本文是一篇SCI论文发表,本文利用 1956-2018 年大夏河流域实测径流和降水资料序列,运用多种水文学统计方法,分析大夏河流域水文气象要素年内、年际变化特征及趋势,结合土地利用类型转移以及电站、灌区等水利工程实施情况,探析影响大夏河流域径流变化的主要因素及其贡献率的大小。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
水资源是无可替代的可再生的自然资源,可直接影响国家经济和社会的发展,是国家重要的战略性资源[1-4]。然而,近 100 多年以来,世界人口增长迅速,使自然资源浪费、气候变暖、环境恶化、水资源短缺等问题日益突出 [5-6]。因此,了解和掌握水资源变化规律和趋势,是实现水资源合理开发利用和高效管理的主要前提和重要保障[7]。河川径流是可再生水资源的重要组成部分,是最有价值和最易开发利用的自然资源之一。它影响着自然生态系统,与人类生产生活息息相关[8-9]。河流径流不仅对气候变化非常敏感,而且还易受到人类活动的扰动[10-11]。因此,厘清径流变化特征和其驱动因子的贡献率,有助于认识和理解水资源的形成过程和演化规律。
80 年代以来,我国社会、经济、文化等方面得到高速发展,但同时也造成了生态环境恶化、水资源浪费、水质污染严重等问题,导致水资源短缺,用水形式严峻[12]。研究表明:我国大江、大河实测年径流量总体呈下降趋势,其中北方的辽河、松花江等河流径流下降尤为明显,黄河下游甚至出现断流现象[13-15]。大坝、水库、电站、引水泵站、跨流域调水等水利工程是影响径流变化的主导因素[16]。降水、蒸发等气象因子直接参与水文循环过程,影响河川径流[17-18]。径流减少导致地表水资源短缺,已是制约我国区域经济发展的主要原因之一[3, 19-20]。探析流域内各区域不同时空水文要素的变化特征,厘清气候变化和人类活动对水文要素的作用和贡献值,对流域未来水资源规划管理、合理配置、消灾减灾及区域社会经济发展都具有重要的现实意义[21-22]。
西北干旱半干旱区地貌主要以山地和荒漠戈壁为主,水资源主要靠大气降水和高山冰雪融水补给,是我国水资源最短缺的地区之一[23]。伴随着全球气候变暖和区域极端天气的加剧,西北干旱半干区水资源系统不确定性因素增加。降水、蒸发和温度等气象因子较小的变化均会引起径流较大幅度的改变,对生态水文过程产生巨大影响。探究干旱半干旱流域尺度水资源未来变化趋势和水资源对气候变化和人类活动的响应机制,是当前水文学术界讨论的热点[24-28]。
1.2 国内外研究现状
河川径流源于降水和冰雪融水,降水、蒸发、气温和植被覆盖等直接影响流域地表水资源状况[35-36]。近年来,受全球气候变化和人类活动的影响,全球水文循环系统加速[37-39],改变了降水和蒸发的空间分布状况,使全球许多河流的径流量有明显下降的趋势,导致区域水资源分布发生改变,严重威胁用水安全,引发全球水危机[40-43]。因此,国内外学者一直关注河川径流对气候变化和人类活动的响应。
Milliman 等[44]对全球 137 条小流域径流变化趋势进行研究,发现:1950 年后有约 1/3 的流域累计径流量变化超过 30%,其中,中纬度流域累计径流量下降超过 60%。研究表明:全球有 59%的大河流的年径流年内、年际特征均发生显著变化。如:20 世纪以来,尼罗河流域十年平均径流量增加了 20%[46];亚马逊流域气温升高,森林植被超采严重,生态系统遭到破坏,径流年内分配特征发生显著变化[47];密西西比河流域水文条件正经历着巨大的改变。美国西部部分盆地在降水量增加的同时径流却减少了 25%至 50%[48]。
许多学者对我国大江、大河径流变化特征进行研究。秦年秀等[49]研究发现:长江流域年降水量和年径流量均呈增加趋势,其中径流冬季增加,秋季减少。宁怡楠等[50]采用 M-K 趋势检验分析了 1960-2015 年黄河中游窟野河、皇甫川、延河和无定河径流变化,结果表明:四条典型流域径流量均显著下降,而降水量变化不显著。张国宏[51]等利用降水量、NCEP/NCAR 地表径流资料研究发现:近年来黄河流域绝大部分地区地表径流呈减少趋势,部分地区如黄河源区和河套北部有上升的趋势,其中 1960s 径流量最大,2010s 径流量最小。陈建云等[51]对 1956-2018 年中国大江、大河径流演变趋势研究发现:我国主要河流代表性水文站年径流量均呈下降趋势;2018 年我国地表水资源量比第二次全国水资源评价时少了 122 亿 m3,尤其是 2000 年以后,辽河、黄河、海河地表径流量减少显著。
第二章 研究区概况与研究方法
2.1 研究区概况
2.1.1 自然地理
大夏河位于甘肃省中部地区,位于东经 102°02′~103°23′,北纬 34°52′~35°48′之间,是黄河上游右岸一级支流[31]。地处甘南州的西北部,东接卓尼县,西界青海省同仁县,南邻碌曲县,北接临夏州,大夏河流域处于甘南高原西北部和黄土丘陵沟壑区的西部,大部分地区海拔在 2000-4000m 之间,最高海拔 4360m,为北部的达里加山[30,32]。大夏河流域地形起伏大,海拔相差悬殊,植被类型随地形各异,形成不同的气候小区,土地利用类型多样,为农、林、牧立体化经营和管理提供了良好的天然条件[64]。
大夏河流域大致分为三个区段:从河源至桑科为高原区,桑科至土门关为高山峡谷区,土门关以下为低山丘陵区。高原部分高程大都在 3000-4000m 之间,除流域四周为山地,地势较陡峻外,还有面积较大且地表坦荡的开阔滩地,沟谷很浅,是典型的高原景观。由高原至低山丘陵区河流横切西秦岭支脉太子山,形成中高山峡谷区,地势起伏很大,山峦重叠,岩石裸露,坡陡沟深。土门关以下为沟谷纵横的黄土丘陵,河流两岸呈阶梯状起伏的川地和塬地。按省级水利区划可将大夏河流域自上而下划为:甘南高寒半湿润草原区,陇中半湿润黄土丘陵沟壑区,中半干旱黄土丘陵沟壑区。
大夏河流域在土门关以上植被较好,大部分地区有植被覆盖,阳坡多为禾本科草类,草地茂盛。森林大多分布在大夏河干流及其支流两岸山地阴坡,为全省重要林区之一,但林地和灌木林覆被率较低。整个流域地势西南高,东北低。
2.2 数据资料
2.2.1 径流资料
本文的研究为大夏河流域,根据水文站布设情况,从甘肃省水文水资源局和洮河水文水资源勘测局收集到 1962 年-2018 年夏河水文站月、年径流量,1956年-2018 年双城水文站和折桥水文站月、年径流量,大夏河水文站基本情况表见表 2-3。
对夏河站数据插补延长,使大夏河三个水文站径流资料序列统一为 1956-2018 年系列。下游双城水文站具有较长且完整的年径流数据,选取双城水文站为参证站,采用线性插值法,插补延长夏河水文站 1956~1961 年径流资料。同时选取夏河站实测序列中年径流量和年代接近的年份作为典型年,采用同倍比法计算得到夏河站 1956 年 1 月-1962 年 6 月逐月、年径流量。
第三章 大夏河流域径流量变化特征及趋势分析 ............................. 17
3.1 径流量年内变化特征 ........................................ 17
3.1.1 多年平均月径流量年内分配特征 .................................. 17
3.1.2 径流年内分配时间-空间变化 ........................... 18
第四章 降水、蒸发和土地利用变化规律......................... 29
4.1 降水变化特征 ..................................... 29
4.1.1 降水年内变化特征 ................................... 29
4.1.2 降水多年变化情况 ................................. 29
第五章 降水和人类活动对径流变化的影响 .................................... 48
5.1 降水和蒸发对径流变化影响 ............................... 48
5.1.1 降水-蒸发-径流变化关系 ................................... 48
5.1.2 人类活动对径流变化的影响 ................................... 50
第五章 降水和人类活动对径流变化的影响
5.1 降水和蒸发对径流变化影响
5.1.1 降水-蒸发-径流变化关系 根据 1956-2018 年夏河站、双城站和折桥站年径流数据,计算大夏河流域河源-夏河、夏河-双城和双城-折桥区间径流量,结合降水和蒸发数据,分析大夏河流域降水、蒸发和区间径流的变化情况(见图 5-1)。图中:大夏河流域河源-夏河和夏河-双城区间径流量与降水量的变化过程相似,在 1964 年、1967 年、1978年、1985 年和 2018 年等年份降水量较大值时,区间径流量对应有明显的增加,达到相近年份的峰值;1980 年、2015 年降水量明显较少时,区域径流量也对应明显的减少,出现极小值;但如 2014 年等部分年份,夏河-双城区间降水量有明显增加,而区间径流量较小,吻合度较低。双城-折桥之间的区域径流量在 1985年之后明显减小。1990 年之前区域径流量均为“正”值,区域径