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摘要以东营气象站1967~2011年气温与降水量实测资料为基础,采用滑动平均、趋势分析等方法,对黄河三角洲湿地近45年的气候变化特征进行分析。结果表明,20世纪60年代以来,该区域气温有显著升高趋势,倾向率为0.491 ℃/10a,年降水量有微弱的减少趋势,倾向率为-2.362 mm/10a;气候要素的综合变化使黄河三角洲湿地区域的湿润系数有比较显著的降低趋势;黄河三角洲湿地水循环诸要素中,人工补给量和渗漏量变化不大可忽略不计,降水量和上游来水量均处于减少状态,水分支出中蒸散发量呈增加趋势,且年均降水量少于蒸散发量,上游来水量少于入海量,湿地水循环整体处于“入不敷出”的状态。
关键词黄河三角洲;湿地;水文特征;气候变化;响应
中图分类号S16;P339文献标识码A文章编号0517-6611(2015)26-234-03
Abstract Based on the weather data from 1973 to 2011 in Dongying meteorological station, this article analyzed the climate change characteristics in the wetland of Yellow River Delta in the last 45 years, by using methods such as moving average and trend analysis. The result showed that the temperature has a visible ascending trend with the rate of 0.491 ℃/10a and the precipitation has the tiny descending trend with the rate of -2.362 mm/10a. The coefficient of humidity has downtrend in the wetland of Yellow River Delta area since 1973. On this basis, this paper carries out a further discussion on the response of the wetland water cycle to the climate change in the Yellow River Delta, the amount change of artificial recharge and leakage was negligible, both the precipitation and upstream inflow were in the reducing state, besides evapotranspiration showed an increasing trend, and the average annual rainfall was less than evapotranspiration, upstream inflow was less than the one into the sea, which made the wetland water cycle a "make ends meet" state.
Key words Yellow River Delta; Wetland; Hydrological characteristics; Climate change; Response
水是維系湿地生态系统稳定和健康的决定性因子[1]。湿地水文因对气候变化具有高度敏感性和脆弱性而备受关注,成为当前水文气候研究的重点。近几年,国际上广泛开展了水文变量对气候变化的响应研究,在水文特征及其变化规律、响应机制、模型模拟等方面取得了一些重要成果[2-9]。目前的研究主要集中在西北干旱区,东北寒旱区和高原冻土区等典型地貌或生态脆弱区,对长江流域、海河流域和松辽流域等大中尺度流域的研究相对较多,对小尺度流域的相关研究涉及较少[10]。大部分研究关注的是气候变化对径流或降水的影响,而对蒸散发、基流等其他水文要素的变化规律研究较少。基于此,笔者通过东营气象站1967~2011年气温与降水量的变化趋势分析,进一步揭示黄河三角洲湿地水文对气候变化的响应机制,对于制定合理的水资源管理办法、正确修复与保护湿地、实现湿地可持续发展具有重要战略意义,以期为湿地的恢复重建及区域生态安全提供科学依据。
1资料与方法
1.1研究区概况黄河三角洲依据成陆时间分古代、近代和现代三角洲。该研究所指为1855年黄河在兰考铜瓦厢决口夺大清河于山东利津入渤海后形成的近代三角洲,位于118°07′~119°10′E、36°55′~38°10′N,以宁海为顶点,东南至支脉河口,西北到徒骇河(套儿河)口,整个扇形地区面积达5 450 km2,其中93%的面积属于东营市,7%的面积属于滨州市。
1.2数据来源气象数据包括东营气象站提供的1967~2011年气温和降水量资料;其他数据来源于相关统计资料,其中1967~2000年数据取自《东营市水利志》,2001~2012年数据源于历年《黄河泥沙公报》。
1.3研究方法
1.3.1线性回归。采用回归统计方法计算黄河三角洲湿地气候要素时间序列的气候倾向率,即以年份t为时间因子、气候要素y为模拟对象,建立y与t之间的线性回归方程[11]:y(t)=a0+a1t,式中,a0、a1为待定系数,其中a1为气象要素趋势,反映上升或下降的速率,a1×10称为气候倾向率。趋势系数r表示气象要素y与时间t之间线性相关的密切程度,|r|越接近1,说明y与t之间的线性相关越大,文中已对趋势系数进行了显著性检验。 1.3.2W Lang方法。湿润系数较客观地反映某一地区的水热平衡状况,是判断某一地区气候干燥与湿润状况的良好指标,能客观反映气候变化对湿地的影响[12]。鉴于资料的可获取性,在此选用W Lang方法计算湿润系数,即:HI=PT0,式中,HI为该区域的湿润系数;P为年平均降水量;T0为年平均温度。
2结果与分析
2.1气温变化分析从图1可以看出,20世纪60年代以来黄河三角洲湿地气温总体呈现波动上升趋势,气候倾向率为0.491 ℃/10a。从r值来考虑,黄河三角洲湿地年平均气温通过0.01的显著性检验,说明近45年黄河三角洲湿地平均气温升高显著,气候变暖明显。
图11967~2011年黄河三角洲湿地平均气温变化2.2降水变化分析从图2可以看出,20世纪60年代以来黄河三角洲湿地降水量的长期变化趋势不明显,年降水量基本保持不变,伴有微弱的减少趋势,倾向率为-2.362 mm/10a;降水的年际变化较大,存在明显的降水丰枯周期,极端降水事件发生的频率和强度增加,其中1990年降水量达到峰值,1971和1995年出现近似最高点;而1968、1988和1999年为年降水量的最低点或近似最低点,除1978年以外,1977~1984年年降雨量均不足500 mm,造成湿地干旱局面。
图21967~2011年黄河三角洲湿地降水量变化2.3湿润系数变化分析从东营区湿润系数历年变化趋势(图3)可以看出,1967~2011年黄河三角洲湿地湿润系数逐年降低,地表有向干旱化方向发展的趋势,从r值来看,通过了显著性检验,说明黄河三角洲湿地区域湿润系数的下降趋势是比较显著的。
图31967~2011年黄河三角洲湿地湿润系数变化2.4黄河三角洲湿地水文对气候变化的响应以上分析表明,近45年黄河三角洲湿地年平均气温显著升高,降水趋势不明显,区域气候呈现一定的暖干化趋势。湿地水文状况与降水、气温等气象要素之间是一种非线性的关系,相对较小的降水和气温变化也会导致水文状况的较大变化。湿地水循环过程对气候变化的响应表现为湿地水系统收支的不平衡。黄河三角洲湿地属于开敞型滨海湿地,水循环中水分收入主要为降水量、上游来水量和人工补给量,支出主要为蒸散发量、渗漏量及入海量。在此选取水循环诸要素为主要研究对象,研究气候变暖背景下诸水文要素的变化,分析其对气候变化的响应。
2.4.1降水量。分析结果显示,近45年黄河三角洲湿地区域年降水量变化趋势不明显,年均降水量为549 mm,年降水量基本保持不变,伴有微弱的减少趋势,但年际变化较大,存在明显的丰枯周期,极端降水事件发生的频率和强度增加。王笛等[13]对黄河三角洲湿地降雨量进行了深入研究,并根据小波变换的主周期推测,研究区降水在较短时间内仍将增加,但长期而言将逐渐减少。
2.4.2上游来水量。以利津站径流量作为黄河三角洲湿地上游来水径流量,由1973~2011年利津站多年径流量(图4)可知,自1973年以来黄河利津水文站年平均径流量呈逐渐下降的趋势,年均径流量为212亿m3;20世纪90年代中期以后年径流量呈下降趋势,且多次出现断流,持续数年气候普遍升温、干燥,平均降水量减少是导致连续断流的重要因素。
图41973~2011年黄河三角洲湿地径流量变化2.4.3人工补水量。黄河三角洲自2002年进行湿地工程恢复建设,修建4处补水涵闸,在汛期前后补水。2008年首次向湿地补水[14],6月24日~7月4日补水0.136×108m3,2009年6月24日~7月3日补水0.151×108m3。2次补水虽然从景观观赏方面产生了一定的影响,但效果有限,仅改变了局部的水面面积,对全局的影响并不大,可忽略不计。
2.4.4蒸散发量。湿地蒸散发是湿地水量平衡中的一个重要分量,包括植被蒸腾量、非植被表面的蒸发量以及水面蒸发量,因此在水资源转化过程中难以定量确定。在黄河三角洲湿地降水复杂难辨的情况下,气温的逐年升高,必然使得区域的蒸发量增加,水分散失变大,湿地面积萎缩,但具体数据的获取仍需利用相关测定方法进行长时间序列的观测。奚歌等[15]研究表明黄河三角洲湿地蒸散发量年内变化较大,呈单峰分布,主要集中在5~9月份,约占全年蒸散发量的60%,12和1月是全年蒸散发量的最低时期;年蒸散发量平均为890 mm,并有逐年增加的趋势。
2.4.5渗漏量。渗漏是联系地表水与地下水的纽带,是水资源的形成、转化与消耗过程中不可缺少的重要环节,也是湿地水循环过程中重要的组成部分。一般湿地土壤的水分处于饱和状态,渗漏量的变化很大程度上取决于黄河三角洲湿地的水位和泥沙量,其变化范围是极有限的,因此渗漏量的变化可忽略不计。
2.4.6入海量。从图5可以看出,利津站多年平均径流量为306.114亿m3,年径流量最丰年为1964年的973.100亿m3,年际变化大,阶段性特征明显;1950~2012年利津站年径流量呈现明显下降趋势,减少速率为7.193亿m3/a;1964年前后平均实测年径流量分别为465.830和245.640亿m3,减少近47%。根据黄河利津水文站1950~2001年的观测资料,黄河年径流入海量为332.5×108m3,1972~2001年年均径流入海量为226.8×108m3,1990~2001年年均径流入海量为125.4×108m3,仅为1950~2001年年均入海量的1/3。自2008年始黄河水利委员会结合黄河调水调沙有计划地开展生态调水工作,对黄河三角洲湿地进行人工生态补水,在此基础上黄河年径流入海量和湿地面积均呈现增加的趋势。总之,近63年来黄河下游入海径流量年际变化较大,径流量总体的下降趋势显著。
图51950~2012年利津站年径流量及其5年滑动平均变化除人工补给量和渗漏量忽略不计,黄河三角洲湿地水循环中水分收入处于减少状态,其中年均降水量为549 mm,上游来水量多年平均值为212亿m3;水分支出中蒸散发量呈增加趋势,年蒸散发量平均为890 mm,入海量呈现明显下降趋势,多年平均值为306.114亿m3,综上可知,黄河三角洲湿地水循环处于“入不敷出”的状态。 3结论
水文特征是建立和维持湿地及其过程特有类型的最重要决定因子,对气候变化的响应具有高度敏感性。该研究通过研究区20世纪60年代以来气温与降水等气象要素的分析特征,研究该区域湿地水文对气候变化的响应,得出以下结论:
(1)20世纪60年代以来黄河三角洲湿地气温有显著升高趋势,倾向率为0.491 ℃/10a;年降水量的变化趋势不显著,倾向率为-2.362 mm/10a。气候要素的综合变化使黄河三角洲湿地的湿润系数具有比较显著的降低趋势。
(2)黄河三角洲湿地水循环诸要素中人工补给量和渗漏量变化不大忽略不计,降水量和上游来水量均处于减少状态,水分支出中蒸散发量呈增加趋势,且年均降水量少于蒸散发量,上游来水量少于入海量,湿地水循环整体处于“入不敷出”的状态。
参考文献
[1] 章光新,尹雄锐,冯夏清.湿地水文研究的若干热点问题[J].湿地科学,2008,6(2):106-115.
[2] STOCKTON C W,BOGGES W R.Geohydrological implications of climate change on water resources development[R].Virginia:USACE Center,Ft.Belvoir,1979.
[3] NASH L L,GLEICK P H.Sensitivity of stream flow in the Colorado basin to climate change[J].Journal of hydrology,1990,125(1):221-241.
[4] STONEFELT M D,FONTAINE T A,HOTCGKISS R H.Impacts of climate change on water yield in the Upper Wind River Basin[J].Journal of the American water resources association,2000,36(2): 321-336.
[5] KOIRALA S R,GENTRY R W.SWAT and wavelet analysis for understanding the climate change impact on hydrologic response[J].Open journal of modern hydrology,2012,2:41-48.
[6] 李林,申红艳,戴升,等.黄河源区径流对气候变化的响应及未来趋势预测[J].地理学报,2011,66(9): 1261-1269.
[7] 刘彩红,杨延华,王振宇.黄河上游夏季流量对气候变化的响应及未来趋势预估[J].地理科学进展,2012,31(7): 846-852.
[8] LARSON D L.Effect of climate on numbers of northern prairie wetlands [J].Climate change,1995,30: 169-180.
[9] OTTFRIED D,MICHAEL R,KAI S.Wetlands with controlled drainage and subirrigation systemsmodelling of the water balance [J].Hydrological processes,2007,21(14): 1814-1828.
[10] 唐寅.运用SWAT模型研究小流域气候及土地利用变化的水文响应[D].北京: 北京林业大学,2011:8-10.
[11] 崔保山,杨志峰.湿地学[M].北京:北京师范大学出版社,2006:465-468.
[12] 王慧亮,王学雷,厉恩华.气候变化对洪湖湿地的影响[J].长江流域资源与环境,2010,19(6):653-658.
[13] 王笛,马风云,侯栋.黄河三角洲湿地保护区降水多时间尺度分析[J].西南林学院学报,2010,30(6):33-37.
[14] 王敏.黄河三角洲湿地水循环模拟模型研究[D].济南:山东大学,2012:53-54.
[15] 奚歌,刘绍民,贾立.黄河三角洲湿地蒸散量与典型植被的生态需水量[J].生态学报,2008,28(11):5356-5369.
关键词黄河三角洲;湿地;水文特征;气候变化;响应
中图分类号S16;P339文献标识码A文章编号0517-6611(2015)26-234-03
Abstract Based on the weather data from 1973 to 2011 in Dongying meteorological station, this article analyzed the climate change characteristics in the wetland of Yellow River Delta in the last 45 years, by using methods such as moving average and trend analysis. The result showed that the temperature has a visible ascending trend with the rate of 0.491 ℃/10a and the precipitation has the tiny descending trend with the rate of -2.362 mm/10a. The coefficient of humidity has downtrend in the wetland of Yellow River Delta area since 1973. On this basis, this paper carries out a further discussion on the response of the wetland water cycle to the climate change in the Yellow River Delta, the amount change of artificial recharge and leakage was negligible, both the precipitation and upstream inflow were in the reducing state, besides evapotranspiration showed an increasing trend, and the average annual rainfall was less than evapotranspiration, upstream inflow was less than the one into the sea, which made the wetland water cycle a "make ends meet" state.
Key words Yellow River Delta; Wetland; Hydrological characteristics; Climate change; Response
水是維系湿地生态系统稳定和健康的决定性因子[1]。湿地水文因对气候变化具有高度敏感性和脆弱性而备受关注,成为当前水文气候研究的重点。近几年,国际上广泛开展了水文变量对气候变化的响应研究,在水文特征及其变化规律、响应机制、模型模拟等方面取得了一些重要成果[2-9]。目前的研究主要集中在西北干旱区,东北寒旱区和高原冻土区等典型地貌或生态脆弱区,对长江流域、海河流域和松辽流域等大中尺度流域的研究相对较多,对小尺度流域的相关研究涉及较少[10]。大部分研究关注的是气候变化对径流或降水的影响,而对蒸散发、基流等其他水文要素的变化规律研究较少。基于此,笔者通过东营气象站1967~2011年气温与降水量的变化趋势分析,进一步揭示黄河三角洲湿地水文对气候变化的响应机制,对于制定合理的水资源管理办法、正确修复与保护湿地、实现湿地可持续发展具有重要战略意义,以期为湿地的恢复重建及区域生态安全提供科学依据。
1资料与方法
1.1研究区概况黄河三角洲依据成陆时间分古代、近代和现代三角洲。该研究所指为1855年黄河在兰考铜瓦厢决口夺大清河于山东利津入渤海后形成的近代三角洲,位于118°07′~119°10′E、36°55′~38°10′N,以宁海为顶点,东南至支脉河口,西北到徒骇河(套儿河)口,整个扇形地区面积达5 450 km2,其中93%的面积属于东营市,7%的面积属于滨州市。
1.2数据来源气象数据包括东营气象站提供的1967~2011年气温和降水量资料;其他数据来源于相关统计资料,其中1967~2000年数据取自《东营市水利志》,2001~2012年数据源于历年《黄河泥沙公报》。
1.3研究方法
1.3.1线性回归。采用回归统计方法计算黄河三角洲湿地气候要素时间序列的气候倾向率,即以年份t为时间因子、气候要素y为模拟对象,建立y与t之间的线性回归方程[11]:y(t)=a0+a1t,式中,a0、a1为待定系数,其中a1为气象要素趋势,反映上升或下降的速率,a1×10称为气候倾向率。趋势系数r表示气象要素y与时间t之间线性相关的密切程度,|r|越接近1,说明y与t之间的线性相关越大,文中已对趋势系数进行了显著性检验。 1.3.2W Lang方法。湿润系数较客观地反映某一地区的水热平衡状况,是判断某一地区气候干燥与湿润状况的良好指标,能客观反映气候变化对湿地的影响[12]。鉴于资料的可获取性,在此选用W Lang方法计算湿润系数,即:HI=PT0,式中,HI为该区域的湿润系数;P为年平均降水量;T0为年平均温度。
2结果与分析
2.1气温变化分析从图1可以看出,20世纪60年代以来黄河三角洲湿地气温总体呈现波动上升趋势,气候倾向率为0.491 ℃/10a。从r值来考虑,黄河三角洲湿地年平均气温通过0.01的显著性检验,说明近45年黄河三角洲湿地平均气温升高显著,气候变暖明显。
图11967~2011年黄河三角洲湿地平均气温变化2.2降水变化分析从图2可以看出,20世纪60年代以来黄河三角洲湿地降水量的长期变化趋势不明显,年降水量基本保持不变,伴有微弱的减少趋势,倾向率为-2.362 mm/10a;降水的年际变化较大,存在明显的降水丰枯周期,极端降水事件发生的频率和强度增加,其中1990年降水量达到峰值,1971和1995年出现近似最高点;而1968、1988和1999年为年降水量的最低点或近似最低点,除1978年以外,1977~1984年年降雨量均不足500 mm,造成湿地干旱局面。
图21967~2011年黄河三角洲湿地降水量变化2.3湿润系数变化分析从东营区湿润系数历年变化趋势(图3)可以看出,1967~2011年黄河三角洲湿地湿润系数逐年降低,地表有向干旱化方向发展的趋势,从r值来看,通过了显著性检验,说明黄河三角洲湿地区域湿润系数的下降趋势是比较显著的。
图31967~2011年黄河三角洲湿地湿润系数变化2.4黄河三角洲湿地水文对气候变化的响应以上分析表明,近45年黄河三角洲湿地年平均气温显著升高,降水趋势不明显,区域气候呈现一定的暖干化趋势。湿地水文状况与降水、气温等气象要素之间是一种非线性的关系,相对较小的降水和气温变化也会导致水文状况的较大变化。湿地水循环过程对气候变化的响应表现为湿地水系统收支的不平衡。黄河三角洲湿地属于开敞型滨海湿地,水循环中水分收入主要为降水量、上游来水量和人工补给量,支出主要为蒸散发量、渗漏量及入海量。在此选取水循环诸要素为主要研究对象,研究气候变暖背景下诸水文要素的变化,分析其对气候变化的响应。
2.4.1降水量。分析结果显示,近45年黄河三角洲湿地区域年降水量变化趋势不明显,年均降水量为549 mm,年降水量基本保持不变,伴有微弱的减少趋势,但年际变化较大,存在明显的丰枯周期,极端降水事件发生的频率和强度增加。王笛等[13]对黄河三角洲湿地降雨量进行了深入研究,并根据小波变换的主周期推测,研究区降水在较短时间内仍将增加,但长期而言将逐渐减少。
2.4.2上游来水量。以利津站径流量作为黄河三角洲湿地上游来水径流量,由1973~2011年利津站多年径流量(图4)可知,自1973年以来黄河利津水文站年平均径流量呈逐渐下降的趋势,年均径流量为212亿m3;20世纪90年代中期以后年径流量呈下降趋势,且多次出现断流,持续数年气候普遍升温、干燥,平均降水量减少是导致连续断流的重要因素。
图41973~2011年黄河三角洲湿地径流量变化2.4.3人工补水量。黄河三角洲自2002年进行湿地工程恢复建设,修建4处补水涵闸,在汛期前后补水。2008年首次向湿地补水[14],6月24日~7月4日补水0.136×108m3,2009年6月24日~7月3日补水0.151×108m3。2次补水虽然从景观观赏方面产生了一定的影响,但效果有限,仅改变了局部的水面面积,对全局的影响并不大,可忽略不计。
2.4.4蒸散发量。湿地蒸散发是湿地水量平衡中的一个重要分量,包括植被蒸腾量、非植被表面的蒸发量以及水面蒸发量,因此在水资源转化过程中难以定量确定。在黄河三角洲湿地降水复杂难辨的情况下,气温的逐年升高,必然使得区域的蒸发量增加,水分散失变大,湿地面积萎缩,但具体数据的获取仍需利用相关测定方法进行长时间序列的观测。奚歌等[15]研究表明黄河三角洲湿地蒸散发量年内变化较大,呈单峰分布,主要集中在5~9月份,约占全年蒸散发量的60%,12和1月是全年蒸散发量的最低时期;年蒸散发量平均为890 mm,并有逐年增加的趋势。
2.4.5渗漏量。渗漏是联系地表水与地下水的纽带,是水资源的形成、转化与消耗过程中不可缺少的重要环节,也是湿地水循环过程中重要的组成部分。一般湿地土壤的水分处于饱和状态,渗漏量的变化很大程度上取决于黄河三角洲湿地的水位和泥沙量,其变化范围是极有限的,因此渗漏量的变化可忽略不计。
2.4.6入海量。从图5可以看出,利津站多年平均径流量为306.114亿m3,年径流量最丰年为1964年的973.100亿m3,年际变化大,阶段性特征明显;1950~2012年利津站年径流量呈现明显下降趋势,减少速率为7.193亿m3/a;1964年前后平均实测年径流量分别为465.830和245.640亿m3,减少近47%。根据黄河利津水文站1950~2001年的观测资料,黄河年径流入海量为332.5×108m3,1972~2001年年均径流入海量为226.8×108m3,1990~2001年年均径流入海量为125.4×108m3,仅为1950~2001年年均入海量的1/3。自2008年始黄河水利委员会结合黄河调水调沙有计划地开展生态调水工作,对黄河三角洲湿地进行人工生态补水,在此基础上黄河年径流入海量和湿地面积均呈现增加的趋势。总之,近63年来黄河下游入海径流量年际变化较大,径流量总体的下降趋势显著。
图51950~2012年利津站年径流量及其5年滑动平均变化除人工补给量和渗漏量忽略不计,黄河三角洲湿地水循环中水分收入处于减少状态,其中年均降水量为549 mm,上游来水量多年平均值为212亿m3;水分支出中蒸散发量呈增加趋势,年蒸散发量平均为890 mm,入海量呈现明显下降趋势,多年平均值为306.114亿m3,综上可知,黄河三角洲湿地水循环处于“入不敷出”的状态。 3结论
水文特征是建立和维持湿地及其过程特有类型的最重要决定因子,对气候变化的响应具有高度敏感性。该研究通过研究区20世纪60年代以来气温与降水等气象要素的分析特征,研究该区域湿地水文对气候变化的响应,得出以下结论:
(1)20世纪60年代以来黄河三角洲湿地气温有显著升高趋势,倾向率为0.491 ℃/10a;年降水量的变化趋势不显著,倾向率为-2.362 mm/10a。气候要素的综合变化使黄河三角洲湿地的湿润系数具有比较显著的降低趋势。
(2)黄河三角洲湿地水循环诸要素中人工补给量和渗漏量变化不大忽略不计,降水量和上游来水量均处于减少状态,水分支出中蒸散发量呈增加趋势,且年均降水量少于蒸散发量,上游来水量少于入海量,湿地水循环整体处于“入不敷出”的状态。
参考文献
[1] 章光新,尹雄锐,冯夏清.湿地水文研究的若干热点问题[J].湿地科学,2008,6(2):106-115.
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[4] STONEFELT M D,FONTAINE T A,HOTCGKISS R H.Impacts of climate change on water yield in the Upper Wind River Basin[J].Journal of the American water resources association,2000,36(2): 321-336.
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