3/10 s，年徑流量變化差異較大，徑流量出現了“增加-波動-減少”的變化特征，目前仍處于枯年階段。夏季的徑流量最多，冬季的徑流量最少，8月份徑流量最多，1月份徑流量最少。區域內年平均降水量呈減少趨勢，氣候傾向率為14.19 mm/10 a，流域內降水與徑流量的變化趨勢一致且相關性顯著，降水量對徑流量補給明顯，徑流量變化受降水量變化主導。區域內年平均氣溫呈增加趨勢，氣候傾向率為0.377 ℃/10 a，潛在蒸散量受氣溫變化影響明顯，氣溫與徑流量的負相關性亦較為顯著。因降水及氣溫變化，使流域內旱澇風險增加，需通過退耕還林涵養水源及雨水集流工程來減輕旱澇災害危害。本研究結果可以為區域水資源開發利用、優化水資源調配及生態環境建設提供決策依據。

關鍵詞：徑流量；區域；氣候變化；蒸散

中圖分類號：P333

水資源是社會、經濟和生態環境可持續發展的重要保障，是人類賴以生存與發展的基礎[1]。徑流是陸地水資源存在和循環的主要形式，是人類生產生活用水的最主要來源。在氣候影響、自然變化和人類活動的影響下，中國面臨著水資源供需矛盾突出、水患事件頻發、水生態系統退化等一系列水資源問題，現已成為實現可持續發展的重大障礙性因素[2]。有研究表明，在19世紀80年代，黃河源區氣候出現暖干化，致使河流斷流，湖泊面積縮小，近20年，區域內降水量較少，部分河段徑流總量減少趨勢顯著，西北內陸河流域水資源極度短缺[3]。黃土高原降雨徑流系數僅為10%左右，水土流失嚴重，河流含沙量大，土壤侵蝕明顯，自然災害發生頻率增加[4]。近年來許多學者對河流的地表徑流做了卓有成效的研究，燕華云等[5]、曹建廷等[6]研究了長江源區年內分配時程變化規律及徑流年際變化特征，源區徑流量呈微弱的減少趨勢。張建興等[7]分析了黃河徑流量變化及其影響因子，指出徑流對降水的響應要比氣溫變化的響應更為顯著。方榮杰等[8]分析了西江流域干流徑流量演變特征，徑流量年際變差系數小，徑流量年際變化不大，年徑流量總體變化呈顯著下降趨勢。

氣候變化對地表徑流系統有顯著影響，同時由于受到人類活動的影響，水文循環過程已發生了很大的變化[9]，成為影響徑流變化的主要原因[10]。隴東是甘肅的糧食主產區，是國家糧食儲備基地。境內有馬蓮河、蒲河、洪河、四郎河、葫蘆河5條河流，較大的支流有27條，其中馬蓮河是涇河的最大支流。因此，對慶陽市境內徑流變化特征、趨勢和規律等進行研究，探討徑流與氣候變化的內在關系，以期為區域水資源的優化利用、優化水資源調配、生態環境建設、鄉村振興和可持續發展提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

隴東屬黃河中游內陸地區，介于東經106°20′～108°45′與北緯35°15′～37°10′之間。中南部為黃土高原溝壑區，北部為黃土丘陵溝壑區，東部為黃土低山丘陵區，地形復雜多樣。董志塬平疇沃野，一望無垠，是世界上面積最大、土層最厚、保存最完整的黃土原面，堪稱“天下黃土第一塬”。子午嶺為中國黃土高原上面積最大、植被最好的水源涵養林，有“天然水庫”之稱。

1.2 數據資料

根據隴東河流分布情況，本研究選取環縣、華池、鎮原、西峰、寧縣等氣象站的1961—2016年的氣溫、降水量等氣象資料作為涇河區域氣候變化的研究資料。選取水文站的開邊、蔡家廟、洪德、悅樂、巴家嘴的水文觀測資料，數據序列亦為1961—2016年，分析徑流量的變化特征及氣候變化對其水文水資源的影響。

1.3 研究方法

利用隴東各流域有代表性的氣象站及水文站觀測資料，采用趨勢分析、多元線性回歸、累計距平、Mann-Kendall 突變分析等方法，分析氣候變化對涇河地表徑流的影響。

2 結果與分析

2.1 徑流量的變化特征

2.1.1 徑流量的年際變化特征

1961—2016年，涇河流域徑流量變化特征如圖1所示，總體呈減少趨勢，其減少速率為0.90 m3/10 s。徑流量最多出現在1964年，為43 745.9萬m3，最少出現在2009年，為7 897.6萬m3，徑流量年際變化差異較大。

1961—2016年，涇河流域徑流量特豐年（Pgt;20%）[11]為14年，占總年數的25%；偏豐年（20%≤Plt;10%）為4年，占總年數的7%；平年（10%≤P≤-10%）為9年，占總年數的16%；偏枯年（-20%≤Plt;-10%）為6年，占總年數的11%；特枯年（Plt;-20%）為23年，占總年數的41%。其中20世紀60—70年代為顯著偏多年份，大多為豐年；80年代中期豐年、枯年交替出現，變化不顯著；90年代開始以偏少為主，最長連續9年偏少，枯年顯著偏多。總體來看，隴東徑流量出現了由豐年向枯年的轉變，目前仍處于枯年階段。

2.1.2 徑流量年內變化特征

涇河流域冬季的徑流量最少，為648.82萬m3。春季的徑流量較少，為918.47萬m3。夏季的徑流量最多，為2 566.49萬m3，占全年的44%。秋季的徑流量也較多，為1 757.27萬m3，占全年的30%。

隴東月平均徑流量為1 472.76萬m3，各月徑流量很不均勻，1月份徑流量最少，為593.86萬m3， 從1月份開始，月徑流量逐月增加，8月份徑流量最多，為3 518.22萬m3。7—9月是該地徑流量集中時期，為8 976.49萬m3，占全年的51%。從9月份開始，月徑流量減少。

從5個有代表性的水文監測資料分析，開邊、蔡家廟、楊家坪的最大月徑流量出現在8月份，悅樂、巴家嘴的最大月徑流量出現在7月份，峰值出現的差異在一定程度上預示著氣候波動，尤其是降水對該區域徑流量的影響。

2.1.3 徑流量變化的突變分析

突變是指在一種相對穩定的狀態過渡到另一種狀態的變化，是非線性變化性質的一種表現[12]。累計距平可以判斷要素長期顯著的演變趨勢及持續性變化，也可診斷出發生突變的大致時間，因此，均值突變能較好反映徑流量的變化狀態。分析隴東涇河流域徑流量的累計距平變化（圖2），1961—1970年以增加為主，增速較為明顯；1971—1995年為波動變化階段；1996年開始到現在以減少為主，為持續性減少，減少的年份明顯多于增加的年份，且過渡期均具有突變的特征。

2.2 氣象因素對徑流量的影響

2.2.1 降水對徑流量的影響

隴東涇河流域內年平均降水量為509.7 mm，呈減少趨勢（圖3），氣候傾向率為14.19 mm/10 a。流域內降水與徑流量的變化趨勢一致，經計算降水量與徑流量的相關系數，為0.753 0，通過了信度為0.001的顯著性檢驗。年最多降水量為816.1 mm，最少為331.0 mm，相對應徑流量最大年份亦是降水量最多年份。20世紀60—70年代，降雨量總體偏多，且人工開采地下水有限，因此同期徑流量也為豐年。80年代降水量正常，90年代以后以偏少為主，且因人類活動影響，地下水位下降，徑流量也由正常轉為枯年。

從年內變化情況來看（表1），涇河流域內降水與徑流量變化一致，呈單峰型分布，降水主要集中在6—9月，降雨總量占全年的68.1%，降水最大值出現在7月份，為104.3 mm，占全年的20.2%，8月份降水量為103.6 mm，最大徑流量出現在8月份。因此，隴東降水對徑流量的補給明顯，降水量對徑流量的變化有主導作用。夏季降水量年季變化較大，徑流量亦隨之變化。

2.2.2 氣溫對徑流量的影響

隴東涇河流域內年平均氣溫9.1 ℃，呈升高趨勢（圖4），氣候傾向率為0.377 ℃/10 a。經計算，該流域內氣溫與徑流量的相關系數為-0.606 3，通過了信度為0.001的顯著性檢驗。經與降水比對分析，年降水量較充沛的年份氣溫較低，印證了該地降水與徑流量的顯著性關系。同時，氣溫的變化會導致區域內的蒸散量改變，從而影響區域徑流量。近20年來，氣溫偏高趨勢明顯，蒸散量增大，也影響區域內徑流量減少。

隴東易發生干旱，有時春旱、春末初夏旱、伏旱“旱旱相連”，降水嚴重不足，導致流域內徑流量明顯偏少。尤其在盛夏伏期，無有效降水，高溫天氣助推旱情發展，蒸散量顯著加大，徑流量明顯減少。同時由于人類活動影響，流經環縣到慶城、華池到慶城的馬連河部分河段水流緩細，幾乎接近斷流。

2.2.3 影響徑流量的降水、氣溫的突變分析

應用Mann-kendall非參數統計檢驗方法[13]對隴東降水、氣溫進行突變分析。由圖5可知，在1969年降水量發生突變，其中1961—1986年、2009—2016年UFlt;0，降水為減少趨勢，1986—2008年降水為波動增加趨勢，但均未通過0.05顯著性檢驗。

隴東多年平均氣溫發生了由低溫向高溫的突變（圖6），突變點出現在1994年，通過了0.05的顯著性檢驗。1961—1971年UFlt;0，氣溫處于下降狀態，1972—2016年氣溫為升高狀態，并在1991年以后超過信度直線，增溫顯著。

3 結論

（1）隴東涇河流域徑流量呈減少趨勢，其減少速率為0.90 m3/10 s，且徑流量年際變化差異較大。徑流量出現了由豐年向枯年的轉變，目前仍處于枯年階段。

（2）從四季分布來看，夏季的徑流量最多，為2 566.49萬m3，占全年的44%；秋季的徑流量也較多，占全年的30%；春季的徑流量較少，冬季的徑流量最少。從月份分布來看，8月份徑流量最多，1月份徑流量最少。多年徑流量出現了“增加-波動-減少”的變化特征。

（3）區域內年平均降水量為509.7 mm，呈減少趨勢，氣候傾向率為14.19 mm/10 a，流域內降水與徑流量的變化趨勢一致，降水量與徑流量相關性顯著，降水量對徑流量補給明顯，尤其夏秋季節的降水量多少對徑流量的大小影響明顯。降水量時空分布不均，降水偏多年份多以暴雨形式出現，洪澇災害頻發。

（4）區域內年平均氣溫9.1℃，呈增加趨勢，氣候傾向率為0.377 ℃/10 a。氣溫與徑流量的負相關性亦較為顯著，主要因氣溫偏高，尤其高溫干旱天氣使區域內蒸散增大，農業生產用水增加而影響徑流量的變化。

（5）區域內的降水、氣溫均發生了突變，降水量突變發生在1969年，氣溫突變出現在1994年，且通過了0.05的顯著性檢驗。

由于氣候變化影響水文循環，使流域內的徑流量發生相應變化[14]。隴東涇河流域內徑流量主要以降水補充為主，并伴有地下水補給。受季節氣候變化影響，降水增加主要集中于雨季，易暴發山洪災害。而旱季由于降水少、氣溫高導致干旱程度加劇。因此，該流域旱澇災害風險較大，應繼續采取退耕還林還草及雨水集流工程等綜合規劃管理，來涵養水源，減少水土流失，有效減輕旱澇災害危害，保護土地資源可持續發展。

本研究主要從氣候角度對隴東涇河流域徑流量進行了分析，但徑流量還受人類活動等因素的影響，尤其近年來跨區域調水、城市及工業用水量增加及雨水集流等水利工程的影響，使徑流量變化變得較為復雜，在今后的研究中要重點予以考慮。

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