尚文繡，許明一，嚴登明

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 研究背景

水庫的建設(shè)運行是河流開發(fā)的重要方式[1-2]，其提供了全球30%～40%的農(nóng)業(yè)灌溉用水，并生產(chǎn)了近17%的電力[3-4]。在為人類帶來巨大經(jīng)濟和社會利益的同時，水庫工程導(dǎo)致生態(tài)要素重新分配，對河流和相關(guān)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了不同程度的影響[5-7]。水庫蓄水后庫區(qū)水位上升并形成大面積水體，改變了區(qū)域水文循環(huán)、物質(zhì)傳輸、生物資源分布等[8-9]，導(dǎo)致水庫周邊成為受影響最顯著的區(qū)域。

水庫蓄水后可能導(dǎo)致周邊10～20 km以內(nèi)的氣溫、濕度、風(fēng)速等氣候要素發(fā)生變化[10-11]。當(dāng)前，關(guān)于水庫對局地氣候影響的研究方式包括實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和數(shù)值模擬兩種，前者主要用于運行多年的已建水庫，后者可用于預(yù)測規(guī)劃水庫或已建水庫擴容的氣候影響[11-13]。采用實測氣候數(shù)據(jù)時，相關(guān)研究一般通過對比水庫蓄水前后局地氣候的變化來反映水庫發(fā)揮的作用[14-16]。受土地利用變化、人類活動等因素的影響，全球氣候發(fā)生了劇烈變化[17-19]，近60年我國陸地表面氣溫上升率為0.23 ℃/10 a[20]，北方地區(qū)干旱趨勢加劇[21-22]。因此水庫蓄水并非是導(dǎo)致水庫周邊地區(qū)氣候變化的唯一因素，例如，研究顯示在三峽庫區(qū)(重慶段)周邊城鎮(zhèn)化發(fā)展對氣候的影響程度大于水庫蓄水的影響[23]，然而僅對比水庫蓄水前后局地氣候的變化無法將水庫發(fā)揮的作用從多因素復(fù)合作用中分離出來，如何量化水庫單一要素對局地氣候的影響是該領(lǐng)域研究的難點。

為了科學(xué)量化水庫對周邊局地氣候的影響，本文提出了基于情景對比的水庫影響定量分析方法，以小浪底水利樞紐為例，量化了小浪底水利樞紐建設(shè)運行對周邊氣溫和相對濕度的影響。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

以小浪底水利樞紐為例開展分析。小浪底水利樞紐臨近黃河中游與下游的分界處，壩址以上流域面積為69.42×104km2，該工程于1999年底投入運行。樞紐正常蓄水位275 m相應(yīng)庫容為126.5×108m3，水面面積為279.6 km2。研究區(qū)域示意圖見圖1。

圖1 研究區(qū)域示意圖

2.2 水庫影響定量分析方法與數(shù)據(jù)來源

水庫周邊局地氣候受到水庫運行、下墊面變化、人類活動等多因素復(fù)合影響，本文提出基于情景對比的水庫影響定量分析方法，將水庫發(fā)揮的作用從多因素復(fù)合作用中分離出來。評價時段為小浪底水利樞紐運行后的2000-2019年，情景1代表了有小浪底水利樞紐時該時段水庫周邊實測氣候狀態(tài)；情景2代表了如果沒有小浪底水利樞紐，評價時段內(nèi)水庫周邊氣候的模擬狀態(tài)，兩種情景設(shè)置見表1。與情景1對比，情景2僅改變了小浪底水利樞紐這一個影響因素，其他自然與人類活動影響因素均與情景1保持一致。

表1 小浪底水庫對周邊氣候狀態(tài)影響研究的情景設(shè)置

兩種情景下的水庫周邊氣候狀態(tài)的表達式為：

FA={fA,1,fA,2,…,fA,n}

(1)

FS={fS,1,fS,2,…,fS,n}

(2)

式中：FA和FS分別為情景1和情景2對應(yīng)的小浪底水利樞紐下游的氣候狀態(tài)；fA,i和fS,i分別為情景1和情景2第i個氣候指標，i=1～n。

小浪底水利樞紐對水庫周邊氣候狀態(tài)的影響E表示為：

E={e1,e2,…,en}

(3)

ei=fA,i-fS,i

(4)

式中：ei為小浪底水利樞紐對第i個氣候指標的影響。

水庫蓄水后形成大面積水面，對氣溫和空氣濕度有較明顯的影響。選取平均氣溫和平均相對濕度兩個指標反映水庫對局地氣候的影響，在時間尺度上分為年尺度和月尺度，數(shù)據(jù)來源為國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/)。

2.3 無水庫情景模擬方法

采用相關(guān)分析法模擬評價時段內(nèi)如果沒有修建小浪底水庫情況下的水庫周邊氣候狀態(tài)，步驟為：(1)選擇小浪底水利樞紐氣候影響范圍內(nèi)的周邊站點和影響范圍外的參照站點；(2)利用小浪底水利樞紐修建前(1960-1989年)的歷史實測氣候數(shù)據(jù)建立無水庫情況下參照站點與周邊站點各項氣候指標的相關(guān)關(guān)系；(3)假設(shè)如果沒有修建小浪底水利樞紐，則2000-2019年參照站點與周邊站點各項氣候指標之間仍保持1960-1989年的相關(guān)關(guān)系，即可通過2000-2019年參照站點實測氣候指標和1960-1989年的相關(guān)關(guān)系得到情景2下周邊站點的氣候指標。

相關(guān)研究顯示，大型水庫對局地氣候的影響范圍可以達到近20 km[10]，因此選擇距離庫區(qū)20 km以內(nèi)的孟津和三門峽2個氣象站反映小浪底水利樞紐工程周邊氣候；選擇距離庫區(qū)50 km以外的陽城、鄭州和開封3個氣象站作為參照站點，反映水庫所在區(qū)域的整體氣候狀態(tài)(表2)。所選參照站點均位于水庫氣候影響范圍以外，且在小浪底水利樞紐修建前，參照站點的氣溫及相對濕度與周邊站點具有一致的變化趨勢。

表2 小浪底水庫周邊及參照氣象站選擇

1960-1989年參照站點與周邊站點各項氣候指標的相關(guān)關(guān)系式為：

fS,i=aifC,i+bi

(5)

式中：fC,i為3個參照站點第i個氣候指標的平均值；ai為第i個氣候指標的擬合公式的回歸系數(shù)；bi為第i個氣候指標的擬合公式的截距。

采用t檢驗判斷關(guān)系式(5)參照站點與周邊站點各項氣候指標之間是否存在顯著線性關(guān)系。計算檢驗統(tǒng)計量t，給定顯著性水平α=0.01，如果t>tα/2(m-2)，表明自變量和因變量之間存在顯著的線性關(guān)系，m為樣本數(shù)量。如果關(guān)系式(5)通過顯著性檢驗，則說明該公式可以有效反映小浪底水利樞紐建設(shè)前參照站點和周邊站點各項氣候指標之間的相關(guān)關(guān)系，再將2000-2019年參照站點實測氣候指標值代入關(guān)系式(5)，即可得到情景2下周邊站點氣候指標值。

3 結(jié)果與分析

3.1 參照站點與周邊站點氣候指標擬合效果

為了得到情景2的氣候指標，首先需要建立小浪底水利樞紐修建前(1960-1989年)參照站點與周邊站點各項氣候指標的相關(guān)關(guān)系。1960-1989年水庫周邊站點氣候指標與參照站點氣候指標間的線性擬合結(jié)果如表3所示。由表3可見，全年及各月份尺度下擬合公式的相關(guān)系數(shù)均不小于0.90，且均通過了α=0.01顯著性檢驗，說明兩者具有較好的相關(guān)關(guān)系，可用表3中的擬合公式計算情景2的氣候指標。

表3 1960-1989年水庫周邊站點氣候指標與參照站點氣候指標線性擬合結(jié)果

3.2 水庫對周邊年際氣候變化的影響

2000-2019年兩種情景下水庫周邊年均氣溫及年均相對濕度變化曲線如圖2所示。由圖2 (a)可見，2000-2019年，情景1水庫周邊每年的平均氣溫均低于情景2，小浪底水利樞紐使水庫周邊氣溫每年降低0.09～0.92 ℃，每年平均降低0.46 ℃。近年來，小浪底水利樞紐在降低水庫周邊氣溫方面發(fā)揮的作用逐漸增強，2000-2009年小浪底水利樞紐使水庫周邊氣溫年均降低0.26 ℃，2010-2019年小浪底水利樞紐使水庫周邊氣溫年均降低0.63 ℃。由圖2 (b)可見，2000-2019年期間除2000年外，情景1水庫周邊每年的平均相對濕度均高于情景2，小浪底水利樞紐使水庫周邊相對濕度每年增大0.80%～7.03%，每年平均增大3.78%。近年來小浪底水利樞紐在增大水庫周邊平均相對濕度方面發(fā)揮的作用逐漸增強。2000-2009年小浪底水利樞紐使水庫周邊相對濕度年均增加2.88%，2010-2019年小浪底水利樞紐使水庫周邊相對濕度年均增加4.44%。

圖2 2000-2019年兩種情景下小浪底水庫周邊年際氣候變化曲線

3.3 水庫對周邊年內(nèi)氣候變化的影響

2000-2019年兩種情景下小浪底水庫周邊年內(nèi)月均氣候指標如表4所示。

表4 2000-2019年兩種情景下小浪底水庫周邊月均氣溫和月均相對濕度變化

由表4可以看出，2000-2019年情景1每月的平均氣溫均低于情景2，說明小浪底水利樞紐在年內(nèi)始終發(fā)揮著降低水庫周邊氣溫的作用。與情景2相比，汛期(7-10月)情景1水庫周邊平均氣溫降低了0.53 ℃，非汛期(11-次年6月)平均氣溫降低了0.40 ℃。2000-2019年情景1每月的平均相對濕度均高于情景2，說明小浪底水利樞紐在年內(nèi)始終發(fā)揮著增加水庫周邊相對濕度的作用。與情景2相比，情景1水庫周邊汛期平均相對濕度增大了5.67%，非汛期平均相對濕度增大了3.31%。雖然汛期小浪底水庫需進行防洪調(diào)度運行，庫水位較低、水面面積較小，但汛期氣溫較高，水面蒸散發(fā)更加強烈，導(dǎo)致小浪底水利樞紐在汛期對周邊氣候的影響更大。

4 討 論

4.1 區(qū)域氣候變化趨勢及對水庫周邊氣候的影響

小浪底水利樞紐周邊氣候的變化受到水庫運行和更大空間尺度上的區(qū)域氣候變化的共同影響。樞紐庫區(qū)臨近黃河中游和下游交界處，相關(guān)研究顯示黃河中游和下游地區(qū)呈現(xiàn)出明顯的增溫趨勢和較高的干旱化程度[24-25]。對比小浪底水利樞紐運行前、后兩個時段(1980-1999年和2000-2019年)的參照站點和周邊站點實測氣候變化量，進一步分析在區(qū)域氣候變化的背景下小浪底水利樞紐對周邊氣候的影響。

2000-2019年小浪底水利樞紐周邊站點及參照站點的年內(nèi)實測平均氣候指標相對于1980-1999年的變化量如圖3所示。

圖3顯示，區(qū)域氣候表現(xiàn)出氣溫升高、相對濕度降低的變化趨勢。與1980-1999年相比，2000-2019年參照站點全年平均氣溫升高了1.04 ℃、全年平均相對濕度降低了5.75%。參照站點各月的氣溫增幅均高于水庫周邊站點，汛期尤為顯著，汛期參照站點氣溫增幅比水庫周邊站點平均高0.38 ℃，非汛期參照站點氣溫增幅比水庫周邊站點高0.28 ℃。與1980-1999年相比，2000-2019年參照站點各月的平均相對濕度均減小。汛期參照站點相對濕度減幅比水庫周邊站點高4.77%，非汛期參照站點相對濕度減幅比水庫周邊站點高4.00%。

從圖3中周邊站點實測氣候數(shù)據(jù)來看，小浪底水利樞紐周邊氣候也表現(xiàn)出氣溫升高、相對濕度降低的變化趨勢，但變化幅度小于參照站點。與1980-1999年相比，2000-2019年水庫周邊站點年平均氣溫升高了0.71 ℃，年內(nèi)各月的平均氣溫升高了0.19～2.56 ℃，汛期平均氣溫升高了0.33 ℃，非汛期平均氣溫升高了0.87 ℃；與1980-1999年相比，2000-2019年水庫周邊站點平均相對濕度減小了1.46%，9-次年2月的平均相對濕度增大了0.11%～3.30%，3-8月的平均相對濕度減小了0.60%～11.04%，汛期平均相對濕度減小了0.03%，非汛期平均相對濕度減小了1.98%。

圖3 2000-2019年小浪底水利樞紐周邊及參照站點年內(nèi)實測平均氣候指標相對于1980-1999年的變化量

綜合考慮小浪底水利樞紐對局地氣候的影響，以及1980-1999年和2000-2019年兩個時段之間水庫周邊站點及參照站點的實測氣候變化量，發(fā)現(xiàn)小浪底水利樞紐所在區(qū)域呈現(xiàn)出氣溫升高、相對濕度減小的干旱化趨勢，但小浪底水利樞紐在水庫周邊發(fā)揮了降低氣溫和增加相對濕度的作用，大幅減弱了水庫周邊的干旱化趨勢。

在分析水庫對局地氣候的影響時，有必要排除更大空間尺度上氣候變化的影響。例如，介玉娥等[26]2009年發(fā)表的研究成果分析了小浪底水利樞紐對局地氣候的影響，通過對比建庫前、后的氣候數(shù)據(jù)，認為小浪底水利樞紐蓄水造成水庫周邊的濟源、孟津、新安等氣象站溫度呈上升趨勢。但本文研究結(jié)果顯示，這種增溫趨勢是更大空間尺度上區(qū)域氣候變化的體現(xiàn)，小浪底水利樞紐其實發(fā)揮了降低水庫周邊氣溫的作用，但水庫降溫效果小于區(qū)域升溫效果，導(dǎo)致水庫周邊仍呈現(xiàn)增溫趨勢。

4.2 小浪底水利樞紐對局地氣候影響的可能范圍

參照站點與周邊站點的氣候變化對比結(jié)果顯示，小浪底水利樞紐對庫區(qū)14 km以內(nèi)站點的氣溫和相對濕度具有顯著影響。根據(jù)國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的氣象站點，在距離小浪底庫區(qū)14～55 km范圍內(nèi)沒有站點分布，導(dǎo)致無法精確識別小浪底水利樞紐對局地氣候的影響范圍上限。國內(nèi)對水庫局地氣候影響范圍的研究主要圍繞三峽水庫展開，已有研究得出的結(jié)論為三峽水庫對各類氣候要素的影響范圍一般在20 km以內(nèi)[10-11]。考慮到小浪底水利樞紐的水面面積小于三峽水庫，因此推斷小浪底水利樞紐對局地氣候的影響范圍不超過三峽水庫，最大影響范圍在距離庫區(qū)14～20 km以內(nèi)。

4.3 氣候調(diào)節(jié)對水庫周邊生態(tài)服務(wù)的影響

小浪底水利樞紐建成運行后發(fā)揮了降低氣溫、增加相對濕度的氣候調(diào)節(jié)作用，為動植物提供了相對較好的氣候條件，加上地下水位上升、大面積水面形成、管理機構(gòu)植樹造林等因素的共同作用，水庫周邊的生態(tài)環(huán)境得到了顯著改善。小浪底水利樞紐庫區(qū)與樞紐管理區(qū)林草覆蓋率達到了47%，小浪底國家水利風(fēng)景區(qū)內(nèi)共有鳥類155種，數(shù)量最多時有5萬多只，是河南省能記錄到的水禽種類最多的區(qū)域。適宜的氣候條件、豐富的動植物資源和水利景觀吸引了大量游客，提供了娛樂審美等生態(tài)服務(wù)。2019年小浪底國家水利風(fēng)景區(qū)接待游客約70萬人次，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟價值。

5 結(jié) 論

(1)小浪底水利樞紐在水庫周邊發(fā)揮了降低氣溫、增加相對濕度的作用。2000-2019年，小浪底水利樞紐使水庫周邊年均氣溫降低了0.46 ℃、年均相對濕度增加了3.78%，在汛期發(fā)揮的氣候調(diào)節(jié)作用強于非汛期；小浪底水利樞紐發(fā)揮的氣候調(diào)節(jié)作用隨時間呈增強趨勢，與2000-2009年相比，2010-2019年小浪底水利樞紐在水庫周邊產(chǎn)生的年均氣溫降幅增大了0.37 ℃、年均相對濕度增幅增大了1.56%。

(2)小浪底水利樞紐減弱了水庫周邊的干旱化趨勢。小浪底水利樞紐所在區(qū)域呈現(xiàn)出干旱化趨勢，與1980-1999年相比，2000-2019年參照站點年均氣溫升高了1.04 ℃、年均相對濕度降低了5.75%；在小浪底水利樞紐作用下，水庫周邊年均氣溫升高了0.71℃、年均相對濕度降低了1.46%，變幅小于參照站點。

(3)在全球氣候變化背景下，分析水庫對局地氣候的影響時需要排除更大空間尺度上的氣候變化的影響。本文提出的水庫影響定量分析方法能夠?qū)⑺畮斓挠绊憦亩嘁蛩貜?fù)合影響中分離出來，更加準確地量化水庫對局地氣候的影響。本文采用相關(guān)分析的方法模擬評價時段無水庫情景下的周邊氣候，未來需要進一步發(fā)展數(shù)值模擬手段，以提高模擬的精準性。