内陆干旱区水循环变异特征及其对水沙的响应

内陆干旱区水循环变异特征及其对水沙的响应

超过90%的河流来自上游的地表径流补充。其水循环的自然特征与下山直径的变化有关，而变异特征与中、室内水的活动密切相关。因此,内陆干旱区水循环变异临近危机状态(指完全失去自然水循环特征)具有独特的标识特征。根据标识特征变化规律可以预警和指导防控不良的水循环变异情势发生。但是,如何识别和研判人类活动对流域水循环衰变影响程度,有哪些标识特征可作为依据,仍是前沿探讨问题,它对于改善人与水-生态环境之间关系和从根本上解决下游区生态环境问题具有重要意义。西北黑河流域是典型的内陆干旱区,大部分平原区年降水量不足200mm,下游区小于100mm。祁连山区出山地表径流是该流域平原区主要补给水源。刘敏等、齐善忠等、严登华等指出,正义峡河川径流量减少和上游泉流量衰竭与人类活动之间密切相关。张光辉等阐明地表径流过程由天然状态转变为以人为干扰为主,不仅造成中游区地下水补给和泉水溢出过程失去自然特征,而且还导致下游区河流断流和生态需用水量被大量挤占。本文依据2002-2007年期间在该区开展的大量基础研究的资料,探讨内陆干旱区水循环危机性标识与特征。1河流流域及其下游区黑河流域南以祁连山为界,北与蒙古国接壤,东、西分别与石羊河和疏勒河流域相邻,面积14.3×104km2,其中平原5×104km2(图1)。黑河流域的上游是指莺落峡以上祁连山区,地面高程1700～5564m,年降水量300～600mm,冰川雪融水量约4×108m3/a,是黑河流域的补给源区。中游区位于莺落峡至正义峡之间,主要是由张掖盆地和酒泉盆地构成,地面高程1352～1700m,年降水量50～200mm,年蒸发量大于2050mm。下游区包括金塔-鼎新盆地和额济纳盆地,除河流沿岸和居延三角洲外,大部分为荒漠戈壁,年降水量小于100mm,其中额济纳盆地小于50mm,年蒸发量大于3100mm。作为黑河流域平原区水资源主要补给源的较大出山河流(流量大于5×108m3/a)有黑河干流和北大河,其中黑河干流多年平均径流量15.89×108m3/a和北大河6.36×108m3/a。2循环水体的形成和性能2.1.地表水入渗转化为地下水的过程近50年以来黑河流域多年平均出山径流量37.8m3/a,其中天然状态下60%～80%在山前砂砾石戈壁带入渗补给地下水。由黑河干流和北大河串联上游祁连山区、中游区的张掖盆地和酒泉盆地,以及下游区的金塔-鼎新盆地和额济纳盆地,至少存在三次地表水入渗转化为地下水,然后地下水溢出转化为地表水的过程,彼此转化累计重复量占总径流量的60%以上,形成了黑河流域尺度的“河流-地下水”水循环系统。从图2可以看出,近50年以来黑河流域出山地表径流量没有出现持续递减过程,仅在20世纪40年代和70年代出山径流水量处于偏枯状态,而80年代以来处于偏丰水状态。2.2衰减检测特征2.2.1径流生长的均衡性虽然自20世纪80年代以来自祁连山区、进入平原的地表径流水量没有发生持续减少过程(图2),但是通过正义峡进入下游区的径流量却不断减少,实测年径流量多处于自然水循环的均衡趋势线之下(图3a),而且多分布在较小值区内,表现出明显的衰变特征。80、90年代正义峡与莺落峡的实测地表径流量累计值线明显偏离了天然径流量累计线,而且偏离值呈增大态势(图3b)。2.2.2自然状态的调节能力在年内,5月份是正义峡地表径流哀变最为严重的季节(图4),而且在60、70年代就出现了偏离,但是至11月份之后基本恢复自然状态(见图4中2月份和11月份径流线所示),表明这时的人类活动影响尚未超出自然水循环的调节能力范畴。然而,进入80年代以来,5月份径流量偏离幅度不仅不断加大,而且各月份的径流量普遍偏离天然径流线,除了丰水年份之外,难以再出现自然循环特征。2.2.3i年份的实测值从图5可见,20世纪80、90年代正义峡地表径流量测值的离均系数(Km=[(xi-x)/x]Cv,式中xi是第i年份的实测值;x是长系列均值;Cv为变异系数)多为负值,并呈加剧态势,年代多年平均值分别为-0.31和-1.14,而50、60年代多年平均为分别为0.41和0.21。在80、90年代的丰水年份,例如1981、1983和1989年,正义峡径流量分别大于50年系列均值的27.0%、46.3%和49.4%,它们的测值离均系数为正值。2.2.4地下水补给量偏低在黑河流域地表径流过程发生衰变的同时,地下水补给量和泉水溢出量也呈现相应衰减过程。20世纪80年代以来,黑河流域平原区实测地下水补给量偏离了自然补给线,而80年代之前基本处于自然状态(图6a)。相对60年代,90年代的补给量和泉水溢出量分别减少33.1%和49.6%,这与山前修建水库、大规模拦蓄和高防渗渠系引水导致河道入渗补给量减少有关(图6b)。3人类活动影响强度图2已表明,自祁连山区流入黑河流域平原区的出山地表径流量没有发生持续衰减过程,而且在80年代还出现多个偏丰水年份,这说明该区水循环衰变不是气候变化造成的。从图7a可见,正义峡径流量的衰减与黑河流域中游区耕地面积和引用水量增大呈负相关(图7a),而且,20世纪80年代以来中游区耕地面积和农业引用水量都显著持续增大(图7b)。从50年代初至今,黑河流域总人口和灌溉面积分别增长2.2和3.2倍,其中人口的90.6%、耕地总面积的94.5%和国内生产总值的88.7%分布于中游区,这里的用水量占全流域总用水量的82.6%,其中农业用水量占当地总用水量的93.8%。1950-1979年期间黑河干流中游区平均每年用水量仅为3.92×108m3,进入80年代用水量迅速增大,相对50-60年代平均每年用水量增加64.2%;90年代相对80年代,平均年用水量增加26.6%。相对于多年平均地表径流量37.8×108m3/a而言,当中游区引水量大于13.97×108m3/a(干流为5.92×108m3/a)时,平原区水循环过程和地下水补给将受到明显影响,特别是河道入渗补给量和通过正义峡进入下游区地表径流量明显减少。由此可见,黑河流域中游区人口数量和耕地面积的增加是驱动力,农业灌溉引用水量超过自然承载力(安全引用水量)是根本原因。选择人口、灌溉面积、水库、引水量和开采量等因子作为反映人类活动强度的指标,利用指数加权法量化人类活动影响强度的结果表明,人类活动对黑河流域平原区水循环过程和地下水补给影响具有明显的阶段性特征。其中20世纪50年代的人类活动影响强度为19%,60-70年代增大为28%,80-90年代高达54%,平原区地表径流过程已经从20世纪50年代的天然状态转变为目前的以人为干扰为主状态,实测径流线偏离天然状态径流线(图3b和图5),拐点的影响强度为37%在年内,春灌期间人类活动的影响强度为67%,夏季和秋灌期间为22%～23%,冬灌期间为13%(表1)。在各类用水中,农业用水影响占93%,工业和生活用水影响仅占7%。在区域分布上,上、中、下游区的人类活动影响强度,分别为1%、87%和12%。由此进一步表明,中游区农业灌溉引用水量不断增大是黑河流域水循环过程衰变的主导因素和导致下游区来水量急剧减少和生态环境恶化的动因。4流域水循环自然调节能力通过上述研究,得出如下认识:(1)内陆干旱区水资源主要依赖来自上游山区的出山地表径流补给,中游区是人类活动和耗用水资源的主要地区,这样独特的水循环条件,导致内陆干旱区人类活动对水循环变异影响状况具有独特的标识特征,且具有一定的警示性和重要指导意义。(2)当水循环中研究区径流量实测值离均系数小于0时,表明这时该水循环过程已失去了天然状态特征,实测径流量累计过程线明显偏离天然径流量累计过程线。在年内,每年的5月份受春旱农灌大量引用出山地表径流水量影响,地表径流量及其累计过程线偏离天然径流过程线最为严重,地下水补给量及泉水溢出水量也具有类似衰变特征。上述水循环衰减的程度,与该流域中游区灌溉面积和引用水量增加密切相关。其中20世纪80-90年代人类活动对流域水循环衰变影响程度从50年代的19%增大至54%,