冰封期水库气温及其冰厚、冰冻天数响应特征研究

马令潇，汪天祥,2,3，胡素端，许士国

(1.大连理工大学 水利工程学院水环境研究所， 辽宁 大连 116024；2.中水珠江规划勘测设计有限公司， 广东 广州 510610；3.淮阴工学院 江苏省智能工厂工程研究中心， 江苏 淮安 223003)

我国北方中高纬度地区冬季气温长期在0℃以下，带来的直接影响就是在河道、湖泊、水库水面上形成冰盖，形成了相对密闭的水体环境，改变了原有的开放水面状态。水库是北方地区主要的饮用水供水来源，但长达数月的冰封期，使得水库形成了冰—水—沉积物多介质格局。伴随着冰生消过程，表层水体的“排盐效应”、底层沉积物的“污染释放”直接或间接影响了如氮、磷等元素的迁移释放过程。王利明等[1]指出在北方浅水湖氮磷营养盐具有冬季大于夏季、水体大于冰体的时空分布特点，所以在冰封期水体富营养化的概率较大。杨芳等[2]对内蒙古乌梁素海水库研究指出冰温会随着气温的变化而改变，且冰层越厚，冰温越高。

内蒙古农业大学研究发现金海水库水质在冬季存在一定程度的污染，并认为这与浮游藻类的种类和数量的季节性差异有一定的联系[3]。藻类生长消耗的二氧化碳能够促进表层水体 pH 增大，而沉积物中微生物在厌氧条件下的产酸作用，会促使水库底层水体 pH 减小。其他诸如光照、微生物等环境条件也会有季节变化。这些研究表明，环境因子直接或者间接影响了冰封期水库内污染物质的迁移过程[4]。而由于冰封环境的限制，对水库冰封期水质的监测有一定的难度，即使进行监测也多是从水库取水口处进行单点单次的取样监测，难以掌握冰封条件下水库水体的真实水质状态[5]。

综上，冰封期气温变化给水库带来的环境影响不容忽视，本文重点探讨气温影响下的冰封期水库冰冻天数、平均冰厚变化特征与相互关系，为冰封期水库的环境监测与管理提供思路。

1 材料与方法

1.1 研究区域与数据来源

本文以碧流河水库为研究对象(N:39°48′～39°57′；E122°24′～122°35′)，作为辽宁省主要供水来源，总库容9.34亿m3，平均水深12.8 m，流域面积2 814 km2，是具有典型北方冰封特征的水库。

气温基础数据中1986年—2010年来源于中国气象数据网(普兰店和庄河两个站点)，2010年—2015年来源于CMADS寒区旱区科学数据中心，CMADS站点情况与研究区域位置如图1所示。

数据分析采用ORIGIN、EXCEL、MATLAB、SURFER、GIS等工具进行。

图1 CMADS站点分布及研究区域

1.2 研究方法

本文从趋势性、周期性、突变性三个方面来探讨碧流河水库流域平均气温、冰冻天数、平均冰厚的变化特征及其相互关系[6-8]。冰厚估算采用德国Stefan在1980年提出的基于热量交换的冰厚热量平衡公式[9]为:

(1)

2 水库冰封期气温变化特征

2.1 气温年际变化特征

根据碧流河水库1986年—2015年冰封期平均气温变化特征(见图2)，水库冰封期多年平均气温为-4.1℃，变异系数为25%，表明水库冰封期平均气温年际间变化较大[10]。2012年气温最低，为-5.6℃；1988年气温最高，为-2.1℃。而水库冰封期气温在Kendall检验法α=0.05情况下下降明显。同时可看出水库冰封期气温具有8 a～11 a左右的波动周期。

2.2 气温周期性特征

对碧流河水库1986年—2015年冰封期年平均气温数据进行周期性分析，结果如图3所示。图中有实线和虚线两种线型，分别代表正值和负值，表示气温上升或下降[11]。由图3看出碧流河水库主要存在3类不同尺度的周期，15 a～18 a，9 a～12 a和5 a～8 a。

图2 碧流河水库近30年冰封期气温变化

图3 冰封期气温Morlet小波变换实部等值线图

小波方差图显示(见图4)3类周期的峰值分别对应16 a、11 a、8 a。其中16 a时间尺度具有较强的周期变换性，但因该时间序列较短，故其代表性较弱；8 a特征尺度在1990年—2005年表现明显，具有局部性；而11 a时间尺度在30 a以来一直很明显；因此，11 a为碧流河水库冰封期年平均气温变换周期。

图4 气温小波方差图

2.3 气温突变特征

如图5所示，碧流河水库1986年—2015年冰封期气温序列存在如下突变特征：上下临界线之间产生的交点分别在2000年、2004年、2005年和2007年。而UFK曲线在2011年后超过下限阈值，出现明显下降[12]。结合滑动t检验法进行判定，总体上与M-K检验法的结果较为接近，综合分析认为突变点为2003年。

图5 碧流河水库冰封期多年平均气温M-K突变检验

3 碧流河水库冰冻天数与冰厚响应分析

3.1 冰冻天数、冰厚年际变化分析

3.1.1 冰封期冰冻天数年际变化特征

根据碧流河水库近30年冰封期冰冻天数变化特征(见图6)，水库冰封期多年平均冰冻天数为115 d，变异系数为11%，表明水库冰封期平均冰冻天数年际间变化较大。而水库冰冻天数在Kendall检验法α=0.05情况下上升不明显[13]。

图6 碧流河水库近30年冰封期冰冻天数变化

最长冰封期出现在2012年，冰封期从初冰日2012年11月23日到2013年3月31日冰块彻底融化，冰冻天数为137 d；最短冰封期出现在2006年，冰封期从初冰日2006年12月2日到2007年3月3日冰块彻底融化，冰冻天数为92 d。回归分析表明水库冰冻天数呈现缓慢增加的趋势，这与水库冰封期气温下降趋势表现一致。M-K检验法也佐证了水库冰冻天数呈现一定的增加趋势且呈现波动性变化特征，波动周期在5 a～8 a左右，数据分析表明碧流河水库冰封期冰冻天数呈现在波动中逐渐增加的趋势，与气温下降的趋势相呼应。

3.1.2 冰封期冰厚年际变化特征

根据碧流河水库近30年冰封期平均冰厚变化特征(见图7)所示，水库冰封期多年平均冰厚为26 cm，变异系数为12%，表明水库冰封期平均冰厚年际间变化较大。而水库冰厚在Kendall检验法α=0.05情况下上升明显。

图7 碧流河水库近30年冰封期冰厚变化

2006年有多年平均最小冰厚，为19 cm；2011年有多年平均最大冰厚，为33 cm；分别对应最短冰封期和最长冰封期。回归分析结果表明，建库以来水库平均冰厚呈现逐渐增大趋势，与气温逐渐降低的趋势一致。同时，M-K检验结果也证明水库冰厚呈现显著增大的趋势。图7可以看出碧流河水库冰厚呈现波动性变化特征，波动周期在10 a～15 a左右，数据总体分析表明碧流河水库冰封期冰厚呈现在波动中逐渐增加的趋势。与气温和冰冻天数的趋势相对应，冰封期气温越高，冰冻时间越短，对应的冰厚也越小。

接下来用小波变换分析碧流河水库的冰冻天数和冰厚的周期性和变化趋势。

3.2 冰封期冰冻天数及冰厚周期性特征

3.2.1 冰封期冰冻天数周期性特征

图8所示的一实一虚两种线型分别表示冰冻天数的延长或缩短。由图8可知，在碧流河水库近30年平均冰冻天数时间序列中，14 a～16 a,10 a～13 a,4 a～8 a这3类周期特征比较明显。

图8 碧流河水库冰冻天数Morlet小波变换实部等值线图

冰冻天数的小波方差分析显示3类周期波峰分别对应16 a、12 a、5 a(见图9)。其中16 a时间尺度最强，但由于其时间序列较短，故代表性较弱；12 a时间尺度在2000年之前明显；5 a时间尺度贯穿整个时间范围，且大体上比较平稳。因此，5 a为碧流河水库平均冰冻天数变换周期。

图9 冰冻天数小波方差图

3.2.2 冰封期冰厚周期性特征

碧流河水库1986年—2015年冰厚Morlet小波变换实部等值线图见图10，图中实线和虚线分别表示冰层变厚或变薄[14]。由图可知，在碧流河水库近30年的平均冰厚时间序列中，14 a～16 a,10 a～13 a,6 a～9 a这3类周期特征比较明显。

图10 碧流河水库冰厚Morlet小波变换实部等值线图

冰厚的小波方差分析显示3类周期波峰分别对应16 a、13 a、7 a(见图11)。其中16 a时间尺度具有较强的周期变化性，但因其时间序列较短，故代表性较弱；7 a时间尺度在2000年之前明显，具有阶段性；而13 a时间尺度基本覆盖整个研究时段，震荡中心有所上升且相对平稳。综上，认为水库年平均冰厚变换周期为13 a。

图11 冰厚小波方差图

3.3 水库冰冻天数、冰厚突变特征

3.3.1 多年冰冻天数突变特征

如图12所示冰冻天数在两临界线之间共有一个交点，发生在2010年—2011年。结合滑动t检验法进行判定，发现均值在2008年前后发生跳跃，总体上与M-K检验法的结果较为接近，综合分析认为突变点为2008年[15-16]。

图12 碧流河水库冰冻天数M-K突变检验

3.3.2 多年平均冰厚突变特征

通过M-K检验法，绘制水库多年平均冰厚的突变曲线(见图13)。上下临界线之间分别在2004、2005和2007年产生交点。结合滑动t检验法进行判定，发现均值在2008年前后发生跳跃，总体上与M-K检验法的结果较为接近，综合分析认为突变点为2008年。

图13 碧流河水库多年平均冰厚M-K突变检验

3.4 气温与冰冻天数、冰厚的相互关系分析

从总体趋势上看，近30年来，气温以0.5℃/10a的速率下降；冰冻天数、冰厚分别以2.4 d/10a和1.5 cm/10a的速率增长(见表1)。从突变特征上看，气温在2003年突变，而冰冻天数和冰厚在同一年2008年发生突变。可以看出冰冻天数与冰厚突变年份比较同步，但与冰封期气温有一定差异，分析认为冰冻天数除了与气温有关，同时也可能受到风力等其他因素影响。从周期性特性上看，冰封期碧流河水库的气温、冰冻天数和冰厚的周期分别为8 a、5 a和13 a，三者间的周期性不完全同步，因此需进一步探索多因素对冰冻天数、冰厚的影响[17-18]。

表1 气温、冰冻天数与冰厚的相关性对比

4 结 论

(1) 碧流河水库冰封期多年平均气温为-4.1℃；呈现在波动中逐渐降低的趋势；在2003年发生突变；主要变化周期为8 a。

(2) 碧流河水库多年平均冰冻天数为115 d；呈现在波动中逐渐增加的趋势；在2008年发生突变；主要变化周期为5 a。

(3) 碧流河水库多年平均冰厚为26 cm；呈现在波动中逐渐增加的趋势；在2008年发生突变；主要变化周期为13 a。