(甘肅省臨洮水文水資源勘測局，甘肅 臨洮 730500)

隨著全球氣候變化加劇、土地利用和城鎮(zhèn)化建設(shè)等對下墊面的劇烈改變以及水土資源開發(fā)利用的影響，甘南州水循環(huán)及生態(tài)水文過程發(fā)生了顯著變化，尤其是2000年以來，隨著經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展、城鎮(zhèn)化加速推進(jìn)、退耕還林還草、大規(guī)模植樹造林、土地利用格局發(fā)生了顯著變化，耕地、林草地、建設(shè)用地均顯著增加。下墊面條件的劇烈變化使得區(qū)域水循環(huán)過程與格局發(fā)生了時間和空間上的重大變化，局部地區(qū)產(chǎn)匯流機(jī)制發(fā)生了根本變化，導(dǎo)致河川天然徑流量不同程度的減少,甘南州作為黃河和長江重要產(chǎn)水區(qū)，徑流量減少顯著。為了能及時準(zhǔn)確掌握甘南州地表水資源情勢出現(xiàn)的新變化，十分有必要開展全州主要河流地表徑流演變趨勢分析研究。

1 研究區(qū)概況[1]

甘南州地處青藏高原與黃土高原過渡地帶，地形地貌復(fù)雜高亢，地勢西高東低，南高北低，大體由西南向東北傾斜，南部為岷迭山區(qū)，東部為丘陵山地，西北部為廣闊的草甸草區(qū)。海拔1 100～4 900 m，大部分在3 000 m以上。地貌可分為高山草原區(qū)、高山森林區(qū)、低山丘陵區(qū)三類。境內(nèi)因地形復(fù)雜而形成高寒低溫、濕潤多雨的氣候，長冬無夏，春秋短促。年均氣溫以瑪曲縣為最低點(diǎn)，向東南方向逐漸增高。全年平均氣溫低于10℃的低溫天氣，一般長達(dá)八至十個月，年均氣溫僅1.7℃。年均降水量568.1 mm，總體趨勢是以郎木寺為中心向四周遞減，郎木寺為800 mm，夏河、舟曲為440 mm。年均蒸發(fā)量1 383.3 mm。日照時數(shù)2 303.7 h。全年無霜期僅30 d左右。

2 DEM數(shù)據(jù)河網(wǎng)提取

采用DEM 數(shù)據(jù)源是由美國奮進(jìn)號航天飛機(jī)于2000年2 月獲得的SRTM DEM，中國境內(nèi)可用的數(shù)據(jù)為3″(分辨率約90 m)，數(shù)據(jù)的大地平面基準(zhǔn)為WGS84，高程基準(zhǔn)為EGM96，垂直誤差小于16 m(90% 置信度)。本研究采用的原始DEM 數(shù)據(jù)是從CGIA-CSI SRTM 90 m數(shù)據(jù)庫下載，經(jīng)過投影變換、圖像拼接和邊界裁剪等處理得到甘南州流域區(qū)域DEM。再借用Arc Hydro Tools 工具提取流域水系信息，包括五個流程: DEM 的預(yù)處理、水流流向確定、匯流柵格圖的生成、自動生成河網(wǎng)以及子流域邊界的劃分，最終得到本課題甘南州研究區(qū)的河網(wǎng)水系分布。

3 站網(wǎng)分布及資料選用

3.1 河流站網(wǎng)分布

甘南州分屬黃河、長江兩大流域，碌曲縣郎木寺鎮(zhèn)及一個行政村、迭部縣絕大部分縣域、舟曲縣全境屬長江流域，其余縣市均為黃河流域。甘南州內(nèi)有白龍江、黃河、洮河、大夏河“一江三河” 流經(jīng)。對流域面積大于50 km2的主要河流進(jìn)行了全面的調(diào)查，流域地形地貌、境內(nèi)河長、平均氣溫、平均降水、平均海拔、河道寬度、平均流速、平均深度及河道比降等，最終確定了流域面積大于50 km2的主要河流200條，重點(diǎn)河流41條其中黃河干流2條、洮河22條、大夏河9條、白龍江8條，詳見甘南州重點(diǎn)河流統(tǒng)計表1，甘南州河流水系站網(wǎng)分布見圖1。

圖1 甘南州河流水系站網(wǎng)分布

3.2 資料選用及插補(bǔ)延長[3～5]

按照設(shè)站時間早、觀測系列長、資料質(zhì)量好，分布均勻，代表性好的原則，共選用甘南州境內(nèi)外28處雨量站、26處水文站，作為降水、徑流計算依據(jù)站點(diǎn)。用建立線性回歸、等值線內(nèi)插、相關(guān)系數(shù)等方法進(jìn)行了插補(bǔ)延長，其中對已做插補(bǔ)的資料，經(jīng)近期資料相關(guān)檢驗，對個別站點(diǎn)重新進(jìn)行了插補(bǔ)，從而保證了插補(bǔ)資料的精度，提高了系列代表性。

表1 甘南州重點(diǎn)河流統(tǒng)計表

4 降水量變化及地表徑流趨勢

4.1 降水量變化分析[2-3]

4.1.1 可靠性

共選用甘南州境內(nèi)外28處雨量站，作為降水計算依據(jù)站點(diǎn)?；A(chǔ)資料來自《中華人民共和國水文年鑒》、歷年水文資料整編成果，氣象站歷年降水資料等。采用實(shí)測資料共1 435站年，資料系列最長的岷縣氣象站有78 a觀測，其余站點(diǎn)資料系列在32～76 a之間，采用的實(shí)測資料完整，真實(shí)可靠，精度較高。經(jīng)過插補(bǔ)延長，本次分析統(tǒng)一采用1956-2016年61年資料系列，滿足降水量分析計算的要求。

4.1.2 代表性

資料系列代表性直接影響水資源評價成果的質(zhì)量，對1956-2015年同步期年降水量的豐枯情況以及多年系列的豐枯周期變化情況進(jìn)行分析，來檢驗采用資料系列的代表性。選取系列較長的部分降水代表站點(diǎn)采用模比系數(shù)差積曲線分析系列代表性，見圖2～圖5。

圖2 洮河下巴溝站年降水模比系數(shù)差積曲線

圖3 大夏河甘加站年降水模比系數(shù)差積曲線

圖4 黃河瑪曲站年降水模比系數(shù)差積曲線

圖5 白龍江舟曲站年降水模比系數(shù)差積曲線

4.1.3 等值線繪制

根據(jù)各單站年降水量統(tǒng)計分析結(jié)果，繪制1956-2016年同步期多年平均年降水量等值線圖，以反映降水量的地區(qū)分布規(guī)律。見圖6。

4.1.4 泰森多邊形計算

甘南州降水量站點(diǎn)相對比較均勻，本次選用周邊及區(qū)域內(nèi)43個降水量站點(diǎn)，用泰森多邊形法分析計算各區(qū)間的降水量。其步驟如下：在地圖上將降水觀測點(diǎn)兩兩相連，構(gòu)成許多三角形(包括鄰近流域的測站)，形成三角形網(wǎng)，然后對每個三角形各邊作垂直平分線，用這些垂直平分線構(gòu)成以每個測站為核心的多邊形。假定每個降水量站的控制面積即為此多邊形面積，見圖7。

圖6 降水量等值線圖

圖7 泰森多邊形計算結(jié)果圖

4.1.5 降水量變化分析

經(jīng)對甘南州“一江三河”代表降水站1956-2015年降水量資料分析計算，對各站年降水量分別進(jìn)行了多年均值、近3年均值、近10 a均值分析計算，各河流具體情況見表2。

4.1.6 降水量分析結(jié)果

本次分析甘南州降水量等值線圖計算的成果為566.3 mm，用泰森多邊形法計算的成果為566.0 mm，兩者比較接近，評價按照降水量等值線圖評價計算了流域和行政降水成果，本次在行政區(qū)區(qū)域內(nèi)將太子山與蓮花山自然保護(hù)區(qū)單獨(dú)進(jìn)行計算，成果見表3、表4。

4.2 地表徑流趨勢分析[4-8]

4.2.1 資料可靠性

本次共選取水文站26個，其中嘉陵江11個、洮河9個、大夏河3個、渭河1個、黃河2個，共1 155站年實(shí)測徑流資料，其中嘉陵江445站年，洮河459站年，渭河36站年，大夏河124站年，黃河91站年。對所收集的實(shí)測徑流資料進(jìn)行整理、分析和審查，重點(diǎn)對資料的可靠性進(jìn)行審查，對一些站點(diǎn)資料進(jìn)行了還原計算或插補(bǔ)延長，資料插補(bǔ)延長，主要采用相關(guān)法通過鄰站資料進(jìn)行延長，相關(guān)系數(shù)大都在0.8以上，所用資料可靠，精度較高，成果可信，資料滿足水資源評價的基本要求。

4.2.2 資料代表性

水文站年徑流量系列代表性主要通過代表站年徑流差積曲線對其進(jìn)行分析。通過分析計算，繪制模比系數(shù)差積曲線可以看出，年徑流系列總體包含了平水—最豐—偏枯—偏豐—最枯的樣本，豐、平、枯基本對應(yīng)，說明系列代表性很好，見圖8～圖11。

表2 甘南州各河流代表站年降水量分析表 mm

表3 甘南州流域分區(qū)降水量成果統(tǒng)計表

表4 甘南州行政分區(qū)降水量成果統(tǒng)計表

4.2.3 資料一致性

根據(jù)相關(guān)水文技術(shù)的要求，由于人類活動改變了流域下墊面條件，導(dǎo)致入滲、徑流、蒸發(fā)等水文要素發(fā)生一定的變化，從而造成徑流的減少(或)增加。下墊面變化對產(chǎn)流的影響非常復(fù)雜，而在干旱半濕潤地區(qū)，許多流域的徑流因下墊面變化而衰減的現(xiàn)象普遍存在。因此，對選用站的年降水～徑流關(guān)系進(jìn)行分析，檢查天然年徑流系列的一致性。本次通過對甘南州境內(nèi)主要控制水文站累積年降水量與累積年徑流量的相關(guān)性分析，各站年降水～徑流關(guān)系較好，資料的一致性滿足計算要求。

圖8 洮河下巴溝站年徑流模比系數(shù)差積曲線

圖9 大夏河夏河站年徑流模比系數(shù)差積曲線

圖10 黃河瑪曲站年徑流模比系數(shù)差積曲線

圖11 白龍江舟曲站年徑流模比系數(shù)差積曲線

4.2.4 徑流深等值線圖繪制

根據(jù)各單站統(tǒng)計分析結(jié)果，繪制了1956-2016年同步期系列多年平均天然年徑流深等值線圖(見圖12)。繪制過程以年徑流深均值點(diǎn)據(jù)作為基本依據(jù)，結(jié)合自然地理情況勾繪等值線。當(dāng)?shù)戎稻€跨越較大山脈時，等值線有適當(dāng)?shù)挠鼗?，避免橫穿主山體；當(dāng)?shù)戎稻€跨越較大河流時，避免了斜交。與以往繪制的平均年徑流深等值線圖進(jìn)行了對照分析，對有明顯差異的地區(qū)進(jìn)行了分析論證或作了必要的修改。

4.2.5 天然徑流變化趨勢

經(jīng)對甘南州“一江三河”控制水文站實(shí)測至2016年徑流量資料分析計算，對各站年平均流量分別進(jìn)行了多年均值、近3 a均值、近10 a均值、跳躍前均值、跳躍后均值分析計算。各河流具體情況表5。

4.2.6 自產(chǎn)地表水資源量

甘南州按照行政區(qū)劃有7個縣級行政區(qū)和2個自然保護(hù)區(qū)，水資源評價分區(qū)按照全國水資源分區(qū)，甘南州分為河源至瑪曲、瑪曲至龍羊峽，渭河寶雞峽以上南岸，大夏河，洮河，白龍江6個水資源三級分區(qū)。本次采用徑流累加法分析計算，即計算分區(qū)內(nèi)控制站徑流與非控制區(qū)徑流之和，非控制站區(qū)徑流借用相似流域參證站徑流模數(shù)推算，最后按流域或控制站進(jìn)行平差，分別編制區(qū)域、流域分區(qū)的徑流累加法計算公式計算。同時用徑流深等值線圖進(jìn)行合理性檢查，直到兩者誤差控制在5%以內(nèi)。結(jié)果顯示甘南州1956-2016年系列平均自產(chǎn)水資源量為88.72億 m3，徑流深為236.8 mm。流域分區(qū)自產(chǎn)水資源量見表6，行政分區(qū)自產(chǎn)水資源量見表7。

5 地表徑流演變趨勢原因分析

1)徑流機(jī)理及特性分析：由于區(qū)域內(nèi)有利的地形條件和較強(qiáng)烈的上升運(yùn)動及一定的持續(xù)時間，不僅有大尺度的天氣系統(tǒng)出現(xiàn)，造成大面積降雨或暴雨，而且中小尺度的天氣系統(tǒng)也很活躍，地區(qū)性陣性降水次數(shù)甚多。徑流補(bǔ)給的來源為大氣降水，但由于降水的時間與空間分布的不同而形成不同的補(bǔ)給成分。

2)氣溫上升：全球氣候變暖使甘南州的氣溫、降水過程發(fā)生了顯著的變化。但由于區(qū)域內(nèi)各地所處位置不同，地勢、地形差異較大，致使流域內(nèi)的氣溫和降水對全球變暖的響應(yīng)程度也不盡相同。流域內(nèi)平均氣溫的逐年變化過程一般呈鋸齒狀高頻振蕩，不易看出其變化趨勢。但用年平均氣溫與時間建立直線關(guān)系，其總體變化趨勢便顯現(xiàn)出來，總體趨勢明顯上升。

3)降水量減少：與氣溫上升形成鮮明對照的是降水量減少。降水變化較溫度更為復(fù)雜，減幅最大的為位于降水高值區(qū)瑪曲一帶，1960s降水量比1990s減少212.6 mm，減幅達(dá)28.5%，平均遞減率達(dá)53.2 mm/10a；而位于流域西北和東北的唐乃亥則變化甚微。流域平均降水量1990s比1960s減少13.9 mm，減少的速率為3.5 mm/10a。由此看來, 氣候變暖對流域東南部降水的影響最大。

4)陸地蒸發(fā)增大：在降水量大，供水充分的條件下，陸地蒸發(fā)量趨近于水面蒸發(fā)能力，因此水面蒸發(fā)量是陸地蒸發(fā)量的上限；當(dāng)氣候干燥，徑流深很小時陸地蒸發(fā)量趨近于降水量，以降水量為下限。陸地蒸發(fā)主要受水熱條件和下墊面條件制約，由于氣溫升高，大面積草原退化和土壤沙化，裸露地表的蒸發(fā)量必然增大。

表5 甘南州控制水文站年平均流量變化分析表 m3/s

表6 甘南州流域分區(qū)水資源評價成果

表7 甘南州行政分區(qū)水資源評價成果

5)區(qū)域性草場退化：黃河源區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)主要為高寒草甸和高寒草原，近年來，以草場退化為主的植被生態(tài)衰退呈不斷加劇的趨勢。據(jù)中科院寒旱所上個世紀(jì)90年代末的調(diào)查結(jié)果顯示與上個世紀(jì)70、80、90年代三期的衛(wèi)星影像解譯分析結(jié)果比較，高寒草甸植被由高寒草原80年代以前的2.3%的年平均退化率上升到90年代的4.6%。沼澤植被出現(xiàn)自然疏干,逐漸向草甸化演替,中、旱生植物侵入，沼澤濕地萎縮退化并大量消失。

6)人類活動干擾：甘南州部分草原人類長期的超載放牧，使原本極為脆弱的生態(tài)環(huán)境遭到破壞而無力恢復(fù)，產(chǎn)生嚴(yán)重的退化問題。由于大部分草原之中有非常名貴的天然中草藥，在利益的驅(qū)使下，長期以來大量人群進(jìn)行肆意采挖，沒有任何組織和保護(hù)措施，嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)氐闹脖毁Y源。

7)鼠害：據(jù)調(diào)查黃河源區(qū)部分草場平均每畝地有15個鼠洞，每個洞穴掏出的沙土有45 m3之多，挖出的松土總和約675 m3，換算成實(shí)土約為450 m3，可填充的水量相當(dāng)于約675 mm的水深。而源區(qū)的年平均降水量多在600 mm以下，不足以填充鼠洞，更談不上形成地表徑流。

6 結(jié)語

綜上所述，分析結(jié)果顯示：甘南州由于主要產(chǎn)流區(qū)降水量顯著減少，蒸發(fā)量增大，以及下墊面條件發(fā)生變化，如區(qū)域性草場退化、人類活動以及鼠害等因素使下墊面的產(chǎn)流條件變壞，降水下落到地面后便大量下滲存貯在土壤中，而后逐步蒸發(fā)消失。在同等降水的條件下，產(chǎn)生的徑流量將顯著減少。下墊面條件變化對徑流的影響量占徑流總減少量的38.7%；降水和氣溫變化對徑流的影響量占徑流總減少量的61.3%。研究結(jié)果全面、客觀地反映了甘南州主要河流地表徑流演變趨勢的基本情況，具有很強(qiáng)的科學(xué)性、實(shí)用性，將為甘南州水資源管理涉及合理開發(fā)、優(yōu)化配置等工作中可起到技術(shù)支撐作用，因此其社會意義明顯。