甘肃省长江流域蒸发量时空变化特征及趋势研究

金 泉

(甘肃省陇南水文站,甘肃 成县 742500)

1 研究背景

在地表水循环中,蒸发对地表温度、地表气压、降雨和大气运动等参数的确定具有重要作用。蒸发可以用不同种类的蒸发皿、蒸发计等测量。在我国,普遍采用20cm口径蒸发器及E601型蒸发器。由于20cm口径蒸发器具有便捷性,甘肃省长江流域主要采用这种监测仪器。流域内植被覆盖度高,以乔木、灌木为主,相比甘肃省其他流域,蒸发皿蒸发量明显较小。影响蒸发的因素较多,以风速、水气压、湿度等为主,流域内人类活动相对频繁,也对蒸发量造成一定程度的影响。随着区域经济的不断发展和气候的多变,蒸发量也出现了明显的变化,对流域内的蒸发量进行研究很有必要。部分学者[1-3]研究表明,我国蒸发量出现逐年增大趋势,甘肃省长江流域也不例外,但部分监测站点出现逐年减小趋势,其原因有待进一步分析。甘肃省长江流域主要位于嘉陵江水系,流域内降水量逐年减少[4-7],近年针对嘉陵江水系的研究较多。崔延芳[8]采用集中度、集中期分析法、轮次分析法、线性回归法、Mann-Kendal非参数检验法对嘉陵江干流谈家庄控制站的径流时空变化特征及趋势作了研究,主要研究降水量与径流变化的相关性及趋势,并未对蒸发量展开研究,蒸发量会对河川径流造成很大的影响,尤其在西北干旱气候区。崔延芳[9]又针对嘉陵江水系白龙江碧口站的蒸发量进行了研究,研究表明蒸发量出现增大趋势,并对20cm口径蒸发器的换算系数作了率定,但其研究的范围过于狭小,不能证明整个流域蒸发量的变化特征。大量文献[10-13]研究的多是嘉陵江水系的水沙演变特征,而在流域蒸发量方面的研究非常有限。蒸发量与降水量作为气候变化的主要影响因素,研究其变化特征,对气候变化的研究具有很大的推进作用。本文收集了大量蒸发皿蒸发量资料,针对流域蒸发量的时空变化特征及演变趋势进行研究,对流域气候变化的研究具有重要意义,也将为流域水文循环的研究打下基础,其研究成果同时可作为流域水资源调查评价的参考依据。

2 研究区概况

甘肃省长江流域主要位于嘉陵江水系。嘉陵江[14]发源于陕西凤县秦岭南麓腹地,属长江一级支流,源地海拔2500m,其主要支流有白龙江、西汉水、长丰河、永宁河、广坪河、燕子河、安乐河等,甘肃省长江流域面积38131km2,嘉陵江属于过境甘肃的河流,河长约77.5km,但其支流水系发达,径流量均较大,流域内水资源丰富,以支流白龙江水量为主,其次为西汉水。植被覆盖度较高。流域内主要以土石山地为主,山丘连绵起伏,河流大多处于高山峡谷间,降水量较充沛,属于湿润半湿润气候区。甘肃省长江流域水系及蒸发监测站点见图1。

图1 甘肃省长江流域水系及蒸发监测站点分布

3 蒸发皿蒸发量时空变化特征及趋势研究

3.1 资料来源

资料来源于流域内18处蒸发站点从20世纪60—70年代建站到2021年的实测长系列资料。其中陇南市境内16处,甘南藏族自治州境内2处,均为20cm口径蒸发器的监测资料,由于各站资料起始年份不统一,经过插补展延到1960年,资料经过三性审查,翔实可靠,可以使用。

3.2 研究方法

3.2.1 累积距平法

累积距平法[15]是一种常用的时间序列变异及趋势诊断的方法,在近几年的气候变化趋势研究中广泛应用,其检验结果直观。假设有一时间序列x,在某一时刻t的累积距平可按照以下公式计算:

式中:xi为t时刻序列x的值。当计算出n个时刻的累积距平值时,就能绘制出累积距平曲线,通过观察,找出突变点。

3.2.2 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法[16]是一种非参数检验法,又称为无分布检验法。其检验优越性在于不受异常值的影响,计算更为简单,因此较适用于顺序变量及类型变量。Mann-Kendall检验法经常应用于检测时间序列的变化趋势性,计量公式如下:

式中:t为时间序列;N为资料系列长度;X(t)为第t年的水文要素;X(t′)为水文要素多年平均值;S为非参数统计值;T为检验值;Var(s)为计算量。

3.2.3 Lee-Heghinian法

3.3 蒸发量时序变化特征

3.3.1 年内变化特征

对流域18个蒸发站的逐月蒸发量统计,采用GIS软件对流域月平均蒸发量进行加权计算,最终得到流域月平均蒸发量,点绘月平均蒸发量分配图,见图2。可以看出,蒸发主要集中在4—8月,期间蒸发量占多年平均蒸发量的63.2%,5—8月最为集中,占全年的51.9%,且5月、6月的蒸发量基本持平,分别为150.5mm、151.4mm。7月蒸发量最大,为160.2mm,占全年的13.7%,最小值出现在每年的12月,占全年的3.2%。8月的蒸发量小于5月、6月,主要是8月随着气温逐渐下降,流域内进入连阴雨季节,雨水较多,蒸发量随着下降属正常特征。7月流域内处于气温峰值时段,对蒸发量的影响很大。流域地形地貌复杂,多以河谷为主,风速、风力、气压等受地形影响改变,蒸发量随着受到影响,所以7月蒸发量最大。12月,经历9—11月时间段的阴雨时期,下垫面比较潮湿,相对湿度增大,流域逐渐进入冬季,蒸发量自然下降。整体来看,蒸发主要集中在4—8月,5—8月最为集中,7月蒸发量最大。

图2 甘肃省长江流域月平均蒸发量分配

3.3.2 年际变化特征

流域内年最大蒸发量为1527.1mm,出现在舟曲站,最小值为962.7mm,出现在康县平洛站。极值倍比为1.59,相差不是很大。流域多年平均蒸发量为1171.7mm,采用GIS软件对流域逐年蒸发量平均值进行插值计算,最终得出流域平均蒸发量长系列资料,计算得到蒸发量变差系数Cv值为0.09,分布相对均匀,年际之间的变化不大。通过点绘各站蒸发量的年际变化过程线,采用Mann-Kendall检验法检验,18个站中有7个站蒸发量呈不显著增大趋势,11个站的蒸发量出现逐年显著性减小趋势。点绘流域平均蒸发量年际变化曲线,见图3。可以看出,流域平均蒸发量呈逐年减小趋势。经过计算发现,在1960—2021年,蒸发量共减小315.6mm,平均减小速率为5.1mm/a。

图3 流域平均蒸发量年际变化曲线

采用累积距平法对流域蒸发量系列资料进行检验,检验曲线见图4。可以看出,1960—1974年,蒸发量呈上升趋势,上升过程持续时间较长,增加速率为6.1mm/a,1975年、1976年缓慢减小,1977—1981年出现短暂上升,增加速率为5.8mm/a,1982—2015年一直处于减小趋势,减小速率为1.9mm/a,2016—2018短暂上升,2017—2021年逐年减小,减小速率为2.1mm/a。从图4中不难看出,上升速率不论在哪个区间,速率基本一致,减小速率也基本一致。计算年代间平均减小速率,其减小速率与上述计算的整体减小速率基本吻合。

图4 流域平均蒸发量累积距平曲线

3.3.3 季节变化特征

甘肃省长江流域地处西秦岭南麓,四川盆地以北,可以划3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12至次年2月为冬季[17]。春季蒸发量为376.5mm,占全年的32.1%,夏季蒸发量为457.2mm,占全年的比例最大,为39.1%,秋季蒸发量为201.7mm,占全年的17.2%,冬季蒸发量最少,为136.3mm,占比为11.6%。蒸发量呈现以夏季为主的分布特征,主要原因是受气温影响。春季流域内气温开始上升,蒸发量有所上升。秋季流域内处于连阴雨季节,气温低,湿度大,蒸发量明显下降。春、夏两季占比接近,秋、冬两季较接近。季节蒸发量占比分布见图5。

图5 流域季节蒸发量占比分布

3.4 蒸发量空间分布特征

受下垫面条件等因素的影响,白龙江片与嘉陵江片在气候特征上稍有不同。所以在进行空间分布特征研究时,首先将流域分为白龙江及嘉陵江两个片,分别计算两个片的流域多年平均蒸发量。点汇两个片的平均蒸发量年际变化曲线(见图6),趋势基本一致,说明计算合理。前述提到,流域最大值蒸发量出现在舟曲站,最小值出现在平洛站,舟曲站属白龙江片,平洛站属嘉陵江片。由图6可看出,白龙江片的逐年平均蒸发量整体大于嘉陵江片的蒸发量。这就从侧面印证了二者处于不同的气候区。两个片区的平均蒸发量均出现整体减小的趋势。计算得到嘉陵江片平均蒸发量Cv值为0.11,白龙江片平均蒸发量Cv值为0.09,年际变化均相对稳定且Cv值相差不大。将流域18个站的蒸发量导入GIS软件,采用趋势面法进行分析,发现蒸发量从舟曲、宕昌等海拔较高的站点逐渐向海拔较低的站点递减。

图6 嘉陵江、白龙江片平均蒸发量年际变化过程线

为进一步验证这一空间分布特征,提取各监测站点GGCS2000坐标系下的高程,点绘蒸发量随高程演变图,见图7,可以看出,随着高程的增大,蒸发量也随之增大,分析结论与GIS软件趋势面分析基本一致。说明流域内蒸发量基本呈现这样的空间分布特征。出现嘉陵江片比白龙江片蒸发量小的主要原因还是下垫面条件及人类活动的影响。嘉陵江片植被覆盖度远远高于白龙江片,侧面证明了人类活动要比白龙江片少。相关研究表明[18],白龙江片现有各类水电站233座,占甘肃省长江流域水电站总数的77.9%,其中大中型水库3座,小型水库20座以上,水电开发是造成白龙江片蒸发量偏大的主要原因之一,其影响机理有待进一步研究。

图7 甘肃省长江流域各站点蒸发量随高程演变

3.5 蒸发量演变趋势研究

给定显著性水平a=0.05,采用上述提到的累积距平法、Mann-Kendall检验法、Lee-Heghinian法等三种方法对流域平均蒸发量序列进行检验,检验结果(见表1)表明,蒸发量整体呈现逐年减小趋势。累积距平法检验显示|T|=6.9404>ta/2=2.0003,趋势变化显著;Mann-Kendall检验显示|T|=4.8046>Ta/2=1.96,趋势变化显著;Lee-Heghinian法检验显示|T|=8.9811>ta/2=2.0003,趋势变化显著。上述三种方法均检验出流域蒸发量在1974年出现变异。累积距平法检验曲线见图3,Mann-Kendall检验法、Lee-Heghinian法检验曲线见图8、图9。

表1 甘肃省长江流域平均蒸发量趋势性检验结果统计

图8 流域平均蒸发量Mann-Kendall检验曲线

4 结论及建议

4.1 结论

本文在收集甘肃省长江流域18个蒸发站点实测蒸发量资料的基础上,经过分析整理,采用多种方法对流域平均蒸发量做了计算,对时空变化特征及演变趋势进行研究,得出以下结论:

a.时序变化方面。蒸发主要集中在4—8月,5—8月最为集中,占全年的51.9%,7月蒸发量最大;流域平均蒸发量整体呈逐年减小趋势,在1960—2021年,蒸发量共减小315.6mm,平均减小速率为5.1mm/a;受气温影响,蒸发量主要呈夏季集中、春季次之的分布特征。

b.空间变化方面。受下垫面条件等因素的影响,白龙江片的逐年平均蒸发量整体大于嘉陵江片的蒸发量,两个片区的平均蒸发量均出现整体减小的趋势;蒸发量从舟曲、宕昌等海拔较高的区域逐渐向海拔较低的区域减小。

c.趋势变化方面。三种方法均检验出流域蒸发量在1974年出现变异且流域蒸发量呈现逐年减小趋势,减小趋势具有显著性。

4.2 建议

水电的合理开发将有利于流域生态环境的治理,过度开发将会导致流域整体水文特性及气候条件发生重大改变。目前,有相关研究表明,人类活动对流域蒸发、径流、降水等要素的影响很大,建议下一步纳入水电站建设情况、流域下垫面变化、土地利用变化等影响因素展开研究。