試析氣候變化在車爾臣河流域的水文效應

琪美格 才文華

（1.新疆巴州水文水資源勘測局 新疆 庫爾勒 841000；2.新疆巴州水利水電勘測設計院 新疆 庫爾勒 841000）

1 概況

車爾臣河是新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)昆侖山、阿爾金山系中最大的河流，發(fā)源于昆侖山-阿爾金山北坡，集水面積24692km2，河源分布有6973m的木孜塔格峰，該河流經(jīng)且末縣處設有且末水文站，是新疆巴州南部包括昆侖山～阿爾金山在內(nèi)的339170km2行政區(qū)域唯一水文站。

車爾臣河年徑流量達8億m3，是塔里木盆地東南部徑流量最大的河流，歷史上每年有2億m3的水通過若羌縣縣境內(nèi)的臺特瑪湖注入羅布泊，近30年內(nèi)，車爾臣河僅在冬季和洪水季節(jié)才有水流入臺特瑪湖，現(xiàn)在，且末縣和若羌兩縣每年從車爾臣河的引水量只有3億m3。由于流沙的堵塞，車爾臣河在歷史上曾三次被迫改道，使聞名西域的且末古城兩度被風沙吞噬。現(xiàn)在，河東的沙漠仍以每年5m～10m的速度自東向西推進，直接威脅縣城的安全。文章選用且末縣的水文資料，就氣溫對河流徑流量的變化進行分析。

2 影響年徑流量的降水氣溫因素

2.1 基本資料

選用車爾臣河且末水文站1957年～2006年年徑流量、1月～12月月降水量及年降水量、1月～12月月平均氣溫及年平均氣溫資料。

2.2 用逐步回歸分析法挑選影響年徑流量的降水氣溫因素

逐步回歸分析是應用“雙重檢驗”（即引進和剔除因子檢驗）方法，來研究具有線性關(guān)系的一個因變量與一個以上自變量之間的相關(guān)關(guān)系。

在信度α=0.10時，選用且末水文站1957年～2006年年徑流量為自變量、1月～12月月年平均氣溫及月年降水量等26個序列為因變量進行逐步回歸分析，得回歸方程：

式中，Y是年徑流量，X1是年降水量，X2是4月月平均氣溫，X3是3月降水量，X4是2月降水量，X5是5月月平均氣溫。復相關(guān)系數(shù)R=0.6384。

t檢驗與F檢驗：t=5.5＞t(0.001/2)=3.53，F(xiàn)=6.06＞ F(0.001)=5.02，說明回歸分析均通過信度α為0.001的t檢驗與F檢驗，上述5個因變量可作為影響年徑流量的主要降水、氣溫因素來進行趨勢和周期分析。

由于且末水文站1957年～2006年2月、3月別有41個月無降水，且2月、3月多年平均降水量僅占年降水量的1.7%和2.6%，故不宜識別和提取連續(xù)性確定函數(shù)，本次僅對年降水量及4月、5月月平均氣溫進行趨勢和周期分析。

3 降水氣溫因素趨勢分析

在識別和提取時間序列的趨勢函數(shù)時，可采用下列關(guān)系式作為趨勢函數(shù)的近似擬合值：

式中，t=1、2、…、n，n 是樣本容量。

將上述關(guān)系式中 t、t2、t3、t4、t-1、t-2、t-1/2、t1/2、et、lnt等10項按時間t的次序計算排列，可得到樣本容量為n的10個時間序列。將這10個時間序列與所分析的時間序列QS(t)建立逐步回歸方程，用逐步回歸分析法來估計關(guān)系式中的參數(shù)bi（i=0、1、2、…、10），給出QS(t)的具體形式。若通過一定信度α的t檢驗與F檢驗，則QS(t)的具體形式就是時間序列所隱含的趨勢函數(shù)。

3.1 年降水量趨勢分析

在信度α=0.10時，對且末水文站1957年～2006年年降水量進行逐步回歸趨勢分析，得趨勢函數(shù)：

t檢驗與F檢驗：t=3.03>t(0.01/2)=2.68，F(xiàn)=9.16>F(0.01)=7.16，說明回歸分析均通過信度α為0.01的t檢驗與F檢驗。

且末水文站1957年～2006年年降水量趨勢變化見圖1，可見呈遞增趨勢。

3.2 4月月平均氣溫趨勢分析

在信度α=0.10時，對且末水文站1957年～2006年4月月平均氣溫進行逐步回歸趨勢分析，得趨勢函數(shù)：

t檢驗與F檢驗：t=2.19＞t(0.05/2)=2.01，F(xiàn)=4.81＞F(0.05)=4.03，說明回歸分析均通過信度α為0.05的t檢驗與F檢驗。

且末水文站1957年～2006年4月月平均氣溫趨勢變化見圖2，可見，1976年之前無明顯的單向增減趨勢，1976年（尤其1986年）之后呈遞增趨勢。

3.3 5月月平均氣溫趨勢分析

在信度α=0.10時，對且末水文站1957年～2006年4月月平均氣溫進行逐步回歸趨勢分析，得趨勢函數(shù)：

t檢驗與F檢驗：t=2.24＞t(0.05/2)=2.01，F(xiàn)=5.03＞F(0.05)=4.03，說明回歸分析均通過信度α為0.05的t檢驗與F檢驗。

且末水文站1957年～2006年5月月平均氣溫趨勢變化見圖3，可見呈遞增趨勢。

4 降水氣溫因素周期分析

4.1 年降水量周期分析

從樣本序列中識別周期時，可用方差分析法進行判斷。對且末水文站1957年～2006年年降水量進行方差分析，得5個周期波：

信度α=0.05時，方差比F=1.97＞F(α)=1.92，存在長度為18的第1周期。α=0.05 時，F(xiàn)=2.13＞ F(α)=1.91，存在長度為23的第2周期。α=0.05時，F(xiàn)=2.63＞F(α)=2.56，存在長度為5的第3周期。α=0.1時，F(xiàn)=1.81＞ F(α)=1.71，存在長度為13的第4周期。α=0.1時，F(xiàn)=2.85＞F(α)=2.41，存在長度為3的第5周期。

4.2 4月月平均氣溫周期分析

對且末水文站1957年～2006年4月月平均氣溫進行方差分析，得2個周期波：

信度α=0.05時，方差比F=2.02＞F(α)=1.91，存在長度為20的第1周期。α=0.1時，F(xiàn)=2.23 ＞ F(α)=1.73，存在長度為12的第2周期。

4.3 5月月平均氣溫周期分析

對且末水文站1957年～2006年5月月平均氣溫進行方差分析，得4個周期波：

信度α=0.025時，方差比F=2.21＞F(α)=2.2，存在長度為17的第1周期。α=0.05 時，F(xiàn)=4.03＞ F(α)=4.03，存在長度為2的第2周期。α=0.1時，F(xiàn)=1.92＞F(α)=1.81，存在長度為9的第3周期。α=0.1時，F(xiàn)=2.39 ＞ F(α)=1.65，存在長度為24的第4周期。

5 年徑流量趨勢與周期分析

5.1 年徑流量趨勢分析

在信度α=0.025時，對且末水文站1957年～2006年年降水量進行逐步回歸趨勢分析，得趨勢函數(shù)：

t檢驗與F檢驗：t=4.07＞t(0.001/2)=3.51，F(xiàn)=8.28＞ F(0.001)=8.03，說明回歸分析均通過信度α為0.001的t檢驗與F檢驗。

且末水文站1957年～2006年年徑流量趨勢變化見圖4，可見20世紀90年代之前呈遞減趨勢，之后呈遞增趨勢。

5.2 年徑流量周期分析

對且末水文站1957年～2006年年徑流量進行方差分析，當信度α=0.10時，方差比F=1.80＞F(α)=1.75，此時存在唯一的第1周期，周期長度T=12，周期振幅依序為：6.03、5.69、4.90、4.78、4.31、4.70、4.50、6.87、5.87、5.48、5.80 和 4.83。

6 降水氣溫變化對年徑流量的影響

6.1 逐步回歸方程的物理成因解釋

由2.2建立的降水氣溫與年徑流量之間的逐步回歸方程可見，影響車爾臣河年徑流量的主要降水氣溫因素是年降水量、4月月平均氣溫、3月降水量、2月降水量和5月月平均氣溫，其中3月降水量、5月月平均氣溫為負相關(guān)，其余為正相關(guān)。其統(tǒng)計關(guān)系可從物理成因上解釋如下：

年降水量與年徑流量正相關(guān)，說明車爾臣河屬于雨水補給型河流。

年降水量與4月月平均氣溫正相關(guān)，4月月平均氣溫的高低直接影響冬季冰雪融水量，說明車爾臣河又屬于冰雪融水補給型河流。

由于且末水文站1957年～2006年2月、3月別有41個月無降水，故不好解釋物理成因。

年降水量與5月月平均氣溫負相關(guān)，是因為4月月平均氣溫直接影響著冬季冰雪融水量，后期氣溫再高也無足夠的冬季冰雪可供融化。

6.2 降水、氣溫、年徑流量趨勢變化比較

見圖1，車爾臣河且末水文站1957年～2006年年降水量見呈遞增趨勢。

見圖2，4月月平均氣溫在1976年之前無明顯的單向增減趨勢，1976年（尤其1986年）之后呈遞增趨勢。

見圖3，5月月平均氣溫呈遞增趨勢。

見圖4，年徑流量在20世紀90年代之前呈遞減趨勢，之后呈遞增趨勢，即20世紀90年代初是年徑流量趨勢變化低值段。

6.3 年徑流量趨勢變化低值段的物理成因分析

為什么20世紀90年代初是且末水文站年徑流量趨勢變化低值段？這是由于該時段河流雨水和冰雪融水補給量相對偏小所致。見圖1，年降水量在1990年～1994年相對偏小，說明該時期河流雨水補給量也相對偏??；見圖2，4月月平均氣溫在1990年～1992年相對偏低，說明該時期河流冰雪融水補給量也相對偏小。

6.4 降水、氣溫、年徑流量周期變化比較

且末水文站1957年～2006年年降水量、4月及5月月平均氣溫、年徑流量存在不同長度的周期，但經(jīng)對比分析，降水、氣溫、年徑流量周期振幅之間無明顯的同、異步關(guān)系。

6.5 1986年以來氣候變化呈暖濕和暖冬態(tài)勢

見圖1、圖2和圖3，且末水文站1957年～2006年年降水量和5月月平均氣溫呈遞增趨勢，4月月平均氣溫在1976年（尤其1986年）之后呈遞增趨勢，說明1986年以來車爾臣河流域氣候變化呈暖濕態(tài)勢，其中冬季呈暖冬態(tài)勢（不僅開春的4月月平均氣溫呈遞增趨勢，11月的入冬氣溫也呈遞增趨勢）。

6.6 暖濕和暖冬趨勢對車爾臣河未來徑流的可能影響

（1）車爾臣河河源分布有永久冰雪，隨著氣候變暖，冰雪消融量將會逐步增加，但是永久冰雪儲量反而會逐步減少，所以冰雪消融量增加到一定程度后，會達到相對穩(wěn)定狀態(tài)并繼而逐步減少。反映在河川徑流量上，可能會使水源中的冰雪消融補給量呈現(xiàn)增加、穩(wěn)定、減少的多年變化態(tài)勢。

（2）車爾臣河流域汛期一場大的降水過程中，中底山帶往往以降雨為主，而高山帶以降雪為主，所以在暴雨洪水產(chǎn)生不久，由于天氣過程的結(jié)束和氣溫的回升，緊接著會產(chǎn)生融雪洪水，使河流洪水過程呈現(xiàn)雙峰或多峰的特點。隨著氣候繼續(xù)變暖，高山帶雪區(qū)有可能縮小，流域中底山帶雨區(qū)有可能向高山帶擴移，所以暴雨洪水之后緊接著產(chǎn)生融雪洪水的量級和概率有可能會減少，而暴雨洪水由于降雨產(chǎn)流區(qū)的擴移，洪峰以及洪量有可能增大。

（3）暖冬的持續(xù)發(fā)展將使入冬晚開春早的幾率增大，一年四季中可能會呈現(xiàn)冬季時間短的特點，結(jié)果會使春汛因開春早而提早發(fā)生，春汛水量因冬季降雪期縮短而量級減少，即春旱有可能加劇并提早。

（4）車爾臣河流域由于分布有一定儲量和面積的永久冰雪，在干旱少雨年份，會融冰消雪來給河流補給水源，而在多雨年份以雨水方式給河流補給水源，所以徑流量往往呈現(xiàn)年際變化小的特點。隨著氣候變暖，永久冰雪儲量會減少，永久冰雪的這種“固態(tài)水庫”的多年調(diào)節(jié)作用將會受到削弱，結(jié)果有可能不同程度地增大河流徑流量的年際變化幅度，尤其在一些干旱少雨的年份，旱情有可能有所加劇。

7 結(jié)語

氣候變化是影響河流變化的最重要因素，經(jīng)過對影響車爾臣河年徑流量的降水氣溫因素進行了趨勢、周期變化分析，顯示自1986年以來呈暖濕態(tài)勢（冬季呈暖冬），這也是車爾臣河流域近年水量減少的主要原因。因此，應采取植樹造林、節(jié)約用水、調(diào)水等綜合措施來實現(xiàn)車爾臣河可持續(xù)發(fā)展。陜西水利