石羊河流域綜合治理前后民勤水資源變化特征

石羊河流域綜合治理前后民勤水資源變化特征趙明瑞;徐天軍;彭祥榮;劉蓉;李超超【摘要】利用民勤縣氣象、水文資料，采用相關(guān)性分析、線性傾向趨勢(shì)估計(jì)等方法,對(duì)石羊河流域綜合治理前后的民勤水資源變化特征進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:(1)自然降水總體為弱增多趨勢(shì)，綜治前為增多趨勢(shì)，綜治以來(lái)為減少趨勢(shì),趨勢(shì)均不明顯.綜治以來(lái)，降水趨于穩(wěn)定，沙漠邊緣及荒漠區(qū)有暴雨出現(xiàn)，強(qiáng)降水對(duì)地下水有一定的補(bǔ)給;(2)地表來(lái)水量呈緩降急增態(tài)勢(shì)，綜治以來(lái)，因人為干預(yù)，地表來(lái)水量逐年增多;(3)地下水位呈急降一緩升態(tài)勢(shì)，地下水主要靠灌溉水入滲補(bǔ)給，綜治以來(lái)，增加了農(nóng)作物地表水灌溉輪次，減少了地下水的提取量，地下水位下降趨勢(shì)變緩，部分地區(qū)有回升.因此，石羊河流域綜治成效顯著，下游民勤水資源嚴(yán)重匱乏現(xiàn)象有所緩解，局地得到改善.【期刊名稱】《沙漠與綠洲氣象》【年(卷)，期】2018(012)005【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P55-59)【關(guān)鍵詞】綜合治理;水資源;變化特征;民勤【作者】趙明瑞;徐天軍;彭祥榮;劉蓉;李超超【作者單位】中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅蘭州730020;民勤縣氣象局,甘肅民勤733399;民勤縣氣象局，甘肅民勤733399;民勤縣氣象局，甘肅民勤733399;民勤縣氣象局，甘肅民勤733399;寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川750021【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】P641.8甘肅省民勤縣地處石羊河流域下游，是我國(guó)干旱與荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是我國(guó)沙塵暴四大策源地之一［1-3］。石羊河流域位于甘肅省河西走廊東端，河流起源于南部祁連山，由東南向西北，主要由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營(yíng)河、東大河、西大河8條河流組成，除大靖河外，中部5條和東大河部分匯成石羊河流入民勤［4］。隨著氣候變化和石羊河流域中游用水量的增加，石羊河流入民勤的水量逐年減少，導(dǎo)致下游民勤地下水補(bǔ)給量嚴(yán)重不足，加之民勤本地過(guò)量提取地下水，使地下水位急劇下降，從而引起植被退化、土地鹽漬化、荒漠化加重和沙塵天氣頻發(fā)等一系列環(huán)境問(wèn)題，民勤生態(tài)環(huán)境面臨嚴(yán)重危機(jī)［5-7］。水資源又是生態(tài)環(huán)境的本質(zhì)，已有學(xué)者對(duì)石羊河流域水資源變化特征、轉(zhuǎn)化規(guī)律、水資源管理以及水資源與氣候變化關(guān)系等進(jìn)行了大量研究［8-14］，對(duì)民勤水資源保護(hù)和利用狀況等也進(jìn)行了分析［15-19］。民勤生態(tài)環(huán)境受氣候變化和石羊河流域水文和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等因素的影響，水資源是主要制約因素［20］，從根本上解決民勤缺水問(wèn)題，一是增加地表水輸入量；二是增加地下水補(bǔ)給和涵養(yǎng)量；三是增加天上雨雪補(bǔ)充量［21］。2006年投資達(dá)47億元的國(guó)家級(jí)石羊河流域綜合治理（下稱綜治）項(xiàng)目啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)10年多的治理，下游民勤水資源現(xiàn)狀如何，水資源危機(jī)問(wèn)題是否得到緩解，所見(jiàn)研究報(bào)道較少。本文對(duì)綜治前后的民勤自然降水、地表水、地下水變化情況進(jìn)行了細(xì)致分析，其結(jié)果對(duì)民勤縣水資源的開(kāi)發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、石羊河流域綜治效果評(píng)估以及制定后期發(fā)展規(guī)劃有重要的參考價(jià)值。1研究區(qū)概況甘肅省民勤縣是我國(guó)干旱和荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)，水資源嚴(yán)重匱乏制約當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。民勤縣位于甘肅省河西走廊東北部（101°49'41”~104°12'10"E;38°3'45”~39°27'37”N）（圖1）,石羊河流域下游，西、北、東三面被巴丹吉林沙漠與騰格里沙漠包圍，南靠武威盆地。境內(nèi)最低海拔1298m,最高海拔1936m，平均海拔1400m，地勢(shì)由西南向東北傾斜。民勤屬溫帶大陸性干旱氣候，氣候特征為：冬冷夏熱，年平均氣溫8.8°C，極端最高氣溫41.71，極端最低氣溫-29.5C;干旱缺水，年降水量113.2mm，最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)降水日數(shù)194d;蒸發(fā)劇烈，年蒸發(fā)量2675.6mm，蒸發(fā)量是降水量的23.6倍；風(fēng)大沙塵多，年大風(fēng)日數(shù)17.5d，極端最大風(fēng)速30m/s，年沙塵暴日數(shù)17.9d，沙塵暴最小能見(jiàn)度不足1m。民勤是一個(gè)以農(nóng)業(yè)為主的大縣，農(nóng)作物灌溉主要以提取地下水為主，地表水澆灌為輔。圖1民勤地下水位觀測(cè)井、區(qū)域自動(dòng)氣象站、流域內(nèi)氣象站及民勤位置2數(shù)據(jù)與方法石羊河流域綜合治理項(xiàng)目自2006年開(kāi)始，確定1995—2005年為綜治前，2006—2016年為綜治以來(lái)。資料選?。海?）選取1995—2016年石羊河來(lái)水量和平均地下水位，2006—2016年地下水提取量和重點(diǎn)治理區(qū)地下水位，數(shù)據(jù)由民勤縣水務(wù)局提供；（2）選取1995—2016年民勤降水?dāng)?shù)據(jù)，取自民勤國(guó)家基準(zhǔn)氣候站，其他降水?dāng)?shù)據(jù)均來(lái)源于石羊河流域內(nèi)所在地氣象站；（3）選取2006—2016年民勤縣綠洲區(qū)和荒漠區(qū)地下水位數(shù)據(jù)，取自民勤縣氣象局的農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)。氣象觀測(cè)規(guī)范規(guī)定降水日為日降水量＞0.1mm的日數(shù)，日降水量0.1~10.0mm為小雨，10.0-24.9mm為中雨，25.0-49.9mm為大雨，＞50.0mm為暴雨。降水量、地表來(lái)水量、地下水位的變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)分析采用線性趨勢(shì)估計(jì)法，線性趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)顯著性采用t檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)［22］。數(shù)據(jù)的相關(guān)性采用微軟的Excel軟件進(jìn)行分析。降水相對(duì)變率用變差系數(shù)Cv=o/x表示，其中，。為降水的均方差，x為降水的均值［23］。3結(jié)果與分析3.1自然降水民勤年均降水量為113.2mm，最多年202.0mm，最少年38.6mm，降水自東南向西北遞減，降水主要出現(xiàn)在6—9月。1995—2016年年降水呈弱增多趨勢(shì)(圖2),氣候傾向率為4.2mm/10a(R=0.13,P>0.1)，趨勢(shì)不明顯。綜治前(1995—2005年)年平均降水量114.7mm，綜治以來(lái)(1996—2016年)年平均降水量123.9mm，綜治以來(lái)年均降水量較綜治前增大9.2mm。降水以小雨為主，年均小雨日37.3d，占全年降水日的94%，占總降水量的64.8%，年均中雨日2.1d，占全年降水日的5.2%，占總降水量的26.3%，年均大雨日0.3d,占全年降水日的0.8%，占總降水量的8.9%。1995—2016年年降水日為弱增多趨勢(shì)，氣候傾向率為3.9d/10a(R=0.33,P>0.1)，趨勢(shì)不明顯。綜治前年降水日為弱增多趨勢(shì)，氣候傾向率為5.5d/10a(R=0.26,P>0.1)，趨勢(shì)不明顯，綜治以來(lái)年降水日為弱減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-3.9mm/10a(R=0.18,P>0.1)，趨勢(shì)不明顯。1995—2016年降水變率為17.6%。綜治前降水變率為19.3%，綜治以來(lái)降水變率為18.5%，降水變率較綜治前略有減小，降水趨于穩(wěn)定。2007年之前由于民勤觀測(cè)站點(diǎn)所限，無(wú)法分析縣域內(nèi)較為詳盡的降水分布情況，2005—2007年民勤逐漸建成了分布于縣域內(nèi)各片區(qū)的區(qū)域自動(dòng)氣象站12個(gè)。根據(jù)區(qū)域自動(dòng)氣象站降水觀測(cè)資料分析，2007—2016年民勤各片區(qū)出現(xiàn)大雨以上量級(jí)降水共19場(chǎng)，年均1.9d;出現(xiàn)暴雨4場(chǎng)，最大一場(chǎng)暴雨降水量達(dá)75.2mm。暴雨及大雨主要出現(xiàn)在偏北部沙漠邊緣和南部荒漠區(qū)，而城區(qū)測(cè)站(綠洲區(qū))自1953年以來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)一場(chǎng)暴雨天氣，說(shuō)明民勤也出現(xiàn)局地強(qiáng)降水天氣，強(qiáng)降水對(duì)地下水有一定的補(bǔ)給。這一結(jié)果與何清等［24］在塔克拉瑪干沙漠腹地觀測(cè)到強(qiáng)降水現(xiàn)象類似。圖2民勤1995—2016年年降水量變化3.2地表水石羊河是民勤唯一的地表徑流，1995—2000年經(jīng)石羊河流入民勤的地表來(lái)水量為祁連山雪水、山區(qū)洪水及上游下泄的冬春余水。2001—2016年通過(guò)〃景電二期”提灌黃河水經(jīng)石羊河向民勤輸水，地表來(lái)水含外流域調(diào)水。1995—2016年地表來(lái)水量呈緩降一急升趨勢(shì)，2005年為轉(zhuǎn)折年（圖2）。1995—2005年為緩慢減少趨勢(shì)，趨勢(shì)率為-0.846x108m3/10a（R=0.90,P<0.01），趨勢(shì)顯著；2006—2016年為快速增多趨勢(shì)，趨勢(shì)率為1.81x108m3/10a（R=0.91,P<0.01），趨勢(shì)顯著。利用石羊河流域5個(gè)氣象站1995—2005年觀測(cè)的降水量，分析其變化趨勢(shì)（表1）,發(fā)現(xiàn)3個(gè)站呈增多趨勢(shì)，其中，兩個(gè)站增多趨勢(shì)明顯，另外2個(gè)站呈微弱減少趨勢(shì)，說(shuō)明這一階段民勤地表來(lái)水量減少不是上游自然降水減少所致，是因?yàn)槭蚝釉谏?、中游流域面積達(dá)1.34x104km2,上、中游人口增長(zhǎng)，土地相繼開(kāi)發(fā)，對(duì)水的利用和開(kāi)發(fā)力度增大等因素所致[25];2006—2016年流域內(nèi)5個(gè)氣象站年降水量有4站為微弱減少趨勢(shì)，一個(gè)站為微弱增多趨勢(shì)，趨勢(shì)均不明顯，說(shuō)明同期石羊河來(lái)水量增多也不是自然降水所致，是因?yàn)樽?001年開(kāi)始通過(guò)景電二期工程每年從外流域向民勤調(diào)水，2006年石羊河流域綜治項(xiàng)目開(kāi)始實(shí)施，增大了外卜流域調(diào)水量，同時(shí)加大了石羊河流域內(nèi)水資源的調(diào)節(jié)，來(lái)水量逐年增多，2014年起每年來(lái)水量穩(wěn)定在3.0x108m3以上。自綜治以來(lái)，地表來(lái)水量顯著增多（圖3）。其中，上游調(diào)節(jié)放水量增多明顯，占總來(lái)水量的39.2%，與總來(lái)水量相關(guān)性為85.7%；景電二期工程從外流域調(diào)水量穩(wěn)定增長(zhǎng)，占總來(lái)水量的26.3%，與總來(lái)水量相關(guān)性為82.6%；天然河道來(lái)水量不穩(wěn)定，占總來(lái)水量的34.5%，由于天然河道來(lái)水量為減少趨勢(shì)，而總來(lái)水量因?yàn)橥饬饔蛘{(diào)水和本流域內(nèi)調(diào)節(jié)放水量增大為增多趨勢(shì)，所以天然河道來(lái)水量與總來(lái)水量相關(guān)性小，為18.3%。說(shuō)明綜治以來(lái)，民勤的地表來(lái)水量明顯增多，主要是因?yàn)樯嫌握{(diào)節(jié)放水量增大,同時(shí)外流域調(diào)水量穩(wěn)定增長(zhǎng)。表1石羊河流域不同觀測(cè)站點(diǎn)降水量變化趨勢(shì)注：R為相關(guān)系數(shù)，P為假設(shè)檢驗(yàn)值，P<0.1、P<0.05、P<0.01趨勢(shì)分別為明顯、顯著、十分顯著。類別1995—2005年2006—2016年氣象站點(diǎn)趨勢(shì)率/(mm/10a)RP趨勢(shì)率/(mm/10a)RP涼州區(qū)15.30.430.02-15.70.030.93民勤-0.680.020.91-14.30.150.61古浪0.010.050.79-4.20.070.81烏鞘嶺-3.00.060.7432.80.080.79永昌12.90.340.06-5.20.090.76圖3民勤1995—2016年地表來(lái)水量變化3.3地下水民勤地下水的形成、分布與區(qū)內(nèi)氣候、水文、地貌、地質(zhì)構(gòu)造等自然特點(diǎn)和條件密切相關(guān)，民勤地下水的補(bǔ)給主要是地面水的輸水滲漏和灌溉入滲［4］。1995—2016年民勤平均地下水位呈急降一緩升趨勢(shì)(圖4)。1995—2005年快速下降，趨勢(shì)率為-6.43m/10a(R=0.97,P<0.01)，趨勢(shì)顯著；2006—2016年緩慢回升，趨勢(shì)率為3.04m/10a(R=0.96,P<0.01)，趨勢(shì)顯著?？h境內(nèi)各片區(qū)由于所處地理位置與地質(zhì)構(gòu)造不同，地下水位的表現(xiàn)各不相同。分析表明，蔡旗片位于紅崖山水庫(kù)上游，以提取地下水澆灌為主，因石羊河河道為自然泥沙河道，輸水滲漏對(duì)地下水帶來(lái)有效補(bǔ)給，故地下水位變化幅度小，1995年在5m左右，2016年下降到7m左右；泉山片位于紅崖山水庫(kù)下游，輸水河道為人工襯砌水泥河道，河道放水為階段性放水，對(duì)地下水無(wú)有效補(bǔ)給，地下水的補(bǔ)給主要靠灌溉滲漏，受灌溉輪次和提取地下水量的影響明顯，1995—2005年農(nóng)作物每年只有一次河水灌溉，提取地下水量大，地下水位下降明顯，從1995年的17m左右下降到2006年的25m左右，2006—2016年略有回升；昌寧片位于紅崖山水庫(kù)西側(cè)，無(wú)地表水灌溉，農(nóng)業(yè)灌溉完全靠提取地下水，地下水位下降最明顯，1995年在14m左右，2016年下降至35m左右；位于紅崖山水庫(kù)最下游的西渠片，由于地下水礦化度高不易利用，農(nóng)作物灌溉主要靠河水，提取地下水量小，所以地下水位較泉山片淺，1995年在10m左右，2006年最深19m左右，2006—2016年有所回升。圖4民勤2006—2016年地表來(lái)水量來(lái)源分析為進(jìn)一步分析綜治以來(lái)民勤地下水位變化，對(duì)2006—2016年民勤綠洲區(qū)和荒漠區(qū)測(cè)井資料分析（圖5）。綠洲區(qū)（泉山片）地下水位2006—2008年呈明顯下降趨勢(shì)，2008—2010年變化不明顯，2010—2011年為明顯上升趨勢(shì)，2011—2016年變化趨勢(shì)不明顯；荒漠區(qū)（西渠片）地下水位2006—2010年有小的上升趨勢(shì)，2010—2011年呈明顯回升趨勢(shì)，2011—1016年變化趨勢(shì)平緩，總體為弱的回升趨勢(shì)。綜治以來(lái)，地表來(lái)水量逐年增多，灌區(qū)農(nóng)作物實(shí)現(xiàn)了每年2~3個(gè)輪次的地表水澆灌。2010年以來(lái)，每年來(lái)水量基本在2.6x108m3以上，農(nóng)作物灌溉每年增加到3~5個(gè)輪次；2006—2010年民勤縣相繼關(guān)閉機(jī)井3018眼，壓縮耕地2.95x104hm2，同時(shí)對(duì)地下水實(shí)施嚴(yán)格管理，地下水開(kāi)采量由2006年之前的5.0x108m3以上減少到2010年之后的1.0x108m3左右。地表水灌溉入滲增加和地下水開(kāi)采減少使地下水位下降趨勢(shì)得到有效遏制，在綜治期的2011年水位有了一定回升。圖5民勤1995—2016年地下水位變化歷史上的青土湖是一個(gè)面積較大的淡水湖，到1960年干涸，該區(qū)域植被脆弱風(fēng)沙肆虐，2006年開(kāi)始作為一個(gè)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行治理，紅崖山水庫(kù)每年向青土湖下泄一定量的生態(tài)用水，2016年下泄水量0.34x108m3,從治理區(qū)附近地下水位觀測(cè)井觀測(cè)資料分析（圖6）,治理區(qū)周邊地下水位呈逐年回升態(tài)勢(shì)，回升趨勢(shì)率為1.1m/10a（R=0.99,P<0.01），回升趨勢(shì)顯著。圖6民勤2006—2016年地下水位分析4結(jié)論（1）1995—2016年民勤自然降水量為增多趨勢(shì)，降水以小雨為主，雨日為增多趨勢(shì)，降水量和雨日綜治前為增大（多）趨勢(shì)，綜治以來(lái)為減?。ㄉ伲┶厔?shì)，趨勢(shì)均不明顯。1995—2016年降水變率為17.6%，綜治以來(lái)降水變率較綜治前減小，降水趨于穩(wěn)定。民勤沙漠邊緣及荒漠區(qū)出現(xiàn)過(guò)強(qiáng)降水天氣，其對(duì)沙漠邊緣和荒漠區(qū)地下水有一定的補(bǔ)給。(2)1995—2016年民勤地表來(lái)水量呈緩降一急升趨勢(shì)。1995—2005年為緩慢減少趨勢(shì)，趨勢(shì)顯著；2006—2016年為快速增多趨勢(shì)，趨勢(shì)顯著。原因是：綜治前由于上、中游人口增長(zhǎng)，土地相繼開(kāi)發(fā)，對(duì)水的利用和開(kāi)發(fā)力度增大而使民勤地表來(lái)水量逐年減少，綜治以來(lái)由于加大外流域調(diào)水量，本流域調(diào)節(jié)強(qiáng)制性給下游方攵水，本地減少地下水開(kāi)采而使地表來(lái)水量增多。(3)1995—2016年民勤平均地下水位呈急降一緩升趨勢(shì)，1995—2005年快速下降，2006—2016年緩慢回升，趨勢(shì)顯著。所處地理位置不同地下水位表現(xiàn)不一。綜治以來(lái)，由于關(guān)井壓田、外卜流域調(diào)水，本流域調(diào)節(jié)放水、嚴(yán)格的水權(quán)管理等措施到位，地下水位下降趨勢(shì)得到有效遏制，綜治關(guān)鍵5a之后，綠洲區(qū)和荒漠區(qū)地下水位有了一定回升，重點(diǎn)治理區(qū)(青土湖)地下水位穩(wěn)步回升?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】張宏，孫保平.中國(guó)干旱、半干旱地區(qū)土地開(kāi)墾對(duì)荒漠化的影響——以甘肅民勤縣和內(nèi)蒙古伊金霍洛旗為例[J].資源科學(xué)，1999(5):73-77.周自江，王錫穩(wěn)，牛若蕓.近47年中國(guó)沙塵暴氣候特征研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2002,13(2):193-200.趙明瑞，劉明春，錢(qián)莉，等.民勤綠洲1971—2010年沙塵暴特征及影響因素分析[J].沙漠與綠洲氣象，2013,7(5):35-39.民勤水利志編纂委員會(huì).民勤縣水利志[M].蘭州：蘭州大學(xué)出版社.1994.馬金珠，魏紅.民勤地下水資源開(kāi)發(fā)引起的生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題[J].干旱區(qū)研究，2003(4):261265.劉文杰，蘇永中，楊榮.民勤地下水水化學(xué)特征和礦化度的時(shí)空變化[J].環(huán)境科學(xué)，2009,30(10):2911-2917.魏懷東，周蘭萍，徐先英，等.2003-2008年甘肅民勤綠洲土地荒漠化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[J].干旱區(qū)研究，2011,28(4):572-579.張若琳.石羊河流域水資源分布特征及其轉(zhuǎn)化規(guī)律[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2006.張劉東.石羊河流域灌區(qū)水資源管理與決策模型研究[D].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.丁永建，葉佰生，劉時(shí)銀.祁連山中部地區(qū)40a來(lái)氣候變化及其對(duì)徑流的影響[J].冰川凍土，2000，（3）：193-199.葉得明，楊婕妤.石羊河流域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展研究[J].干旱區(qū)地理，2013，36（1） 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