小浪底水利樞紐對(duì)周邊局地氣候的影響分析

尚文繡，許明一，嚴(yán)登明

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 研究背景

水庫(kù)的建設(shè)運(yùn)行是河流開發(fā)的重要方式[1-2]，其提供了全球30%～40%的農(nóng)業(yè)灌溉用水，并生產(chǎn)了近17%的電力[3-4]。在為人類帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)利益的同時(shí)，水庫(kù)工程導(dǎo)致生態(tài)要素重新分配，對(duì)河流和相關(guān)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了不同程度的影響[5-7]。水庫(kù)蓄水后庫(kù)區(qū)水位上升并形成大面積水體，改變了區(qū)域水文循環(huán)、物質(zhì)傳輸、生物資源分布等[8-9]，導(dǎo)致水庫(kù)周邊成為受影響最顯著的區(qū)域。

水庫(kù)蓄水后可能導(dǎo)致周邊10～20 km以內(nèi)的氣溫、濕度、風(fēng)速等氣候要素發(fā)生變化[10-11]。當(dāng)前，關(guān)于水庫(kù)對(duì)局地氣候影響的研究方式包括實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬兩種，前者主要用于運(yùn)行多年的已建水庫(kù)，后者可用于預(yù)測(cè)規(guī)劃水庫(kù)或已建水庫(kù)擴(kuò)容的氣候影響[11-13]。采用實(shí)測(cè)氣候數(shù)據(jù)時(shí)，相關(guān)研究一般通過(guò)對(duì)比水庫(kù)蓄水前后局地氣候的變化來(lái)反映水庫(kù)發(fā)揮的作用[14-16]。受土地利用變化、人類活動(dòng)等因素的影響，全球氣候發(fā)生了劇烈變化[17-19]，近60年我國(guó)陸地表面氣溫上升率為0.23 ℃/10 a[20]，北方地區(qū)干旱趨勢(shì)加劇[21-22]。因此水庫(kù)蓄水并非是導(dǎo)致水庫(kù)周邊地區(qū)氣候變化的唯一因素，例如，研究顯示在三峽庫(kù)區(qū)(重慶段)周邊城鎮(zhèn)化發(fā)展對(duì)氣候的影響程度大于水庫(kù)蓄水的影響[23]，然而僅對(duì)比水庫(kù)蓄水前后局地氣候的變化無(wú)法將水庫(kù)發(fā)揮的作用從多因素復(fù)合作用中分離出來(lái)，如何量化水庫(kù)單一要素對(duì)局地氣候的影響是該領(lǐng)域研究的難點(diǎn)。

為了科學(xué)量化水庫(kù)對(duì)周邊局地氣候的影響，本文提出了基于情景對(duì)比的水庫(kù)影響定量分析方法，以小浪底水利樞紐為例，量化了小浪底水利樞紐建設(shè)運(yùn)行對(duì)周邊氣溫和相對(duì)濕度的影響。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

以小浪底水利樞紐為例開展分析。小浪底水利樞紐臨近黃河中游與下游的分界處，壩址以上流域面積為69.42×104km2，該工程于1999年底投入運(yùn)行。樞紐正常蓄水位275 m相應(yīng)庫(kù)容為126.5×108m3，水面面積為279.6 km2。研究區(qū)域示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域示意圖

2.2 水庫(kù)影響定量分析方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

水庫(kù)周邊局地氣候受到水庫(kù)運(yùn)行、下墊面變化、人類活動(dòng)等多因素復(fù)合影響，本文提出基于情景對(duì)比的水庫(kù)影響定量分析方法，將水庫(kù)發(fā)揮的作用從多因素復(fù)合作用中分離出來(lái)。評(píng)價(jià)時(shí)段為小浪底水利樞紐運(yùn)行后的2000-2019年，情景1代表了有小浪底水利樞紐時(shí)該時(shí)段水庫(kù)周邊實(shí)測(cè)氣候狀態(tài)；情景2代表了如果沒(méi)有小浪底水利樞紐，評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)水庫(kù)周邊氣候的模擬狀態(tài)，兩種情景設(shè)置見(jiàn)表1。與情景1對(duì)比，情景2僅改變了小浪底水利樞紐這一個(gè)影響因素，其他自然與人類活動(dòng)影響因素均與情景1保持一致。

表1 小浪底水庫(kù)對(duì)周邊氣候狀態(tài)影響研究的情景設(shè)置

兩種情景下的水庫(kù)周邊氣候狀態(tài)的表達(dá)式為：

FA={fA,1,fA,2,…,fA,n}

(1)

FS={fS,1,fS,2,…,fS,n}

(2)

式中：FA和FS分別為情景1和情景2對(duì)應(yīng)的小浪底水利樞紐下游的氣候狀態(tài)；fA,i和fS,i分別為情景1和情景2第i個(gè)氣候指標(biāo)，i=1～n。

小浪底水利樞紐對(duì)水庫(kù)周邊氣候狀態(tài)的影響E表示為：

E={e1,e2,…,en}

(3)

ei=fA,i-fS,i

(4)

式中：ei為小浪底水利樞紐對(duì)第i個(gè)氣候指標(biāo)的影響。

水庫(kù)蓄水后形成大面積水面，對(duì)氣溫和空氣濕度有較明顯的影響。選取平均氣溫和平均相對(duì)濕度兩個(gè)指標(biāo)反映水庫(kù)對(duì)局地氣候的影響，在時(shí)間尺度上分為年尺度和月尺度，數(shù)據(jù)來(lái)源為國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/)。

2.3 無(wú)水庫(kù)情景模擬方法

采用相關(guān)分析法模擬評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)如果沒(méi)有修建小浪底水庫(kù)情況下的水庫(kù)周邊氣候狀態(tài)，步驟為：(1)選擇小浪底水利樞紐氣候影響范圍內(nèi)的周邊站點(diǎn)和影響范圍外的參照站點(diǎn)；(2)利用小浪底水利樞紐修建前(1960-1989年)的歷史實(shí)測(cè)氣候數(shù)據(jù)建立無(wú)水庫(kù)情況下參照站點(diǎn)與周邊站點(diǎn)各項(xiàng)氣候指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系；(3)假設(shè)如果沒(méi)有修建小浪底水利樞紐，則2000-2019年參照站點(diǎn)與周邊站點(diǎn)各項(xiàng)氣候指標(biāo)之間仍保持1960-1989年的相關(guān)關(guān)系，即可通過(guò)2000-2019年參照站點(diǎn)實(shí)測(cè)氣候指標(biāo)和1960-1989年的相關(guān)關(guān)系得到情景2下周邊站點(diǎn)的氣候指標(biāo)。

相關(guān)研究顯示，大型水庫(kù)對(duì)局地氣候的影響范圍可以達(dá)到近20 km[10]，因此選擇距離庫(kù)區(qū)20 km以內(nèi)的孟津和三門峽2個(gè)氣象站反映小浪底水利樞紐工程周邊氣候；選擇距離庫(kù)區(qū)50 km以外的陽(yáng)城、鄭州和開封3個(gè)氣象站作為參照站點(diǎn)，反映水庫(kù)所在區(qū)域的整體氣候狀態(tài)(表2)。所選參照站點(diǎn)均位于水庫(kù)氣候影響范圍以外，且在小浪底水利樞紐修建前，參照站點(diǎn)的氣溫及相對(duì)濕度與周邊站點(diǎn)具有一致的變化趨勢(shì)。

表2 小浪底水庫(kù)周邊及參照氣象站選擇

1960-1989年參照站點(diǎn)與周邊站點(diǎn)各項(xiàng)氣候指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系式為：

fS,i=aifC,i+bi

(5)

式中：fC,i為3個(gè)參照站點(diǎn)第i個(gè)氣候指標(biāo)的平均值；ai為第i個(gè)氣候指標(biāo)的擬合公式的回歸系數(shù)；bi為第i個(gè)氣候指標(biāo)的擬合公式的截距。

采用t檢驗(yàn)判斷關(guān)系式(5)參照站點(diǎn)與周邊站點(diǎn)各項(xiàng)氣候指標(biāo)之間是否存在顯著線性關(guān)系。計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量t，給定顯著性水平α=0.01，如果t>tα/2(m-2)，表明自變量和因變量之間存在顯著的線性關(guān)系，m為樣本數(shù)量。如果關(guān)系式(5)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，則說(shuō)明該公式可以有效反映小浪底水利樞紐建設(shè)前參照站點(diǎn)和周邊站點(diǎn)各項(xiàng)氣候指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，再將2000-2019年參照站點(diǎn)實(shí)測(cè)氣候指標(biāo)值代入關(guān)系式(5)，即可得到情景2下周邊站點(diǎn)氣候指標(biāo)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 參照站點(diǎn)與周邊站點(diǎn)氣候指標(biāo)擬合效果

為了得到情景2的氣候指標(biāo)，首先需要建立小浪底水利樞紐修建前(1960-1989年)參照站點(diǎn)與周邊站點(diǎn)各項(xiàng)氣候指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系。1960-1989年水庫(kù)周邊站點(diǎn)氣候指標(biāo)與參照站點(diǎn)氣候指標(biāo)間的線性擬合結(jié)果如表3所示。由表3可見(jiàn)，全年及各月份尺度下擬合公式的相關(guān)系數(shù)均不小于0.90，且均通過(guò)了α=0.01顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明兩者具有較好的相關(guān)關(guān)系，可用表3中的擬合公式計(jì)算情景2的氣候指標(biāo)。

表3 1960-1989年水庫(kù)周邊站點(diǎn)氣候指標(biāo)與參照站點(diǎn)氣候指標(biāo)線性擬合結(jié)果

3.2 水庫(kù)對(duì)周邊年際氣候變化的影響

2000-2019年兩種情景下水庫(kù)周邊年均氣溫及年均相對(duì)濕度變化曲線如圖2所示。由圖2 (a)可見(jiàn)，2000-2019年，情景1水庫(kù)周邊每年的平均氣溫均低于情景2，小浪底水利樞紐使水庫(kù)周邊氣溫每年降低0.09～0.92 ℃，每年平均降低0.46 ℃。近年來(lái)，小浪底水利樞紐在降低水庫(kù)周邊氣溫方面發(fā)揮的作用逐漸增強(qiáng)，2000-2009年小浪底水利樞紐使水庫(kù)周邊氣溫年均降低0.26 ℃，2010-2019年小浪底水利樞紐使水庫(kù)周邊氣溫年均降低0.63 ℃。由圖2 (b)可見(jiàn)，2000-2019年期間除2000年外，情景1水庫(kù)周邊每年的平均相對(duì)濕度均高于情景2，小浪底水利樞紐使水庫(kù)周邊相對(duì)濕度每年增大0.80%～7.03%，每年平均增大3.78%。近年來(lái)小浪底水利樞紐在增大水庫(kù)周邊平均相對(duì)濕度方面發(fā)揮的作用逐漸增強(qiáng)。2000-2009年小浪底水利樞紐使水庫(kù)周邊相對(duì)濕度年均增加2.88%，2010-2019年小浪底水利樞紐使水庫(kù)周邊相對(duì)濕度年均增加4.44%。

圖2 2000-2019年兩種情景下小浪底水庫(kù)周邊年際氣候變化曲線

3.3 水庫(kù)對(duì)周邊年內(nèi)氣候變化的影響

2000-2019年兩種情景下小浪底水庫(kù)周邊年內(nèi)月均氣候指標(biāo)如表4所示。

表4 2000-2019年兩種情景下小浪底水庫(kù)周邊月均氣溫和月均相對(duì)濕度變化

由表4可以看出，2000-2019年情景1每月的平均氣溫均低于情景2，說(shuō)明小浪底水利樞紐在年內(nèi)始終發(fā)揮著降低水庫(kù)周邊氣溫的作用。與情景2相比，汛期(7-10月)情景1水庫(kù)周邊平均氣溫降低了0.53 ℃，非汛期(11-次年6月)平均氣溫降低了0.40 ℃。2000-2019年情景1每月的平均相對(duì)濕度均高于情景2，說(shuō)明小浪底水利樞紐在年內(nèi)始終發(fā)揮著增加水庫(kù)周邊相對(duì)濕度的作用。與情景2相比，情景1水庫(kù)周邊汛期平均相對(duì)濕度增大了5.67%，非汛期平均相對(duì)濕度增大了3.31%。雖然汛期小浪底水庫(kù)需進(jìn)行防洪調(diào)度運(yùn)行，庫(kù)水位較低、水面面積較小，但汛期氣溫較高，水面蒸散發(fā)更加強(qiáng)烈，導(dǎo)致小浪底水利樞紐在汛期對(duì)周邊氣候的影響更大。

4 討 論

4.1 區(qū)域氣候變化趨勢(shì)及對(duì)水庫(kù)周邊氣候的影響

小浪底水利樞紐周邊氣候的變化受到水庫(kù)運(yùn)行和更大空間尺度上的區(qū)域氣候變化的共同影響。樞紐庫(kù)區(qū)臨近黃河中游和下游交界處，相關(guān)研究顯示黃河中游和下游地區(qū)呈現(xiàn)出明顯的增溫趨勢(shì)和較高的干旱化程度[24-25]。對(duì)比小浪底水利樞紐運(yùn)行前、后兩個(gè)時(shí)段(1980-1999年和2000-2019年)的參照站點(diǎn)和周邊站點(diǎn)實(shí)測(cè)氣候變化量，進(jìn)一步分析在區(qū)域氣候變化的背景下小浪底水利樞紐對(duì)周邊氣候的影響。

2000-2019年小浪底水利樞紐周邊站點(diǎn)及參照站點(diǎn)的年內(nèi)實(shí)測(cè)平均氣候指標(biāo)相對(duì)于1980-1999年的變化量如圖3所示。

圖3顯示，區(qū)域氣候表現(xiàn)出氣溫升高、相對(duì)濕度降低的變化趨勢(shì)。與1980-1999年相比，2000-2019年參照站點(diǎn)全年平均氣溫升高了1.04 ℃、全年平均相對(duì)濕度降低了5.75%。參照站點(diǎn)各月的氣溫增幅均高于水庫(kù)周邊站點(diǎn)，汛期尤為顯著，汛期參照站點(diǎn)氣溫增幅比水庫(kù)周邊站點(diǎn)平均高0.38 ℃，非汛期參照站點(diǎn)氣溫增幅比水庫(kù)周邊站點(diǎn)高0.28 ℃。與1980-1999年相比，2000-2019年參照站點(diǎn)各月的平均相對(duì)濕度均減小。汛期參照站點(diǎn)相對(duì)濕度減幅比水庫(kù)周邊站點(diǎn)高4.77%，非汛期參照站點(diǎn)相對(duì)濕度減幅比水庫(kù)周邊站點(diǎn)高4.00%。

從圖3中周邊站點(diǎn)實(shí)測(cè)氣候數(shù)據(jù)來(lái)看，小浪底水利樞紐周邊氣候也表現(xiàn)出氣溫升高、相對(duì)濕度降低的變化趨勢(shì)，但變化幅度小于參照站點(diǎn)。與1980-1999年相比，2000-2019年水庫(kù)周邊站點(diǎn)年平均氣溫升高了0.71 ℃，年內(nèi)各月的平均氣溫升高了0.19～2.56 ℃，汛期平均氣溫升高了0.33 ℃，非汛期平均氣溫升高了0.87 ℃；與1980-1999年相比，2000-2019年水庫(kù)周邊站點(diǎn)平均相對(duì)濕度減小了1.46%，9-次年2月的平均相對(duì)濕度增大了0.11%～3.30%，3-8月的平均相對(duì)濕度減小了0.60%～11.04%，汛期平均相對(duì)濕度減小了0.03%，非汛期平均相對(duì)濕度減小了1.98%。

圖3 2000-2019年小浪底水利樞紐周邊及參照站點(diǎn)年內(nèi)實(shí)測(cè)平均氣候指標(biāo)相對(duì)于1980-1999年的變化量

綜合考慮小浪底水利樞紐對(duì)局地氣候的影響，以及1980-1999年和2000-2019年兩個(gè)時(shí)段之間水庫(kù)周邊站點(diǎn)及參照站點(diǎn)的實(shí)測(cè)氣候變化量，發(fā)現(xiàn)小浪底水利樞紐所在區(qū)域呈現(xiàn)出氣溫升高、相對(duì)濕度減小的干旱化趨勢(shì)，但小浪底水利樞紐在水庫(kù)周邊發(fā)揮了降低氣溫和增加相對(duì)濕度的作用，大幅減弱了水庫(kù)周邊的干旱化趨勢(shì)。

在分析水庫(kù)對(duì)局地氣候的影響時(shí)，有必要排除更大空間尺度上氣候變化的影響。例如，介玉娥等[26]2009年發(fā)表的研究成果分析了小浪底水利樞紐對(duì)局地氣候的影響，通過(guò)對(duì)比建庫(kù)前、后的氣候數(shù)據(jù)，認(rèn)為小浪底水利樞紐蓄水造成水庫(kù)周邊的濟(jì)源、孟津、新安等氣象站溫度呈上升趨勢(shì)。但本文研究結(jié)果顯示，這種增溫趨勢(shì)是更大空間尺度上區(qū)域氣候變化的體現(xiàn)，小浪底水利樞紐其實(shí)發(fā)揮了降低水庫(kù)周邊氣溫的作用，但水庫(kù)降溫效果小于區(qū)域升溫效果，導(dǎo)致水庫(kù)周邊仍呈現(xiàn)增溫趨勢(shì)。

4.2 小浪底水利樞紐對(duì)局地氣候影響的可能范圍

參照站點(diǎn)與周邊站點(diǎn)的氣候變化對(duì)比結(jié)果顯示，小浪底水利樞紐對(duì)庫(kù)區(qū)14 km以內(nèi)站點(diǎn)的氣溫和相對(duì)濕度具有顯著影響。根據(jù)國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的氣象站點(diǎn)，在距離小浪底庫(kù)區(qū)14～55 km范圍內(nèi)沒(méi)有站點(diǎn)分布，導(dǎo)致無(wú)法精確識(shí)別小浪底水利樞紐對(duì)局地氣候的影響范圍上限。國(guó)內(nèi)對(duì)水庫(kù)局地氣候影響范圍的研究主要圍繞三峽水庫(kù)展開，已有研究得出的結(jié)論為三峽水庫(kù)對(duì)各類氣候要素的影響范圍一般在20 km以內(nèi)[10-11]?？紤]到小浪底水利樞紐的水面面積小于三峽水庫(kù)，因此推斷小浪底水利樞紐對(duì)局地氣候的影響范圍不超過(guò)三峽水庫(kù)，最大影響范圍在距離庫(kù)區(qū)14～20 km以內(nèi)。

4.3 氣候調(diào)節(jié)對(duì)水庫(kù)周邊生態(tài)服務(wù)的影響

小浪底水利樞紐建成運(yùn)行后發(fā)揮了降低氣溫、增加相對(duì)濕度的氣候調(diào)節(jié)作用，為動(dòng)植物提供了相對(duì)較好的氣候條件，加上地下水位上升、大面積水面形成、管理機(jī)構(gòu)植樹造林等因素的共同作用，水庫(kù)周邊的生態(tài)環(huán)境得到了顯著改善。小浪底水利樞紐庫(kù)區(qū)與樞紐管理區(qū)林草覆蓋率達(dá)到了47%，小浪底國(guó)家水利風(fēng)景區(qū)內(nèi)共有鳥類155種，數(shù)量最多時(shí)有5萬(wàn)多只，是河南省能記錄到的水禽種類最多的區(qū)域。適宜的氣候條件、豐富的動(dòng)植物資源和水利景觀吸引了大量游客，提供了娛樂(lè)審美等生態(tài)服務(wù)。2019年小浪底國(guó)家水利風(fēng)景區(qū)接待游客約70萬(wàn)人次，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5 結(jié) 論

(1)小浪底水利樞紐在水庫(kù)周邊發(fā)揮了降低氣溫、增加相對(duì)濕度的作用。2000-2019年，小浪底水利樞紐使水庫(kù)周邊年均氣溫降低了0.46 ℃、年均相對(duì)濕度增加了3.78%，在汛期發(fā)揮的氣候調(diào)節(jié)作用強(qiáng)于非汛期；小浪底水利樞紐發(fā)揮的氣候調(diào)節(jié)作用隨時(shí)間呈增強(qiáng)趨勢(shì)，與2000-2009年相比，2010-2019年小浪底水利樞紐在水庫(kù)周邊產(chǎn)生的年均氣溫降幅增大了0.37 ℃、年均相對(duì)濕度增幅增大了1.56%。

(2)小浪底水利樞紐減弱了水庫(kù)周邊的干旱化趨勢(shì)。小浪底水利樞紐所在區(qū)域呈現(xiàn)出干旱化趨勢(shì)，與1980-1999年相比，2000-2019年參照站點(diǎn)年均氣溫升高了1.04 ℃、年均相對(duì)濕度降低了5.75%；在小浪底水利樞紐作用下，水庫(kù)周邊年均氣溫升高了0.71℃、年均相對(duì)濕度降低了1.46%，變幅小于參照站點(diǎn)。

(3)在全球氣候變化背景下，分析水庫(kù)對(duì)局地氣候的影響時(shí)需要排除更大空間尺度上的氣候變化的影響。本文提出的水庫(kù)影響定量分析方法能夠?qū)⑺畮?kù)的影響從多因素復(fù)合影響中分離出來(lái)，更加準(zhǔn)確地量化水庫(kù)對(duì)局地氣候的影響。本文采用相關(guān)分析的方法模擬評(píng)價(jià)時(shí)段無(wú)水庫(kù)情景下的周邊氣候，未來(lái)需要進(jìn)一步發(fā)展數(shù)值模擬手段，以提高模擬的精準(zhǔn)性。