小浪底水利枢纽对周边局地气候的影响分析

尚文绣，许明一，严登明

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

1 研究背景

水库的建设运行是河流开发的重要方式[1-2]，其提供了全球30%～40%的农业灌溉用水，并生产了近17%的电力[3-4]。在为人类带来巨大经济和社会利益的同时，水库工程导致生态要素重新分配，对河流和相关地区的生态环境产生了不同程度的影响[5-7]。水库蓄水后库区水位上升并形成大面积水体，改变了区域水文循环、物质传输、生物资源分布等[8-9]，导致水库周边成为受影响最显著的区域。

水库蓄水后可能导致周边10～20 km以内的气温、湿度、风速等气候要素发生变化[10-11]。当前，关于水库对局地气候影响的研究方式包括实测数据统计分析和数值模拟两种，前者主要用于运行多年的已建水库，后者可用于预测规划水库或已建水库扩容的气候影响[11-13]。采用实测气候数据时，相关研究一般通过对比水库蓄水前后局地气候的变化来反映水库发挥的作用[14-16]。受土地利用变化、人类活动等因素的影响，全球气候发生了剧烈变化[17-19]，近60年我国陆地表面气温上升率为0.23 ℃/10 a[20]，北方地区干旱趋势加剧[21-22]。因此水库蓄水并非是导致水库周边地区气候变化的唯一因素，例如，研究显示在三峡库区(重庆段)周边城镇化发展对气候的影响程度大于水库蓄水的影响[23]，然而仅对比水库蓄水前后局地气候的变化无法将水库发挥的作用从多因素复合作用中分离出来，如何量化水库单一要素对局地气候的影响是该领域研究的难点。

为了科学量化水库对周边局地气候的影响，本文提出了基于情景对比的水库影响定量分析方法，以小浪底水利枢纽为例，量化了小浪底水利枢纽建设运行对周边气温和相对湿度的影响。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区域概况

以小浪底水利枢纽为例开展分析。小浪底水利枢纽临近黄河中游与下游的分界处，坝址以上流域面积为69.42×104km2，该工程于1999年底投入运行。枢纽正常蓄水位275 m相应库容为126.5×108m3，水面面积为279.6 km2。研究区域示意图见图1。

图1 研究区域示意图

2.2 水库影响定量分析方法与数据来源

水库周边局地气候受到水库运行、下垫面变化、人类活动等多因素复合影响，本文提出基于情景对比的水库影响定量分析方法，将水库发挥的作用从多因素复合作用中分离出来。评价时段为小浪底水利枢纽运行后的2000-2019年，情景1代表了有小浪底水利枢纽时该时段水库周边实测气候状态；情景2代表了如果没有小浪底水利枢纽，评价时段内水库周边气候的模拟状态，两种情景设置见表1。与情景1对比，情景2仅改变了小浪底水利枢纽这一个影响因素，其他自然与人类活动影响因素均与情景1保持一致。

表1 小浪底水库对周边气候状态影响研究的情景设置

两种情景下的水库周边气候状态的表达式为：

FA={fA,1,fA,2,…,fA,n}

(1)

FS={fS,1,fS,2,…,fS,n}

(2)

式中：FA和FS分别为情景1和情景2对应的小浪底水利枢纽下游的气候状态；fA,i和fS,i分别为情景1和情景2第i个气候指标，i=1～n。

小浪底水利枢纽对水库周边气候状态的影响E表示为：

E={e1,e2,…,en}

(3)

ei=fA,i-fS,i

(4)

式中：ei为小浪底水利枢纽对第i个气候指标的影响。

水库蓄水后形成大面积水面，对气温和空气湿度有较明显的影响。选取平均气温和平均相对湿度两个指标反映水库对局地气候的影响，在时间尺度上分为年尺度和月尺度，数据来源为国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn/)。

2.3 无水库情景模拟方法

采用相关分析法模拟评价时段内如果没有修建小浪底水库情况下的水库周边气候状态，步骤为：(1)选择小浪底水利枢纽气候影响范围内的周边站点和影响范围外的参照站点；(2)利用小浪底水利枢纽修建前(1960-1989年)的历史实测气候数据建立无水库情况下参照站点与周边站点各项气候指标的相关关系；(3)假设如果没有修建小浪底水利枢纽，则2000-2019年参照站点与周边站点各项气候指标之间仍保持1960-1989年的相关关系，即可通过2000-2019年参照站点实测气候指标和1960-1989年的相关关系得到情景2下周边站点的气候指标。

相关研究显示，大型水库对局地气候的影响范围可以达到近20 km[10]，因此选择距离库区20 km以内的孟津和三门峡2个气象站反映小浪底水利枢纽工程周边气候；选择距离库区50 km以外的阳城、郑州和开封3个气象站作为参照站点，反映水库所在区域的整体气候状态(表2)。所选参照站点均位于水库气候影响范围以外，且在小浪底水利枢纽修建前，参照站点的气温及相对湿度与周边站点具有一致的变化趋势。

表2 小浪底水库周边及参照气象站选择

1960-1989年参照站点与周边站点各项气候指标的相关关系式为：

fS,i=aifC,i+bi

(5)

式中：fC,i为3个参照站点第i个气候指标的平均值；ai为第i个气候指标的拟合公式的回归系数；bi为第i个气候指标的拟合公式的截距。

采用t检验判断关系式(5)参照站点与周边站点各项气候指标之间是否存在显著线性关系。计算检验统计量t，给定显著性水平α=0.01，如果t>tα/2(m-2)，表明自变量和因变量之间存在显著的线性关系，m为样本数量。如果关系式(5)通过显著性检验，则说明该公式可以有效反映小浪底水利枢纽建设前参照站点和周边站点各项气候指标之间的相关关系，再将2000-2019年参照站点实测气候指标值代入关系式(5)，即可得到情景2下周边站点气候指标值。

3 结果与分析

3.1 参照站点与周边站点气候指标拟合效果

为了得到情景2的气候指标，首先需要建立小浪底水利枢纽修建前(1960-1989年)参照站点与周边站点各项气候指标的相关关系。1960-1989年水库周边站点气候指标与参照站点气候指标间的线性拟合结果如表3所示。由表3可见，全年及各月份尺度下拟合公式的相关系数均不小于0.90，且均通过了α=0.01显著性检验，说明两者具有较好的相关关系，可用表3中的拟合公式计算情景2的气候指标。

表3 1960-1989年水库周边站点气候指标与参照站点气候指标线性拟合结果

3.2 水库对周边年际气候变化的影响

2000-2019年两种情景下水库周边年均气温及年均相对湿度变化曲线如图2所示。由图2 (a)可见，2000-2019年，情景1水库周边每年的平均气温均低于情景2，小浪底水利枢纽使水库周边气温每年降低0.09～0.92 ℃，每年平均降低0.46 ℃。近年来，小浪底水利枢纽在降低水库周边气温方面发挥的作用逐渐增强，2000-2009年小浪底水利枢纽使水库周边气温年均降低0.26 ℃，2010-2019年小浪底水利枢纽使水库周边气温年均降低0.63 ℃。由图2 (b)可见，2000-2019年期间除2000年外，情景1水库周边每年的平均相对湿度均高于情景2，小浪底水利枢纽使水库周边相对湿度每年增大0.80%～7.03%，每年平均增大3.78%。近年来小浪底水利枢纽在增大水库周边平均相对湿度方面发挥的作用逐渐增强。2000-2009年小浪底水利枢纽使水库周边相对湿度年均增加2.88%，2010-2019年小浪底水利枢纽使水库周边相对湿度年均增加4.44%。

图2 2000-2019年两种情景下小浪底水库周边年际气候变化曲线

3.3 水库对周边年内气候变化的影响

2000-2019年两种情景下小浪底水库周边年内月均气候指标如表4所示。

表4 2000-2019年两种情景下小浪底水库周边月均气温和月均相对湿度变化

由表4可以看出，2000-2019年情景1每月的平均气温均低于情景2，说明小浪底水利枢纽在年内始终发挥着降低水库周边气温的作用。与情景2相比，汛期(7-10月)情景1水库周边平均气温降低了0.53 ℃，非汛期(11-次年6月)平均气温降低了0.40 ℃。2000-2019年情景1每月的平均相对湿度均高于情景2，说明小浪底水利枢纽在年内始终发挥着增加水库周边相对湿度的作用。与情景2相比，情景1水库周边汛期平均相对湿度增大了5.67%，非汛期平均相对湿度增大了3.31%。虽然汛期小浪底水库需进行防洪调度运行，库水位较低、水面面积较小，但汛期气温较高，水面蒸散发更加强烈，导致小浪底水利枢纽在汛期对周边气候的影响更大。

4 讨 论

4.1 区域气候变化趋势及对水库周边气候的影响

小浪底水利枢纽周边气候的变化受到水库运行和更大空间尺度上的区域气候变化的共同影响。枢纽库区临近黄河中游和下游交界处，相关研究显示黄河中游和下游地区呈现出明显的增温趋势和较高的干旱化程度[24-25]。对比小浪底水利枢纽运行前、后两个时段(1980-1999年和2000-2019年)的参照站点和周边站点实测气候变化量，进一步分析在区域气候变化的背景下小浪底水利枢纽对周边气候的影响。

2000-2019年小浪底水利枢纽周边站点及参照站点的年内实测平均气候指标相对于1980-1999年的变化量如图3所示。

图3显示，区域气候表现出气温升高、相对湿度降低的变化趋势。与1980-1999年相比，2000-2019年参照站点全年平均气温升高了1.04 ℃、全年平均相对湿度降低了5.75%。参照站点各月的气温增幅均高于水库周边站点，汛期尤为显著，汛期参照站点气温增幅比水库周边站点平均高0.38 ℃，非汛期参照站点气温增幅比水库周边站点高0.28 ℃。与1980-1999年相比，2000-2019年参照站点各月的平均相对湿度均减小。汛期参照站点相对湿度减幅比水库周边站点高4.77%，非汛期参照站点相对湿度减幅比水库周边站点高4.00%。

从图3中周边站点实测气候数据来看，小浪底水利枢纽周边气候也表现出气温升高、相对湿度降低的变化趋势，但变化幅度小于参照站点。与1980-1999年相比，2000-2019年水库周边站点年平均气温升高了0.71 ℃，年内各月的平均气温升高了0.19～2.56 ℃，汛期平均气温升高了0.33 ℃，非汛期平均气温升高了0.87 ℃；与1980-1999年相比，2000-2019年水库周边站点平均相对湿度减小了1.46%，9-次年2月的平均相对湿度增大了0.11%～3.30%，3-8月的平均相对湿度减小了0.60%～11.04%，汛期平均相对湿度减小了0.03%，非汛期平均相对湿度减小了1.98%。

图3 2000-2019年小浪底水利枢纽周边及参照站点年内实测平均气候指标相对于1980-1999年的变化量

综合考虑小浪底水利枢纽对局地气候的影响，以及1980-1999年和2000-2019年两个时段之间水库周边站点及参照站点的实测气候变化量，发现小浪底水利枢纽所在区域呈现出气温升高、相对湿度减小的干旱化趋势，但小浪底水利枢纽在水库周边发挥了降低气温和增加相对湿度的作用，大幅减弱了水库周边的干旱化趋势。

在分析水库对局地气候的影响时，有必要排除更大空间尺度上气候变化的影响。例如，介玉娥等[26]2009年发表的研究成果分析了小浪底水利枢纽对局地气候的影响，通过对比建库前、后的气候数据，认为小浪底水利枢纽蓄水造成水库周边的济源、孟津、新安等气象站温度呈上升趋势。但本文研究结果显示，这种增温趋势是更大空间尺度上区域气候变化的体现，小浪底水利枢纽其实发挥了降低水库周边气温的作用，但水库降温效果小于区域升温效果，导致水库周边仍呈现增温趋势。

4.2 小浪底水利枢纽对局地气候影响的可能范围

参照站点与周边站点的气候变化对比结果显示，小浪底水利枢纽对库区14 km以内站点的气温和相对湿度具有显著影响。根据国家气象科学数据中心提供的气象站点，在距离小浪底库区14～55 km范围内没有站点分布，导致无法精确识别小浪底水利枢纽对局地气候的影响范围上限。国内对水库局地气候影响范围的研究主要围绕三峡水库展开，已有研究得出的结论为三峡水库对各类气候要素的影响范围一般在20 km以内[10-11]。考虑到小浪底水利枢纽的水面面积小于三峡水库，因此推断小浪底水利枢纽对局地气候的影响范围不超过三峡水库，最大影响范围在距离库区14～20 km以内。

4.3 气候调节对水库周边生态服务的影响

小浪底水利枢纽建成运行后发挥了降低气温、增加相对湿度的气候调节作用，为动植物提供了相对较好的气候条件，加上地下水位上升、大面积水面形成、管理机构植树造林等因素的共同作用，水库周边的生态环境得到了显著改善。小浪底水利枢纽库区与枢纽管理区林草覆盖率达到了47%，小浪底国家水利风景区内共有鸟类155种，数量最多时有5万多只，是河南省能记录到的水禽种类最多的区域。适宜的气候条件、丰富的动植物资源和水利景观吸引了大量游客，提供了娱乐审美等生态服务。2019年小浪底国家水利风景区接待游客约70万人次，产生了显著的经济价值。

5 结 论

(1)小浪底水利枢纽在水库周边发挥了降低气温、增加相对湿度的作用。2000-2019年，小浪底水利枢纽使水库周边年均气温降低了0.46 ℃、年均相对湿度增加了3.78%，在汛期发挥的气候调节作用强于非汛期；小浪底水利枢纽发挥的气候调节作用随时间呈增强趋势，与2000-2009年相比，2010-2019年小浪底水利枢纽在水库周边产生的年均气温降幅增大了0.37 ℃、年均相对湿度增幅增大了1.56%。

(2)小浪底水利枢纽减弱了水库周边的干旱化趋势。小浪底水利枢纽所在区域呈现出干旱化趋势，与1980-1999年相比，2000-2019年参照站点年均气温升高了1.04 ℃、年均相对湿度降低了5.75%；在小浪底水利枢纽作用下，水库周边年均气温升高了0.71℃、年均相对湿度降低了1.46%，变幅小于参照站点。

(3)在全球气候变化背景下，分析水库对局地气候的影响时需要排除更大空间尺度上的气候变化的影响。本文提出的水库影响定量分析方法能够将水库的影响从多因素复合影响中分离出来，更加准确地量化水库对局地气候的影响。本文采用相关分析的方法模拟评价时段无水库情景下的周边气候，未来需要进一步发展数值模拟手段，以提高模拟的精准性。