馬令瀟，汪天祥,2,3，胡素端，許士國(guó)

(1.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院水環(huán)境研究所， 遼寧 大連 116024；2.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司， 廣東 廣州 510610；3.淮陰工學(xué)院 江蘇省智能工廠工程研究中心， 江蘇 淮安 223003)

我國(guó)北方中高緯度地區(qū)冬季氣溫長(zhǎng)期在0℃以下，帶來(lái)的直接影響就是在河道、湖泊、水庫(kù)水面上形成冰蓋，形成了相對(duì)密閉的水體環(huán)境，改變了原有的開放水面狀態(tài)。水庫(kù)是北方地區(qū)主要的飲用水供水來(lái)源，但長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的冰封期，使得水庫(kù)形成了冰—水—沉積物多介質(zhì)格局。伴隨著冰生消過(guò)程，表層水體的“排鹽效應(yīng)”、底層沉積物的“污染釋放”直接或間接影響了如氮、磷等元素的遷移釋放過(guò)程。王利明等[1]指出在北方淺水湖氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽具有冬季大于夏季、水體大于冰體的時(shí)空分布特點(diǎn)，所以在冰封期水體富營(yíng)養(yǎng)化的概率較大。楊芳等[2]對(duì)內(nèi)蒙古烏梁素海水庫(kù)研究指出冰溫會(huì)隨著氣溫的變化而改變，且冰層越厚，冰溫越高。

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)金海水庫(kù)水質(zhì)在冬季存在一定程度的污染，并認(rèn)為這與浮游藻類的種類和數(shù)量的季節(jié)性差異有一定的聯(lián)系[3]。藻類生長(zhǎng)消耗的二氧化碳能夠促進(jìn)表層水體 pH 增大，而沉積物中微生物在厭氧條件下的產(chǎn)酸作用，會(huì)促使水庫(kù)底層水體 pH 減小。其他諸如光照、微生物等環(huán)境條件也會(huì)有季節(jié)變化。這些研究表明，環(huán)境因子直接或者間接影響了冰封期水庫(kù)內(nèi)污染物質(zhì)的遷移過(guò)程[4]。而由于冰封環(huán)境的限制，對(duì)水庫(kù)冰封期水質(zhì)的監(jiān)測(cè)有一定的難度，即使進(jìn)行監(jiān)測(cè)也多是從水庫(kù)取水口處進(jìn)行單點(diǎn)單次的取樣監(jiān)測(cè)，難以掌握冰封條件下水庫(kù)水體的真實(shí)水質(zhì)狀態(tài)[5]。

綜上，冰封期氣溫變化給水庫(kù)帶來(lái)的環(huán)境影響不容忽視，本文重點(diǎn)探討氣溫影響下的冰封期水庫(kù)冰凍天數(shù)、平均冰厚變化特征與相互關(guān)系，為冰封期水庫(kù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理提供思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

本文以碧流河水庫(kù)為研究對(duì)象(N:39°48′～39°57′；E122°24′～122°35′)，作為遼寧省主要供水來(lái)源，總庫(kù)容9.34億m3，平均水深12.8 m，流域面積2 814 km2，是具有典型北方冰封特征的水庫(kù)。

氣溫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中1986年—2010年來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(普蘭店和莊河兩個(gè)站點(diǎn))，2010年—2015年來(lái)源于CMADS寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，CMADS站點(diǎn)情況與研究區(qū)域位置如圖1所示。

數(shù)據(jù)分析采用ORIGIN、EXCEL、MATLAB、SURFER、GIS等工具進(jìn)行。

圖1 CMADS站點(diǎn)分布及研究區(qū)域

1.2 研究方法

本文從趨勢(shì)性、周期性、突變性三個(gè)方面來(lái)探討碧流河水庫(kù)流域平均氣溫、冰凍天數(shù)、平均冰厚的變化特征及其相互關(guān)系[6-8]。冰厚估算采用德國(guó)Stefan在1980年提出的基于熱量交換的冰厚熱量平衡公式[9]為:

(1)

2 水庫(kù)冰封期氣溫變化特征

2.1 氣溫年際變化特征

根據(jù)碧流河水庫(kù)1986年—2015年冰封期平均氣溫變化特征(見圖2)，水庫(kù)冰封期多年平均氣溫為-4.1℃，變異系數(shù)為25%，表明水庫(kù)冰封期平均氣溫年際間變化較大[10]。2012年氣溫最低，為-5.6℃；1988年氣溫最高，為-2.1℃。而水庫(kù)冰封期氣溫在Kendall檢驗(yàn)法α=0.05情況下下降明顯。同時(shí)可看出水庫(kù)冰封期氣溫具有8 a～11 a左右的波動(dòng)周期。

2.2 氣溫周期性特征

對(duì)碧流河水庫(kù)1986年—2015年冰封期年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行周期性分析，結(jié)果如圖3所示。圖中有實(shí)線和虛線兩種線型，分別代表正值和負(fù)值，表示氣溫上升或下降[11]。由圖3看出碧流河水庫(kù)主要存在3類不同尺度的周期，15 a～18 a，9 a～12 a和5 a～8 a。

圖2 碧流河水庫(kù)近30年冰封期氣溫變化

圖3 冰封期氣溫Morlet小波變換實(shí)部等值線圖

小波方差圖顯示(見圖4)3類周期的峰值分別對(duì)應(yīng)16 a、11 a、8 a。其中16 a時(shí)間尺度具有較強(qiáng)的周期變換性，但因該時(shí)間序列較短，故其代表性較弱；8 a特征尺度在1990年—2005年表現(xiàn)明顯，具有局部性；而11 a時(shí)間尺度在30 a以來(lái)一直很明顯；因此，11 a為碧流河水庫(kù)冰封期年平均氣溫變換周期。

圖4 氣溫小波方差圖

2.3 氣溫突變特征

如圖5所示，碧流河水庫(kù)1986年—2015年冰封期氣溫序列存在如下突變特征：上下臨界線之間產(chǎn)生的交點(diǎn)分別在2000年、2004年、2005年和2007年。而UFK曲線在2011年后超過(guò)下限閾值，出現(xiàn)明顯下降[12]。結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)法進(jìn)行判定，總體上與M-K檢驗(yàn)法的結(jié)果較為接近，綜合分析認(rèn)為突變點(diǎn)為2003年。

圖5 碧流河水庫(kù)冰封期多年平均氣溫M-K突變檢驗(yàn)

3 碧流河水庫(kù)冰凍天數(shù)與冰厚響應(yīng)分析

3.1 冰凍天數(shù)、冰厚年際變化分析

3.1.1 冰封期冰凍天數(shù)年際變化特征

根據(jù)碧流河水庫(kù)近30年冰封期冰凍天數(shù)變化特征(見圖6)，水庫(kù)冰封期多年平均冰凍天數(shù)為115 d，變異系數(shù)為11%，表明水庫(kù)冰封期平均冰凍天數(shù)年際間變化較大。而水庫(kù)冰凍天數(shù)在Kendall檢驗(yàn)法α=0.05情況下上升不明顯[13]。

圖6 碧流河水庫(kù)近30年冰封期冰凍天數(shù)變化

最長(zhǎng)冰封期出現(xiàn)在2012年，冰封期從初冰日2012年11月23日到2013年3月31日冰塊徹底融化，冰凍天數(shù)為137 d；最短冰封期出現(xiàn)在2006年，冰封期從初冰日2006年12月2日到2007年3月3日冰塊徹底融化，冰凍天數(shù)為92 d。回歸分析表明水庫(kù)冰凍天數(shù)呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，這與水庫(kù)冰封期氣溫下降趨勢(shì)表現(xiàn)一致。M-K檢驗(yàn)法也佐證了水庫(kù)冰凍天數(shù)呈現(xiàn)一定的增加趨勢(shì)且呈現(xiàn)波動(dòng)性變化特征，波動(dòng)周期在5 a～8 a左右，數(shù)據(jù)分析表明碧流河水庫(kù)冰封期冰凍天數(shù)呈現(xiàn)在波動(dòng)中逐漸增加的趨勢(shì)，與氣溫下降的趨勢(shì)相呼應(yīng)。

3.1.2 冰封期冰厚年際變化特征

根據(jù)碧流河水庫(kù)近30年冰封期平均冰厚變化特征(見圖7)所示，水庫(kù)冰封期多年平均冰厚為26 cm，變異系數(shù)為12%，表明水庫(kù)冰封期平均冰厚年際間變化較大。而水庫(kù)冰厚在Kendall檢驗(yàn)法α=0.05情況下上升明顯。

圖7 碧流河水庫(kù)近30年冰封期冰厚變化

2006年有多年平均最小冰厚，為19 cm；2011年有多年平均最大冰厚，為33 cm；分別對(duì)應(yīng)最短冰封期和最長(zhǎng)冰封期?；貧w分析結(jié)果表明，建庫(kù)以來(lái)水庫(kù)平均冰厚呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，與氣溫逐漸降低的趨勢(shì)一致。同時(shí)，M-K檢驗(yàn)結(jié)果也證明水庫(kù)冰厚呈現(xiàn)顯著增大的趨勢(shì)。圖7可以看出碧流河水庫(kù)冰厚呈現(xiàn)波動(dòng)性變化特征，波動(dòng)周期在10 a～15 a左右，數(shù)據(jù)總體分析表明碧流河水庫(kù)冰封期冰厚呈現(xiàn)在波動(dòng)中逐漸增加的趨勢(shì)。與氣溫和冰凍天數(shù)的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，冰封期氣溫越高，冰凍時(shí)間越短，對(duì)應(yīng)的冰厚也越小。

接下來(lái)用小波變換分析碧流河水庫(kù)的冰凍天數(shù)和冰厚的周期性和變化趨勢(shì)。

3.2 冰封期冰凍天數(shù)及冰厚周期性特征

3.2.1 冰封期冰凍天數(shù)周期性特征

圖8所示的一實(shí)一虛兩種線型分別表示冰凍天數(shù)的延長(zhǎng)或縮短。由圖8可知，在碧流河水庫(kù)近30年平均冰凍天數(shù)時(shí)間序列中，14 a～16 a,10 a～13 a,4 a～8 a這3類周期特征比較明顯。

圖8 碧流河水庫(kù)冰凍天數(shù)Morlet小波變換實(shí)部等值線圖

冰凍天數(shù)的小波方差分析顯示3類周期波峰分別對(duì)應(yīng)16 a、12 a、5 a(見圖9)。其中16 a時(shí)間尺度最強(qiáng)，但由于其時(shí)間序列較短，故代表性較弱；12 a時(shí)間尺度在2000年之前明顯；5 a時(shí)間尺度貫穿整個(gè)時(shí)間范圍，且大體上比較平穩(wěn)。因此，5 a為碧流河水庫(kù)平均冰凍天數(shù)變換周期。

圖9 冰凍天數(shù)小波方差圖

3.2.2 冰封期冰厚周期性特征

碧流河水庫(kù)1986年—2015年冰厚Morlet小波變換實(shí)部等值線圖見圖10，圖中實(shí)線和虛線分別表示冰層變厚或變薄[14]。由圖可知，在碧流河水庫(kù)近30年的平均冰厚時(shí)間序列中，14 a～16 a,10 a～13 a,6 a～9 a這3類周期特征比較明顯。

圖10 碧流河水庫(kù)冰厚Morlet小波變換實(shí)部等值線圖

冰厚的小波方差分析顯示3類周期波峰分別對(duì)應(yīng)16 a、13 a、7 a(見圖11)。其中16 a時(shí)間尺度具有較強(qiáng)的周期變化性，但因其時(shí)間序列較短，故代表性較弱；7 a時(shí)間尺度在2000年之前明顯，具有階段性；而13 a時(shí)間尺度基本覆蓋整個(gè)研究時(shí)段，震蕩中心有所上升且相對(duì)平穩(wěn)。綜上，認(rèn)為水庫(kù)年平均冰厚變換周期為13 a。

圖11 冰厚小波方差圖

3.3 水庫(kù)冰凍天數(shù)、冰厚突變特征

3.3.1 多年冰凍天數(shù)突變特征

如圖12所示冰凍天數(shù)在兩臨界線之間共有一個(gè)交點(diǎn)，發(fā)生在2010年—2011年。結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)法進(jìn)行判定，發(fā)現(xiàn)均值在2008年前后發(fā)生跳躍，總體上與M-K檢驗(yàn)法的結(jié)果較為接近，綜合分析認(rèn)為突變點(diǎn)為2008年[15-16]。

圖12 碧流河水庫(kù)冰凍天數(shù)M-K突變檢驗(yàn)

3.3.2 多年平均冰厚突變特征

通過(guò)M-K檢驗(yàn)法，繪制水庫(kù)多年平均冰厚的突變曲線(見圖13)。上下臨界線之間分別在2004、2005和2007年產(chǎn)生交點(diǎn)。結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)法進(jìn)行判定，發(fā)現(xiàn)均值在2008年前后發(fā)生跳躍，總體上與M-K檢驗(yàn)法的結(jié)果較為接近，綜合分析認(rèn)為突變點(diǎn)為2008年。

圖13 碧流河水庫(kù)多年平均冰厚M-K突變檢驗(yàn)

3.4 氣溫與冰凍天數(shù)、冰厚的相互關(guān)系分析

從總體趨勢(shì)上看，近30年來(lái)，氣溫以0.5℃/10a的速率下降；冰凍天數(shù)、冰厚分別以2.4 d/10a和1.5 cm/10a的速率增長(zhǎng)(見表1)。從突變特征上看，氣溫在2003年突變，而冰凍天數(shù)和冰厚在同一年2008年發(fā)生突變。可以看出冰凍天數(shù)與冰厚突變年份比較同步，但與冰封期氣溫有一定差異，分析認(rèn)為冰凍天數(shù)除了與氣溫有關(guān)，同時(shí)也可能受到風(fēng)力等其他因素影響。從周期性特性上看，冰封期碧流河水庫(kù)的氣溫、冰凍天數(shù)和冰厚的周期分別為8 a、5 a和13 a，三者間的周期性不完全同步，因此需進(jìn)一步探索多因素對(duì)冰凍天數(shù)、冰厚的影響[17-18]。

表1 氣溫、冰凍天數(shù)與冰厚的相關(guān)性對(duì)比

4 結(jié) 論

(1) 碧流河水庫(kù)冰封期多年平均氣溫為-4.1℃；呈現(xiàn)在波動(dòng)中逐漸降低的趨勢(shì)；在2003年發(fā)生突變；主要變化周期為8 a。

(2) 碧流河水庫(kù)多年平均冰凍天數(shù)為115 d；呈現(xiàn)在波動(dòng)中逐漸增加的趨勢(shì)；在2008年發(fā)生突變；主要變化周期為5 a。

(3) 碧流河水庫(kù)多年平均冰厚為26 cm；呈現(xiàn)在波動(dòng)中逐漸增加的趨勢(shì)；在2008年發(fā)生突變；主要變化周期為13 a。