王志杰,李暢游**,李衛(wèi)平,2,張 生
(1:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院,呼和浩特010018)
(2:內(nèi)蒙古科技大學能源與環(huán)境學院,包頭014010)
將月蒸發(fā)量計算值與達賚湖試驗站的觀測值進行對比(圖4),蒸發(fā)皿折算系數(shù)采用 0.62[19],可以看出,觀測值與計算值的相關(guān)系數(shù)達到0.937,說明模擬的湖面蒸發(fā)量是合理的.
內(nèi)蒙古呼倫湖水量平衡計算與分析*
王志杰1,李暢游1**,李衛(wèi)平1,2,張 生1
(1:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院,呼和浩特010018)
(2:內(nèi)蒙古科技大學能源與環(huán)境學院,包頭014010)
根據(jù)呼倫湖的實際水文過程,計算1963-1980年月水量平衡,在此基礎(chǔ)上,分析庫容與徑流、徑流+降雨、徑流+降雨-蒸發(fā)的相關(guān)性.利用累積和分析水位、徑流、降雨、蒸發(fā)年均值的突變情況,進而重點論述了2000年后水位持續(xù)降低的原因.同時,探討各水平衡項的年內(nèi)分布規(guī)律及相互關(guān)系.結(jié)果表明,2000年后水位的急劇降低是氣候變化(暖干化)造成的.河川徑流對水位的影響程度最大,其次為湖面降雨.每年4、5月,冰封期積累的降雪融化滲入地下補給湖泊,其他時間則由湖泊補給地下水.
水面蒸發(fā);水量平衡;呼倫湖;累積和
呼倫湖是中國第五大淡水湖,也是東北第一大湖,被稱作呼倫貝爾草原的“腎”.該湖于1992年被批準為國家級自然保護區(qū),2002年1月被列入國際重要濕地名錄,同年11月被聯(lián)合國教科文組織人與生物圈計劃納為世界生物圈保護區(qū)網(wǎng)絡(luò)[1-3].呼倫湖滋潤著周邊草原,調(diào)節(jié)著整個草原氣候,與大興安嶺共同構(gòu)筑了中國北方的生態(tài)屏障,在保障東北乃至華北地區(qū)生態(tài)安全方面發(fā)揮著不可替代的作用.
呼倫湖流域近代水文過程受到人為干擾比較強烈,流域內(nèi)生態(tài)水文過程嚴重紊亂,生態(tài)環(huán)境嚴重退化,突出表現(xiàn)為呼倫湖水位降低,水域面積萎縮及草原沙化、退化.據(jù)監(jiān)測,近5 a來湖泊水位連續(xù)下降2.3 m.水量的不斷減少造成水環(huán)境逐步惡化,目前呼倫湖水體已基本呈中度富營養(yǎng)化水平[4].同時,1965-1985年湖周草原每年以5%的速度退化,1985-1997年以10%的面積加速退化[5].
呼倫湖水情變化屬于干旱內(nèi)陸流域湖泊環(huán)境熱點問題之一,同時,呼倫湖流域跨中、蒙、俄邊界,相關(guān)資料的系統(tǒng)性較差,給呼倫湖問題的研究帶來了難度.雖然問題被廣泛關(guān)注,但研究深度和可信服結(jié)論性認識有限.本文試圖采用多種途徑,利用有限的數(shù)據(jù),對呼倫湖水量平衡進行分析,為呼倫湖相關(guān)研究提供借鑒作用.
呼倫湖也稱達賚湖,湖面呈不規(guī)則長方形,長軸為西南至東北方向(圖1),湖長93 km,平均寬度25 km,周長447 km,當湖水位達到歷史較高水位545.33 m時,蓄水量為138×108m3,湖水面積2339 km2,最大水深8.0 m,平均水深5~6 m.湖區(qū)屬于中溫帶大陸性季風氣候,多年平均氣溫為3~5℃,最大濕度可達80%,全年最大風速5.35 m/s,降雨量為256 mm,蒸發(fā)量為1500 mm,主要集中在4-11月,占全年94.4%,而12、1-3月僅占5.6%(1960-2008年統(tǒng)計).
圖1 呼倫湖位置及水文、氣象站點Fig.1 The location of Lake Hulun and distribution of meteorological and hydrological stations
湖周邊原設(shè)有阿拉坦額莫勒、坤都冷、甘珠花和達賚湖試驗站四個水文站,均建于1950s末,其中甘珠花站、達賚湖試驗站分別于1971、1980年撤銷,其他兩個站仍在使用中.氣象站位于湖周臨近旗縣境內(nèi)(圖1,表1).
表1 水文站及氣象站觀測數(shù)據(jù)種類及年限Tab.1 The data of meteorological station and stream flow gauging station
通過孫標利用水深反演模型推算的湖底高程[6]數(shù)據(jù)獲得水位-面積、水位-庫容關(guān)系曲線(圖2),采用Matlab對三者關(guān)系進行擬合(圖3).為了檢驗湖底高程數(shù)據(jù)的精度,利用《呼倫湖志》[7]中歷年最高水位-面積-蓄水量關(guān)系進行比較,相對誤差最大為6%,說明該數(shù)據(jù)精度較高,能夠滿足本文計算要求.
圖2 水位-面積、水位-庫容關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves between lake level-water area and lake level-volume
圖3 水位-庫容、水面面積-庫容擬合曲線Fig.3 Fitting curves between lake level-volume and water area- volume
某時段出、入湖泊水量之差與湖泊增(減)水的關(guān)系,可用水量平衡方程式[9]表示:
式中,Δt為計算時段(天、月、年),ΔV為湖泊庫容變化量(m3),當時段末水量多于時段初,ΔV為正值,反之為負值,A為湖泊水面面積(m2),A是水位(h)的函數(shù),P為湖面降雨量(mm),E為湖面蒸發(fā)量(mm),Qin為入湖水量(m3),Qout為出湖水量(m3).
根據(jù)呼倫湖的實際情況,將水量平衡方程表示為:
式中,Q河流入、Q河流出為河流入、出湖水量;Q地下入、Q地下出為地下水入、出湖水量,Q坡面匯流為湖周區(qū)間坡面匯流.余項表示為:
達賚湖試驗站使用人工式雨量筒觀測降雨,精度有限且存在漏測現(xiàn)象,氣象站采用自記式儀器,其數(shù)據(jù)相對精確.滿洲里、新巴爾虎右旗氣象站與達賚湖試驗站降雨量分布最相近,取其平均值作為湖面降雨量.
烏爾遜河上的坤都冷水文站與甘珠花水文站進行年徑流量回歸分析,計算流入呼倫湖的實際水量.據(jù)調(diào)查,達蘭鄂羅木河于1958年被堵,達賚湖泄水工程,即新開河于1971年9月投入使用.該人工河的流量沒有實測數(shù)據(jù),目前了解到兩種關(guān)于流量的記載:第一,當呼倫湖水位超過544.8 m時,按照閘門設(shè)計流量正常泄流,即40.7 m3/s[7];第二,自1971 年9 月至 1979 年9 月,通過新開河共泄水17.5 ×108m3.本文采用第一種記載的方式進行計算.
蒸發(fā)是自然界水文循環(huán)過程中的主導因素之一,是水量平衡要素的重要組成部分.由于1980年后達賚湖試驗站缺失觀測數(shù)據(jù)以及蒸發(fā)皿折算系數(shù)各異[6,9-10],所以本文水面蒸發(fā)量通過模型計算獲得.蒸發(fā)量的測量、計算方法有很多,例如水量平衡法[11-12]、能量平衡法[13-14]、質(zhì)量傳輸法[15]、彭曼公式法[16-17]等.其中彭曼公式法使用較為普遍,并被FAO(Food and Agricultural Organization of United Nations)推薦.但是彭曼公式需要的氣象數(shù)據(jù)及經(jīng)驗參數(shù)較多,很多氣象站點不能滿足模型的要求.為此,Valinantzas[18]對彭曼公式進行了簡化處理,僅利用溫度、相對濕度、日照和風速等常規(guī)氣象指標計算蒸發(fā)量(EPEN).
式中,α為水面太陽輻射反射系數(shù),開闊水面取值為0.08,RS為太陽輻射(MJ/(m2·d)),RA為大氣頂太陽輻射(MJ/(m2·d)),RH為相對濕度(%),U為2 m處風速(m/s).T為平均溫度,T=(Tmax+Tmin)/2,Tmax與Tmin分別為最高、最低溫度.
四個氣象站中滿洲里的蒸發(fā)量計算值與觀測值吻合最好,故選其作為湖面蒸發(fā)量.由式(4)看出,該簡化式僅適合于平均溫度高于-9.5℃的情況.對于呼倫湖而言,只能計算4-11月逐日蒸發(fā)量(占全年蒸發(fā)量的94.4%),而11-3月份蒸發(fā)量采用年內(nèi)蒸發(fā)量分布比例計算.
將月蒸發(fā)量計算值與達賚湖試驗站的觀測值進行對比(圖4),蒸發(fā)皿折算系數(shù)采用 0.62[19],可以看出,觀測值與計算值的相關(guān)系數(shù)達到0.937,說明模擬的湖面蒸發(fā)量是合理的.
圖4 蒸發(fā)量計算值與達賚湖試驗站月蒸發(fā)量觀測值對比Fig.4 Comparision of observed monthly evaporation of meteorological station in Lake Hulun and simulated value
余項中包括湖周坡面匯流、湖水與地下水交換量,這兩項的量值目前沒有觀測資料記載.利用Penman公式分別計算1960-2008年湖周氣象站所在草原的逐日蒸發(fā)量,取其平均值與逐日降雨量進行比較(圖5)結(jié)果表明全年內(nèi)逐日蒸發(fā)量高于降雨量,但是在11至翌年4月內(nèi),降雨量很小且以降雪形式存在,5、10月,蒸發(fā)增加的幅度遠超過降雨,所以此期間幾乎不能形成坡面匯流.6-9月,當短時間內(nèi)降雨強度超過土壤下滲速率時,形成坡面匯流.所以,這里假設(shè)10月至翌年5月,余項僅為地下水與湖水的交換量,而6-9月還包括湖周坡面匯流.余項的量值為庫容差與其他水平衡項的差,正則表示入湖水量多于出湖,反之則為出湖水量多于入湖.
圖5 1960-2008年呼倫湖周邊草原逐日蒸發(fā)量和降雨量變化Fig.5 Daily evaporation and precipitation of grassland around Lake Hulun from 1960 to 2008
1960-2009年,水位、徑流、降雨三者的變化趨勢一致,變化情況大致可以分為1960-1980年、1981-2000年和2001-2009年三個階段(圖6).各階段變化趨勢為:第一階段,水位從545.2~544.8 m呈緩慢下降,降雨和徑流分別在263.02 mm、10.267×108m3附近上下波動,但幅度不大;第二階段,水位保持在544.4 m,降雨、徑流波動幅度較大,平均值分別為263.59 mm、13.94 ×108m3;第三階段,三者都呈急劇下降,水位降至542.2 m,降雨、徑流分別減小到 206.16 mm、3.32 ×108m3.
選擇1963-1980年段進行月水量平衡計算,結(jié)果表明年內(nèi)庫容差的變化不一,有正有負,呈現(xiàn)正常的波動狀態(tài)(圖7).但是,1972年和1980年內(nèi)的庫容差幾乎全部為負,湖泊水量在持續(xù)減少,而在蒸發(fā)、余項沒有明顯變化的情況下,徑流、降雨達到最低.這說明湖泊水量的變化與徑流、降雨存在著直接的關(guān)系.在此基礎(chǔ)上,對不同月份的庫容差與徑流、徑流+降雨、徑流+降雨-蒸發(fā)以及水位差與徑流+降雨之間的相關(guān)性進行分析,結(jié)果見表2.
庫容差與徑流(Q)、徑流+降雨(Q+P)、徑流+降雨-蒸發(fā)(Q+P-E)之間的相關(guān)系數(shù)均達到0.65以上,大小順序為:,平均值分別為 0.8,0.7,0.67 左右(表2).可以推斷出徑流對于水位變動的影響程度最大,降雨次之.
1-4、11、12月份,庫容差、徑流的相關(guān)系數(shù)與庫容差、徑流+降雨的接近,而5-10月,差距較大,其原因是在冰封期降雨主要以降雪的形式存在,不能立刻與湖水交換,湖泊則主要依賴于兩條補給河流.在非冰封期,強降雨引起的季節(jié)性河流開始匯入湖中,此外地下水的活動較冰封期活躍,這些因素均對水平衡產(chǎn)生影響,使得湖泊水量與徑流+降雨的關(guān)系不顯著.
圖6 1960-2010年水位、降雨量、徑流量(烏爾遜河+克魯倫河)變化(1960-1980年水位為逐日觀測值,1981年后水位為李翊預(yù)測值)Fig.6 Yearly series of lake level,precipitation and rainfall(1960 -2010)
圖7 1963-1980年水量平衡項變化情況Fig.7 Water balance terms in the period from 1963 to 1980
表2 水量平衡項相關(guān)分析Tab.2 Correlation analysis between water balance terms
2000年后,湖水位、降雨、徑流都發(fā)生了巨大的變化,為了摸清其原因,這里引入累積距平值[20](簡稱S值)的概念.該方法已經(jīng)被證實為一種檢驗實測數(shù)據(jù)系列平均值發(fā)生突變的有效工具,表達式為:
其中,xi為實測值,為系列的平均值.當實測值大于長系列平均值時,斜率為正,反之斜率為負,持續(xù)的正、負斜率用來鑒別系列平均值的中間突變.
經(jīng)過計算,降雨、蒸發(fā)、徑流、水位的平均值分別為 265.89 mm、1173.18 mm、10.78 × 108m3、544.1 m(1960-2008年).水位、降雨、徑流、蒸發(fā)的S值變化存在一定的規(guī)律性(圖8).首先,水位、降雨、徑流變化趨勢近乎一致,1975年后呈下降趨勢,于1983年達到最小值,之后急劇上升,于2000年達到最大,接著劇烈下降,而蒸發(fā)則完全相反.其次,各項S值變化趨勢的轉(zhuǎn)變幾乎發(fā)生在同一時期.最后,對比1975-1983年和2000年后兩個時段內(nèi)S值變化幅度,水位與降雨、徑流相同,變化幅度小于后一時段,而蒸發(fā)則相反,這就說明2000年后水位急劇下降的主要原因并不是蒸發(fā)的緩慢增加,而可能是降雨、徑流的劇烈下降.經(jīng)統(tǒng)計,較2000 年前蒸發(fā)量增加0.5 ×108m3/a,降雨減少0.75 ×108m3/a,徑流減少1.8 ×108m3/a.目前所調(diào)查的結(jié)果顯示中國境內(nèi)沒有企業(yè)大量使用克魯倫河與烏爾遜河河水,而且徑流量、降雨、蒸發(fā)發(fā)生突變的時間如此吻合,也進一步說明河流截留的可能性不大.所以,2000年后湖泊水位降低主要是氣候變化造成的.白美蘭、趙慧穎等利用46年氣象和衛(wèi)星遙感監(jiān)測資料研究呼倫湖區(qū)域氣候變化特征,結(jié)果表明進入21世紀后小雨強度和干燥事件顯著增強,導致了干旱事件的頻發(fā)和強度增加[21],氣候呈暖干化趨勢[22],致使湖面降雨量減少,蒸發(fā)量增加,河流徑流量減少,進而湖泊總損失水量增加,水位持續(xù)下降.這與前面相關(guān)性分析的結(jié)果相符.
計算1963-1980年段水平衡項各月多年平均值表明,降雨、徑流自3月開始增加,增加的幅度遠小于蒸發(fā),而在4、5月份,庫容差為正值,水位增加.同時,余項在此段期間呈正值增加趨勢(圖9),這說明余項對庫容產(chǎn)生了較大的影響.前面定義余項在4、5月份僅為地下水與湖水的交換量,那么庫容在4、5月增加的原因可能是由于自11月至次年3月,歷時5個月的累積降雪隨著溫度的回升,開始融化并滲入土壤,形成了地下淺層徑流,并逐漸匯入湖泊.同時,地下水的活動也開始加劇.為了進一步證實以上推斷,做以下計算.湖周匯流區(qū)在11-3月期間的總降雪量為6.99×108m3,而在2-5月期間,余項累積為6.45×108m3,這說明庫容在4、5月增加的原因推斷是可信的.
6月之后,徑流、降雨仍在增加,而庫容差卻呈負值.其原因有兩點,第一,雖然補給湖泊的徑流、降雨在增加,但是兩者的和仍小于湖面蒸發(fā)量,所以湖泊呈虧損狀態(tài);第二,當融雪水退去后,湖周面積近8100 km2的草地、沼澤地隨著溫度、太陽輻射、風速的升高,蒸發(fā)量大大增加,降雨不能抵消蒸發(fā)損失,致使地下水位逐漸降低,補給湖水的作用逐漸減弱,湖水開始補給地下水.根據(jù)《呼倫湖志》記載,湖周地表徑流為2.58×108m3,而余項在6-9月期間總水量為1.49×108m3,則湖泊補給地下水為 1.09 ×108m3,隨后逐漸減少.楚地了解該流域水文過程,還需要借助相關(guān)模型進行深入研究.
圖8 1960-2010年降雨、徑流、蒸發(fā)、水位累積和變化Fig.8 The cumulative sum of rainfall,runoff,evaporation,water level in the period of 1960 and 2010
圖9 年內(nèi)水平衡項變化情況Fig.9 Monthly distribution of water balance terms
表3 呼倫湖水量(×108m3)平衡計算結(jié)果對比Tab.3 Comparison on results of water balance calculation
將本文水量平衡的計算結(jié)果與已有研究進行對比,結(jié)果表明本文計算結(jié)果與已有研究成果存在著一定的差距(表3),這是由水平衡項的定義、計算方法及計算時段、時間步長不同造成的.呼倫湖流域?qū)τ诤艿钠旅鎱R流、湖水與地下水之間相互作用的研究較少,致使沒有相對準確的相關(guān)成果進行比較驗證.為了更為清
本文在對呼倫湖流域水文過程及水平衡項定義及計算的基礎(chǔ)上,進行月水量平衡計算及分析,結(jié)果表明:1)2000年后,湖泊水位的持續(xù)降低是由氣候變化造成的,湖區(qū)降雨減少、蒸發(fā)增加導致湖面損失水量增加,同時河川徑流量劇烈下降,入湖水量相應(yīng)減少;2)河川徑流量對于水位變化的影響程度最為明顯,其次為湖面降雨量;3)湖泊周邊流域自11月至次年3月的累積降雪,融化并滲入地下補給湖泊,其水量為6.45×108m3左右,致使湖泊在4、5月份水量增加;4)6月后,融雪水退去后,蒸發(fā)強于降雨,地下水位降低,湖泊開始補給周邊流域,6-9月補給地下水量約為1.09×108m3(坡面匯流為2.58×108m3),之后逐漸減少.
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Calculation and analysis of water balance in Lake Hulun,Inner Mongolia
WANG Zhijie1,LI Changyou1,LI Weiping1,2& ZHANG Sheng1
(1:Water Conservancy and Civil Engineering College,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,P.R.China)
(2:School of Environment and Energy Resources,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,P.R.China)
The correlation between the storage capacity and runoff,runoff+precipitation,runoff+precipitation - evaporation was analysed at the basis of monthly water balance calculation in the period of 1963 and 1980 according to the real hydrological processes of the research site.At the same time,the intermediate-term changes in the mean value of water level,runoff,precipitation and evaporation were detected with the cumulative sum technique in order to find the reason of water level dropping after 2000.Meanwhile,the distribution and mutual relations of water balance terms in a year was analyzed.Results show that:climate change exhibited a warmer and dryer trend in recent years that might be the major cause for water resources deficit after 2000.The crucial influence on water level comes from runoff,followed by precipitation on the water surface.In April and May of each year,accumulated melt water infiltrate the soil and then recharge the lake,while in the other time the groundwater recharged by the lake.
Open water evaporation;water balance;Lake Hulun;the cumulative sum technique
* 國家自然科學基金項目(51069007,50969005,40901262)、內(nèi)蒙古自然科學基金項目(2010MS0713,2010MS0611)和內(nèi)蒙古自治區(qū)重大項目和內(nèi)蒙古教育廳科研項目(NJ09051)聯(lián)合資助.2011-05-11收稿;2011-08-14收修改稿.王志杰,女,1983 年生,博士研究生;E-mail:wangzhijie0807@gmail.com.
** 通信作者;E-mail:nndlichangyou@163.com.