窟野河流域水文情势变化分析 地球科学和地理学有什么不同
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IPCC研究结果表明，自1840年以来，随着大气中CO2等温室气体浓度的增加，全球降水、气温等要素发生趋势性变化。从总体情况看，气温将出现升高趋势，而在不同地区降水也出现增加或减少趋势[54]。对于窟野河流域，就目前几十年的资料序列而言，气候变化，水文状况是否也已经相应出现了趋势性的变化？本节对窟野河流域及周边地区5个国家基本气象站的气温及王道恒塔、新庙、温家川把口站和控制站的降水量、径流量、年蒸发量进行统计，分析近50年来窟野河水文变化的一般特性，并采用数理统计方法，检验典型流域气象水文要素变化的趋势。
6.1.3.1 降水变化特点
窟野河流域位于黄河中游干旱半干旱区，受大陆季风气候影响，从1953～2006年的数据统计资料看，流域多年平均年降水量为417.6mm，降水时空分布极不均匀。时间上，年内分配不均(表6.5)，6～9月份降水量占年降水量的71%～88%;最大月降水量出现在7～8月，降水量之和占年降水量的50%～60%，并且多暴雨。空间上，流域内降水量东多西少、南多北少。窟野河流域多年平均年径流量为5.995亿m3，地下径流约占28%，径流主要来源于降水补给。多年平均径流深度在50～104mm之间，径流的年内、年际分布趋势分别取决于降水量的时空分布，径流的年际变化大于降水的年际变化。
表6.6列出了窟野河流域主要水文站降水量的年代特征值，王道恒塔站多年平均年降水量为398.1mm，新庙站多年平均年降水量为399mm，温家川站多年平均年降水量为418.9mm，降水的地区差异不太显著;由表6.6中可以看出，新庙和温家川降水趋势更为相似，20世纪60年代到21世纪初期，降水呈现降-升的趋势，但总体上呈减少趋势;王道恒塔降水呈升-降-升的趋势，总体呈增加趋势。在20世纪90年代，各站降水减少显著。
表6.5 窟野河流域多年月平均降水量统计表
表6.6 窟野河流域主要水文站降水特征值统计表
续表
采用斯波曼秩次相关检验法和秩次相关检验法对窟野河流域主要站平均年降水量趋势性变化是否明显进行分析。表6.7给出主要区域平均年降水量的检验结果。图6.3～图6.5点绘了各站平均降水量年际变化及5年滑动平均过程。
表6.7 窟野河主要水文站年降水量变化趋势检验结果
图6.3 王道恒塔站降水量的年际变化及5年滑动平均过程
图6.4 新庙降水量的年际变化及5年滑动平均过程
图6.5 温家川站降水量的年际变化及5年滑动平均过程
由表6.7结果可知，各站Spearman统计量
6.1.3.2 气温变化特点
气温作为气象的要素，对大气中CO2浓度的变化尤为敏感，气温空间变化梯度也相对较小。因此，选取了窟野河流域具有代表性的5个国家基本站(东胜、伊金霍洛旗、榆林、兴县、河曲)的资料进行气温变化趋势的分析检验，其中这4个站具有较长的观测系列，且位于城市远郊，受都市热岛效应影响较弱，能够反映一个区域的气温变化状况，而伊金霍洛旗资料系列较短，代表性差，在此研究中不作趋势性分析，仅做资料参考。表6.8给出了斯波曼秩次相关检验法和肯德尔秩次相关检验法对窟野河流域内4个基本站气温变化趋势的检验结果，图6.6至图6.9给出各站年均气温变化及5年滑动平均过程。
表6.8 窟野河流域内代表站点平均气温变化趋势检验
图6.6 东胜站年均气温及5年滑动平均过程
图6.7 兴县站年均气温及5年滑动平均过程
图6.8 榆林站年均气温及5年滑动平均过程
图6.9 河曲站年均气温及5年滑动平均过程
由表6.8中可以看出，东胜、兴县、榆林站Spearman统计量
由图6.6～图6.9可知，20世纪80年代前各站气温变化趋势平缓，20世纪80年代后期气温变化趋势略有抬升，20世纪90年代初明显有上升趋势，到20世纪90年代后期，气温明显有升高趋势;东胜、兴县、榆林在20世纪70年代到80年代中期，气温处于持续低谷区，河曲站从20世纪70年代中期到80年代末处于低谷区;从多年平均状况来看，东胜、榆林、河曲、兴县站多年平均气温为5.97℃、8.352℃、8.3498℃、8.694℃，榆林、河曲、兴县气温相接近，均明显高于东胜气温。
尽管仅50年气温序列资料的分析计算不足以证明温室气体浓度增加结果，但从气温长期变化周期规律来看，气温在逐渐呈上升趋势，气候条件正向一个较暖时期过渡。
6.1.3.3 蒸发能力变化特点
蒸发是水文循环的重要环节。一般认为，若假设其他条件没有太大的变化，气温升高将导致区域潜在蒸发增加，而实际蒸发还受其他因素诸如降水、总辐射和日照、空气湿度、风速等多方面的影响。限于影响因素复杂、实测资料少等客观条件，本节选取较长序列典型站新庙、王道恒塔、温家川站，对其蒸发能力进行分析检验。表6.9给出斯波曼秩次相关检验法和肯德尔秩次相关检验法对各站相关检验的检验结果。
表6.9 窟野河代表站点蒸发能力相关检验结果
从表6.9中可以看出，新庙和温家川站的蒸发能力递减率相近，分别为4.18mm/a、5.67mm/a，王道恒塔的蒸发能力递减率较大，超过10mm/a。
图6.10～图6.12绘出了各站年蒸发能力的变化及其5年滑动平均过程。可以看出，各站年蒸发能力均呈现不同程度的递减趋势。其中，新庙站在20世纪70年代中期的蒸发能力明显偏大，20世纪80年代明显减小;其后，蒸发能力的变化相对平稳;王道恒塔站蒸发能力在20世纪70年代中期递减趋势幅度较大，1975年之后递减趋势幅度明显偏小;温家川站蒸发能力总体呈现较为平稳的递减趋势，但在20世纪80年代以后却一直保持增加态势。
图6.10 新庙站年蒸发能力变化及5年滑动平均过程
图6.11 王道恒塔站年蒸发能力变化及5年滑动平均过程
图6.12 温家川站年蒸发能力变化及5年滑动平均过程
一般而言，蒸发能力随着气温的变化而变化。从气温变化趋势可以看出，虽然窟野河流域整体气温呈现上升趋势，但蒸发能力却出现递减趋势。分析认为，可能由两方面的原因所致:①不同年代使用蒸发器皿的不同，资料的处理存在困难，黄河流域在1974年之前采用口径20cm和80cm蒸发器进行水面蒸发观测;而在20世纪80年代之后，采用E601型蒸发器观测;据调查E601型蒸发器观测的结果接近实际水面蒸发，ϕ20cm和ϕ80cm蒸发皿的观测值明显偏大;本研究中采用的蒸发数据均通过蒸发量折算系数统一折算成E601的实测水平，但由于折算方法粗糙，由此带来一定的误差。②蒸发能力是受多种因素影响的，其递减也可能是由于其他因素变化引起蒸发能力的减少超过了气温升高引起的蒸发能力的增大造成的。尽管国内外也已经有相似研究的结论报道[55，56]，但如何更确切地解释这种现象，需要进一步的深入研究。
6.1.3.4 径流量变化特点
窟野河流域位于黄河中游干旱半干旱地区，北部属干旱区，南部属半干旱区，受高强度蒸发影响，流域水资源紧缺，供需矛盾突出。窟野河径流主要来源于降水，水资源同样具有时空分布不均匀特点。表6.10给出窟野河代表站年径流量的变化表。
表6.10 窟野河流域各站实测径流量变化表
从表6.10中可以看出，王道恒塔和温家川站从20世纪60年代到21世纪初，径流量呈逐渐递减趋势;新庙和神木站径流量20世纪70年代略高于60年代，整体也呈递减趋势。窟野河是黄河府谷—吴堡段的最大支流，占其段径流量的35.5%。温家川是窟野河流域入黄控制站，20世纪50年代是丰水期，20世纪60～70年代偏丰，20世纪80～90年代来水明显减少，都属偏枯水序列，21世纪的前几年，来水减少更为突出，属枯水序列。
气候条件和流域下垫面因素对河川径流起着综合决定性作用，降水的波动及气温的趋势性变化会对河川径流产生一定的影响。为分析径流的变化规律，图6.13～图6.15绘出王道恒塔、新庙、温家川站的年径流量及其5年滑动平均过程。
图6.13 王道恒塔年径流量变化及5年滑动平均过程
图6.14 新庙站年径流量变化及5年滑动平均过程
图6.15 温家川站年径流量变化及5年滑动平均过程
由图6.13～图6.15可以看出，3个站的年径流量变化趋势基本一致。在20世纪80年代中期之前，年径流量变幅较大，80年代中期之后年径流量变幅较小。并从各站滑动平均过程线显示可知，20世纪90年代中期之前各站径流量呈现两级阶梯变化，在此之后，基本上呈现比较稳定的递减趋势。从表6.9中可以看出，新庙和温家川站的蒸发能力递减率相近，分别为4.18mm/a、5.67mm/a，王道恒塔的蒸发能力递减率较大，超过10mm/a。
表6.11给出窟野河流域代表站径流量的斯波曼秩次相关检验和肯德尔秩次相关检验结果，王道恒塔、新庙、温家川站的相关统计量均超过相应的临界值，说明窟野河径流量减少趋势比较显著。温家川站变化率最大，为0.116亿m3/a;其次，王道恒塔、新庙分别为-0.043亿m3/a、-0.029亿m3/a，说明温家川径流量减少趋势尤为明显。
表6.11 窟野河流域代表站点径流量相关检验结果
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