水资源约束下张掖市径流演变规律研究

张恒铭

(甘肃省庆阳市水文水资源勘测局，甘肃 庆阳 745000)

在干旱日益严重的西北干旱地区，水资源问题非常突出。加之全球气候变化的影响，区域水资源总量发生了很大变化，导致其时空分布重组[1]。区域小气候的变化直接影响温度和降水的变化，导致地表径流的时空分布特征与演变规律也受到影响[2- 3]。研究发现，我国主要流域年径流量为减少趋势，尤其是西北干旱区的河流该现象较为严重[4]，若长期如此，将严重影响区域水资源合理分配和人类可持续发展[5- 6]。张掖市是西北干旱区典型的内陆河流域绿洲城市，其水资源要素禀赋决定了城市发展潜力[7]，黑河流域贯穿张掖市境内，已成为当地最具影响力的社会经济发展和水资源利用的区域[8]。2000年国家实施黑河调水后，人均水资源减少到1190m3，每公顷水资源量减少到7665m3，仅占全国平均水平57%和29%，水资源严重紧缺，致使生产生活总需求量与水资源总供给量出现缺口矛盾[9]。

近年来，张掖市采取总量控制与水价改革等措施节约水资源[10- 11]，尽管节水工作取得了很大的成就，但水资源不足和分配不合理的问题仍然存在[12]。关于研究张掖市径流变化的文献较多，也已取得一些成果，柴小军[13]等研究了张掖市的降水特征发现，1960—2016年张掖市年及降水均呈现增加趋势；基于1956—2004年张掖市的降水观测数据，康淑媛[14]使用非参数检验方法(Mann-Kendall)研究了降水的时空分布，发现降水量总体上呈现增加的趋势；王钧[15]等研究认为，黑河流域上游和中游的年降水量正在增加，西南地区的年降水量增长率可以达到(6.1～8.3)mm/10a；张凯[16]研究发现自20世纪中至末期，黑河中上游的年平均降水量呈增加趋势，增幅高达17%；但是截至目前，多是基于单一流域空间分布特征的研究，对单点尺度上多流域特征的全面研究还略显不足[17- 18]。通过常规方法研究水文气象长序列变化趋势的研究较多，例如M-K法、累计距平分析法等[19- 23]，对河流径流量的变化趋势分析[24- 25]等。

本文综合线性倾向估计法、Mann-Kendall秩次分析及累积距平法，利用1957—2019年张掖市河流的径流量资料对其变化过程进行详细的统计分析，探明水资源约束下的径流演变规律，为水资源的合理调度和政府决策提供支持。采用Microsoft Excel 2010对所测数据进行计算，利用SPSS 19.0软件比较各处理相关数据差异的显著性，Origin Pro8.0作图。

1 研究区概况

张掖市在河西走廊中部，属于黑河上游中上部分，地理位置为E97°20′～102°12′，N37°28′～39°57′，海拔1770m。该市辖5个县和1个区，人均水量极低，约为1300m3[26]。气候环境恶劣，冬季气温低且干燥，春季风沙大，降水少。年内平均气温约为7℃，蒸发量大(2100mm)而降水少(270mm)，自然成为制约张掖市经济社会发展的最严格条件之一[27]。

充沛的黑河流域过境水量，为张掖市绿洲农业区奠定了坚实基础。

2 结果分析

2.1 径流量特征及显著性诊断分析

图1为1957—2019年张掖市主要河流实测年径流量过程曲线，通过M-K法及线性回归分析法诊断了8个水文站的年径流量变化趋势，梨园河站和莺落峡站的实测径流量呈上升趋势，但并不十分明显，两者年径流量的线性趋势率分别为0.0125×108m3/a和0.073×108m3/a。剩余站的年径流量均呈减少的趋势，其中童子坝河减少的趋势最明显，年下降幅度为0.0069×108m3/a；洪水河减少的趋势最弱，年下降幅度为0.0015×108m3/a。

图1 张掖市1957—2010年实测年径流量过程

张掖位于中国西北干旱区，使得四季的降水极为不均匀。降水主要集中在6—8月(如图2所示)，均呈正态分布变化，占全年的63.5%，其中7月的降水占全年的24.9%。12—次年2月降水量很小，仅占总降水量的3.89%。春季和秋季的降水量相差无几，分别占年降水量的11.50%。在枯水季节，降水稀少，对径流几乎没有直接影响，最小月径流量主要发生在12月以及次年的1—2月。主要是1—2月份为我国农历春节，生活用水量需求明显增加，保证率要求最高；另一方面，为应对春季农业灌溉，提前储水，使得最小流量的出现加大了地区水资源的供需矛盾，它对沿线地区的水安全，河网地区的水环境和水生态构成威胁。但就莺落峡站而言，7月的最大流量为130.8m3/s，占全年总流量的21.9%；梨园河次之，为23.81 m3/s，占全年总流量的27.9%；马营河最小，仅为1.92 m3/s，占全年总流量的10%。

图2 1957—2010年实测月流量过程

从表1可以看出，莺落峡和梨园河年径流量的M-K值分别为1.38和1.52，呈上升趋势;其它水文站的年径流量M-K值均为负值，呈下降趋势；其中，童子坝河、酥油口河、大堵麻河及马营河测得的年径流量的M-K值超过0.05的置信度阈值为1.96，表明有明显的下降趋势，而海潮坝和洪水河在0.05置信水平阈值±1.96之间，变化趋势不显著。酥油口河、莺落峡、梨园河季节性径流M-K值均超过0.05的置信度阈值-1.96，为显著性减少趋势。海潮坝河的径流在夏季和秋季没有减少的趋势，而春季则为非显著性减少；马营河、洪水河的春夏秋三季均为非显著性减少趋势，大堵麻河和童子坝河春秋季为减少趋势不显著。夏季，只有大堵麻河与童子坝河的径流量增加较弱。

表1 张掖市1957年至2010 年实测年径流量演变趋势诊断

2.2 年、季径流量累计距平分析

图3为1957—2019年张掖市年径流量累积距平曲线图。总体上8个站的降水偏多和偏少时期均呈现奇偶年周期性交替，图3中绿色虚线将其划分为A、B、C、D四个阶段，也就是说，从20世纪50年代末到60年代末干旱时期很短；从20世纪80年代初到90年代末，这是一个相对较长和雨水充沛的时期；从20世纪90年代末到2010年，虽然天然径流呈现下降-上升-下降-上升的波动过程，然而其降水的增幅程度较60年代提高了9.1%左右。大致上符合西北地区降水变化趋势的规律[28]，这是由于20世纪80年代中期至90年代中期的强南风，利于将源于印度洋和西太平洋的南方水汽输送到北部，从而导致整个祁连山的降水偏高，也包括黑河流域[29]。2000—2002年是2年的枯水期，2003—2009年为6年的枯水期，然而降水量比上个枯水期多；1993年之后开始了新的丰水期。不难发现，降水量的多寡和气温变化呈现正比关系，换言之，气温的升高与降低决定着降水量的多与少，该结论与前人在研究基本一致[30]。

图3 1957—2010年实测年径流量累计距平图

莺落峡1957—2019年的天然径流序列可分为以下三个时期，即1959—1965年，1989—1996年和1998—2002年是3个重要的枯水段；4个显著的丰水段，即1965—1968年，1970—1972年、1987—1990年、2002—2015年，年径流在1989年达到峰值，约为7.07亿m3。洪水河、梨园河的年径流变化过程曲线基本相似，奇、偶年分别呈现出不同幅度波动上升和下降的趋势，即丰-枯-丰-枯的变化过程。其他站点的变化过程很小，基本上相同，因此在此不再赘述。各季的降水量均呈波动变化的趋势(如图4所示)，由于洪水河、马营河、海潮坝、大堵麻河都靠近南部祁连山区；其次，越向西北，距离东南水汽源地越远，气候越干旱。张掖在祁连山北坡，东西走向的山脉对降水量的再分配作用比较显著。春季，西北干旱地区降水较少，西北部的梨园河降水量明显少于其它季节。秋季，降水量下降的趋势大于上升，这可能是因为东南季风的影响，导致该季节降水量相对复杂。夏季，因东南季风作用，西太平洋的水汽几乎无法到达，致使降水骤减。冬季，在西风带作用下加之盛行偏北风，气流被抬升很快因水汽凝结形成较多降水，使得较夏季明显。除马营河外，其余的站点1970—2005年，夏、秋季上升趋势明显大于下降趋势，基本上呈现大幅度的上升过程；马营河1970—2005年春、秋季基本呈现下降的过程，距平值较小。

图4 1957—2010年四季径流量累计距平图

2.3 径流预测分析—以莺落峡为例

通过2.1、2.2节的分析，以莺落峡为例，利用SDSM(statistical down scaling model)模型[31]进行径流模拟预测。对于SDSM模型，将1978—1989年基准期日降水量的观测值和模拟值进行比较分析(如图5所示)，整体拟合度较高，其中6月降雨量模拟值偏高，比观测值多出近22mm，1—12月相对偏差均低于30%，虽然有些月份高于该值，总体上模拟效果较佳。

图5 降水量观测值与模拟值对比

本文将预测期分为2021—2030年、2031—2040年、2041—2050年3个时期，如图6所示，将RCP8.5、RCP4.5、RCP2.6三种情景下3个不同时期的预测统计结果分析发现，未来莺落峡流域降水总体所增加。相较基准期，RCP2.6情景下，2021—2030 年降水增加量为17.33mm，2031—2040年减少了1.26mm，到2041—2050年降水量较之基准期增加了29.75mm；同理，RCP4.5情景下，3个时段内，分别增加了24.86、5.52、24.99；RCP2.6情景下，依次增加了13.21、15.88、37.8mm。

图6 不同情景模式下莺落峡降水量预测

利用 SDSM模型生成RCP8.5、RCP4.5、RCP2.6三种未来气候情景，将3个未来气候情景输入到经校准的SWAT模型中，以预测2021—2050年莺落峡的径流变化过程，结果如图7所示。分析发现，2021—2050年间，莺落峡径流量在RCP8.5、RCP4.5、RCP2.6三种情景下都呈现出增加趋势。在RCP8.5情景下，径流量从2021—2050年呈增长趋势，其中径流量从2041—2050年增幅最大；同理，在RCP4.5情景下，径流从2021—2040年呈现略微增加的趋势，到2041—2050年时增加幅度较大，约为前者的5倍；在RCP2.6情景下，径流从2021—2050年也是先增加后减少，又增加。3种情景在2041—2050年时径流均显著增加。

图7 不同情景模式下莺落峡径流预测变化图

3 结语

通过线性趋势估计，Kendall秩分析和累积距平分析，对张掖市黑河水系1957—2010年的8条主要河流的天然径流量变化进行统计分析，并以莺落峡为例，使用SAWT模型和SDSM模型可以预测径流，初步得出以下结论：

(1)1957—2019年，张掖市主要河流实测径流量呈现下降趋势，海潮坝河及洪水河变化趋势不显著。

(2)累计距平法分析表明1957—2019年降水偏多和偏少时期，呈奇偶年周期性交替，其中莺落峡的年径流量在1989年达到最大值，约为7.07亿m3。

(3)20世纪90年代末—2019年，降水呈现下降-上升-下降-上升的波动过程，侧面反映出径流演变过程的周期性、阶段性和持续性。

(4)通过SWAT模型预测莺落峡RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三种未来情况下2021—2050年的降水和径流量，发现莺落峡降水量呈上升趋势且出现增湿的特点，2041—2050年时增幅较大，比基准期分别增加约为2.1亿、2.2亿、2.28亿m3。