祁连山西段水文环境及水资源变化趋势分析_任东.pdf

DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.10.001收稿日期：2022-09-08作者简介：任东（1969-），男，甘肃定西人，正高级工程师，主要从事水文水资源研究，E-mail：。祁连山西段水文环境及水资源变化趋势分析任东，常继青（甘肃省水文站，甘肃 兰州 730000）摘要：祁连山区是对气候变化响应最敏感的地区，研究该地区水资源变化问题，对于应对和适应气候变化带来的影响具有重要意义。基于ECMWF遥感影像反演数据，利用ArcMap区域分析工具和Mann-Kendall检验法，分析祁连山西段疏勒河流域的水文水资源变化趋势，得出如下结果：随着气温上升，研究区降水量、蒸发量、冰雪消融量、径流量均持续增加；同时，流域风速略有减小，植被条件有所改善；各水文要素变化趋势于2005年前后发生了转折，转折后气温、冰雪融水增加趋势减缓，径流增加趋势加剧，降水量趋势变递减。冰雪融水占到年径流的24%55%，占年径流多年平均值的40%，冰雪融水的贡献主要在6-8月，其中6月、8月的当月占比均在60%以上。分析表明，流域降水量增加幅度超过蒸发量增加幅度，导致径流量增长，水文环境向暖湿转型。关键词：气候变化；水文环境；水资源；冰雪融水；疏勒河；祁连山中图分类号：P339文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）10-0001-04第 58 卷 第 10 期2022 年 10 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.10Oct.，2022中国西北干旱区作为亚洲中部山系最发育地区之一，分布有天山、昆仑山、喀喇昆仑山、阿尔金山、祁连山等一系列高大山系，该区域以山、盆相间地貌格局为特点，对全球气候变化响应十分敏感1。分析研究全球变暖背景下的西北干旱区水资源问题，对应对和适应未来气候变化带来的影响具有重要意义。疏勒河流域位于我国西北干旱区，是发源于祁连山脉西段的河西走廊三大内陆河流域之一，产流区（位置见图1）面积约8 829 km2，流域径流由祁连山北坡冰川融水和降水组成，为下游商品粮基地赖以发展的命脉。作者依据ECMWF（欧洲中期天气预报中心）ERA5 及 Landsat（美国陆地卫星）5 TM/7 ETM+/Landsat 8 OLI影像再加工资料2-3，研究在全球显著变暖和水循环加快背景下，祁连山西段水文水资源的变化特征。1采用资料（1）通过ECMWF ERA5再分析模型生产的再分析数据集ERA5-LandERA5-Land包含了祁连山地区1981-2019年近40年间的表征温度、湖泊、积雪、土壤水分、辐射和热量、蒸散发以及径流、风速、气压、降水量等50种指标的月动态数据（数据缩略图见图2），空间分辨率为0.10.1（网格约为9 km29 km2），可以准确地描述时间段内的气候状况。（2）Landsat 5 TM/7 ETM+/Landsat 8 OLI影像再加工资料该资料为基于Landsat 5 TM/7 ETM+/8 OLI地表反射率集合中的遥感影像，分别使用 LEDAPS 和LaSRC算法进行大气辐射校正，并通过CFMASK算法去除云、雪等的影响，然后通过红色波段和近红外波段计算各幅图像的NDVI（归一化植被指数）值，最后合成每年 5-9 月祁连山地区每个像元最大NDVI值的数据集。数据集数据空间分辩率为30 m，每一年合成1幅影像。Landsat 5 NDVI时间序列为1986-2011 年，Landsat 7 NDVI 时间序列为 1999-2019 年，Landsat 8 NDVI 时间序列为 2013-2019年。数据集为L1级别数据（数据缩略图见图3），可用于大范围的植被指数时间序列对比分析。（3）昌马堡水文站实测径流资料昌马堡水文站位于疏勒河出山口以下，控制面积10 961 km2，其主要集水区仍在祁连山区。研究收集到昌马堡水文站1981-2019年的实测径流资料。上述资料中的卫星影像数据来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心（网址http:/），1图1研究区位置示意图疏勒河流域省（自治区）界祁连山地区图例N嘉峪关市酒泉市张掖市金昌市武威市西宁市白银市兰州市临夏回族自治州High:0.88Low:0.52图2祁连山地区ERA5-Land月值再分析资料数据缩略图雪反照率（1981-01）DimensionlessLandsatLT08NDVI2019(Dimensionless)图3祁连山地区Landsat 5 TM/7 ETM+/8 OLI影像年最大NDVI数据缩略图High:1Low:-12022年第10期甘肃水利水电技术第58卷 2NDVI数据由中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃省祁连山生态环境研究中心制作。2分析方法（1）利用ArcMap区域分析工具，统计研究区的温度、风速、降水量、积雪、蒸散发、径流、NDVI等水文环境指标，再使用Mann-Kendall（曼-肯德尔）检验法判别各项指标的变化趋势及其突变特征。（2）用昌马堡水文站实测径流减去研究区雨水径流，再进行基流切割，估算疏勒河流域冰川（雪）融水量。3结果分析（1）年均气温上升趋势显著，月均气温除11月、12月外，各月均有升高研究区空气温度（地表以上 2 m 处的空气温度）、水体温度（湖泊和河流总水柱的平均温度）和土壤温度（地表以下07 cm处的土壤温度）上升趋势明显，并分别于1997年、2006年和2010年前后发生了突变。计算表明，多年平均空气温度年均值在突变前年均增加0.020 K，突变后年均增加0.003 K，突变后增加趋势减缓。从年内分布分析，突变后1-10月各月多年平均月气温都有不同程度的上升，其中2-4月和8月温升幅度较大，这一结论与陈亚宁等1“西北干旱区冬季温度的大幅度升高可能是拉动年平均温度抬升的重要原因”的观点不太一致。（2）受气温升高影响，蒸发量持续增大流域蒸发量（从地球表面蒸发的水的累积量）增大趋势明显，年均增加约0.29 mm。研究期内蒸发量于1994年发生了突变，突变前年均增长0.14 mm，突变后年均增长 0.05 mm，突变后增加趋势减缓。流域风速（地表以上10 m处的水平方向风速）有不显著下降趋势。一般认为，气温和风速是影响区域蒸发量的主要因素。分析表明，疏勒河流域蒸发量的变化主要由气温升高引起。（3）流域NDVI增长趋势明显，流域植被条件显著改善植被指数通常用来表征植被的生长状况4，大量研究结果普遍表明，NDVI与气候因子以及人类活动密切相关5。由于人类活动对疏勒河流域的影响主要表现在流域下游（出山口以下，不在作者的研究区域内），因此研究区植被指数的变化应该是气候因素引起的，这与ICHII等6的研究结果相符合。ICHII等对全球1982-1990年期间植被与气候的关系进行了研究，结果表明南北半球不同区域植被与气候的相关性不同，干旱地区的NDVI与温度和降水存在显著的相关性。施雅风等7利用NOAA/AVHRR（美国国家海洋和大气管理局/多光谱通道扫描辐射仪）卫星监测数据，以NDVI统计植被变化，显示出1981-2001年西北全区有56%的地域植被处于退化状态，31%比较稳定，13%显著改善，主要改善地区为新疆西部、北部及南部和田附近，甘肃河西走廊及兰州附近，宁夏银川平原和陕北榆林附近，作者分析结论与这一研究成果相符。（4）降水量显著增加，但降雪量有所减少研究区降水量（总降水量，包括雨和雪）有明显增加趋势，年均增加约0.68 mm，高于蒸发量年均增加值（0.29 mm）。年均降水量于2005年发生了突变（早于气温突变时间），突变前年均增长0.77 mm，突变后年均增长-0.18 mm，突变后趋势递减。从年内分布情况看，5月、7-9月降水量增幅较大，其中7月增幅最大，达到12.2%。年降雪量（降落到地球表面的积雪总量）呈不显著减少趋势，雪层质量（雪层中每立方米的雪质量）也呈不显著下降趋势。降雪量、雪层质量的年内分布呈驼峰形状，最大降雪量发生在5月，年内5月、6月、7月、8月和9月的降雪量分别占年降雪量的19.3%、17.3%、7.0%、5.5%和11.9%。最大雪层质量发生在6月，次大雪层质量发生在9月。（5）径流持续增加，出山口径流量近年增加趋势加剧流域降水形成的径流（包括地表径流和地下径流）增加趋势明显（其中的地表径流增加趋势不明显），年均增长0.65 mm。昌马堡水文站实测径流增加趋势明显，且于2007年发生了突变（稍迟于气温和降水量突变时间），突变前年均增长1.33 mm，突变后年均增长2.57 mm，突变后增加趋势加剧。（6）冰川（雪）融水增加，近年增加趋势减缓疏勒河发源于祁连山区，高山区的冰川（雪）融水、中山区森林带的降水及低山区的基岩裂隙水等第10期任 东，等：祁连山西段水文环境及水资源变化趋势分析第58卷 3多元组分汇流，共同构成其径流过程。高山区的冰川（雪）融水和降水是流域河川径流的主要补给来源，低山区的基岩裂隙水作为基流也主要是由前者补给形成。流域冰川（雪）融水占到水文站实测年径流的23.7%55.4%，占其年径流多年平均值的 40.2%。研究期流域冰川（雪）融水增加趋势明显，但在2005年出现了明显的转折，2005年前年均增长0.69 mm，之后年均增长0.58 mm，2005年以后增加趋势减缓。在研究期多年平均状态下，流域冰川（雪）融水的贡献主要表现在6-8月，这3个月冰川（雪）融水占当月总径流的比例都超过50%，其中6月、8月占比均在 60%以上。年平均温度最高的 7 月，冰川（雪）融水的比例不及6月和8月，原因是流域7月降水量最大，大量雨水参与了径流的形成，从而降低了冰川（雪）融水在水资源构成中的比例。4结论与讨论（1）在全球显著变暖和水循环加快背景下，祁连山西段水文环境发生了明显变化，随着气温上升，降水量、冰川消融量和径流量连续多年增加。同时，植被条件有所改善，风速减小，19世纪末期至20世纪70年代的变暖变干趋势已经逆转。降水量增加幅度超过蒸发量增加幅度，导致径流量增加，表明山区水文环境向暖湿转型。（2）祁连山区域降水稀少，高山区的冰川充当了固定水库的角色，冰川融水补给河川径流，是重要的水资源。冰川对气候变化特别敏感，气候变化影响冰川融水水量，对下游水资源量及其利用有深远影响。祁连山地区河流水资源的构成和变化直接影响区域社会和经济发展，作为重要补给来源的冰川融水的水量变化问题，一直是学者，乃至普通民众关注的焦点。（3）由于冰川和积雪在空间分布上为连续体，中间界限模糊，因此将两者作为总的融水来源参与计算。在研究期内，疏勒河流域冰川融水增加趋势明显，冰川融水占到河流多年平均年径流的40%。2005年以后冰川融水增加趋势减缓，发生这一减缓现象的原因中，温度、冰川后退（萎缩）等因素各发挥了多大作用，这一问题仍然需要继续分析、研究。参考文献：1陈亚宁，李稚，范煜婷，等.西北干旱区气候变化对水文水资源影响研究进展J.地理学报，2014，69（9）：1295-1304.2张举涛，张成琦.祁连山地区ERA5-Land月值再分析资料数据集(1981-2020年)DB/OL.国家冰川冻土沙漠科学数据中心，(2020-08-06)2022-03-09.http:/ 1bfa270af1.3张举涛，张成琦.祁连山地区Landsat 5TM/7ETM+/8OLI影像合成的 30 m 分辨率年最大 NDVI 数据集（1986-2019 年）DB/OL.国家冰川冻土沙漠科学数据中心，（2020-07-09）2022-03-09.http:/ for NDVI and climatic variables and NDVI trends:1982-1990J.International journal of remote sensing，2002，23（18）：3873-3878.7施雅风，沈永平，李栋梁，等.中国西北气候由暖干向暖湿转型的特征和趋势探讨J.第四纪研究，2003，46（