黃河黃海污染物輸移的生態(tài)環(huán)境效應分析

黃河黃海污染物輸移的生態(tài)環(huán)境效應分析

河流水資源嚴重破壞。同時，該流域水資源開發(fā)率高，受到人類活動的嚴重影響。近年來,流域地表徑流量銳減,下游斷流頻繁,黃河逐漸成為一條季節(jié)性河流,這種銳減不僅反映在時間尺度較長的年代際變化,也反映在短歷時的暴雨洪水過程上;斷流、調水調沙、水土保持、南水北調等重大事件對黃河入海徑流的演變過程產生了重要影響,出現(xiàn)了許多新的科學問題。近幾年針對黃河入海水沙通量的研究較多,一方面對入海徑流的變異特征及變化規(guī)律進行了系統(tǒng)的分析,申冠卿等分析了下游水沙變化對河道演變的影響;李勇等分析了黃河干流徑流泥沙特性,得出汛期徑流泥沙大量減少、非汛期徑流量沿程減少加劇、中大流量出現(xiàn)機率大為降低、洪峰流量降低以及泥沙組成規(guī)律未發(fā)生趨勢性變化等重要認識;張治昊和胡春宏研究了黃河口尾閭河道對水沙變異的萎縮響應;茹玉英等認為進入河口的水沙量、水沙年內分配和年際變化、水沙搭配、洪水特性等均發(fā)生了特征性變異;劉勇勝等對入海水沙通量的變化趨勢進行了分析。上述研究成果對實測入海徑流的變化趨勢、季節(jié)變化、水沙關系等有了進一步的認識。另一方面,在深入分析影響入海水沙變化的原因及機制方面做了大量工作,張士鋒等研究了降雨不均勻性對天然徑流的影響;許炯心等研究了降雨和人類活動對入海水沙通量的影響;李希寧等對影響黃河河口來水、來沙量的因素進行了探討;Xu對氣候變化和人類活動對入海徑流的影響進行了定量評估;張歐陽等分析了流域洪水對入海泥沙通量的影響。上述兩方面研究取得了較大進展,但由于入海水沙通量問題涉及整個流域,從不同資料出發(fā),分析的角度也存在差別。從目前來看,對入海徑流是否存在明顯的階段性特征、徑流變化對斷流的影響、自然變化和人類活動對入海徑流影響的定量研究涉及較少。本文從隨機水文學的角度出發(fā),分析了黃河入海徑流變化的階段性特征;并結合流域降雨、氣溫、用水資料,采用回歸分析、相關分析等數理統(tǒng)計方法,探討了自然變化和人類活動對入海徑流的影響。1徑流時空分布本文所用資料一部分來自黃河水利委員會,為黃河利津水文站1950～2002年實測月均流量數據和1950～1997年均天然徑流量數據,其中還原的天然徑流量是實測年徑流量與各種還原水量之和,未考慮間接的人類活動引起下墊面條件變化對徑流的影響。流域年均氣溫數據為流域21個氣象站的算術平均數據;降雨數據根據流域花園口以上913個雨量站統(tǒng)計數據按面積加權平均得到,皆引自文獻?；▓@口以上流域面積占整個黃河流域面積的97%,因此,用花園口斷面降雨量代表整個流域的降雨量具有一定的可靠性。1998～2004年的天然徑流、降雨及流域用水量數據皆參考歷年《黃河水資源公報》。2流量變化的漸進性分析2.1實測徑流、天然徑流及降雨序列分析本文利用費希爾最優(yōu)分割法進行跳躍點的檢測,費希爾最優(yōu)分割法指對任意指定的分類數K,總能將N個樣本分為K類,且使各類直徑的總和S達到最小,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個對象分為K類的分類數目為R(N,K),則R(N,K)=KR(N-1,K)+R(N-1,K-1)(3)且R(Ν,1)=R(Ν,Ν)=1(4)我們在利用最新資料的基礎上,對實測徑流、天然徑流及降雨量序列進行了跳躍點分析。結果顯示,實測徑流、天然徑流系列均在1968年、1985年和1996年S*n的值達到最小,為可能的跳躍點。1985年為降雨量可能存在的跳躍點。其中,實測徑流跳躍點1968年和1985年與李希寧等的結論一致,周曉霞等則認為1986年為一分界點。2.2天然徑流和實測徑流為了評價上述3個跳躍點的顯著性水平,采用秩和檢驗法對跳躍點的顯著性進行了檢驗,并按跳躍點分段對跳躍點前后時段系列進行均值檢驗,以確定跳躍點前后時段躍度的差異顯著性。檢驗結果見表1。從檢驗結果分析看,降雨量在1985年之后有一定的減少,但減少幅度并不大,未達到99%的顯著性;天然徑流量1985年后的減少幅度增大,到達99%的顯著性水平,并且1996年前后的天然徑流量也出現(xiàn)一定的下降,秩和檢驗顯著性只有95%,均值檢驗無顯著性,說明下降幅度并不明顯;實測徑流量則分別在1985年、1968年和1996年出現(xiàn)明顯的階段性下降,除1996年秩和檢驗只通過了95%的顯著性外,其余均達到99%的顯著性水平。從上面分析可知,降雨量僅在1985年有微弱的下降。相對于降水,天然徑流下降幅度增大,兩者皆可分為兩個不同階段;而實測徑流則呈明顯的4個階段變化。其中,1985年是降雨量、天然徑流量和實測徑流量共同的轉折點。2.3實測信噪比和平均流量綜合對跳躍點的分析,可以認為黃河入海徑流呈現(xiàn)較明顯的階段性變化特征(圖1),天然徑流量以1985年為界分為兩個階段,1952～1985年和1986～2004年的年均徑流量分別為621.7×108m3和461.8×108m3,躍度為159.9×108m3。實測徑流量以1968年、1985年和1996年為界分為4個階段:即Ⅰ(1950～1968年),Ⅱ(1969～1985年),Ⅲ(1986～1996年)和Ⅳ(1997～2004年)。4個階段的多年平均徑流量分別為501.5×108m3,327.0×108m3,174.1×108m3和103.1×108m3,相應跳躍點的徑流量躍度分別為1968年為174.5×108m3,1985年為132.9×108m3,1996年為71×108m3。3水流場變化特征的分析3.1自然變化對海洋徑流量的影響3.1.1年際變化曲線顯著性分析采用Mann-Kendall方法對流域年均降雨量(1950～2004年)、天然徑流量(1952～2004年)及實測徑流量(1950～2005年)系列進行了變化趨勢的顯著性檢驗。給定顯著性水平a=0.01,實測徑流量、天然徑流量系列的肯德爾檢驗統(tǒng)計量|U|>|Ua/2|=2.58,具有顯著的變化趨勢;而年均降雨量系列的肯德爾檢驗統(tǒng)計量|U|<|Ua/2|=1.96(a=0.05),沒有達到一定的顯著性。根據流域降雨、徑流資料作出年際變化曲線(圖2),并對降雨量、天然及實測徑流量與年份進行趨勢模擬,模擬方程式分別為: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分別代表降雨量、天然徑流量和實測徑流量,x為模擬年份,R為相關系數,P表示顯著性水平。從3個模擬方程式中可以看出,x的系數全為負值,說明近50年來流域降雨量、天然徑流量與實測徑流量均呈減少趨勢,只是在程度上有很大差別。從降雨量回歸方程來看,代表線性趨勢檢驗顯著性水平的P值等于0.1064,大于0.05,說明降雨量線性減少趨勢在α=0.05的顯著性水平上并不明顯。從年代上看,年降雨量在20世紀50年代、60年代和70年代偏豐,80年代和90年代偏枯,90年代偏枯幅度較大,偏少6.6%;年徑流量50年代、60年代和80年代偏豐,70年代和90年代偏枯,90年代偏枯,幅度達22.5%?？梢钥闯?徑流隨降雨減少而減少,而且徑流減少幅度要大于降雨變化幅度。3.1.2年氣象系數減少量作水數,氣流系數提升至資源利用的主要動力有據實測資料,自20世紀70年代始,黃河流域年均溫度出現(xiàn)上升趨勢,到90年代后期,氣溫上升約1℃,同時,降雨量下降,流域氣候趨于暖干。氣溫上升對徑流最大的影響在于增加流域蒸發(fā)量,減少產流量。已有研究成果顯示,黃河流域年均氣溫上升1℃,蒸發(fā)能力將上升5%～7%。根據流域天然徑流、流域面積和降雨數據求得各年的徑流系數,繪出年均氣溫系列和徑流系數系列變化曲線(圖3),并進行線性擬合,二者變化趨勢可用下式表示: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分別代表年均氣溫和徑流系數。從方程式可以得出,氣溫和徑流系數呈相反的變化趨勢,氣溫越高,蒸發(fā)量越大,徑流系數越小,產流越少。3.1.3利用月水量平衡模型預測降雨和氣溫徑流對氣候變化的敏感性分析可以幫助我們鑒別氣候變異對徑流影響的幅度。從表2中可以看到,第Ⅰ階段(1950～1968年)降水增加4.81%,徑流增加17.0%;到第Ⅳ階段(1997～2004年)降雨減少6.0%,徑流減少25.43%,在這4個階段徑流共減少約42.43%。為了探討黃河流域徑流(yt)與降水(yp)、徑流(yt)與氣溫(yq)的關系,我們分別對徑流與降雨、徑流與氣溫的關系進行了指數函數和線性函數擬合。從公式(10)和(11)發(fā)現(xiàn)指數函數與線性函數方程的相關系數幾乎相等?？紤]到研究尺度較大,可以認為利用非線性與線性關系來預測徑流與降雨和氣溫的關系對結果影響不大。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)王國慶等用月水量平衡模型對黃河流域模擬結果顯示:黃河流域氣溫升高1℃,而降水不變時,徑流將減少3%～7%;當降水減少10%,氣溫不變時,徑流將減少12%～18%;降水增加10%,氣溫不變時,徑流量將增加12%～22%;其模擬結果也具有明顯的線性關系(具體數據見文獻)。從表2中可以看到,降雨量距平絕對值小于10%,氣溫升高小于1℃,根據模擬結果我們對本研究4個階段的降雨和氣溫對徑流造成的影響按線性分別進行內插計算,然后相加求和,最終得到不同時期降雨和氣溫對徑流造成的影響程度?？梢源笾屡袛?第Ⅰ階段和第Ⅱ階段受氣溫和降雨影響,預測徑流距平約5.8%～10.6%和0.8%～1.5%,實際徑流距平皆大于預測量;第Ⅲ階段和第Ⅳ階段降水偏少,氣溫升高明顯,預測徑流距平為-8%～-13.4%和-10.2%～-17.8%,其中第Ⅳ階段實際徑流距平比預測值偏小7.63%～15.23%。這4個階段實際徑流量距平與預測量差值由正轉負,這反映了間接人類活動,如水土保持減水,土壤干化,水庫的水面蒸發(fā)等消耗水量的增加對天然徑流的影響。3.2人類活動對沿海徑流的影響3.2.1提取水量yti在已有天然徑流和實測徑流資料情況下,本文通過天然徑流與實測徑流的差值來計算流域引水量。為了分析取水量對徑流階段性的影響,利用各年統(tǒng)計資料,繪出1950～1968年、1969～1985年、1986～1996年和1997～2004年這4個階段年降雨量與天然徑流,降雨量與實測徑流關系(圖4),以此來分析各階段取水量的變化情況。對4個階段降雨與天然徑流、降雨與實測徑流之間的關系進行了線性擬合,擬合方程如下: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分別代表第i階段的天然徑流量和實測徑流量,yp代表降雨量。從擬合方程可以看出,除第Ⅲ階段(1986～1996年)降雨徑流關系較差外(P>0.05),其余3個階段相關性都很好,且各階段降雨與天然、實測徑流擬合方程斜率基本相同,反映了階段內流域取水量受降雨量影響很小。把每個階段年均降雨量代入擬合方程計算出天然徑流量和實測徑流量,然后用天然徑流量和實測徑流量的差值代表每個階段的取水量,根據計算結果,4個階段的取水量分別為150×108m3,255×108m3,318×108m3和331×108m3。根據實際取水量統(tǒng)計資料,4個階段的年均取水量分別為159×108m3,258×108m3,320×108m3和334×108m3?？梢钥闯?擬合值和實際值吻合很好。1968年前后年均取水量增加最多,約100×108m3,因此,取水量是形成1968年跳躍點的重要原因。第Ⅲ階段較第Ⅱ階段增加約60×108m3,相當于1985年躍度的45%;第Ⅳ階段較第Ⅲ階段增加約15×108m3,流域用水量增長已經不大,說明用水量不是導致1996年跳躍點產生的主要原因。從4個階段取水量計算,引水量占天然徑流比重從第Ⅰ階段的24%上升到第Ⅱ階段的44%,第Ⅲ和Ⅳ階段分別為65%和79%,說明了流域取水量已成為影響黃河入海徑流變化的主要原因,入海徑流從第Ⅰ階段受自然變化影響為主逐漸過渡至第Ⅲ階段后受人類活動影響為主。3.2.2水土保持措施的影響人類活動改變流域下墊面狀況,對改善流域水循環(huán)特性具有重要影響。水土保持措施的實施,增加了入滲量,減少了徑流系數和徑流量。截止2000年底,流域累計治理水土流失面積18.45×104km2,占黃土高原總水土流失面積的43%,在有效地攔蓄了泥沙的同時,也改變了下墊面的產流特性,大大減少了產流量。20世紀70年代以后,水土保持措施開始發(fā)揮作用,據估計,由于水土保持措施的實施,每年減少徑流量約35×108m3,相當于劉家峽水庫運用初期的汛期蓄水量。按照前面跳躍點分析結果把天然徑流量以1985年為界劃分為兩個時期,不同時期的降雨量與天然徑流量關系見圖5。從圖5中分析可得,兩個時期降雨量與天然徑流量相關系數較高,P值均小于0.01,說明降雨量與天然徑流量關系保持較好一致性。1985年之后,一方面降雨量偏少,另一方面,從趨勢線斜率看,前一階段的斜率明顯大于后一階段,反映出產流率下降。由于這里所用的天然徑流量只還原了人類活動取水量,并沒有考慮水土保持等間接人類的影響,因此,這里產流率下降主要與流域下墊面改變有關,此外,還可能受氣溫的影響。需要注意的是1989年點位明顯偏高,原因可能有二:一是徑流集中在秋汛期,蒸發(fā)等因素影響較小,二是產流率較高的上游源區(qū)降雨偏多,這一年出現(xiàn)1950年以來源區(qū)降雨最大記錄。3.2.3期向非汛期轉移目前,黃河干流已建成9座大、中型水利工程(表3),這些工程對流域徑流和泥沙產生了重要影響。受淤積及利用方式限制,能起到調節(jié)徑流作用的只有龍羊峽、劉家峽、三門峽和小浪底4個大型水庫。一般而言,水庫調節(jié)只會改變徑流的時間分配,在足夠長的時間尺度上不會直接減少水量(水庫增加的水面蒸發(fā)損失除外,這部分一般不大)。水庫蓄水主要用于灌溉,導致徑流減少的是灌溉而不是水庫,人類凈引水量的增大才是主要原因。但是由于水庫的年內調節(jié),使水量的分配由汛期向非汛期轉移,這部分轉移水量產生兩種效應:一是減少汛期徑流量,二是增加了非汛期潛在用水量。從表3中可以看到,三門峽水庫于1960年蓄水,蓄水當年下游便發(fā)生斷流事件。但由于20世紀60年代降雨偏多,水庫運用初期淤積問題嚴重,年蓄水量相對較小,雖能調蓄部分水量,但由于當時下游灌溉面積較小,用水量有限,因此后期徑流均值未出現(xiàn)大幅下降趨勢。跳躍點1968年與劉家峽水庫正式投入使用的時間相吻合。水庫投入使用后,汛期攔截洪水,非汛期放閘泄水,1969～1985年汛期年均蓄水26.9×108m3,非汛期平均泄水量24.7×108m3,年徑流量減少2.2×108m3。劉家峽單庫調節(jié)對年徑流影響不大。龍羊峽水庫自1986年10月蓄水到1989年11月底共蓄水160.3×108m3,龍羊峽和劉家峽兩水庫聯(lián)合運用,平均每年蓄水約50×108m3,這期間只蓄不瀉,導致徑流系列在1985年出現(xiàn)較大轉折。1990～1996正常運用后,汛期減少40×108m3/a,非汛期增加48×108m3/a,河口鎮(zhèn)站年徑流略呈上升,但由于下游非汛期灌溉耗水量增加量較大,水量與用水量相抵,年徑流變化不大。1996年以后,黃河流域降雨持續(xù)偏少,進入一特枯時段,受前面連續(xù)枯水年影響,干旱情況已達到十分嚴重的程度,工農業(yè)需水量相應上升,生態(tài)耗水量增大,在這種背景下,小浪底水庫又于1999年10月建成蓄水,至2004年10月,水庫累計蓄水37.77×108m3,年均蓄水7.55×108m3,導致這一階段入海徑流量極度萎縮。4斷流分析結果斷流是自然和人類活動協(xié)同作用的結果。歷史上,黃河斷流多次發(fā)生。古代斷流,干流約數百年發(fā)生一次,支流約數十年一次。新中國成立后,除第Ⅰ階段三門峽樞紐建成截流和凌汛期蓄水使得黃河干流利津斷面斷流141天外,其余年份均未發(fā)生斷流。自1972年始,黃河下游出現(xiàn)經常性斷流,1972～1999年的28年中,共有22年發(fā)生斷流,斷流歷時和斷流河長均不斷增加(圖6)。為了分析斷流和入海徑流的關系,用各階段的斷流幾率(斷流年份總數/階段總年數)、年均斷流河長與4個階段實測年均徑流量進行相關分析。考慮到第Ⅳ階段1999年之后下游來水完全受小浪底水庫的調節(jié)作用,與此前情況沒有可比性,因此這一階段只統(tǒng)計1997～1999年,分析結果見圖7。斷流幾率、年均斷流河長與入海徑流之間的關系可表示為: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分別代表斷流幾率和年均斷流河長。從分析結果可以看到,兩個斷流指標與入海徑流量相關關系很好,第Ⅰ階段黃河入海年均徑流量為501.5×108m3,除三門峽建成年(1960年)由于運用不當發(fā)生斷流外,下游均未發(fā)生斷流;到第Ⅱ階段入海年均徑流量減少到327.0×108m3,斷流河長增長,斷流幾率升高,17年中有10年下游出現(xiàn)斷流,處于間歇