气候变化下石羊河流域水资源特征分析

郭小芹　刘明春　曾婷等

摘要 基于5个气象站点30年气象观测资料和近10年的水资源数据，运用数理统计方法分析了石羊河流域水资源特征，结果表明，1981～2010年石羊河流域增暖明显，上游年降水量显著减少，石羊河主干流径流量呈季节性变化；地下水位趋深，北部荒漠地区持续下降；水资源总量以0.880 9亿m3/a的速度减少，且对降水的敏感度明显高于对温度的反映，水资源开发利用形势非常严峻。

关键词 石羊河流域；气候变化；水资源；径流量；敏感度

中图分类号 S271 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）05-01385-03

Abstract Based on the data of five meteorological stations in 30a and water resources data in recent 10a， the characteristics of water resources in Shiyanghe River Basin were analyzed using mathematical statistics method. The results showed that Shiyanghe River Basin had changed warming significantly and its upstream precipitation had a significant reduction during 1981- 2010. Simultaneously， the annual major runoff of Shiyanghe River showed a seasonal variation. Regional groundwater had continued drawdown， especially in the northern desert region. The total amount of water resources was reduced at a rate of 0.880 9× 108 m3/a， and its sensitivity to precipitation was obvious higher than temperature， the development and utilization of water resources situation is very grim.

Key words Shiyanghe River Basin； Climate change； Water resources； River runoff； Sensitivity

石羊河流域是河西走廊內陆河三大水系之一，河流发源于南部祁连山脉，消失于巴丹吉林和腾格里沙漠之间的荒漠地区。全流域由东向西由大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河、西大河等8条河流组成（图1）[1]。石羊河流域总面积4.16 km2，多年平均降水量为222 mm，自产水资源量为15.6亿m3，与地表水不重复的净地下水资源量1.0亿m3，流域可利用水资源量平均达17.8亿m3，按现有人口和耕地计，属典型的资源型缺水地区。

作为我国水资源开发程度最高的内陆河流之一，石羊河流域水资源紧缺程度引起社会各界的高度关注[2-3]，尤其是北部荒漠地下水位下降、植被退化、荒漠化加剧等一系列生态环境问题已凸显出“罗布泊”特征，昭示腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠会合之势，对我国生态安全构成严重威胁。随着石羊河重点治理进程的加快，区域水资源开发利用面临着诸多研究课题[4-6]。气候变暖将会加剧冰川消融和地表蒸发，使降水量重新分配，进而影响研究区域乃至更大范围的水平衡，这将对石羊河流域的水资源利用提出更高要求。笔者从石羊河流域气候变化着手，对流域水资源状况进行了深入分析，以期为石羊河流域水资源开发利用提供一些参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料选取

选用石羊河流域5个气象站点（1981～2010年）逐月观测资料以及近10年《石羊河水资源公报》数据为基础，资料序列连续，可代表研究区域和研究对象的基本特征。石羊河流域地形复杂多变，从南到北可划分为南部祁连山地、中部走廊平原区、北部荒漠区，选取乌鞘岭、武威、民勤3个站点以代表南部、中部、北部地区，分析近30年气候变化趋势。

1.2 分析方法 数据处理工具为SPSS13.0、Minitab Ver 8.02，计算过程还采用了累计距平、相关分析、Mannkendall、神经网络耦合[7]等，以期得到充分可靠的结论。

文中的水资源总量是指石羊河流域降水形成的地表水和地下水总量，但不等于二者的代数和，在计算中需要扣除两者之间互相转化的重复计算量。

径流量是指由降水、地下水、冰雪融水补给而成，扣除蒸发、土壤入渗、植物截留及洼地滞蓄，经过水文观测得到的河流汇水面积。

2 结果与分析

2.1 石羊河流域气候变化特征

2.1.1 温度变化趋势。

伴随着全球气候变暖进程的加快[8]，石羊河流域的增温现象十分明显（表1）。其中上游地区增温幅度为0.293 ℃/10a、中游为0.894 ℃/10a、下游为0.548 ℃/10a，作为石羊河主干区域，武威增温幅度最为明显（R=0.842 9≥R0.05=0.361 0），其中20世纪90年代比80年代高0.5 ℃，21世纪以来比90年代高1.2 ℃，尤其是2006、2009年年平均温度达10.0 ℃，比30年平均温度偏高1.5 ℃，增暖的趋势非常显著。从图2可以看出，石羊河流域增暖现象始于1997年，1999年起显著增暖，这一时段也是石羊河流域综合治理的起步阶段。

2.1.2 降水量与径流量变化。

石羊河流域地形复杂多变，降水分布极不均匀，其中南部山地海拔3 000～5 000 m，年降水量300～600 mm；中部平原海拔1 500～2 000 m，年降水量150～300 mm；北部荒漠区海拔1 000～1 500 m，年降雨量50～100 mm。从表2可知，南部山地年降水量显著减少，突出表现在春、秋、冬季降水量减少；中部平原年降水量变化不大，但冬季降水量显著减少；北部荒漠年降水量和季节降水量略有减少，冬季降水量减少明显。以径流量为研究对象，分析石羊河流域诸河流状况，结果显示西营河、东大河、杂木河和西大河分别占总径流量的25%、23%、18%和13%，也就是说这4条河流为石羊河主体河流；河流径流量呈波动性变化，以西营河为例，高值年份在2003年（4.43亿m3）、2007年（4.39亿m3），低值年份在2008～2009年（均为2.83亿m3），低值年份径流量仅占高值年份的60%左右，径流量年际变化比较明显。

经分析，河流径流量与降水量密切相关，其中西营河、杂木河、黄羊河、金塔河与南部山地乌鞘岭站的年降水量密切相关，其相关系数分别为0.799、0.829、0.907、0.816；大靖河、古浪河与所在地古浪站的年降水量密切关联，其相关系数分别为0.831、0.788。说明作为水资源总量的重要组成部分，降水量不仅严重影响着河流的水域面积，还影响着研究区域水资源的开发利用程度。

2.2 石羊河主干流径流量

对1956～2000年石羊河干流进入民勤红崖山水库的径流量分析显示，其变化趋势为Y=-0.098X+5.289 4（R=0.916 3≥R0.05=0.298 0），说明主干径流量的缩减非常显著。

随着石羊河流域的综合治理，水资源状况得到明显改善，对2000～2010年石羊河干流年平均流量分析显示（图3），流量增幅为3.8 （s·m3）/10a，且增幅显著（R=0.764 1≥R0.05=0.602 0），2010年達7.47（s·m3），是2000年的2.8倍之多，径流量明显增加。石羊河主干流径流量的这种变化一方面得益于政策层面的综合治理，如退耕还林、设施农牧业以及节水型经济增长方式的推进，另一方面得益于人工增雨、外部调水的无条件补给，如景电二期工程从2000年以来不断向石羊河流域输水，至2010年累计向民勤调水4.98亿m3，目前北部荒漠地下水位回升明显，生态环境得到明显改善。

分析石羊河主干流月流量发现，1～12月各月的流量分别为2.47、3.42、7.27、7.29、3.41、1.82、4.68、5.47、8.13、5.53、1.28、1.05 s·m3，全年平均流量为4.33 s·m3，可见，月流量表现出2个高峰时段，分别为3～4和8～10月，年最大流量出现在9月份，最小流量出现在11～12月，这种季节性变化与气候特征密切相关[9-10]，8～9月份正值副热带高压西伸和东退时段，当有适宜的水汽条件时便会在当地形成降水，同时在副热带高压控制时段天气晴好，温度攀升，还会加剧祁连山冰雪覆盖层的消融；3～4月虽然降水偏少，但春季回暖使得冰川浅层迅速消融，从而增加了河流流量，使得研究区域主干河流呈现出典型的季节性特征，尽管近10年来研究区域降水量锐减，但气候变暖却在一定程度上补给了石羊河。

2.3 地下水位变化

2008年石羊河水资源开发现状综合评价显示，石羊河水资源利用率172%，水资源消耗量103.4%，地表水利用率超过86%，地下水利用率超过100%，这意味随着气候变暖和对水资源的大量开采，地下水已处于不可持续状态。分析显示，石羊河流域地下水位埋深表现出上游浅、下游深且有逐年增大的趋势。其中下游北部荒漠变化趋势为0.602 m/a，中部平原为0.030 m/a，这种变化趋势与地下水开发利用有密切联系。

中部平原地下水开采量逐年增多，60年代0.30亿m3、70年代2.50亿m3、80年代4.00亿m3、90年代4.50亿m3、2008年为4.05亿m3；地下水位逐年下降，其中泉水溢出量50年代为4.24亿m3，60年代减少为3.13亿m3，70年代减少为1.57亿m3，80年代仅为0.66亿m3，到90年代仅为0.30亿m3，2000年以后几乎全部干涸；在石羊河流域重点治理以后地下水位下降幅度逐渐减缓，但恢复期依然遥远。

从北部荒漠地下水位变化（图4）可以看出，地下水位持续下降，1998～2007年降幅0.589 m/a，下降趋势非常显著（R=0.996 0≥R0.05=0.632 0），且埋深在10～24 m；其中泉山区降幅0.868 m/a（R=0.986 6），埋深23.8 m；坝区降幅0.570 m/a（R=0.992 7），埋深21.2 m；湖区降幅0.582 m/a（R=0.989 2），埋深15.2 m。

北部荒漠多年平均降水量不足100 mm，蒸发量2 600 mm以上，区内补给水源主要是石羊河径流入境，20世纪50年代在北部荒漠低洼处还有季节性湖泊，随着水资源开发利用程度的提高，石羊河流入民勤的水量逐年减少，导致湖泊干涸，地下水位从50年代的1～4 m降至2007年15～24 m，在80年代后期防风沙枣林全部枯死。

随着石羊河流域综合治理，水资源状况得到明显改善，其中2005年地下水实际开采量为6.86亿m3、2006年5.41亿m3、2007年4.90亿m3、2008年3.97亿m3；2005～2010年民勤总用水量由7.44亿m3减少至3.51亿m3，地下水位年平均降幅由0.637 m减缓至0.289 m，局部地方有所回升，曾经干涸的青土湖其地下水位较2007年上升了0.170 m。

2.4 石羊河流域水资源总量

石羊河水系发源于南部祁连山脉，河流补给主要来源于祁连山降水、高山冰雪融水和山区地下水，其中冰川融水占2.7%、山区地下水占21.9%、山区降水占75.4%，从流域水资源的基本特征分析看，山区降水形成地表径流而汇集成河，沿途接纳山区地下水和冰雪融水，自南向北流出山后基本上全部被水库拦蓄和引入灌溉渠系，而地表水在引用途中则大量渗漏转化为地下水，地下水至中游山前冲积扇边缘部分又出露成泉，被再次利用，经消耗转化补给地下水，且在下游又再次溢出地表并与上游未利用的余水和部分下泄洪水汇入石羊河进入民勤红崖山水库。

对2003～2009年流域水资源总量分析显示（图5），其变化趋势为Y=-0.880 9X+22.258（R=0.804 5≥R0.05=0.754 0），即水资源总量以8.809亿m3/10a的速度减少，其中地表水总量每年减少4.66%（R=0.766 2），地下水总量每年减少6.72%（R=0.886 6），水资源紧缺程度日益显著。随着石羊河综合治理的推进，从2009年起水资源减少趋势得到明显减弱，水资源总量有所回升，其中地表水和地下水基本止跌。

水资源总量的补给主要来源于大气降水，那么在研究区域气候变暖的背景之下，水资源总量会出现怎样的变化呢？用神经网络对流域水资源敏感度进行分析，结果（表3）显示，当降水量保持不变时气候变暖将使水资源总量减少，当温度不变时降水量增加会使得水资源总量明显增加；水资源总量对降水的敏感度明显高于对温度的反映。在研究区域气候明显变暖的背景下，降水量的制约将使水资源开发利用形势更为严峻。

3 对策措施

石羊河流域重点治理的关键是水问题，具体体现在增加北部荒漠地表水量，逐步恢复与改善民勤生態，而面对严峻的水资源短缺现实，如何建立节水型社会便成为重中之重。如控制农田灌溉面积，降低灌溉定额指标，实现水权机制的改革；大力推广以日光温室和地膜覆盖技术为主的节水农业，采用渠灌、管灌、大田滴灌等节灌模式，优化农业种植结构，减少农业用水总量；利用独特的自然条件，大力推广棉花、瓜类、盐地药材、苜蓿饲草等特色农业，减少大田农业种植面积，提高经济作物效益，实现农业产业化的转型，通过这些措施可以有效缓解水资源短缺问题。

在加强石羊河流域重点治理的同时，如何增加降水量以有效补给流域水资源总量，这将是气象部门面临的严峻挑战，由于流域径流量的补给主要来源于大气降水，而研究区域降水的季节性特征则要求人工增雨要借助有利的天气形势及时作业，不放过一个过程，最大程度地增加有效降水。

参考文献

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