干熱河谷干濕變化及灌溉需水變化研究

干熱河谷干濕變化及灌溉需水變化研究

與之前不同，聯(lián)合國(guó)國(guó)家間氣候變化專業(yè)委員會(huì)（picc）的第四次評(píng)估報(bào)告直接將世界氣候變化與溫室氣體排放和溫室氣體濃度結(jié)合起來，并向國(guó)家政府提出了收集行動(dòng)的建議。根據(jù)《氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告》,到2020年中國(guó)平均氣溫可能升高1.3～2.1℃,年均降水量可能增加2%～3%,氣候變暖將導(dǎo)致作物生長(zhǎng)加快,生長(zhǎng)期縮短,種植制度改變,帶來產(chǎn)量不穩(wěn)定性加劇,化肥、農(nóng)藥施用增加等問題。近年來,在全球氣溫、干旱變化趨勢(shì),中國(guó)華北、西北地區(qū)的干旱化進(jìn)程,以及青藏高原、長(zhǎng)江流域、西南地區(qū)的氣溫降水徑流等的變化規(guī)律,都進(jìn)行了有益的研究探索。此外,氣候變化對(duì)北方干旱區(qū)水資源特性和作物需水量的影響分析也有報(bào)道。研究水文氣象要素變化趨勢(shì)的方法有Mann-Kendall檢驗(yàn)、奇異譜分析、消除波動(dòng)趨勢(shì)法(DFA)等,氣候轉(zhuǎn)折點(diǎn)變化研究主要采用R/S分析法等。長(zhǎng)江干流宜賓以上河段稱為金沙江,是中國(guó)干熱河谷分布緯度最北端的流域,主要集中在云南、四川兩省交界的華坪-永善兩個(gè)縣城之間的金沙江干流,及川滇兩省境內(nèi)的達(dá)旦河、龍川江、小江、牛欄江、雅礱江等支流800～1200m以下的區(qū)域,絕大部分還屬于縱向嶺谷研究的對(duì)比區(qū)和滇中主要干旱區(qū)。研究近半個(gè)世紀(jì)以來金沙江干熱河谷的農(nóng)業(yè)灌溉需水變化趨勢(shì)及其對(duì)全球變化的響應(yīng),對(duì)流域?qū)崟r(shí)灌溉預(yù)報(bào)調(diào)度、水資源合理配置等都具有重要意義。1數(shù)據(jù)和方法1.1氣象要素特征(1)云南省境內(nèi)金沙江干熱河谷內(nèi)的元謀、賓川、東川站及支流上游對(duì)比的祥云、楚雄、昆明等站點(diǎn)1960-2000年的逐月最高、最低、平均溫度,相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、降水量等資料,部分資料還向前延至建站有記錄時(shí)起,各站主要?dú)庀笠靥卣髦等绫?。(2)云南省地方標(biāo)準(zhǔn)《用水定額》(DB53/T168-2006)推薦的縣區(qū)主要農(nóng)作物灌溉用水定額。(3)2000年度各個(gè)站點(diǎn)所在灌區(qū)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年報(bào)。(4)關(guān)于基礎(chǔ)資料的系列長(zhǎng)度,由于各個(gè)站點(diǎn)開始有觀測(cè)記錄的年份均不相同,故收集建站-2000年的逐月氣象資料,但ET0和干濕指數(shù)統(tǒng)一按1960-2000年系列,水稻灌溉定額和農(nóng)業(yè)綜合灌溉定額按《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則》要求,為1956-2000年系列,分別進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)和開展趨勢(shì)及轉(zhuǎn)折分析。1.2灌溉需水量及灌溉土壤水分參考作物騰發(fā)量(ET0)的計(jì)算方法是1991年FAO專家咨詢會(huì)議推薦的PenmanMonteith方程。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288-99),作物需水量為ET0與作物系數(shù)、土壤水分脅迫系數(shù)之連乘積,灌溉需水量指作物播種前及全生育期單位面積的總灌水量或灌水深度,可通過田間水層(或土壤水分)動(dòng)態(tài)平衡模擬推求;農(nóng)業(yè)綜合灌溉需水定額是同一區(qū)域(或灌區(qū))種植的各種農(nóng)作物灌溉需水量與其播種面積所占比率的加權(quán)平均值。1.3料的趨勢(shì)檢驗(yàn)Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法(簡(jiǎn)稱MK法)主要用于水文氣象資料的趨勢(shì)檢驗(yàn),如水質(zhì)、流量、氣溫和降雨等。給定顯著性水平α,由正態(tài)分布表查臨界值Mα/2。若|M|<Mα/2,則趨勢(shì)不顯著;若|M|>Mα/2,則趨勢(shì)顯著。且當(dāng)M為正時(shí)表示上升或增加的趨勢(shì),反之則為下降或減少趨勢(shì)。1.4hurst指數(shù)的變異點(diǎn)分析R/S分析法(RescaledRangeAnalysis)主要用于研究流域水文過程的變異點(diǎn),Hurst指數(shù)H>0.50,表示未來的趨勢(shì)與過去一致,H越接近1,持續(xù)性越強(qiáng);H<0.50,表明未來的總體趨勢(shì)與過去相反,過程具有反持續(xù)性,H越接近0,反持續(xù)性越強(qiáng)。在變異點(diǎn)處分維數(shù)D0和Hurst指數(shù)H都發(fā)生較大變化。分別以ξ(t),t=8,9,…,39為分界點(diǎn)將原序列分為兩部分,分別對(duì)其進(jìn)行R/S分析,得到相應(yīng)的Hurst指數(shù)H1和H2之差ΔH,max{ΔH}所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)即為變異最大點(diǎn)。Hurst指數(shù)的分析步驟可參見有關(guān)文獻(xiàn)。2趨勢(shì)分析2.1從年際變化的面,逐步形成以自然來、外來環(huán)境為中心的干旱變化規(guī)律利用氣象資料計(jì)算得到金沙江干熱河谷內(nèi)元謀、賓川、東川站及上游支流對(duì)比站祥云、楚雄、昆明站1960-2000年的逐月ET0系列,并分析其長(zhǎng)期變化趨勢(shì),選擇代表年內(nèi)ET0變化的枯季(12月～次年4月,下同)、雨季(5月～10月,下同)、ET0年值等3個(gè)變量的時(shí)間序列過程,采用Mann-kendall法對(duì)其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn),干熱河谷內(nèi)的結(jié)果如表2,并將上述時(shí)段的月平均溫度、日照時(shí)數(shù)、降水量等主要?dú)庀笠蜃拥内厔?shì)檢驗(yàn)結(jié)果同列于表2。表中數(shù)據(jù)為正表示該時(shí)段對(duì)應(yīng)的列變量呈增加趨勢(shì),反之則呈降低趨勢(shì),查t檢驗(yàn)表,α=0.05時(shí),Mα/2=1.96,若|M|>Mα/2則表示其變化達(dá)到α=0.05顯著性水平。檢驗(yàn)結(jié)果是6個(gè)站都是降水量增加、日照時(shí)數(shù)減少,但氣溫卻出現(xiàn)升高和降低兩種趨勢(shì),即處于干熱河谷的東川、元謀為降溫,支流上游滇中分水嶺地帶的楚雄、昆明為升溫,綜合作用下4個(gè)站的年ET0都是顯著下降,通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn),年內(nèi)變化與年值的趨勢(shì)一致;但在賓川和祥云兩個(gè)相隔很近的站點(diǎn)則剛好相反,祥云為降溫、賓川為升溫,且兩站的年ET0都是上升趨勢(shì),年內(nèi)變化出現(xiàn)有升有降的復(fù)雜情形。金沙江河谷內(nèi)東川、元謀、賓川三站的ET0年值系列變化如圖1所示。由于縱向嶺谷區(qū)降水變化的周期集中在3.5年以下高頻振蕩時(shí)域,并具有年代際變化。為消除周期性變化的影響,將5年滑動(dòng)平均值系列也列出對(duì)比。根據(jù)Vysotskii模型,干濕指數(shù)Ia定義為濕潤(rùn)指數(shù)的倒數(shù),即為ET0與同期降水量的比值。對(duì)應(yīng)的干濕狀況判別條件為:Ia≤0.99為濕潤(rùn)類型,1.00<Ia≤1.49為半濕潤(rùn)類型,1.50<Ia≤3.99為半干旱類型,Ia≥4.00為干旱類型。由于賓川等站點(diǎn)在12月～次年4月之間的枯水期,經(jīng)常出現(xiàn)整個(gè)月降水量為零,即干濕指數(shù)趨于無窮大的奇異情形,按月統(tǒng)計(jì)干濕指數(shù)時(shí)可賦予其一個(gè)大于4.00的常數(shù),以反映出極端干旱狀態(tài),但在全年或分季節(jié)統(tǒng)計(jì)分析時(shí)又不能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生過大影響而使結(jié)果失真。經(jīng)綜合分析后取上限值5.00。通過金沙江河谷內(nèi)東川、元謀、賓川等站的對(duì)比,分析年度的干濕變化趨勢(shì),結(jié)果如圖2所示。自1960年以來,東川、元謀站的年度和枯季干濕指數(shù)都顯著降低,朝逐漸濕潤(rùn)的方向演變,賓川亦為降低趨勢(shì),但未達(dá)到顯著性水平;從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)看,東川站枯季的干濕指數(shù)均大于4.00,基本屬于干旱類型,僅有3年接近或跨過干旱的界限;元謀、賓川兩站則完全屬于干旱類型。雨季只有賓川的干濕指數(shù)增加,其余都是降低,即呈現(xiàn)濕潤(rùn)的趨勢(shì)。進(jìn)一步以賓川站年度和5年滑動(dòng)平均值分析各個(gè)主要?dú)庀笠蜃拥淖兓?guī)律,年值曲線掩蓋了賓川站的氣候變化真實(shí)情況。根據(jù)各自的5年滑動(dòng)平均值曲線(圖略),賓川站的年降水量在1955-1973年和1981-2000年兩個(gè)時(shí)段為持續(xù)增加,但1974-1980年為下降的趨勢(shì);對(duì)應(yīng)的年平均溫度在1971年以前、1987年以后為兩個(gè)持續(xù)降溫期,而1972-1986年則為升溫的趨勢(shì);日照時(shí)數(shù)基本上以1990年左右為界,呈先降后升的趨勢(shì)。綜合作用下,在1990年以后的最近10余年來,由于氣溫下降、降水量增多,盡管日照時(shí)數(shù)增加,ET0仍然呈持續(xù)下降的趨勢(shì),干濕指數(shù)變化規(guī)律也沒有東川、元謀站顯著。金沙江支流上游的楚雄、祥云、昆明3個(gè)站的年度干濕指數(shù)為降低趨勢(shì),但只有楚雄達(dá)到α=0.05顯著性水平。3個(gè)站的年內(nèi)枯季和雨季的干濕狀況極為分明。在枯季,3站的干濕指數(shù)都大于4.00,屬于干旱類型;雨季則都處于1.00～2.00之間,屬于半濕潤(rùn)類型,長(zhǎng)期的干濕變化趨勢(shì)并不明顯?？傊?3個(gè)站的干濕指數(shù)均為下降趨勢(shì),與降水量和ET0都是下降的變化趨勢(shì)相吻合。2.2灌溉需水年際變化根據(jù)《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則》及有關(guān)的技術(shù)路線,結(jié)合金沙江河谷的灌溉用水調(diào)查,分析得到1956-2000年各站的水稻灌溉定額(指一季中稻,下同)和農(nóng)業(yè)綜合灌溉需水定額系列,這是在現(xiàn)狀2000年水平的同一種作物種植結(jié)構(gòu)、土壤及灌溉用水管理模式下,采用歷年逐月氣象、降水資料進(jìn)行灌溉制度設(shè)計(jì),除氣象資料以外的各種邊界條件均未發(fā)生變化,因此,水稻灌溉需水及農(nóng)業(yè)綜合灌溉需水定額系列的年際變化僅反映氣候環(huán)境改變對(duì)作物灌溉需水量的影響。1956-2000年的水稻灌溉及農(nóng)業(yè)綜合灌溉需水定額系列變化趨勢(shì)如表3、圖3所示,表中統(tǒng)計(jì)量的含義同前。各站的水稻灌溉需水定額和農(nóng)業(yè)綜合灌溉需水定額都呈減少趨勢(shì),只有賓川的農(nóng)業(yè)綜合灌溉定額為增加趨勢(shì),元謀的年農(nóng)業(yè)綜合灌溉定額和枯季元謀、楚雄、祥云3站的農(nóng)業(yè)綜合灌溉需水定額都通過α=0.05水平顯著性檢驗(yàn)。金沙江干熱河谷內(nèi)主要灌溉期枯季降水增加、干濕指數(shù)降低,導(dǎo)致水稻及其它農(nóng)作物的灌溉需水定額呈下降趨勢(shì)。但處于達(dá)旦河支流的賓川站在各個(gè)方面的變化都不同于其它站點(diǎn),這可能是賓川降水量最小,極度干旱狀態(tài)下對(duì)氣候變化的反應(yīng)更為敏感,出現(xiàn)不同于其它站點(diǎn)的現(xiàn)象。3離散點(diǎn)分析3.1枯季平均溫度的變異點(diǎn)診斷與分析金沙江干熱河谷內(nèi)元謀、賓川、東川站及支流對(duì)比站祥云、楚雄、昆明的主要?dú)庀笠?、水稻灌溉需水定額及農(nóng)業(yè)綜合灌溉需水定額(年值和枯季)的Hurst指數(shù)見表4、表5。6個(gè)站的ET0年值及枯季、雨季Hurst指數(shù)均大于0.50(昆明和楚雄的枯季除外),呈持續(xù)性變化,過去40多年ET0的降低趨勢(shì),在未來一段時(shí)期內(nèi)仍將繼續(xù)維持。元謀、賓川、東川站年ET0變量的R/S分析結(jié)果如圖4所示。同樣地,對(duì)上述6個(gè)站主要?dú)庀笠蜃娱L(zhǎng)期變化的持續(xù)性分析結(jié)果見表4,部分變異點(diǎn)示意如圖5。東川站的枯季平均溫度,元謀站雨季降水量,賓川站枯季降水量,楚雄站枯季ET0,祥云站年度及枯季、雨季平均溫度,昆明站枯季ET0等8個(gè)變量的Hurst指數(shù)小于0.50,出現(xiàn)反持續(xù)性特征,系列中存在變異點(diǎn)。經(jīng)診斷分析,東川站枯季平均溫度的變異點(diǎn)為1979、1994年,呈“減-減-驟減”的變化過程,即3個(gè)時(shí)段的下降幅度各不相同,且越來越劇烈;元謀站雨季降水量在1956-1994年期間的變化趨勢(shì)不明顯,但1994年后為降水量增加;賓川站枯季降水量在1955-2000年里呈增加的趨勢(shì),但在1992年前后的枯季降水增加幅度越來越大;楚雄站枯季ET0在1960-1988年期間是小幅度減少,但1988年后卻是驟降的趨勢(shì);祥云站年度及枯季、雨季平均溫度的轉(zhuǎn)折變異點(diǎn)在1983-1988年之間,年平均溫度和枯季平均溫度的轉(zhuǎn)折變化趨勢(shì)都是“微增(減)-劇增”,雨季平均溫度的轉(zhuǎn)折趨勢(shì)為“增-減”變化;昆明站枯季ET0在1953-1990年期間為下降趨勢(shì),但1990-2000年卻為劇烈增加的轉(zhuǎn)折變化。如表5所示,只有東川雨季、賓川枯季、祥云年度干濕指數(shù)的Hurst指數(shù)小于0.50,出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化趨勢(shì),東川站雨季干濕指數(shù)呈“減-增”的變化趨勢(shì),轉(zhuǎn)折點(diǎn)為1993年;祥云站年干濕指數(shù)是“微減-驟減”的轉(zhuǎn)折變化,變異點(diǎn)為1992年。賓川站出現(xiàn)異常情況,原因是在1960-2000年逐月干濕指數(shù)中,每年12月至次年4月基本是由于降水很小甚至為零,導(dǎo)致干濕指數(shù)過高,在取上限值后又趨于相同,故難以進(jìn)一步做轉(zhuǎn)折分析。3.2農(nóng)業(yè)綜合灌溉定額的季節(jié)性變化選擇水稻灌溉需水定額和農(nóng)業(yè)綜合灌溉需水定額(分年值和枯季兩個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段)作為代表性農(nóng)業(yè)需水變量,分析系列變化的持續(xù)性,如表5所示。東川、元謀兩個(gè)站水稻灌溉需水定額和除昆明外5個(gè)站點(diǎn)不同時(shí)段農(nóng)業(yè)綜合灌溉定額的Hurst指數(shù)均小于0.50,表明整個(gè)金沙江干熱河谷的農(nóng)業(yè)灌溉需水定額在最近45年里的變化趨勢(shì)是十分復(fù)雜的。東川和元謀兩站水稻灌溉定額系列的轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別為1978、1995年,轉(zhuǎn)折變化卻為“增-減”、“減-增”的相反趨勢(shì)。農(nóng)業(yè)綜合灌溉定額系列的轉(zhuǎn)折變化除賓川站為“增-減”趨勢(shì)外,其余4個(gè)站年度和枯季農(nóng)業(yè)綜合灌溉定額轉(zhuǎn)折變化都是“減-驟減”或“減-增”的趨勢(shì),變異點(diǎn)集中在20世紀(jì)70年代末至80年代初、80年代末至90年代初兩個(gè)時(shí)期。研究表明,云南境內(nèi)90年代以來氣候帶變化最為顯著,加上“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象的存在是上述變異點(diǎn)集中在兩個(gè)時(shí)期的氣候環(huán)境變化原因。金沙江流域內(nèi)部分典型站點(diǎn)水稻灌溉及農(nóng)業(yè)綜合灌溉需水定額系列的轉(zhuǎn)折點(diǎn)分析結(jié)果如圖6所示。4平等和新型水勢(shì)結(jié)構(gòu)(1)采用Mann-Kendall法進(jìn)行1960-2000年金沙江干熱河谷內(nèi)元謀、賓川、東川站及支流上游對(duì)比站祥云、楚雄、昆明的ET0、干濕指數(shù)及農(nóng)業(yè)灌溉需水量的變化趨勢(shì)檢驗(yàn),結(jié)果是降水量增加、日照時(shí)數(shù)減少,但氣溫卻出現(xiàn)升高和降低兩種趨勢(shì),即處于干熱河谷的東川、元謀為降溫,而龍川江、魚泡江、普渡河等支流上游滇中分水嶺地帶的楚雄、昆明為升溫,年ET0都是顯著下降;賓川和祥云兩個(gè)相隔很近的站點(diǎn)則相反,祥云為降溫、賓川為升溫,且兩站的年ET0均是上升趨勢(shì)。各站點(diǎn)的干濕指數(shù)普遍為下降趨勢(shì),即向濕潤(rùn)的方向變化。水稻灌溉需水定額和農(nóng)業(yè)綜合灌溉需水定額各站都呈減少趨勢(shì),只有賓川的農(nóng)業(yè)綜合灌溉定額為增加。(2)通過R/S分析,金沙江干熱河谷