周俊菊, 雷 莉, 石培基,*, 王蘭英, 魏 偉, 劉海猛

1 西北師范大學(xué), 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070 2 甘肅省水利廳石羊河流域管理局, 武威 733000 3 中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心, 北京 100038

石羊河流域河川徑流對(duì)氣候與土地利用變化的響應(yīng)

周俊菊1, 雷 莉2, 石培基1,*, 王蘭英3, 魏 偉1, 劉海猛1

1 西北師范大學(xué), 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070 2 甘肅省水利廳石羊河流域管理局, 武威 733000 3 中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心, 北京 100038

應(yīng)用流域氣象和水文過(guò)程長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)及四期TM影像數(shù)據(jù)，在建立基于氣候及土地利用兩種因素變化的徑流過(guò)程模擬模型的基礎(chǔ)上，分析河川徑流對(duì)氣候與土地利用變化的響應(yīng)特征，并對(duì)其未來(lái)可能的變化趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，(1) 1956—2009年，到達(dá)石羊河流域下游標(biāo)志站蔡旗斷面的河川徑流量，由20世紀(jì)50年代的年平均5.392×108m3減少到目前的年平均1.096×108m3；1968年之前蔡旗斷面徑流量的波動(dòng)主要是氣候變化的結(jié)果，而1968之后，蔡旗斷面徑流量的變化是氣候與土地利用變化共同作用的結(jié)果；(2) 近30年來(lái)，氣候變化對(duì)下游河川徑流變化的貢獻(xiàn)率平均為4.1%，而土地利用變化，尤其是耕地面積變化的貢獻(xiàn)率平均為88.8%；中游灌溉定額平均分別減少5%、10%、15%和20%的情景下，下游河川徑流量模擬值分別為1.591×108m3、2.427×108m3、3.262×108m3和4.098×108m3左右。

氣候變化; 土地利用; 水文過(guò)程; 石羊河流域

人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化影響下的水循環(huán)變化過(guò)程和水資源演變規(guī)律，一直是眾多學(xué)者致力于解決流域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題之一[1]。在流域尺度上，氣候及土地利用變化對(duì)水文過(guò)程影響的結(jié)果，就是直接導(dǎo)致水資源供需關(guān)系發(fā)生變化，從而對(duì)流域生態(tài)、環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多方面具有顯著影響[2]。目前，圍繞內(nèi)陸河流域出山徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)、土地利用變化對(duì)河川徑流及地下水的影響等展開(kāi)了系列研究，研究結(jié)果表明，出山徑流對(duì)氣候變化響應(yīng)敏感[3- 7]，土地利用變化對(duì)不同區(qū)域綠洲系統(tǒng)的穩(wěn)定性和水資源空間分配產(chǎn)生不同的影響[2,8- 17]，不同時(shí)期人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源的干擾方式是不同的，需要開(kāi)展大量的典型區(qū)域的實(shí)例研究。而人類(lèi)作為自然界的一部分，從環(huán)境變化中定量區(qū)分人類(lèi)活動(dòng)與自然過(guò)程作用力是十分困難的[18]。截至目前，綜合考慮氣候和土地利用變化耦合作用下的水資源演變規(guī)律的研究較少[2,19- 20]。為制定流域可持續(xù)的水土資源合理利用規(guī)劃與政策，迫切需要研究氣候變化背景下流域水資源演化與土地利用格局的關(guān)系，定量評(píng)價(jià)氣候波動(dòng)和土地利用變化在水資源格局演化過(guò)程中的作用強(qiáng)度及貢獻(xiàn)率。

石羊河是我國(guó)內(nèi)陸河流域中人口最密集、水土資源開(kāi)發(fā)利用程度最高、用水矛盾最突出、生態(tài)環(huán)境問(wèn)題最嚴(yán)重的流域之一，在氣候變化背景下，以荒漠為基質(zhì)的土地利用格局變化劇烈，對(duì)流域水文過(guò)程產(chǎn)生深刻影響，出現(xiàn)了下游河川徑流不斷減少的變化趨勢(shì)，并引發(fā)了一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。本文旨在分析石羊河流域河川徑流量對(duì)氣候與土地利用變化的響應(yīng)特征，并對(duì)下游河川徑流未來(lái)可能的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，祁連山北麓，地理位置101°41′—104°16′E，36°29′—39°27′N(xiāo)，流域總面積4.16×104km2。石羊河水系發(fā)源于祁連山區(qū)冷龍嶺冰川，自東向西由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營(yíng)河、東大河和西大河8條河流組成。按照水文地質(zhì)單元又可分為3個(gè)獨(dú)立的子水系，即大靖河水系、六河水系及西大河水系。大靖河水系主要由大靖河組成，隸屬大靖盆地，其河流水量在本盆地內(nèi)轉(zhuǎn)化利用；六河水系上游主要由古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營(yíng)河、東大河組成，該六河隸屬于武威南盆地，其水量在該盆地內(nèi)經(jīng)利用轉(zhuǎn)化，最終在南盆地邊緣匯成石羊河，進(jìn)入民勤盆地，石羊河水量在該盆地全部被消耗利用(圖1)；西大河水系上游主要由西大河組成，隸屬永昌盆地，其水量在該盆地內(nèi)利用轉(zhuǎn)化后，匯入金川峽水庫(kù)，進(jìn)入金川—昌寧盆地，在該盆地內(nèi)全部被消耗利用。蔡旗水文站作為中下游的標(biāo)志站，其斷面徑流量的大小變化直接反映中游地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)的干擾強(qiáng)度。

蔡旗水文站設(shè)在民勤—涼州界的民勤一側(cè)，為省級(jí)水文站，是石羊河進(jìn)入民勤盆地的控制性地表水文站。因此，蔡旗水文站可作為監(jiān)控進(jìn)入民勤縣境地表水的控制斷面。

圖1 研究區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)

1956—2009年烏鞘嶺、武威氣象站(表1)的年均溫和年降水量均來(lái)自于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心；1956—2009年潛在蒸發(fā)量利用FAO Penman-Monteith模型計(jì)算而來(lái)[21]，在計(jì)算日潛在蒸發(fā)量的基礎(chǔ)上，加和求其年潛在蒸發(fā)量，所需日最高氣溫、日最低氣溫、日平均濕度、日降水量和日照時(shí)數(shù)均來(lái)自于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心。

表1 地面臺(tái)站信息表

1.2.2 遙感影像數(shù)據(jù)

本文采用的遙感信息來(lái)源于中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站接收的美國(guó)Landsat/TM4期影像數(shù)據(jù)(1986年、2000年、2006年、2010年)(部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心石羊河流域遙感數(shù)據(jù)集)，分辨率為30 m，軌道號(hào)為131- 33、131- 34、132- 33、132- 34，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為6月至9月，選擇無(wú)云或少云影像，質(zhì)量較好，基本滿足應(yīng)用需求。根據(jù)研究區(qū)的地理特征和影像質(zhì)量， 結(jié)合本文的研究目的，采取以下一級(jí)分類(lèi)系統(tǒng)：耕地、林地、草地、水域、建筑用地和未利用土地。用于圖像處理的軟件為EDARS IMAGINE9.1，地理信息系統(tǒng)軟件為ARCGIS9.2。本研究采用了人機(jī)交互解譯分類(lèi)的方法，并進(jìn)行了分類(lèi)后處理。解譯過(guò)程及解譯完成后通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查對(duì)解譯成果進(jìn)行了驗(yàn)證和修改。

1.2.3 水資源數(shù)據(jù)

1956—2009年石羊河流域六河水系上游六條河流古浪河(古浪)、黃羊河(黃羊河水庫(kù))、雜木河(雜木寺)、金塔河(南營(yíng)水庫(kù))、西營(yíng)河(九條嶺)、東大河(沙溝寺)、蔡旗斷面月、年徑流量均來(lái)自石羊河流域管理局提供的電子資料和石羊河流域水資源公報(bào)(2004—2009年)。

1.3 研究方法

1.3.1 河川徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)模型

(1)氣候?qū)哟◤搅髁孔兓绊懙膮^(qū)別

蔡旗水文站作為下游標(biāo)志站，其斷面徑流量的大小變化直接反映中游地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)的干擾強(qiáng)度。排除景電二期工程對(duì)石羊河的調(diào)水，對(duì)蔡旗斷面徑流量進(jìn)行了還原計(jì)算。應(yīng)用石羊河中上游烏鞘嶺和武威氣象站的降水資料及蔡旗斷面年徑流量數(shù)據(jù)繪制其變化趨勢(shì)(圖2)。

從圖中可以看出，1956—2009年石羊河流域中上游年降水量在波動(dòng)中變化不明顯，其中，1968年之前，年徑流量與年降水量在波動(dòng)中具有較好的同步變化關(guān)系，且該時(shí)期蔡旗斷面的年徑流量亦與上游出山徑流量有很好的同步波動(dòng)關(guān)系(圖3)，而1968年之后，徑流量與降水量快速分離，呈急劇下降趨勢(shì)。結(jié)合已有研究[21]1956—2009年石羊河上游出山徑流量對(duì)氣候變化響應(yīng)敏感，其變化主要是氣候波動(dòng)的結(jié)果，可以判斷，1956—1968年期間蔡旗斷面徑流量的波動(dòng)主要是氣候變化的結(jié)果，而1968年之后，蔡旗斷面徑流量的快速減少是氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)共同作用的結(jié)果。

圖2 蔡旗斷面年徑流量及中上游年降水量變化關(guān)系曲線

圖3 六河-蔡旗斷面年徑流量變化曲線圖

(2)河川徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)模型

水文水資源系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)過(guò)程是十分復(fù)雜的，主要表現(xiàn)在徑流與降水、氣溫及蒸發(fā)之間的各種非線性關(guān)系之中，通過(guò)建立模型近似模擬其變化過(guò)程是一種合理可行的途徑[22- 23]?？紤]到水資源系統(tǒng)與氣候變化的非線性關(guān)系，采用冪函數(shù)連乘的形式來(lái)描述流域河川徑流量與降水量、氣溫及蒸發(fā)量之間的關(guān)系。

徑流變化是降水、氣溫及蒸發(fā)各要素綜合作用的結(jié)果，但各氣象要素對(duì)徑流的影響程度不同，應(yīng)用1956—1968年降水量、氣溫及潛在蒸發(fā)量分別與蔡旗斷面年徑流量進(jìn)行相關(guān)分析，年降水量、年均溫與年徑流量的相關(guān)系數(shù)分別為0.659和-0.579，均通過(guò)0.05顯著性水平的檢驗(yàn)，而年蒸發(fā)量與年徑流量的相關(guān)系數(shù)為0.031，未能通過(guò)任何顯著性水平的檢驗(yàn)，說(shuō)明蔡旗斷面來(lái)水量與中上游地區(qū)降水量、氣溫存在顯著相關(guān)關(guān)系，而與潛在蒸發(fā)量的相關(guān)關(guān)系不顯著，因此，選取降水量和氣溫兩個(gè)非常重要的氣候要素，建立年徑流量對(duì)氣候變化的響應(yīng)模型：

(1)

(2)

1.3.2 土地利用變化影響下的河川徑流變化過(guò)程模型

(1)六河水系中游行政區(qū)范圍的確定

根據(jù)上中下游的劃分，結(jié)合石羊河上游各河出山徑流控制站所在位置，確定影響六河水系出山徑流至下游標(biāo)志站蔡旗水文站水量變化的主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)包括：涼州區(qū)所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)、古浪縣的古浪鎮(zhèn)、泗水鎮(zhèn)、圖門(mén)鎮(zhèn)、定寧鎮(zhèn)和永豐鄉(xiāng)及永昌縣的朱王堡鎮(zhèn)、東寨鎮(zhèn)、水源鎮(zhèn)、六壩鎮(zhèn)、南壩鎮(zhèn)。

(2)土地利用面積時(shí)間序列的插補(bǔ)

通過(guò)上述遙感數(shù)據(jù)獲得石羊河六河水系中游1986年、2000年、2006年和2010年四個(gè)時(shí)期的土地利用類(lèi)型圖。在六合水系中游地區(qū)，耕地面積幾乎占總面積的50%，由1986年的2456.029 km2增加到2010年的2724.291 km2，是影響河川徑流的主要因素。為了能夠?qū)⑼恋乩米兓瘮?shù)據(jù)與流域年徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行同步統(tǒng)計(jì)分析，選擇對(duì)徑流過(guò)程影響較大的耕地，分別利用分段線性查補(bǔ)技術(shù)，得到1986—2010年連續(xù)25a的耕地變化數(shù)據(jù)系列。土地利用面積，尤其是耕地面積的變化與人口數(shù)量的變化關(guān)系密切，因此，把人口數(shù)據(jù)作為耕地面積插補(bǔ)的參證變量。依據(jù)王根緒等[2]的插補(bǔ)方法，結(jié)合石羊河流域的具體情況，對(duì)查補(bǔ)模型進(jìn)行了優(yōu)化。利用總?cè)丝谠鲩L(zhǎng)人數(shù)占階段始末總?cè)丝谠鲩L(zhǎng)的比值作為耕地面積年增長(zhǎng)的權(quán)重，其中，1986—2010年被分為3個(gè)階段進(jìn)行插值，3個(gè)階段分別為1986—2000年，2000—2006年及2006—2010年。

(3)

式中，LUit為第i階段第t年耕地面積，LUit-1為i階段第t-1年耕地面積，LUi-1和LUi分別為第i階段始末的耕地面積，Pit為第i階段第t年總?cè)丝跀?shù)，Pit-1為第i階段第t-1年總?cè)丝?，Pi′與Pi″分別為第i階段始末年份的總?cè)丝凇?/p>

(3)土地利用變化影響下的河川徑流變化過(guò)程模型

(4)

1.3.3 河川徑流對(duì)氣候及土地利用變化的響應(yīng)模型

(5)

2 結(jié)果分析

2.1 石羊河下游河川徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)

曲線回歸模型的求解可以轉(zhuǎn)化為直線回歸模型的求解，具體計(jì)算過(guò)程為：首先，對(duì)模型(1)兩邊取對(duì)數(shù)，得到如下模型(6)， 然后，對(duì)年徑流量、年降水量、與年均溫進(jìn)行對(duì)數(shù)求解，分別得到其新序列Q′、P′、T′。

(6)

(7)

應(yīng)用最小二乘法的原理確定待定系數(shù)α、β 與γ值，得到下游蔡旗斷面1956—1968年年徑流量對(duì)氣候變化的響應(yīng)模型。

(8)

該模型R=0.793，顯著性水平遠(yuǎn)小于0.01，F(xiàn)=8.451，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SigF的值(0.007)，說(shuō)明1956—1968年蔡旗斷面年徑流量與中上游年均溫及年降水量有著密切的非線性關(guān)系。

從表2可以看出，除了對(duì)極大值年份(1958年和1959年)擬合值的誤差稍大之外，其它年份擬合值的誤差均在±15%以內(nèi)，精度較高，擬合效果較好。

表2 擬合值與實(shí)測(cè)值誤差檢驗(yàn)表

2.2 石羊河下游河川徑流量對(duì)土地利用變化的響應(yīng)

土地利用格局的變化，尤其是灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展改變了水資源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，這種變化將驅(qū)動(dòng)整個(gè)水資源系統(tǒng)的時(shí)空分布發(fā)生根本改變。石羊河流域六河水系中游地區(qū)土地利用變化劇烈，直接導(dǎo)致流域水資源的空間格局發(fā)生變化。因?yàn)閺?007年開(kāi)始，石羊河流域開(kāi)始實(shí)施配水方案，蔡旗斷面來(lái)水量有所增加，因此，在進(jìn)行相關(guān)分析和模型建立時(shí)，時(shí)間段定為1986—2006年。利用查補(bǔ)的耕地面積時(shí)間序列與蔡旗斷面來(lái)水量進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為-0.855，通過(guò)0.01顯著性水平的檢驗(yàn)，二者存在顯著相關(guān)關(guān)系，通過(guò)回歸分析建立耕地變化影響下徑流變化過(guò)程模型。

(9)

2.3 基于氣候及土地利用變化的河川徑流量變化過(guò)程響應(yīng)模型

蔡旗斷面來(lái)水量的變化是氣候與土地利用變化共同作用的結(jié)果，但不同要素對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率存在差別。氣候與耕地變化的徑流變化過(guò)程模型為：

(10)

從模型(10)中氣候變化與耕地變化對(duì)徑流量變化的影響函數(shù)值α與β的大小可以看出，在徑流變化過(guò)程中，氣候變化對(duì)其影響的貢獻(xiàn)率僅為4.1%，而土地利用變化，尤其是耕地變化的貢獻(xiàn)率高達(dá)88.8%，因此，石羊河中游林地和草地的大面積減少和耕地的大幅度持續(xù)增加，是流域下游來(lái)水量顯著減少的根本原因。

2.4 假定情景下的下游河川徑流量變化模擬預(yù)測(cè)

2.4.1 氣候變化情景的假設(shè)

參照IPCC的評(píng)估報(bào)告與中國(guó)發(fā)布的全球氣候變化及其影響的國(guó)家評(píng)估報(bào)告，根據(jù)目前石羊河上中游年均氣溫、年降水量及其變化特征，分別給出氣溫和降水的可能變化情景，即氣溫分別增加0.5、1.0 ℃和1.5 ℃，降水量分別增加5%、10%和15%。

2.4.2 土地利用變化情景的假設(shè)

《石羊河流域綜合治理規(guī)劃》指出：六河中游片綜合農(nóng)田灌溉凈定額由2003年的5850 m3/hm2減少到2010年和2020年的4575 m3/hm2和4410 m3/hm2；《中共武威市委、武威市人民政府關(guān)于武威市建設(shè)節(jié)水型社會(huì)的實(shí)施方案》指出：武威市節(jié)水型社會(huì)建設(shè)目標(biāo)分為近期和遠(yuǎn)期兩個(gè)階段的目標(biāo)(2006—2015)，其中，農(nóng)業(yè)節(jié)水的近期目標(biāo)(2010年)：農(nóng)田灌溉定額由現(xiàn)狀的4950—6900 m3/hm2(涼州6225 m3/hm2、古浪、天祝4875 m3/hm2、民勤6900 m3/hm2)降低到4650—6525 m3/hm2(涼州5775 m3/hm2、古浪、天祝4650 m3/hm2、民勤6525 m3/hm2)。

綜合考慮石羊河流域節(jié)水農(nóng)業(yè)規(guī)劃方案，結(jié)合石羊河流域農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，給出未來(lái)節(jié)水的可能情景，分別為：節(jié)水5%、10%、15%和20%，現(xiàn)狀年為2006年。

2.4.3 模擬結(jié)果分析

灌溉定額的減少等同于耕地面積的減少，因此根據(jù)上述給出的可能發(fā)生的節(jié)水情況，應(yīng)用模型(8)、(9)和(10)對(duì)蔡旗斷面可能的來(lái)水量做出模擬。

從不同情景下的模擬結(jié)果可以看出，首先，各種模擬情景下氣候變化對(duì)蔡旗斷面來(lái)水量的影響均不明顯，極大值與極小值之差均為0.02×108m3左右；其次，各種節(jié)水情景下蔡旗斷面來(lái)水量存在較大差異：①?gòu)哪M情景一的結(jié)果(表3)可以發(fā)現(xiàn)，在所有農(nóng)田的灌溉定額均減少5%的前提下，徑流量模擬值平均為1.591×108m3，基本與20世紀(jì)90年代初的來(lái)水量大體相當(dāng)。②在灌溉定額減少10%的情景下(表4)，來(lái)水量模擬值平均為2.427×108m3，相當(dāng)于20世紀(jì)80年代初的來(lái)水量。③模擬情景三說(shuō)明，在節(jié)水15%的情景下(表5)，蔡旗斷面的來(lái)水量模擬值平均為3.262×108m3左右，基本與20世紀(jì)70年代初期的來(lái)水量相當(dāng)，而且超過(guò)了2010年為了向中央交一份滿意的答卷、在各級(jí)政府的監(jiān)督強(qiáng)制下、經(jīng)過(guò)多方調(diào)水(包括景電二期工程的民勤調(diào)水和西營(yíng)專(zhuān)用輸水渠向民勤的輸水)、關(guān)井壓田之后的2.6×108m3的來(lái)水量。 ④灌溉定額減少20%的情景下(表6)，蔡旗斷面來(lái)水量模擬值平均為4.098×108m3，基本上與20世紀(jì)60年代末的來(lái)水量相當(dāng)。

表3 下游來(lái)水量模擬情景一

Table 3 The first simulation scenarios of runoff arriving at the lower reaches

節(jié)水情況Watersaving氣候可能出現(xiàn)的情景Probablechangesofweather徑流量模擬值RSimulationvaluesofrunoff/(108m3)節(jié)水5%P+5%;T+0.51.596WatersavingP+5%;T+1.01.5885percentageP+5%;T+1.51.581P+10%;T+0.51.599P+10%;T+1.01.591P+10%;T+1.51.584P+15%;T+0.51.602P+15%;T+1.01.594P+15%;T+1.51.587

表4 下游來(lái)水量模擬情景二

Table 4 The second simulation scenarios of runoff arriving at the lower reaches

節(jié)水情況Watersaving氣候可能出現(xiàn)的情景Probablechangesofweather徑流量模擬值RSimulationvaluesofrunoff/(108m3)節(jié)水10%P+5%;T+0.52.431WatersavingP+5%;T+1.02.42410percentageP+5%;T+1.52.417P+10%;T+0.52.435P+10%;T+1.02.427P+10%;T+1.52.420P+15%;T+0.52.438P+15%;T+1.02.430P+15%;T+1.52.422

表5 中下游來(lái)水量模擬情景三

Table 5 The third simulation scenarios of runoff arriving at the lower reaches

節(jié)水情況Watersaving氣候可能出現(xiàn)的情景Probablechangesofweather徑流量模擬值RSimulationvaluesofrunoff/(108m3)節(jié)水15%P+5%;T+0.53.267WatersavingP+5%;T+1.03.25915percentageP+5%;T+1.53.252P+10%;T+0.53.270P+10%;T+1.03.262P+10%;T+1.53.255P+15%;T+0.53.273P+15%;T+1.03.265P+15%;T+1.53.258

表6 下游來(lái)水量模擬情景四

Table 6 The fourth simulation scenarios of runoff arriving at the lower reaches

節(jié)水情況Watersaving氣候可能出現(xiàn)的情景Probablechangesofweather徑流量模擬值RSimulationvaluesofrunoff/(108m3)節(jié)水20%P+5%;T+0.54.103WatersavingP+5%;T+1.04.09520percentageP+5%;T+1.54.088P+10%;T+0.54.106P+10%;T+1.04.098P+10%;T+1.54.091P+15%;T+0.54.109P+15%;T+1.04.101P+15%;T+1.54.094

3 結(jié)論

(1)1956—2009年蔡旗斷面河川徑流量呈快速減少趨勢(shì)，其中，1968年之前石羊河流域下游控制站蔡旗斷面徑流量的波動(dòng)主要是氣候變化的結(jié)果，而1968之后，蔡旗斷面徑流量的減少是氣候與土地利用變化共同作用的結(jié)果，其中，氣候變化的貢獻(xiàn)率平均僅為4.1%，而土地利用變化，尤其是耕地變化的貢獻(xiàn)率高達(dá)88.8%。

(2)給出未來(lái)氣候及節(jié)水可能的變化情景，應(yīng)用河川徑流對(duì)氣候與土地利用變化的響應(yīng)模型，對(duì)下游來(lái)水量進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)：灌溉定額平均減少5%的前提下，徑流量模擬值與1997年左右的來(lái)水量大體相當(dāng)；在灌溉定額減少10%的情景下，來(lái)水量模擬值相當(dāng)于20世紀(jì)80年代末的來(lái)水量；而在節(jié)水15%和20%的情景下，蔡旗斷面的來(lái)水量模擬值達(dá)3.262×108m3和4.098×108m3。說(shuō)明，如果真正從節(jié)水入手，加大節(jié)水設(shè)施和節(jié)水技術(shù)尤其是高新灌溉技術(shù)的投入強(qiáng)度，使民勤蔡旗斷面下泄水量由2010年的2.600×108m3增加到2.900×108m3以上的治理目標(biāo)，在不進(jìn)一步壓田的前提下，一定可以提前實(shí)現(xiàn)。石羊河流域生態(tài)恢復(fù)的根本出路在于節(jié)水。

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Response of runoff to the climate and land use pattern changes in Shiyang River Basin

ZHOU Junju1, LEI Li2, SHI Peiji1,*, WANG Lanying3, WEI Wei1, LIU Haimeng1

1Geography&EnvironmentScienceCollege,NouthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China2ManagementBureauofShiyangRiverBasin,GansuProvincialWaterResourcesBureau,Wuwei733000,China3TheAdministrativeCenterforChina′sAgenda21,Beijing100038,China

Shiyang River Basin is one of the inland rivers, which have the highest population density, the highest utilization level of water resources, the most prominent contradiction with water, and the most serious ecological environment problems. Under the background of climate change, the landscape patterns based on desert of Shiyang River Basin have taken place great changes, and thus affected the hydrological processes profoundly, including a decrease in runoff and an increase in conflicts between water demands and water supplies. In this case, the government had made policies on social and economic development, and also enforced a series of the ecological restoration project to slow ecological deterioration down, but the trend was not reversed. In order to achieve sustainable use of soil and water resources, it is very urgent for use to study on the relationship between the evolvement of water resources and the pattern of land use, and to evaluate the role of climate change and the contribution of land use change in the changes of water resources in distribution patterns respectively. In this paper, based on the long-term observed data of meteorological and hydrological process and four periods of TM image data of Shiyang River Basin, the runoff process simulation model was established, which only focused on the factors of climate and land use change. And the the response characteristic of runoff to the climate and land use change were explored, and also the trend of runoff was predicted. The meteorological data from 1956 to 2009 of Wushaoling and Wuwei weather stations were all from China Meteorological Data Sharing Service System and the remote sensing information was from the Landsat/TM4 image data received by China′s remote sensing satellite ground station, including the year of 1986, 2000, 2006 and 2010. The monthly and annual runoff data of upstream six rivers and Caiqi section in Shiyang River basin were partly from electronic material provided by Shiyang river basin administration, and partly from water resources bulletin of it. The results show: Firstly, the annual amount of river runoff arriving at Caiqi section were decreased to 1.096×108m3at present from 5.392×108m3of the 1950′s during the period of 1956 to 2009, and before 1968, the runoff fluctuation of Caiqi section was mainly caused by climate change. However, after 1968 it was affected by the interaction of climate and land use change. Secondly, the average contribution rate of climate to the change of downstream river runoff was 4.1 percent, while the contribution rate of land use change, especially the cultivated land change, was up to 88.8 percent in recent 30 years. If the midstream irrigation water reduced by 5 percent,10 percent,15 percent and 20 percent respectively, the simulation value of downstream river runoff would be up to 1.591×108m3、2.427×108m3、3.262×108m3，and 4.098×108m3, respectively. This suggested that if water-saving facilities and water-saving technology, especially high and new irrigation technology were adopted, the governance goal of increasing the amount of water from 2.600×108m3to 2.900×108m3in Caiqi section in 2010 would be achieved early without the irrigated areas decrease. In a word, the fundamental way of ecological restoration lies in water saving in Shiyang River basin.

climate change; land use pattern; hydrological processes; Shiyang River Basin

甘肅省自然科學(xué)基金(1107RJZA104); 西北師范大學(xué)青年教師科研能力提升計(jì)劃項(xiàng)目(NWNU-LKQN- 12- 18); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41261104); 國(guó)家社科基金青年項(xiàng)目(12CTJ001); 甘肅省青年科技基金計(jì)劃項(xiàng)目(1107RJYA077)

2013- 07- 31;

2014- 06- 12

10.5846/stxb201307311997

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shipj@nwnu.edu.cn

周俊菊, 雷莉, 石培基, 王蘭英, 魏偉, 劉海猛.石羊河流域河川徑流對(duì)氣候與土地利用變化的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(11):3788- 3796.

Zhou J J, Lei L, Shi P J, Wang L Y, Wei W, Liu H M.Response of runoff to the climate and land use pattern changes in Shiyang River Basin.Acta Ecologica Sinica,2015,35(11):3788- 3796.