羅開盛, 陶福祿

1 南京信息工程大學(xué)遙感與測(cè)繪工程學(xué)院, 南京 210044 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101

水文模擬一直是水科學(xué)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn),也是水資源研究的基礎(chǔ)[1],通過(guò)水文模擬可以了解各地區(qū)水資源狀況,揭示水文規(guī)律,為水資源開發(fā)利用和進(jìn)一步的水文研究奠定基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外大量的研究在流域尺度上對(duì)水文過(guò)程進(jìn)行了模擬和水資源狀況進(jìn)行了分析[2- 4]。中國(guó)的各大流域的水文過(guò)程得到廣泛模擬,其中SWAT水文模型也成為水文模擬的重要工具,在黃河、長(zhǎng)江、淮河、渭河等流域取得了較好的模擬效果[5- 9]。

水是西北干旱區(qū)生命和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之源,有水就是綠洲,無(wú)水便成沙漠。水資源短缺是制約中國(guó)干旱地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要因素[10]。不少研究者對(duì)中國(guó)干旱地區(qū)的流域進(jìn)行了水文模擬[11-13],例如宋一凡等[11]將SWAT模型應(yīng)用到艾布蓋河流域進(jìn)行水文過(guò)程的模擬,丁程峰等[12]利用SWAT模型模擬了烏魯木齊河流域?qū)ι肿兓乃捻憫?yīng)過(guò)程。這些研究對(duì)掌握西北干旱區(qū)對(duì)應(yīng)流域水文水資源的形成、演化和分布規(guī)律,理解氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)流域水文過(guò)程的影響做出了重要貢獻(xiàn)。然而干旱區(qū)由于水資源更加短缺以及對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的制約作用,國(guó)家對(duì)水資源的管理和配置不斷加強(qiáng),例如黑河流域水資源和水權(quán)的分配。但是這種管理和配置是基于縣域尺度,以往流域尺度的水文模擬無(wú)法滿足實(shí)踐的需求,必須在流域尺度上進(jìn)一步細(xì)化。

總之,雖然流域尺度的水文模擬相關(guān)研究相當(dāng)多,取得了重要進(jìn)展,但是流域尺度上的水文模擬需要進(jìn)一步細(xì)化到縣域尺度上才能更好地滿足水資源管理和分配的需求。因?yàn)榱饔蛩Y源管理和分配往往是以行政單位進(jìn)行,決策者迫切需要掌握縣域范圍內(nèi)的水文狀況。然而縣域尺度的水文模擬研究鮮有報(bào)道,縣域水文過(guò)程又是怎樣及其對(duì)水資源產(chǎn)生何種影響？這些問(wèn)題并不清楚。要回答這些問(wèn)題需要在縣域尺度上進(jìn)行水文模擬,這對(duì)流域水資源管理和配置具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。

基于此,本文以西北干旱區(qū)的臨澤縣為典型研究區(qū),在縣域尺度上利用SWAT模型進(jìn)行水文過(guò)程的模擬,揭示1980—2012年臨澤縣水文要素變化規(guī)律并結(jié)合Mann-Kendall方法分析其年際變化,進(jìn)而估算臨澤縣1980—2012地表水資源和生態(tài)用水的數(shù)量并闡明其動(dòng)態(tài)變化特征。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

臨澤縣(38°57′—39°42′N, 99°51′—100°30′E)位于甘肅省河西走廊中段,地處巴丹吉林沙漠南緣,隸屬于張掖市,是河西走廊上的一個(gè)重要農(nóng)業(yè)縣?？h域面積2727 km2,東西寬約49.7 km,南北長(zhǎng)約77 km；地勢(shì)南北高,中間低,由東南向西北逐漸傾斜,海拔1380—2278 m(圖1)。研究區(qū)年均氣溫7.6℃；年均降水量117 mm,多集中在7—9月,約占全年降水量的65%,年均日照時(shí)數(shù)可達(dá)3045 h；土地利用類型有耕地、林地、草地、水域、沙漠、戈壁、鹽堿地、沼澤等[14]。地表水資源主要來(lái)自黑河、梨園河。全縣為灌溉農(nóng)業(yè),有平川、板橋、鴨暖、蓼泉、小屯、梨園河(新華、沙河、倪家營(yíng))6個(gè)灌區(qū)。農(nóng)作物有小麥、制種玉米、番茄、棉花、溫室蔬菜等,沙地植被以灌木為主,有沙拐棗(CalligonumarborescensLitv)、梭梭(Chenopodiaceae)、檉柳(TamarixchinensisLour)、花棒(Hedysarumscoparium)、檸條(Caraganaintermediaintermedia)等,喬木有二白楊(PopulusgansuensisC. Wang et H. L. Yang)等。土壤類型包括灰棕漠土、風(fēng)沙土、灰鈣土、灌耕土、潮土、鹽土、草甸土和沼澤土8個(gè)類型。

圖1 研究區(qū)黑河中上游和臨澤縣概況Fig.1 Sketch map of the study map-the upstream and middle-stream in the Heihe River Basin and the Linze county

1.2 SWAT模型

SWAT(Soil and Water Assent Tool)模型是美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究中心(ARS)1993年為美國(guó)水文模型(HUMUS)項(xiàng)目開發(fā)的大、中尺度流域環(huán)境模型,已經(jīng)在美國(guó)18個(gè)主要流域以及其他國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。其水量平衡公式如下[3,4]:

ΔSW=P-Ea-DP+GGW

(1)

式中,ΔSW、P、Q、Ea、DP和GGW分別為土壤含水量、降水量、地表徑流量、實(shí)際蒸散發(fā)量、深層下滲量和地下水補(bǔ)給量。DP可分為產(chǎn)流的下滲(PERC)和匯流的河道下滲(TLOSS),淺層回歸流包括壤中流(LATQ)和地下徑流(GW),地表徑流采用改進(jìn)的SCS模型的徑流曲線數(shù)方法計(jì)算。

本研究利用決定系數(shù)(R2)和NashSutcliffe效率系數(shù)(NS)來(lái)衡量模型校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期的模擬效果。決定系數(shù)衡量模擬值和實(shí)測(cè)值的擬合效果,范圍為0—1,值越大表示模擬效果越好。一般來(lái)說(shuō)R2大于0.5模擬效果就可以接受。納西系數(shù)(NS)的取值范圍為0—1,當(dāng)NS=1,說(shuō)明模擬值與實(shí)測(cè)值完美匹配。一般來(lái)說(shuō),如果NS≥0.75,模擬效果很好；如果0.36

(2)

(3)

式中,Qsim為模擬值；meanQsim為模擬值的算術(shù)平均值；Qabs為實(shí)測(cè)值；meanQabs為實(shí)測(cè)值的算術(shù)平均數(shù)；t指值的個(gè)數(shù)。

1.3 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

序列觀測(cè)值(Y1,Y2,…,Yn),用Yq表示第q個(gè)樣本Yq>Yp的累積數(shù)(其中1≤p≤q)。

統(tǒng)計(jì)量：

(4)

式中,如果Yq>Yp,則Lq的值為1；反之則為0。將統(tǒng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)化為：

(5)

式中,E(Fj)為Fj的平均值,E(Fj)=j(j-1)/4；Var(Fj)為方差,Var(Fj)=[j(j-1)(2j+5)]/72。

在給定α顯著水平情況下查正態(tài)分布表確定Uα/2,如果UFj>Uα/2或者UFj

(6)

式中,統(tǒng)計(jì)量序列曲線UF、UB和±Ua/2均繪在同一坐標(biāo)平面內(nèi)分析曲線走向。當(dāng)曲線UF大于0則表明序列呈上升趨勢(shì),反之則表明呈下降趨勢(shì)。當(dāng)超過(guò)信度線值則表明上升或下降趨勢(shì)明顯。如果兩條曲線有交點(diǎn)且交點(diǎn)在信度線之間,則表明這個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變點(diǎn)[15]。

1.4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

從中國(guó)科學(xué)院環(huán)境數(shù)據(jù)中心下載1986、1995、2005的3期土地利用數(shù)據(jù),在ENVI軟件平臺(tái)中完成剪切、鑲嵌和投影轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)預(yù)處理。1995年的土地利用數(shù)據(jù)用于模型的初始構(gòu)建。模型需要的土地利用數(shù)據(jù)包括空間圖和對(duì)應(yīng)的索引表。本研究利用如下索引表將土地利用類型轉(zhuǎn)換為SWAT模型能識(shí)別的4位代碼(表1)。

表1 土地利用索引表

SWAT把土壤分為2層進(jìn)行模擬,土壤數(shù)據(jù)利用Harmonized World Soil Database(HWSD)的數(shù)據(jù),HWSD數(shù)據(jù)土壤粒徑分類方法和美國(guó)制的相差很小。土壤的物理屬性可以通過(guò)HWSD的數(shù)據(jù)庫(kù)中查到,土層的濕容重、有效含水量和飽和滲透系數(shù)3個(gè)土壤屬性數(shù)值直接通過(guò)SPAW軟件計(jì)算獲得。土壤侵蝕力因子(USLE_K)的計(jì)算可以通過(guò)美國(guó)通用方程(USLE)計(jì)算獲得。

數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)從中國(guó)地理數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)下載,分辨率為30 m。按照行列號(hào)共下載12景影像,在ENVI軟件中鑲嵌后利用數(shù)字化邊界進(jìn)行裁剪,投影轉(zhuǎn)換為Alber投影系統(tǒng)。DEM柵格中存在“凹陷柵格”,因此需要進(jìn)行“填洼”的預(yù)處理,研究中利用三次卷積算法對(duì)DEM進(jìn)行“填洼”的預(yù)處理。

通過(guò)中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享中心(http://cdc.cma.gov.cn/)下載7個(gè)氣象站(札馬什克、祁連、托勒、山丹、張掖、金塔、高高崖、臨澤)1980—2012年日降雨量、日平均氣壓、日最高溫、日最低溫、日平均風(fēng)速、日照時(shí)間長(zhǎng)度和日相對(duì)濕度數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與插補(bǔ)后構(gòu)建SWAT模型氣象數(shù)據(jù)庫(kù)。

利用河道徑流數(shù)據(jù)模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證,河道徑流數(shù)據(jù)來(lái)自于1980—2012年的甘肅省、青海省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的水文年鑒以及黑河流域管理局；選擇札馬什克、鶯落峽和正義峽3個(gè)水文站作為驗(yàn)證站點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證

SWAT模型首先根據(jù)DEM劃分出子流域(Subbasin),在此基礎(chǔ)上根據(jù)土壤、坡度和土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)一步將子流域劃分成水文響應(yīng)單元(HRU)。研究中所有土地利用和土壤類別都參與HUR的劃分。臨澤縣最終被劃分成28個(gè)子流域,98個(gè)HUR。河道實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)用于模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證,校準(zhǔn)期為1980—1997年,驗(yàn)證期為1998—2012年。從表2和圖2中可以看出模擬結(jié)果比較理想,完全能夠滿足應(yīng)用的需求。

表2 水文站在校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期的模擬結(jié)果

NS,Nash-Sutcliffe 效率系數(shù),Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient

圖2 扎馬什克水文站、鶯落峽水文站和正義峽水文站的模擬值與實(shí)測(cè)值Fig.2 Observed and simulated values of the Zamashenke station,Yinluoxia station and Zhengyixia station in the upstream and middle-stream in the Heihe River Basin

2.2 年均水量平衡

計(jì)算得到臨澤縣1980—2012年的年均水量平衡。臨澤縣年均降雨量為117.99 mm,年均實(shí)際蒸發(fā)量為130.53 mm,年均下滲49.78 mm,年均壤中流補(bǔ)給量(LATQ)為68.95 mm,年均地下水補(bǔ)給量為48.00 mm,年均產(chǎn)流量為53.47 mm。臨澤縣年均地表徑流接近0,年均產(chǎn)水系數(shù)為0.16。年均實(shí)際蒸發(fā)量比年均降水量大12.54 mm,產(chǎn)流量主要由壤中流和地下徑流補(bǔ)給形成,二者的貢獻(xiàn)比大約是3∶4。

2.3 年水文分量的空間分布

圖3 臨澤縣1980—2012年產(chǎn)流系數(shù)、年均地下水補(bǔ)給和實(shí)際蒸散發(fā)量空間分布 Fig.3 The spatial distribution of water yield coefficient annual mean groundwater recharge and actual evaporation

從圖3可以看出,臨澤縣產(chǎn)水系數(shù)范圍為0—0.92,南部區(qū)域數(shù)值比北部大,最大值出現(xiàn)在北部區(qū)域。從整體上看,臨澤縣產(chǎn)流系數(shù)有北低南高的趨勢(shì),空間差異比較大。將灌區(qū)空間分布與產(chǎn)流系數(shù)空間分布疊置可以看出臨澤縣南部地區(qū)是灌區(qū),產(chǎn)流域系數(shù)以蓼泉灌區(qū)附近為極大值中心向周圍遞減。我們把這種以每一地區(qū)產(chǎn)流高值為中心向周圍逐漸降低的現(xiàn)象稱為“產(chǎn)流島效應(yīng)”。與非灌區(qū)相比,灌區(qū)的產(chǎn)流系數(shù)要高。島中心的多年平均降雨量、實(shí)際蒸散發(fā)、入滲量、地下水補(bǔ)給量(淺層地下水和土壤徑流)為2.34×107,2.48×107,9.9×107,2.028×108m3,產(chǎn)流量為1.02108m3。臨澤縣年均地下水補(bǔ)給量(圖3)的空間差異也比較大。變化范圍為0—2.02×107m3。北部地區(qū)地下水補(bǔ)給量很少,接近0。南部地區(qū)逐漸增加,并在蓼泉灌區(qū)附近達(dá)極大值(2.02×107m3)；然后以此為中心向四周逐漸下降。地下水補(bǔ)給量空間分布與產(chǎn)水系數(shù)十分相似。這說(shuō)明臨澤縣的產(chǎn)流在很大程度上是受地下水補(bǔ)給量的控制。臨澤縣屬于內(nèi)陸干旱區(qū),在北部區(qū)域,實(shí)際蒸發(fā)已經(jīng)大于降雨量,地表基本不產(chǎn)流。而在灌溉農(nóng)業(yè)區(qū),水分過(guò)程主要為降水、凝結(jié)水入滲、蒸發(fā)、人工取水-灌溉等,以垂向水分運(yùn)動(dòng)為主。子流域之間的橫向水力聯(lián)系變?nèi)?橫向水力聯(lián)系主要在某位置地下水位變動(dòng)時(shí)周邊區(qū)域的側(cè)向補(bǔ)充。河水、引灌河水、降水、凝結(jié)水入滲補(bǔ)給了地下水,而地下水通過(guò)泉水溢出和人工開采等排泄方式補(bǔ)給地表徑流,而大量的地下水補(bǔ)給填補(bǔ)了蒸發(fā)量的虧損并產(chǎn)生河川徑流[14]。

臨澤縣年均實(shí)際蒸發(fā)量變化量變化范圍為0.1×105—565.42×105m3,實(shí)際蒸發(fā)量都比較大。東部地區(qū)最大,極大值出現(xiàn)在板橋灌區(qū)和鄰近區(qū)域(圖3)。西南地區(qū)的梨園河灌區(qū)實(shí)際蒸發(fā)量次大。整體上而言,臨澤縣的實(shí)際蒸發(fā)量異質(zhì)性比較大,但沒(méi)有明顯的南北分異。

2.4 水文分量的月變化

如圖4所示,研究區(qū)月平均溫度狀況接近正態(tài)分布。最低氣溫出現(xiàn)在1月,為-0.91℃,隨后氣溫持續(xù)性的上升,在7月達(dá)到最大值,為27.32℃；然后持續(xù)性的下降。臨澤縣有2次汛期,夏訊出現(xiàn)在7月,春汛出現(xiàn)在3月；7月以后降雨量開始下降,10月后有所回升。降雨主要集中在5—9月,占全年降水量的62.29%。臨澤縣實(shí)際蒸發(fā)量的月份變化與氣溫、降雨有大體相似的趨勢(shì),但波動(dòng)性更大。春季的3月開始實(shí)際蒸發(fā)量增加變緩,對(duì)應(yīng)的降雨量出現(xiàn)次高峰后開始下降。7月出現(xiàn)最大蒸發(fā)量,大約7×107m3左右,然后持續(xù)性的下降；實(shí)際蒸發(fā)量主要集中在5—9月,占全年的65.08%。11月到次年3月之間,降雨量要大于實(shí)際蒸發(fā)量；在4—10月,實(shí)際蒸發(fā)量大于降雨量。壤中流的補(bǔ)給分布呈現(xiàn)倒“U”字形,1月最低,然后緩慢上升,在5—10月基本保持,11月后開始緩慢下降。研究表明實(shí)際蒸發(fā)(Ea)主要受氣溫和降水的影響,但是降雨是臨澤縣Ea的限制性因素,而不是氣溫所帶來(lái)的蒸發(fā)能力,因此其分布曲線與降雨曲線更為相似；但同時(shí)受到下墊面的干擾,呈現(xiàn)出波動(dòng)性。壤中流的補(bǔ)給主要集中在3—10月,占全年的90%。產(chǎn)水量分布接近一條直線,全年的變化很小,每月大約1×107m3左右。這主要由于產(chǎn)水量主要來(lái)源于地下水補(bǔ)給,比較穩(wěn)定。

圖4 臨澤縣月均水量變化和月均溫變化Fig.4 The changes in monthly mean hydrological components and monthly average temperature

2.5 水量平衡年際變化

將臨澤縣1980—2012年年降雨量(P)、年地下水補(bǔ)給量(GGW=GW+LATQ)、年實(shí)際蒸散發(fā)量(Ea)、年下滲量(PECR)、年河道損失量(TLOSS)、年產(chǎn)水量(YILD)的時(shí)間序列利用Mann-Kendall法進(jìn)行計(jì)算繪制成圖5。

由UF曲線和UB曲線可知,1980—2012年間降雨量(圖5)的突變點(diǎn)較多,分別為1983年,2006年和2010年。1980—2005年,降水保持著遞增趨勢(shì)(UF>0),2006—2010年降水量下降(UF<0),21世紀(jì)初期開始上升。從圖5中可以看出,實(shí)際蒸散發(fā)量(圖5)從1982年開始保持持續(xù)上升的趨勢(shì),突變年份出現(xiàn)在1983年。年下滲量(圖5)在1980—1984年呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),20世紀(jì)80年代后期保持下降趨勢(shì),21世紀(jì)以后持續(xù)下降,突變點(diǎn)出現(xiàn)在2000年。河道損失量(圖5)的波動(dòng)不大,基本分為2個(gè)階段,2003年前是上升趨勢(shì),2003年以后則下降。其中1980s和1990s上升趨勢(shì)比較顯著(UF>1.96)。地下水補(bǔ)給量(圖5)在1982年有稍微的下降,在1980s和1990s保持上升趨勢(shì),2001年以后則開始下降,突變點(diǎn)出現(xiàn)在2002年。產(chǎn)水量(圖5)是各水文參數(shù)的綜合反映,其變化趨勢(shì)與地下水補(bǔ)給量相似,在1980—2003年持續(xù)上升,2003年后則持續(xù)下降,突變點(diǎn)出現(xiàn)在2003,1990s增加趨勢(shì)十分顯著。

圖5 臨澤縣1980—2012年降雨量、年實(shí)際蒸散發(fā)量、年下滲量、年河道損失量、年地下水補(bǔ)給量、年產(chǎn)水量趨勢(shì)和突變軌跡Fig.5 The KM trends and abrupt of annual precipitation,actual evaporation,deep infiltration,rive loss,groundwater recharge,water yield

利用相同的方法對(duì)年均溫(Te)和年潛在蒸發(fā)量(PET)進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化檢測(cè)(圖6)。結(jié)果表明氣溫(圖6)1980—2012年盡管有所波動(dòng),但整體上保持持續(xù)上升趨勢(shì)。1998年后氣溫上升趨勢(shì)十分顯著,突變點(diǎn)出現(xiàn)在1990年。潛在蒸發(fā)量(圖6)波動(dòng)性相對(duì)氣溫波動(dòng)性大一些,突變點(diǎn)出現(xiàn)在2010年。1980—2007年保持著持續(xù)上升趨勢(shì),其中1998—2004年上升顯著。

圖6 臨澤縣1980—2012年氣溫和潛在蒸發(fā) Mann-Kendall趨勢(shì)和突變軌跡Fig.6 The trends and abrupt of annual temperature and potential evaporation by Mann-Kendall method in the Linze county from 1980 to 2012

IPCC第五次報(bào)告指出,在過(guò)去的50年間全球氣溫以0.12℃/10a的速度上升[16]。相關(guān)預(yù)測(cè)隨著溫度的上升將會(huì)導(dǎo)致陸面及近地面空氣更加干燥,進(jìn)而造成蒸發(fā)的上升。然而同時(shí)期內(nèi)多地的蒸發(fā)皿蒸散發(fā)量觀測(cè)值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),即所謂的“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象[17]。臨澤縣2007—2012年以后伴隨這氣溫的上升潛在蒸發(fā)量反而下降。左德鵬等[18]研究表明西北地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與PET相關(guān)系數(shù)高達(dá)99%,因此,臨澤縣2007—2012年出現(xiàn)“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。蒸發(fā)互補(bǔ)理論假定,在給定的輻射條件下,當(dāng)充分供水時(shí)實(shí)際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)相等；當(dāng)下墊面供水量減少時(shí),實(shí)際蒸散發(fā)量會(huì)減少,從而釋放出更多的能量成為顯熱,從而導(dǎo)致潛在蒸散發(fā)增加[19-20]。王艷君等[21]分析了實(shí)際蒸散發(fā)和潛在蒸發(fā)量的關(guān)系,并利用干燥度指數(shù)R(潛在蒸發(fā)量與降雨量的比值)來(lái)判定研究區(qū)域的干濕條件。當(dāng)R<0.8時(shí)為濕潤(rùn)條件,實(shí)際蒸發(fā)量與潛在蒸發(fā)量為正相關(guān)關(guān)系；而R>1.0時(shí)為干旱環(huán)境,實(shí)際蒸發(fā)量與潛在蒸發(fā)量為互補(bǔ)關(guān)系。黑河流域?qū)儆谖鞅钡貐^(qū)典型的干旱地帶。參考王艷軍等[21]對(duì)區(qū)域干濕條件的劃分標(biāo)準(zhǔn),可知臨澤縣屬于干旱環(huán)境(R=5.73)。根據(jù)互補(bǔ)理論,臨澤縣1980—2012年實(shí)際蒸發(fā)量持續(xù)增加,顯熱減少導(dǎo)致潛在蒸散發(fā)量減少。

黑河流域是2000年開始實(shí)施分水方案,對(duì)流域水資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)配。各水量要素年際變化的KM分析突變點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)都在2000年之后的5年內(nèi),說(shuō)明受到分水措施的影響很大。李傳哲等[22]研究表明分水后黑河中游地區(qū)的耗水量減少；水量的減少導(dǎo)致河道損失量和下滲量減小,從而導(dǎo)致地下水補(bǔ)給量也相應(yīng)的減少,最終導(dǎo)致產(chǎn)水量的下降。

2.6 地表水資源量

地表水資源量為河川徑流量總和,包括臨澤縣自產(chǎn)的水量和上游河道的來(lái)水量。1980—2012年地表水資源量的平均值是(13.17±0.60)億m3,最大值出現(xiàn)在1998年,為21.02億m3；最小值出現(xiàn)在1980年,為3.79億m3。地表水資源量在過(guò)去的近33年間表現(xiàn)為微弱的增加趨勢(shì),增長(zhǎng)速率為每年0.14億m3；但沒(méi)有通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)。臨澤縣的地表水資源量主要來(lái)自上游的來(lái)水,1980—2012年間的平均來(lái)水量為(11.09±0.58)億m3,最大值出現(xiàn)在2012年,為18.95億m3；最小值出現(xiàn)在1980年,為2.86億m3。臨澤縣自身的產(chǎn)水量多年平均為(2.07±0.04)億m3。很明顯,上游來(lái)水量對(duì)地表水資源量的貢獻(xiàn)要比臨澤縣自產(chǎn)量大的多,其多年平均貢獻(xiàn)率的比值約為5∶1(圖7),而且在過(guò)去的近33年里波動(dòng)較小。臨澤縣屬于耗水的中游區(qū)域,水資源主要還是依賴上游,特別是祁連山區(qū)的產(chǎn)流。這說(shuō)明上游山區(qū)對(duì)中游區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)有著重要作用。

圖7 臨澤縣1980—2012年地表水資源以及上游來(lái)水量與自產(chǎn)水量對(duì)地表水資源量的貢獻(xiàn)Fig.7 Surface water resources and the contribution of water coming from the upper river and water yield within the Linze county during 1980—2012

3 結(jié)論

本文基于黑河中上游土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水文站實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)、土壤等數(shù)據(jù),利用SWAT模型對(duì)臨澤縣1980—2012年的水文過(guò)程進(jìn)行了模擬,得到如下結(jié)論:

(1)臨澤縣1980—2012年均降雨量、實(shí)際蒸發(fā)量、下滲量、壤中流補(bǔ)給量、地下水補(bǔ)給量分別為117.99、130.53、49.78、68.95、48.00 mm。年均產(chǎn)流量為53.47 mm。產(chǎn)流系數(shù)為0.16。產(chǎn)流量主要由壤中流和地下徑流控制,二者的貢獻(xiàn)比大約是3∶4。

(2)從空間分布上看,臨澤縣的實(shí)際蒸發(fā)、地下水補(bǔ)給量和產(chǎn)水系數(shù)空間差異較大,三者都呈現(xiàn)“南高北低”的趨勢(shì),即南部灌區(qū)的高,北部非灌區(qū)的低。

(3)臨澤縣各水量要素年際變化的突變點(diǎn)都在2000年之后的5年內(nèi),說(shuō)明受到黑河分水措施的影響很大,特別是下滲量的減少。臨澤縣2007—2012年出現(xiàn)“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象,根據(jù)蒸發(fā)互補(bǔ)理論分析,這種現(xiàn)象是實(shí)際蒸發(fā)持續(xù)增加所導(dǎo)致的結(jié)果。

(4)1980—2012年地表水資源量的平均值是(13.17±0.60)億m3。上游來(lái)水量與自產(chǎn)量貢獻(xiàn)率的比值約為5∶1。臨澤縣可用地表水資源更多的依賴于上游的產(chǎn)水。