黄河黄海污染物输移的生态环境效应分析

黄河黄海污染物输移的生态环境效应分析

河流水资源严重破坏。同时，该流域水资源开发率高，受到人类活动的严重影响。近年来,流域地表径流量锐减,下游断流频繁,黄河逐渐成为一条季节性河流,这种锐减不仅反映在时间尺度较长的年代际变化,也反映在短历时的暴雨洪水过程上;断流、调水调沙、水土保持、南水北调等重大事件对黄河入海径流的演变过程产生了重要影响,出现了许多新的科学问题。近几年针对黄河入海水沙通量的研究较多,一方面对入海径流的变异特征及变化规律进行了系统的分析,申冠卿等分析了下游水沙变化对河道演变的影响;李勇等分析了黄河干流径流泥沙特性,得出汛期径流泥沙大量减少、非汛期径流量沿程减少加剧、中大流量出现机率大为降低、洪峰流量降低以及泥沙组成规律未发生趋势性变化等重要认识;张治昊和胡春宏研究了黄河口尾闾河道对水沙变异的萎缩响应;茹玉英等认为进入河口的水沙量、水沙年内分配和年际变化、水沙搭配、洪水特性等均发生了特征性变异;刘勇胜等对入海水沙通量的变化趋势进行了分析。上述研究成果对实测入海径流的变化趋势、季节变化、水沙关系等有了进一步的认识。另一方面,在深入分析影响入海水沙变化的原因及机制方面做了大量工作,张士锋等研究了降雨不均匀性对天然径流的影响;许炯心等研究了降雨和人类活动对入海水沙通量的影响;李希宁等对影响黄河河口来水、来沙量的因素进行了探讨;Xu对气候变化和人类活动对入海径流的影响进行了定量评估;张欧阳等分析了流域洪水对入海泥沙通量的影响。上述两方面研究取得了较大进展,但由于入海水沙通量问题涉及整个流域,从不同资料出发,分析的角度也存在差别。从目前来看,对入海径流是否存在明显的阶段性特征、径流变化对断流的影响、自然变化和人类活动对入海径流影响的定量研究涉及较少。本文从随机水文学的角度出发,分析了黄河入海径流变化的阶段性特征;并结合流域降雨、气温、用水资料,采用回归分析、相关分析等数理统计方法,探讨了自然变化和人类活动对入海径流的影响。1径流时空分布本文所用资料一部分来自黄河水利委员会,为黄河利津水文站1950～2002年实测月均流量数据和1950～1997年均天然径流量数据,其中还原的天然径流量是实测年径流量与各种还原水量之和,未考虑间接的人类活动引起下垫面条件变化对径流的影响。流域年均气温数据为流域21个气象站的算术平均数据;降雨数据根据流域花园口以上913个雨量站统计数据按面积加权平均得到,皆引自文献。花园口以上流域面积占整个黄河流域面积的97%,因此,用花园口断面降雨量代表整个流域的降雨量具有一定的可靠性。1998～2004年的天然径流、降雨及流域用水量数据皆参考历年《黄河水资源公报》。2流量变化的渐进性分析2.1实测径流、天然径流及降雨序列分析本文利用费希尔最优分割法进行跳跃点的检测,费希尔最优分割法指对任意指定的分类数K,总能将N个样本分为K类,且使各类直径的总和S达到最小,即S*n=min1≤τ≤n-1{Sn(τ)}(1)S∗n=min1≤τ≤n−1{Sn(τ)}(1)其中,s[ξ(Ν‚Κ)]=k∑a=1D(Ιa-1+1‚Ιa)(2)N个对象分为K类的分类数目为R(N,K),则R(N,K)=KR(N-1,K)+R(N-1,K-1)(3)且R(Ν,1)=R(Ν,Ν)=1(4)我们在利用最新资料的基础上,对实测径流、天然径流及降雨量序列进行了跳跃点分析。结果显示,实测径流、天然径流系列均在1968年、1985年和1996年S*n的值达到最小,为可能的跳跃点。1985年为降雨量可能存在的跳跃点。其中,实测径流跳跃点1968年和1985年与李希宁等的结论一致,周晓霞等则认为1986年为一分界点。2.2天然径流和实测径流为了评价上述3个跳跃点的显著性水平,采用秩和检验法对跳跃点的显著性进行了检验,并按跳跃点分段对跳跃点前后时段系列进行均值检验,以确定跳跃点前后时段跃度的差异显著性。检验结果见表1。从检验结果分析看,降雨量在1985年之后有一定的减少,但减少幅度并不大,未达到99%的显著性;天然径流量1985年后的减少幅度增大,到达99%的显著性水平,并且1996年前后的天然径流量也出现一定的下降,秩和检验显著性只有95%,均值检验无显著性,说明下降幅度并不明显;实测径流量则分别在1985年、1968年和1996年出现明显的阶段性下降,除1996年秩和检验只通过了95%的显著性外,其余均达到99%的显著性水平。从上面分析可知,降雨量仅在1985年有微弱的下降。相对于降水,天然径流下降幅度增大,两者皆可分为两个不同阶段;而实测径流则呈明显的4个阶段变化。其中,1985年是降雨量、天然径流量和实测径流量共同的转折点。2.3实测信噪比和平均流量综合对跳跃点的分析,可以认为黄河入海径流呈现较明显的阶段性变化特征(图1),天然径流量以1985年为界分为两个阶段,1952～1985年和1986～2004年的年均径流量分别为621.7×108m3和461.8×108m3,跃度为159.9×108m3。实测径流量以1968年、1985年和1996年为界分为4个阶段:即Ⅰ(1950～1968年),Ⅱ(1969～1985年),Ⅲ(1986～1996年)和Ⅳ(1997～2004年)。4个阶段的多年平均径流量分别为501.5×108m3,327.0×108m3,174.1×108m3和103.1×108m3,相应跳跃点的径流量跃度分别为1968年为174.5×108m3,1985年为132.9×108m3,1996年为71×108m3。3水流场变化特征的分析3.1自然变化对海洋径流量的影响3.1.1年际变化曲线显著性分析采用Mann-Kendall方法对流域年均降雨量(1950～2004年)、天然径流量(1952～2004年)及实测径流量(1950～2005年)系列进行了变化趋势的显著性检验。给定显著性水平a=0.01,实测径流量、天然径流量系列的肯德尔检验统计量|U|>|Ua/2|=2.58,具有显著的变化趋势;而年均降雨量系列的肯德尔检验统计量|U|<|Ua/2|=1.96(a=0.05),没有达到一定的显著性。根据流域降雨、径流资料作出年际变化曲线(图2),并对降雨量、天然及实测径流量与年份进行趋势模拟,模拟方程式分别为:yp=-0.84x+2116.85R=-0.22Ρ=0.1064(5)yt=-4.58x+9619.41R=-0.5Ρ=0.00013(6)ys=-8.52x+17164.75R=-0.72Ρ＜0.0001(7)公式(5),(6)和(7)中yp,yt和ys分别代表降雨量、天然径流量和实测径流量,x为模拟年份,R为相关系数,P表示显著性水平。从3个模拟方程式中可以看出,x的系数全为负值,说明近50年来流域降雨量、天然径流量与实测径流量均呈减少趋势,只是在程度上有很大差别。从降雨量回归方程来看,代表线性趋势检验显著性水平的P值等于0.1064,大于0.05,说明降雨量线性减少趋势在α=0.05的显著性水平上并不明显。从年代上看,年降雨量在20世纪50年代、60年代和70年代偏丰,80年代和90年代偏枯,90年代偏枯幅度较大,偏少6.6%;年径流量50年代、60年代和80年代偏丰,70年代和90年代偏枯,90年代偏枯,幅度达22.5%。可以看出,径流随降雨减少而减少,而且径流减少幅度要大于降雨变化幅度。3.1.2年气象系数减少量作水数,气流系数提升至资源利用的主要动力有据实测资料,自20世纪70年代始,黄河流域年均温度出现上升趋势,到90年代后期,气温上升约1℃,同时,降雨量下降,流域气候趋于暖干。气温上升对径流最大的影响在于增加流域蒸发量,减少产流量。已有研究成果显示,黄河流域年均气温上升1℃,蒸发能力将上升5%～7%。根据流域天然径流、流域面积和降雨数据求得各年的径流系数,绘出年均气温系列和径流系数系列变化曲线(图3),并进行线性拟合,二者变化趋势可用下式表示:yq=0.014x-10.882R=0.48Ρ=0.00067(8)yc=-0.00098x+2.103R=-0.55Ρ＜0.0001(9)公式(8)和(9)中yq和yc分别代表年均气温和径流系数。从方程式可以得出,气温和径流系数呈相反的变化趋势,气温越高,蒸发量越大,径流系数越小,产流越少。3.1.3利用月水量平衡模型预测降雨和气温径流对气候变化的敏感性分析可以帮助我们鉴别气候变异对径流影响的幅度。从表2中可以看到,第Ⅰ阶段(1950～1968年)降水增加4.81%,径流增加17.0%;到第Ⅳ阶段(1997～2004年)降雨减少6.0%,径流减少25.43%,在这4个阶段径流共减少约42.43%。为了探讨黄河流域径流(yt)与降水(yp)、径流(yt)与气温(yq)的关系,我们分别对径流与降雨、径流与气温的关系进行了指数函数和线性函数拟合。从公式(10)和(11)发现指数函数与线性函数方程的相关系数几乎相等。考虑到研究尺度较大,可以认为利用非线性与线性关系来预测径流与降雨和气温的关系对结果影响不大。yt=0.339yp+257.1R=0.765yt=27.54y0.44pR=0.763}(10)yt=-0.0013yq+17.57R=-0.42yt=23.14y-0.05qR=-0.44}(11)王国庆等用月水量平衡模型对黄河流域模拟结果显示:黄河流域气温升高1℃,而降水不变时,径流将减少3%～7%;当降水减少10%,气温不变时,径流将减少12%～18%;降水增加10%,气温不变时,径流量将增加12%～22%;其模拟结果也具有明显的线性关系(具体数据见文献)。从表2中可以看到,降雨量距平绝对值小于10%,气温升高小于1℃,根据模拟结果我们对本研究4个阶段的降雨和气温对径流造成的影响按线性分别进行内插计算,然后相加求和,最终得到不同时期降雨和气温对径流造成的影响程度。可以大致判断,第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段受气温和降雨影响,预测径流距平约5.8%～10.6%和0.8%～1.5%,实际径流距平皆大于预测量;第Ⅲ阶段和第Ⅳ阶段降水偏少,气温升高明显,预测径流距平为-8%～-13.4%和-10.2%～-17.8%,其中第Ⅳ阶段实际径流距平比预测值偏小7.63%～15.23%。这4个阶段实际径流量距平与预测量差值由正转负,这反映了间接人类活动,如水土保持减水,土壤干化,水库的水面蒸发等消耗水量的增加对天然径流的影响。3.2人类活动对沿海径流的影响3.2.1提取水量yti在已有天然径流和实测径流资料情况下,本文通过天然径流与实测径流的差值来计算流域引水量。为了分析取水量对径流阶段性的影响,利用各年统计资料,绘出1950～1968年、1969～1985年、1986～1996年和1997～2004年这4个阶段年降雨量与天然径流,降雨量与实测径流关系(图4),以此来分析各阶段取水量的变化情况。对4个阶段降雨与天然径流、降雨与实测径流之间的关系进行了线性拟合,拟合方程如下:yt1=1.567yp-83.14R=0.786Ρ=0.0002ys1=1.512yp-207.26R=0.659Ρ=0.0021}(12)yt2=1.57yp-125.43R=0.719Ρ=0.0011ys2=1.43yp-317.61R=0.679Ρ=0.0027}(13)yt3=0.859yp+126.872R=0.493Ρ=0.1235ys3=0.565yp-65.778R=0.477Ρ=0.1384}(14)yt4=1.20yp-83.418R=0.939Ρ=0.0005ys4=0.815yp-252.33R=0.764Ρ=0.0274}(15)其中yti和ysi分别代表第i阶段的天然径流量和实测径流量,yp代表降雨量。从拟合方程可以看出,除第Ⅲ阶段(1986～1996年)降雨径流关系较差外(P>0.05),其余3个阶段相关性都很好,且各阶段降雨与天然、实测径流拟合方程斜率基本相同,反映了阶段内流域取水量受降雨量影响很小。把每个阶段年均降雨量代入拟合方程计算出天然径流量和实测径流量,然后用天然径流量和实测径流量的差值代表每个阶段的取水量,根据计算结果,4个阶段的取水量分别为150×108m3,255×108m3,318×108m3和331×108m3。根据实际取水量统计资料,4个阶段的年均取水量分别为159×108m3,258×108m3,320×108m3和334×108m3。可以看出,拟合值和实际值吻合很好。1968年前后年均取水量增加最多,约100×108m3,因此,取水量是形成1968年跳跃点的重要原因。第Ⅲ阶段较第Ⅱ阶段增加约60×108m3,相当于1985年跃度的45%;第Ⅳ阶段较第Ⅲ阶段增加约15×108m3,流域用水量增长已经不大,说明用水量不是导致1996年跳跃点产生的主要原因。从4个阶段取水量计算,引水量占天然径流比重从第Ⅰ阶段的24%上升到第Ⅱ阶段的44%,第Ⅲ和Ⅳ阶段分别为65%和79%,说明了流域取水量已成为影响黄河入海径流变化的主要原因,入海径流从第Ⅰ阶段受自然变化影响为主逐渐过渡至第Ⅲ阶段后受人类活动影响为主。3.2.2水土保持措施的影响人类活动改变流域下垫面状况,对改善流域水循环特性具有重要影响。水土保持措施的实施,增加了入渗量,减少了径流系数和径流量。截止2000年底,流域累计治理水土流失面积18.45×104km2,占黄土高原总水土流失面积的43%,在有效地拦蓄了泥沙的同时,也改变了下垫面的产流特性,大大减少了产流量。20世纪70年代以后,水土保持措施开始发挥作用,据估计,由于水土保持措施的实施,每年减少径流量约35×108m3,相当于刘家峡水库运用初期的汛期蓄水量。按照前面跳跃点分析结果把天然径流量以1985年为界划分为两个时期,不同时期的降雨量与天然径流量关系见图5。从图5中分析可得,两个时期降雨量与天然径流量相关系数较高,P值均小于0.01,说明降雨量与天然径流量关系保持较好一致性。1985年之后,一方面降雨量偏少,另一方面,从趋势线斜率看,前一阶段的斜率明显大于后一阶段,反映出产流率下降。由于这里所用的天然径流量只还原了人类活动取水量,并没有考虑水土保持等间接人类的影响,因此,这里产流率下降主要与流域下垫面改变有关,此外,还可能受气温的影响。需要注意的是1989年点位明显偏高,原因可能有二:一是径流集中在秋汛期,蒸发等因素影响较小,二是产流率较高的上游源区降雨偏多,这一年出现1950年以来源区降雨最大记录。3.2.3期向非汛期转移目前,黄河干流已建成9座大、中型水利工程(表3),这些工程对流域径流和泥沙产生了重要影响。受淤积及利用方式限制,能起到调节径流作用的只有龙羊峡、刘家峡、三门峡和小浪底4个大型水库。一般而言,水库调节只会改变径流的时间分配,在足够长的时间尺度上不会直接减少水量(水库增加的水面蒸发损失除外,这部分一般不大)。水库蓄水主要用于灌溉,导致径流减少的是灌溉而不是水库,人类净引水量的增大才是主要原因。但是由于水库的年内调节,使水量的分配由汛期向非汛期转移,这部分转移水量产生两种效应:一是减少汛期径流量,二是增加了非汛期潜在用水量。从表3中可以看到,三门峡水库于1960年蓄水,蓄水当年下游便发生断流事件。但由于20世纪60年代降雨偏多,水库运用初期淤积问题严重,年蓄水量相对较小,虽能调蓄部分水量,但由于当时下游灌溉面积较小,用水量有限,因此后期径流均值未出现大幅下降趋势。跳跃点1968年与刘家峡水库正式投入使用的时间相吻合。水库投入使用后,汛期拦截洪水,非汛期放闸泄水,1969～1985年汛期年均蓄水26.9×108m3,非汛期平均泄水量24.7×108m3,年径流量减少2.2×108m3。刘家峡单库调节对年径流影响不大。龙羊峡水库自1986年10月蓄水到1989年11月底共蓄水160.3×108m3,龙羊峡和刘家峡两水库联合运用,平均每年蓄水约50×108m3,这期间只蓄不泻,导致径流系列在1985年出现较大转折。1990～1996正常运用后,汛期减少40×108m3/a,非汛期增加48×108m3/a,河口镇站年径流略呈上升,但由于下游非汛期灌溉耗水量增加量较大,水量与用水量相抵,年径流变化不大。1996年以后,黄河流域降雨持续偏少,进入一特枯时段,受前面连续枯水年影响,干旱情况已达到十分严重的程度,工农业需水量相应上升,生态耗水量增大,在这种背景下,小浪底水库又于1999年10月建成蓄水,至2004年10月,水库累计蓄水37.77×108m3,年均蓄水7.55×108m3,导致这一阶段入海径流量极度萎缩。4断流分析结果断流是自然和人类活动协同作用的结果。历史上,黄河断流多次发生。古代断流,干流约数百年发生一次,支流约数十年一次。新中国成立后,除第Ⅰ阶段三门峡枢纽建成截流和凌汛期蓄水使得黄河干流利津断面断流141天外,其余年份均未发生断流。自1972年始,黄河下游出现经常性断流,1972～1999年的28年中,共有22年发生断流,断流历时和断流河长均不断增加(图6)。为了分析断流和入海径流的关系,用各阶段的断流几率(断流年份总数/阶段总年数)、年均断流河长与4个阶段实测年均径流量进行相关分析。考虑到第Ⅳ阶段1999年之后下游来水完全受小浪底水库的调节作用,与此前情况没有可比性,因此这一阶段只统计1997～1999年,分析结果见图7。断流几率、年均断流河长与入海径流之间的关系可表示为:yj=1.272-0.0024ysR=-0.985Ρ=0.015(16)yh=547.15-1.14ysR=-0.957Ρ=0.043(17)其中,yj和yh分别代表断流几率和年均断流河长。从分析结果可以看到,两个断流指标与入海径流量相关关系很好,第Ⅰ阶段黄河入海年均径流量为501.5×108m3,除三门峡建成年(1960年)由于运用不当发生断流外,下游均未发生断流;到第Ⅱ阶段入海年均径流量减少到327.0×108m3,断流河长增长,断流几率升高,17年中有10年下游出现断流,处于间歇