付意成，趙進(jìn)勇，朱國平，全占軍，李春輝

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.北京林淼生態(tài)環(huán)境技術(shù)有限公司，北京 100083；3.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)黃旗海濕地保護(hù)辦公室，內(nèi)蒙古 察右前旗 012200)

1 研究背景

湖泊作為人類一種寶貴的自然資源，在國家經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)維持中起重要作用。在人類活動和氣候變化的雙重作用下，我國多數(shù)湖泊出現(xiàn)水位持續(xù)下降、湖面面積和蓄水量不斷減小的現(xiàn)象，有些湖泊甚至干涸[1]。黃旗海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部烏蘭察布市察右前旗境內(nèi)，為內(nèi)蒙古八大湖泊之一，同時也是我國西北地區(qū)著名的濕地之一。

黃旗海具有農(nóng)牧交錯帶閉塞湖泊的一般演變規(guī)律，湖泊面積不斷波動，總體上呈現(xiàn)收縮下降趨勢。20世紀(jì)70年代以來，黃旗海水域面積逐漸萎縮。2015年監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：5-9月黃旗海均有一定水域面積，6月面積最小，為0.43 km2，8月面積最大，為13.2 km2。黃旗海在過去幾十年的演變與其他許多湖泊具有相似的過程。近幾十年來湖泊退化是一個全球性事件，黃旗海只是其中的個案，然而其在21世紀(jì)后的退化速度及程度卻相對驚人。黃旗海湖面面積及水環(huán)境在退化過程中人為和自然因素所起的作用孰輕孰重，這一結(jié)果的探討成為衡量湖面面積恢復(fù)可能性的重要依據(jù)。

黃旗海湖面面積的維持與擴(kuò)大可能性除受氣候變化影響外，還受一系列人為活動控制。氣候變化能改變河川徑流大小及其空間分布，對于合理開發(fā)利用水資源、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要影響[2]。伴隨著以全球變暖為主要特征的氣候變化，降水、氣溫、日照等氣象要素也發(fā)生了不同程度的變化，這些氣象要素的改變勢必會影響水文循環(huán)的降水、水汽輸送及蒸散發(fā)等環(huán)節(jié)，從而影響流域水資源狀況[3]。國內(nèi)學(xué)者對氣候與徑流變化的影響展開了大量研究工作。學(xué)者針對西北地區(qū)不同區(qū)域、不同季節(jié)降水量做了詳細(xì)的時空變化特征分析，從海溫異常、大氣環(huán)流、季風(fēng)影響等角度進(jìn)行研究，西北地區(qū)秋季大部分地區(qū)降水異常偏少主要受季風(fēng)影響[4-6]。此外，賴欣等[7]利用1961-2007年夏季逐日降水資料對我國夏季日降水變化進(jìn)行研究，夏季降水頻率呈減小趨勢；殷方圓等[8]利用1960-2012年我國夏季降水資料進(jìn)行分析，東北和華北地區(qū)夏季降水量減少最顯著，東北地區(qū)夏季降水量在2000-2010年減少最多，華北地區(qū)在1980年代減少最多。人類通過對地表下墊面的改造，如砍伐森林、興修水利工程、灌溉農(nóng)田以及建設(shè)城鎮(zhèn)，引起水文要素的時空變化，特別是對河川徑流直接或間接的影響受到諸多學(xué)者的關(guān)注[9-11]。為探求人類活動對河川徑流量變化的影響，李野等[12]利用近50年的徑流和降雨資料，研究白龍江上游徑流變化特征，并揭示人類活動與徑流變化間的關(guān)系；胡珊珊等[13]采用氣候彈性系數(shù)和水文模擬方法定量分析了白洋淀上游水源區(qū)唐河流域氣候變化和人類活動對徑流的影響，表明人類活動對徑流的影響起主導(dǎo)作用，占60%～62%。

氣候變化和人類活動是影響水文情勢的主要因素，因此，合理地分析氣候變化和人類活動對區(qū)域水資源的影響顯得尤為重要。張建云和王國慶等[14,15]對黃河、汾河等北方流域的氣候變化和人類活動對河川徑流的影響進(jìn)行了定量分析研究；林凱榮等[16]基于東江流域兩期土地利用現(xiàn)狀圖和主要水文氣象站1956-2009年氣象和徑流時間序列，建立氣候變化及人類活動對流域徑流影響的貢獻(xiàn)分解方法，運用改進(jìn)的SCS月模型進(jìn)行徑流模擬，揭示氣候變化及人類活動對流域徑流量的影響。當(dāng)前，學(xué)者多采用統(tǒng)計分析方法和水文模型模擬法研究氣候變化和人類活動對水文水資源的影響[17]。Mann-Kendall法(M-K)檢測是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，樣本不需要遵從一定的分布，適用于類型變量和順序變量，被廣泛地應(yīng)用于檢驗數(shù)據(jù)序列的突變點。楊柳嫦等[18]利用M-K檢驗法對近50年平遠(yuǎn)縣年降水量進(jìn)行突變檢驗，平遠(yuǎn)降水存在3次突變時期，但變化不顯著；買苗等[19]采用M-K非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法進(jìn)行異常年份的氣候突變檢測，檢驗結(jié)果證實了年蒸發(fā)量、年日照百分率和年平均風(fēng)速均呈明顯減少趨勢；隋佳碩等[20]利用1980-2010年降水資料，采用線性擬合方法和M-K檢驗法分析遼源市年降水量、年降水日數(shù)的變化特征；王富強(qiáng)等[21]選取東江流域近60年的氣象數(shù)據(jù)，運用M-K非參數(shù)檢驗分析降水的變化特征，研究日照、風(fēng)速和氣溫對降水變化的影響；郭林祥等[22]為揭示全球氣候變暖背景下甘肅省定西市安定區(qū)的氣候變化趨勢，運用M-K檢驗法對氣溫和降水量年際變化趨勢進(jìn)行突變檢驗；胡麗莉等[23]采用M-K突變檢驗研究河西走廊東部汛期降水的PCD和PCP分布及變化特征；李斌[24]采用非參數(shù)M-K檢驗對洮兒河流域中上游徑流、降水及潛在蒸散發(fā)的趨勢及突變點進(jìn)行研究，表明氣候因素變化對流域水文過程的影響約占45%；蔣艷等[25]運用M-K檢驗研究塔里木河流域源流區(qū)歷史水文過程及區(qū)域氣候時空變化，氣溫、降水量和蒸發(fā)量呈現(xiàn)增加趨勢，徑流隨氣溫和蒸發(fā)量變化較為敏感。氣候變化以及人類活動對黃旗海湖面面積變化影響的研究較少。本文選取黃旗海流域集寧水文站1975-2011年逐月徑流資料，結(jié)合同期氣象站的氣溫、地下水逐月變化數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會數(shù)據(jù)，采用M-K檢驗對影響黃旗海水面面積數(shù)據(jù)系列趨勢進(jìn)行分析，尋求突變點或突變時段，為深度分析水面面積變化原因提供依據(jù)，以期為黃旗海流域水資源規(guī)劃利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)資料

2.1 研究區(qū)概況

黃旗海(E113°10ˊ～113°26ˊ、N40°45ˊ～41°07ˊ)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市察右前旗中部，流域涉及察右中旗東南部，察右后旗西南角，卓資縣東部，整個察右前旗、集寧區(qū)以及豐鎮(zhèn)市北部(圖1)。區(qū)域降水量分布不均，自東南向西北呈現(xiàn)逐漸遞減趨勢，多年平均降水量為363 mm。黃旗海流域干旱指數(shù)均低于0.9，屬于半干旱氣候區(qū)。黃旗海流域內(nèi)共有中、小河流11條，在海子周圍還有很短的毛溝注入其中。流域內(nèi)較大的河流有霸王河、泉玉林河，次大的有磨子山河、烏拉哈河及清水河等。除霸王河、泉玉林河常年有水外，其余均為季節(jié)性河流，僅在汛期有洪水匯入黃旗海，僅霸王河和泉玉林河設(shè)有水文站。黃旗海主要補(bǔ)水量除源于流域內(nèi)各河流汛期注入的洪水外，還有湖區(qū)部分滲水的地下水和直接降入湖內(nèi)的雨水等。黃旗海流域地表水水資源可利用量為0.91 億m3，地下水可開采量為2.09 億m3，水資源可利用總量為3.00 億m3。黃旗海流域水資源可利用量主要來自察右前旗、集寧區(qū)。隨著流域內(nèi)地下水資源開采量的增加，地下水位逐漸降低，地下水在枯水期難以補(bǔ)給湖水。

2.2 數(shù)據(jù)資料

烏蘭察布市水利局提供的黃旗海流域集寧氣象站1954-2011年的氣溫觀測數(shù)據(jù)；集寧水文站1954-2011年霸王河日徑流量監(jiān)測資料；黃旗海周邊集寧區(qū)、察右前旗1987-2011年地下水位觀測井?dāng)?shù)據(jù)；美國Landsat 1987、2000、2010、2014年1∶100 000的TM/ETM影像資料。流域內(nèi)缺少降雨監(jiān)測資料，利用泰森多邊形方法根據(jù)湖區(qū)周邊雨量站的年降雨量計算1975-2011年流域總降雨量。

圖1 黃旗海流域示意圖Fig.1 The Huangqihai watershed

3 研究方法

黃旗海湖面面積變化受制于流域入湖水量、周邊經(jīng)濟(jì)社會用水與排水、地下水位變化、水量損失等因素的制約。本文對黃旗海流域37年時間分布特征的突變特征分析，采用M-K檢驗。M-K檢驗是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算過程簡單[26]。M-K檢驗通過統(tǒng)計變量Z確定序列的趨勢性；通過分析統(tǒng)計序列UF、BF進(jìn)一步分析序列某時段的趨勢變化，從而判別序列是否產(chǎn)生突變，以及突變的時間和區(qū)域[27]。一般取顯著性水平α= 0. 05，臨界值U0.05= ± 1. 96。

M-K檢驗計算公式為[28]：

(1)

式中：S為M-K檢驗中的統(tǒng)計變量，S遵從正態(tài)分布，平均值均值為0。

(2)

式中：xj，xk分別為j、k年的相應(yīng)要素值，j>k。

統(tǒng)計變量UFk的計算公式為：

(3)

式中：E(Sk)、Var(Sk)是Sk的均值和方差。

Sk均值和方差的計算公式：

(4)

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，在顯著性水平α(一般取α=0.05，Uα=±1.96)，如果|UFk|>Uα，表示存在顯著的趨勢變化。如果UFk>0，說明呈上升趨勢，反之則說明存在下降趨勢。

根據(jù)相同的算法，按時間序列x逆序xn，xn-1，…，x1再重復(fù)上述過程，同時使BFk=UFk(k=n，n-1，…，1)，BF1=0，由此獲得BFk曲線。如果UFk和BFk曲線相交，并且相交點在臨界線之間，說明交點對應(yīng)的時刻就是突變發(fā)生的時刻。

4 結(jié)果與分析

4.1 黃旗海流域近40 a水文氣象變化趨勢

(1)流域降雨量。根據(jù)黃旗海流域內(nèi)19個雨量站日觀測數(shù)據(jù)[29]，本文利用泰森多邊形方法根據(jù)各雨量站的年降雨量計算1975-2011年流域總降雨量。流域降水量年際間變化大，存在豐水年與枯水年交替現(xiàn)象，且降雨量有明顯下降趨勢。降水量變化情勢見圖2。

圖2 黃旗海流域降水量變化情勢Fig.2 Precipitation change of Huangqihai watershed

(2)溫度和干旱指數(shù)。本文通過對集寧氣象站1954-2011年的氣溫觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，黃旗海流域近50年來年平均氣溫有上升趨勢，約升高了2℃。本文利用集寧氣象站的日觀測數(shù)據(jù)分析，黃旗海流域干旱指數(shù)年際間波動大，總體略有上升趨勢。黃旗海流域1954-2011年平均氣溫和干旱指數(shù)變化情勢見圖3、圖4。

圖3 黃旗海流域年平均氣溫變化情勢Fig.3 Annual temperature change of Huangqihai watershed

圖4 黃旗海流域年平均干旱指數(shù)變化情勢Fig.4 Annual average drought index of Huangqihai watershed

(3)霸王河徑流量和入湖水量。本文依據(jù)集寧水文站1954-2011年霸王河日徑流量監(jiān)測資料，給出霸王河年徑流量變化情勢(圖5)。鑒于當(dāng)?shù)厮牟块T缺乏黃旗海實測的入湖流量監(jiān)測值，本文借助APEX模型(Agricultural Policy/Environmental eXtender Model)對黃旗海的入湖地表徑流值進(jìn)行模擬[30]。1982-2011年黃旗海入湖徑流量變化趨勢見圖6。結(jié)果表明黃旗海入湖徑流量變化趨勢與霸王河徑流量變化趨勢一致。

圖5 霸王河年徑流量變化情勢圖Fig.5 Annual runoff change of Bawanghe river

圖6 黃旗海年入湖水量變化情勢圖Fig.6 Water input lake of Huangqihai watershed

本文通過對集寧水文站1959-2011年53年實測年徑流資料進(jìn)行分析，黃旗海流域徑流的連豐連枯現(xiàn)象比較明顯。20世紀(jì)50年代后期60年代中期屬豐水期，60年代后期至70年代后期屬枯水期，80年代初期為豐水期，80年代后期至90年代初期屬枯水期，90年代后期至今處于枯水期。因此，從氣候?qū)用婵紤]，黃旗海入湖徑流量減少符合長系列發(fā)展趨勢。

(4)地下水埋深。黃旗海流域內(nèi)地下水埋深南北差異大。本文選取黃旗海周邊集寧區(qū)、察右前旗的5個地下水位觀測井的數(shù)據(jù)取均值作為黃旗海湖區(qū)的地下水埋深數(shù)據(jù)，流域近期(1987-2011年)水位變化情勢見圖7。結(jié)果表明1997年以來黃旗海湖區(qū)地下水位下降趨勢明顯。

圖7 黃旗海地下水位變化情勢圖Fig.7 Groundwater level change of Huangqihai watershed

黃旗海流域的地下水主要以寬帶狀分布于河谷洼地第四紀(jì)含水層以及山前傾斜平原中。地下水的主要補(bǔ)給來源為流域內(nèi)的降水入滲補(bǔ)給。而流域北高南低的地形特點，決定了地下水運動趨勢由北向南。除部分地區(qū)地下水埋深小于3 m有蒸發(fā)排泄外，其余均以較短距離的地下徑流由四周低山丘陵排向黃旗海中。因此，2000年以后，受地下水位埋深的影響，黃旗海湖區(qū)地下水補(bǔ)給湖區(qū)的情況不易發(fā)生[31]。

4.2 黃旗海湖面面積退化成因分析

(1)黃旗海湖面面積變化趨勢。黃旗海湖面水面縮小乃至干涸作為影響濕地生態(tài)質(zhì)量健康的重要指標(biāo)，是研究湖面面積變化趨勢的關(guān)鍵。本文借助M-K檢驗方法對黃旗海水面面積數(shù)據(jù)系列趨勢進(jìn)行分析，尋求突變點或突變時段，為深度分析水面面積變化原因提供依據(jù)。黃旗海湖面面積趨勢變化見圖8、圖9。

注：①M-K檢驗顯著。②在a = 0.001水平上顯著。圖8 黃旗海湖水面積變化圖Fig.8 Lake area change of Huangqihai watershed

圖9 黃旗海湖水面積趨勢變化分析Fig.9 The change analysis of Lake area of Huangqihai watershed

借助M-K檢驗，黃旗海水面面積在a=0.001顯著水平下減少趨勢明顯。M-K檢驗中的UF曲線走勢表明：20世紀(jì)80年代中期以來，黃旗海水面面積減少趨勢均超過0.05的臨界線；20世紀(jì)70年代中期至80年代初期水面面積呈緩慢下降趨勢，80年代中期至90年代初期下降趨勢增快；20世紀(jì)90年代末水面面積有所增加，此后水面面積逐年減少，致使2008年后水面面積嚴(yán)重萎縮。M-K檢驗表明黃旗海湖水面積出現(xiàn)突變的時間范圍較廣，1986、1997和1999年均可能為突變開始點。

(2)黃旗海湖面面積萎縮驅(qū)動因子。內(nèi)陸閉塞湖泊面積變化與補(bǔ)給水源水量密切相關(guān)。歷史上的黃旗海水量補(bǔ)給來源主要有天然降水、河流徑流和地下泉水3種類型。借鑒相關(guān)文獻(xiàn)研究成果，本文在對黃旗海各個影響因素對面積變化的作用機(jī)制進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，得出湖面面積：①與流域總降水量呈正相關(guān)關(guān)系(r=0.6，P<0.01)；②與地下水埋深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.7，P<0.01)；③與入湖徑流量呈正相關(guān)關(guān)系(r=0.5，P<0.05)。因此，與湖水面積最相關(guān)的是地下水埋深，其次是降水量。湖泊地下水埋深的變化除由氣候和下墊面條件變化引起外，主要與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展大量抽取地下水，過度攔截下滲的地表徑流相關(guān)。

結(jié)合以上分析，與現(xiàn)代黃旗海湖水面積最密切相關(guān)的是地下水埋深。降水、地下水埋深以及入湖徑流量三者緊密聯(lián)系。本文綜合考慮流域其他環(huán)境因子與湖水面積和地下水埋深的關(guān)系，探明黃旗海濕地退化的關(guān)鍵驅(qū)動力。1999年前后湖水面積變化趨勢存在較大差異。對因子間相關(guān)性分析從1975-1999年和1999-2011年兩個時段進(jìn)行，結(jié)果見表1。

表1 黃旗海湖面面積-驅(qū)動因子相關(guān)性分析Tab.1 Correlation Analysis of Lake Area - Driving Factors of Huangqihai watershed

注：地下水水位監(jiān)測數(shù)據(jù)系列為1975-2011年。

在1975-1999年時段，與黃旗海水面面積顯著相關(guān)的因子有地下水位、人口密度和溫度，其中前兩個指標(biāo)顯著性水平達(dá)0.01，末者為0.05。黃旗海濕地位于半干旱區(qū)的農(nóng)牧交錯帶蒸散量大，溫度的升高會進(jìn)一步加大地表蒸散發(fā)，尤其是水面蒸發(fā)，從而造成黃旗海水面面積萎縮。人口激增會給當(dāng)?shù)貛硪幌盗袎毫Γ用窠ㄔO(shè)用地擴(kuò)增，糧食需求變大，生產(chǎn)生活用水量增加。溫度和人口密度一般不受其他因子控制，而地下水位受其他諸多因子影響。鑒于湖區(qū)地下水的補(bǔ)給特點，雖然1987-1999年期間人類活動可能已影響到地下水水位變化(農(nóng)業(yè)深井取水)，但此時流域地表水資源量較充足，加上黃旗海湖水與地下水的互相補(bǔ)給滲漏作用，使得地下水位波動中有上漲?？傮w上1976-1999年時段氣候較濕潤以及人類活動不劇烈，湖水面積主要受降雨、溫度等氣候因素變化的控制。

在1999-2011年時段，與黃旗海水面面積顯著相關(guān)的因子有地下水位、人口密度、GDP和載畜量，顯著性水平為0.01。因此，與湖水面積顯著相關(guān)的均為人為因子，且相關(guān)系數(shù)較1975-1999年時段更大。進(jìn)入21世紀(jì)后，黃旗海流域的氣候條件(降水和溫度)變化不顯著，其他人口、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均在一定顯著性水平上增長[29]。2004年農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)由種植業(yè)主導(dǎo)型向畜牧業(yè)主導(dǎo)型轉(zhuǎn)變，糧食產(chǎn)量減少，畜牧業(yè)激增，占第一產(chǎn)業(yè)的比重達(dá)到43%。依據(jù)烏蘭察布市地下水資源勘探隊的勘測結(jié)果，流域內(nèi)集寧區(qū)及察哈爾經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)地下水資源現(xiàn)狀開采量已占可開采量的69%～78%，且在2020年需水量超過可開采量，不能滿足各行業(yè)發(fā)展的需求，區(qū)域地下水超采現(xiàn)象嚴(yán)重，黃旗海地下水水源補(bǔ)給大大減少甚至枯竭。因此，在此階段黃旗海流域退化過程受經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、土地利用格局變化等一系列人類用水活動控制。

5 結(jié) 語

20世紀(jì)70年代以來黃旗海湖面面積總體上呈萎縮趨勢。為尋求黃旗海湖面面積變化與降雨、入湖水量、區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會用水、地下水位變化等因素的關(guān)系，本文采用M-K檢驗方法對黃旗海湖面面積1975-2012年數(shù)據(jù)系列趨勢進(jìn)行分析，深度探究湖面面積變化原因。

(1)1975-1999年時段，氣候較濕潤以及人類活動不劇烈，湖水面積主要受降雨、溫度等氣候因素變化的控制。

(2)1999-2012年時段，氣候條件(降水和溫度)變化不顯著，湖水面積縮小主要受經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、地下水位變化等一系列人類用水活動控制。

M-K檢驗證實了黃旗海湖面面積退化是天災(zāi)(氣候變化)及人禍(人類活動)綜合作用的結(jié)果。

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