天山南坡清水河1639-2015年徑流量重建與變化特征

尚華明, 張瑞波, 魏文壽, 毛煒嶧, 范煜婷, 陳 峰, 張 凱

(1.中國(guó)氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所 新疆樹(shù)木年輪生態(tài)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)氣象局樹(shù)木年輪理化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 烏魯木齊 830002; 2.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830054)

橫貫中亞區(qū)域的天山山脈，是干旱區(qū)的濕島，山區(qū)相對(duì)豐富的降水和冰雪融水形成了河川徑流，為下游綠洲和荒漠區(qū)提供工農(nóng)業(yè)、生活和生態(tài)用水，是干旱內(nèi)陸區(qū)的“生命線”[1-2]。近年來(lái)，在全球和區(qū)域氣候變化背景下，極端氣候和水文事件發(fā)生的頻率增加[3]，而流域中下游的水資源供需矛盾日益突出。由于新疆地區(qū)河流水文觀測(cè)資料較短，嚴(yán)重限制了對(duì)該區(qū)域水文變化規(guī)律和機(jī)制的認(rèn)識(shí)，急需尋找替代資料，延長(zhǎng)水文記錄，為流域水資源合理利用和科學(xué)評(píng)估提供基礎(chǔ)支撐。樹(shù)木年輪水文學(xué)為水文資料的恢復(fù)提供了科學(xué)可信的途徑。特別是在干旱半干旱區(qū)，樹(shù)木的徑向生長(zhǎng)與徑流量變化受到共同環(huán)境因素的影響，樹(shù)輪寬度成為徑流量的重要代用指標(biāo)[4-5]。大量的工作基于樹(shù)輪寬度重建了長(zhǎng)時(shí)間、高分辨率的徑流量資料，并為流域水資源管理決策提供了重要支撐。美國(guó)西部干旱區(qū)是開(kāi)展樹(shù)輪水文研究最早，成果最為豐富的區(qū)域，其中以Colorado河流域的研究工作最為集中，基于樹(shù)輪資料延長(zhǎng)的徑流量序列為流域水資源管理決策提供了重要的支撐[6-11]。除了美國(guó)西部干旱區(qū)以外，近年在南美洲、非洲、歐洲、大洋洲以及中國(guó)西北地區(qū)均有大量的研究利用樹(shù)輪寬度恢復(fù)水文變化歷史[12-17]，展現(xiàn)了全球范圍內(nèi)樹(shù)木年輪在延長(zhǎng)水文記錄方面的巨大潛力。在地處中亞干旱內(nèi)陸區(qū)的天山山區(qū)，基于樹(shù)輪寬度開(kāi)展了Kurshab河[18]、伊犁河[19]、伊塞克湖[20]、精河[21]、瑪納斯河[22]、烏魯木齊河[23]、奎屯河[4]、故鄉(xiāng)河[25]、阿克蘇河[26]等河流的樹(shù)輪水文研究。其中，天山南麓的樹(shù)輪水文研究相對(duì)來(lái)說(shuō)較為薄弱，20世紀(jì)80年代利用的胡楊開(kāi)展了塔里木河年徑流量序列的重建研究[5]。在清水河相鄰的開(kāi)都河和黃水溝流域，樹(shù)輪學(xué)者利用雪嶺云杉的樹(shù)輪寬度開(kāi)展了降水和溫度等氣象要素的響應(yīng)與重建研究[27-28]，但并未開(kāi)展樹(shù)輪水文學(xué)相關(guān)的研究工作。關(guān)于清水河水文特征及其對(duì)氣候的響應(yīng)研究，均是基于器測(cè)時(shí)期的水文資料[29-31]。位于天山南坡中部的清水河，以降水和季節(jié)性融雪補(bǔ)給為主[30]，氣候干旱，流域山區(qū)生長(zhǎng)的長(zhǎng)齡雪嶺云杉，為開(kāi)展樹(shù)輪水文學(xué)研究提供了載體。本文利用該流域山區(qū)的雪嶺云杉樹(shù)輪寬度資料，分析其徑向生長(zhǎng)對(duì)水文氣候要素的響應(yīng)特征，評(píng)估其用于水文重建的潛力。在此基礎(chǔ)上，建立樹(shù)輪寬度指數(shù)與徑流量之間的轉(zhuǎn)換方程，重建1639—2015年清水河徑流量變化歷史，分析其長(zhǎng)期變化特征，并給出其水文特征值，為流域水資源規(guī)劃管理提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 研究資料

1.1 研究區(qū)概況

地處新疆境內(nèi)天山南坡中段的清水河流域，南鄰塔里木盆地，位于新疆和靜縣東端，東鄰曲惠溝流域，西面與黃水溝流域毗鄰，地理位置介于86°35′—87°10′E和42°10′—42°50′N。流域內(nèi)最高海拔4 505 m，平均海拔為3 110 m，降水集中于海拔2 500～3 800 m的中山帶。河流發(fā)源于南天山支脈阿拉溝山，從河源至出山口長(zhǎng)60.2 km，河道平均坡度3.7%。流域內(nèi)發(fā)育有22條冰川，總冰川面積5.64 km2。冰川儲(chǔ)量1.42×107m3，冰川融水量1.60×107m3，占河川徑流量的13%[30]。

1.2 樹(shù)木年輪資料

采樣點(diǎn)位于清水河流域內(nèi)山區(qū)海拔2 650～2 810 m的陰坡(表1)，共采集了29株樹(shù)木的56個(gè)樹(shù)芯樣本。采樣點(diǎn)土層較薄，平均坡度40°。待樹(shù)芯樣本自然晾干，進(jìn)行固定、打磨處理，初步查年后用Lintab寬度分析儀測(cè)量樹(shù)輪寬度，結(jié)合Cofecha[32]和TSAP程序完成交叉定年及質(zhì)量控制。刪除3個(gè)生長(zhǎng)異常的樹(shù)芯標(biāo)本后，采用WinArstan年表研制程序建立樹(shù)輪寬度年表，去趨勢(shì)方法選擇負(fù)指數(shù)函數(shù)。以30和25 a分別作為窗口期和滑動(dòng)重疊期，計(jì)算樣本對(duì)總體的解釋信號(hào)(EPS)和樣芯間相關(guān)系數(shù)(Rbar)。樹(shù)輪寬度序列的時(shí)間跨度為1436—2015年，可信年表開(kāi)始于1639年(EPS大于0.85)，當(dāng)年包括5株樹(shù)的9個(gè)樣芯。樹(shù)輪序列的缺輪率為0.794%，標(biāo)準(zhǔn)年表的敏感度為0.221，一階自相關(guān)系數(shù)為0.485。公共區(qū)間(1700—2015年)分析得到EPS和Rbar平均值分別為0.927，0.386。以上年表參數(shù)指示樹(shù)輪寬度具有較高的敏感度和一致性。

表1 采樣點(diǎn)、水文站和氣象站信息

1.3 氣象和水文資料

氣象資料為巴侖臺(tái)氣象站月降水量、月平均最高氣溫、月平均氣溫和月平均最低氣溫，來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，時(shí)段1957年11月至2013年12月。該站自建站以來(lái)未曾遷站，與克爾古提水文站直線距離約50 km。水文資料采用克爾古提水文站月徑流量資料，該站位于清水河出山口處，未受到引水灌溉等人為影響，可以代表徑流的自然變化特征。資料時(shí)段為1956年5月至2013年11月，由于部分年份枯水期徑流量缺測(cè)，采用文獻(xiàn)[33]中的相關(guān)法，進(jìn)行插補(bǔ)。水文站以上流域集水面積為1 016 km2。

研究區(qū)地處歐亞大陸腹地，大陸性氣候特征明顯。巴侖臺(tái)氣象站年平均氣溫6.6 ℃，7月氣溫最高，1月最低。年平均降水量208.4 mm，呈明顯的單峰分布型，峰值也出現(xiàn)在7月(57.5 mm)，5—9月降水量占全年的93.2%?？藸柟盘崴恼径嗄昶骄鶑搅髁?.239×108m3，年平均流量3.93 m3/s，峰值出現(xiàn)在2002年(9.42 m3/s)，最低值出現(xiàn)在1985年(1.72 m3/s)，變差系數(shù)Cv值為0.337，高于天山南坡主要河流。徑流量的年內(nèi)分布極不均勻，每年6—9月為洪水期，12月至次年5月為枯水期，最小流量多出現(xiàn)在4，5月，徑流年內(nèi)不均勻系數(shù)為0.317，6—10月徑流量占全年的72.9%。月徑流量與月降水量峰值出現(xiàn)的時(shí)間一致。

2 結(jié)果和討論

2.1 樹(shù)輪寬度的氣候水文響應(yīng)

為評(píng)估樹(shù)輪寬度所含的氣候水文信息及其用于氣候水文要素重建的潛力，計(jì)算公共期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)年表與月氣象、水文要素的單相關(guān)系數(shù)，氣象水文要素的時(shí)段為上年5月至當(dāng)年9月。并根據(jù)單月相關(guān)分析的結(jié)果，將不同月份氣候水文要素進(jìn)行組合后計(jì)算其與寬度年表的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)分析結(jié)果表明(圖1)，年表與上年7—8月以及當(dāng)年4—7月降水量為正相關(guān)，其中上年7月、8月和當(dāng)年4月、6月的正相關(guān)達(dá)到了0.05的顯著性水平；多月降水量組合中，上年7月至當(dāng)年6月的降水量與寬度年表的正相關(guān)最高，為0.579。寬度年表與上年8月和當(dāng)年4—7月的平均氣溫均為負(fù)相關(guān)，其中上年8月和當(dāng)年4月最高氣溫的負(fù)相關(guān)達(dá)到了0.01的顯著性水平。樹(shù)輪寬度指數(shù)與上年生長(zhǎng)季晚期和當(dāng)年生長(zhǎng)季早期降水量的顯著正相關(guān)以及氣溫的顯著負(fù)相關(guān)表明，研究區(qū)樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的限制因子為水分狀況。這與天山南坡相鄰的開(kāi)都河流域[28]和阿克蘇河流域[34]雪嶺云杉樹(shù)輪寬度氣候響應(yīng)分析的結(jié)果基本是一致的，表明在天山南坡，由于極端干旱的氣候背景，雪嶺云杉的徑向生長(zhǎng)對(duì)水分狀況敏感。

注：P5—12為上年5—12月，1—9為當(dāng)年1—9月，點(diǎn)線和虛線分別代表0.05，0.01的顯著性水平線。

圖1樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與月水文、氣象要素的相關(guān)系數(shù)

從徑流量單月相關(guān)分析結(jié)果來(lái)看，上年7月至當(dāng)年9月各月的徑流量均與寬度年表正相關(guān)，其中上年8—12月和當(dāng)年3—7月各月的正相關(guān)均達(dá)到了0.01的顯著性水平。多月徑流量組合后與寬度年表的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)上年8月至當(dāng)年6月徑流量與寬度年表的相關(guān)系數(shù)最高(n=57，r=0.649，p<0.001)，上年8月至當(dāng)年7月徑流量的相關(guān)系數(shù)次之，為0.641。清水河是以降雨和季節(jié)性積雪融水補(bǔ)給為主的河流[30]，克爾古提水文站位于海拔1 515 m的出山口，無(wú)水利工程和灌溉等人為因素的影響，水文站的徑流量記錄能夠反映整個(gè)流域山區(qū)降水和蒸發(fā)共同作用下流域水資源的變化特征。巴侖臺(tái)氣象站位于相鄰的黃水溝流域，其對(duì)清水河流域山區(qū)降水的代表性有限，同時(shí)氣象站的降水記錄不能反映山區(qū)蒸發(fā)作用導(dǎo)致的水分狀況變化。因此寬度年表與徑流量的正相關(guān)系數(shù)明顯高于其與降水量的相關(guān)系數(shù)，也表明清水河是開(kāi)展樹(shù)輪水文學(xué)研究的理想?yún)^(qū)域。

圖2為樹(shù)輪寬度年表與降水量(上年7月至當(dāng)年6月)、徑流量(上年8月到當(dāng)年7月)之間的散點(diǎn)圖，并分別采用線性和指數(shù)函數(shù)對(duì)二者關(guān)系進(jìn)行擬合。兩種擬合結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)比線性函數(shù)的效果更好，擬合方程的方差解釋量從0.411提高到0.468，表明樹(shù)木的徑向生長(zhǎng)對(duì)徑流量的響應(yīng)并非是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。在徑流量高的年份，山區(qū)降水量較為豐富，強(qiáng)降水過(guò)程發(fā)生的概率大。由于坡度大和土層薄等原因，山區(qū)土壤蓄水能力有限，強(qiáng)降水過(guò)程或融雪性洪水引起徑流量明顯增加，但并不能對(duì)樹(shù)木的生長(zhǎng)形成相應(yīng)的正貢獻(xiàn)[35]。此外，環(huán)境要素對(duì)樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的影響還存在一定的滯后效應(yīng)，造成樹(shù)木年輪寬度記錄極端豐水年份的能力有限。

圖2 樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與降水量和徑流量的散點(diǎn)擬合情況

2.2 徑流量重建與檢驗(yàn)

結(jié)合上文寬度年表對(duì)氣候水文要素相關(guān)分析的結(jié)果，以一個(gè)完整水文年(上年8月到當(dāng)年7月)徑流量為重建目標(biāo)，建立校準(zhǔn)期內(nèi)(1957—2013年)樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表(自變量X)與清水河徑流量(應(yīng)變量Y)之間的回歸方程：

Y=1.746e0.777 2X

(R2=0.468,F=48.31,p<0.001)

(1)

從圖3可以看出校準(zhǔn)期內(nèi)徑流量的重建值和實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)一致，但實(shí)測(cè)序列的變幅(特別是峰值)明顯大于重建序列。校準(zhǔn)期內(nèi)實(shí)測(cè)和重建徑流量一階差序列的相關(guān)系數(shù)為0.627(n=56，p<0.001)，表明二者在高頻變化上的一致性。實(shí)測(cè)期內(nèi)兩個(gè)序列的統(tǒng)計(jì)參數(shù)比較結(jié)果(表2)表明，二者均值接近，但實(shí)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)差、極差和變率系數(shù)明顯高于重建值。二者相差最大的3個(gè)年份為1999，2000，2002年，這3 a也正是實(shí)測(cè)期內(nèi)徑流量排名前三的年份，重建值分別偏少2.38，3.04，3.20 m3/s。校準(zhǔn)期內(nèi)實(shí)測(cè)值和重建值的對(duì)比也表明了轉(zhuǎn)換方程對(duì)豐水年份的捕捉能力是不足的。

表2 徑流量實(shí)測(cè)值和重建值統(tǒng)計(jì)參數(shù)比較 m3/s

圖3 校準(zhǔn)期內(nèi)清水河徑流量實(shí)測(cè)和重建值的對(duì)比圖(a)、散點(diǎn)圖(b)及其一階差系列的散點(diǎn)圖(c)

2.3 重建徑流量序列的統(tǒng)計(jì)特征

基于樹(shù)木年輪寬度資料重建了1639—2015年清水河上年8月至當(dāng)年7月徑流量的變化(圖4)，延長(zhǎng)了克爾古提水文站的器測(cè)水文記錄，為掌握該河流長(zhǎng)時(shí)間尺度的徑流量變化事實(shí)和規(guī)律，認(rèn)識(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，并進(jìn)一步為流域水資源規(guī)劃和管理提供參考。重建徑流量序列的均值為3.75 m3/s，略低于實(shí)測(cè)期(3.92 m3/s)。將重建的徑流量序列進(jìn)行31 a快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算，得到其低頻的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)了4個(gè)枯水期(1639—1646年，1666—1791年，1857—1888年，1948—1984年)和4個(gè)豐水期(1647—1665年，1792—1858年，1889—1947年，1985—2015年)。將重建徑流量序列中徑流量最少的5個(gè)年份確定為極端枯水年，分別為1643，1918，1951，1957和2007年，其中的4 a出現(xiàn)在近百年時(shí)間內(nèi)，3 a出現(xiàn)在觀測(cè)期內(nèi)。表明在過(guò)去近400 a間，近百年來(lái)的極端干旱年份出現(xiàn)的頻率明顯較高。重建水文序列中1950年以前的2個(gè)極端枯水年(1643，1918年)與研究區(qū)相鄰的巴侖臺(tái)降水重建序列記錄中的干旱年是對(duì)應(yīng)的[28]，位于天山北坡的精河、烏魯木齊河徑流量記錄中也存在1643和1918年2個(gè)極端枯水年份[21,24]。表明本文重建水文序列中的極端枯水年與天山山區(qū)大范圍出現(xiàn)的干旱年份是一致的。

基于實(shí)測(cè)和重建的徑流量資料，計(jì)算了校準(zhǔn)期內(nèi)(1957—2013年)實(shí)測(cè)和重建水文數(shù)據(jù)、整個(gè)重建時(shí)期(1665—2013年)以及重建序列中持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的枯水期(1666—1791年)和豐水期(1792—1858年)重建值的水文統(tǒng)計(jì)特征值，包括均值、極值、變差系數(shù)Cv、偏態(tài)系數(shù)Cs以及不同保證率的徑流量(表2)。從結(jié)果來(lái)看：整個(gè)重建時(shí)期重建徑流量的均值與校準(zhǔn)期實(shí)測(cè)徑流量的均值接近，極小值、極大值、變差系數(shù)和變化幅度均低于校準(zhǔn)期實(shí)測(cè)徑流量；重建水文序列中最長(zhǎng)豐水期(1792—1858年)的徑流量均值高于觀測(cè)時(shí)期的均值；整個(gè)重建期內(nèi)重建徑流量的均值與校準(zhǔn)期實(shí)測(cè)徑流量不同保證率徑流量差異較為明顯，特別是p=75%和p=95%對(duì)應(yīng)的流量低于校準(zhǔn)期實(shí)測(cè)徑流量。

圖4 清水河重建年徑流量序列及其低頻變化特征

2.4 重建徑流量的誤差分析

清水河流域出山口以上匯水面積為1 016 km2，但本文僅采用了1個(gè)點(diǎn)的樹(shù)木年輪寬度資料，雖然包括了較多的復(fù)本量(29棵樹(shù)的56個(gè)樣芯)，其海拔高度和空間代表性還存在不足。進(jìn)一步的研究應(yīng)根據(jù)流域水文特征和森林分布狀況，結(jié)合流域內(nèi)不同海拔高度和位置樹(shù)木徑向生長(zhǎng)對(duì)氣象和水文要素響應(yīng)的特征，盡量在流域不同支流和海拔高度選擇符合氣候水文限制因子的采樣點(diǎn)[5]進(jìn)行采樣。樹(shù)輪寬度年表的一階自相關(guān)系數(shù)為0.485，表明樹(shù)木的生長(zhǎng)對(duì)氣候水文的響應(yīng)存在一定的滯后效應(yīng)。同時(shí)，由于采樣點(diǎn)土層薄以及坡度大等原因，夏季的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程以及快速升溫引起的融雪性洪水會(huì)導(dǎo)致徑流量增加，但這些水分不能在土壤中長(zhǎng)期儲(chǔ)存并為樹(shù)木光合作用利用，導(dǎo)致樹(shù)木的徑向生長(zhǎng)對(duì)徑流量的增加并不呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的線性響應(yīng)關(guān)系。以上原因?qū)е铝擞脴?shù)輪寬度重建水文要素能較好地保留低頻信息，而高頻信息(尤其是豐水年)記錄不足。

3 結(jié) 論

(1) 清水河雪嶺云杉樹(shù)輪年表的長(zhǎng)達(dá)579 a，標(biāo)準(zhǔn)年表的敏感度為0.221，樹(shù)輪寬度具有較高的敏感度和一致性。由于研究區(qū)極端干旱的氣候背景，樹(shù)輪寬度指數(shù)與上年生長(zhǎng)季晚期和當(dāng)年生長(zhǎng)季早期的降水顯著正相關(guān)，與氣溫顯著負(fù)相關(guān)，樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的限制因子為水分狀況。

(2) 樹(shù)輪寬度年表清水河與上年8月至當(dāng)年6月徑流量的相關(guān)系數(shù)最高(n=57，r=0.649，p<0.001)，與上年8月至當(dāng)年7月徑流量的相關(guān)系數(shù)次之，為0.641。與巴侖臺(tái)氣象站上年7月至當(dāng)年6月的降水量與寬度年表的正相關(guān)為0.579。清水河是以降雨和季節(jié)性積雪補(bǔ)給為主的河流，雪嶺云杉寬度年表與徑流量的正相關(guān)系數(shù)明顯高于其與降水量的相關(guān)系數(shù)，是開(kāi)展樹(shù)輪水文學(xué)研究的理想?yún)^(qū)域。

(3) 基于樹(shù)輪寬度資料，采用指數(shù)函數(shù)重建了1639—2015年清水河上年8月至當(dāng)年7月徑流量的變化，重建徑流量序列中存在4個(gè)枯水期(1639—1646年，1666—1791年，1857—1888年，1948—1984年)和4個(gè)豐水期(1647—1665年，1792—1858年，1889—1947年，1985—2015年)。重建徑流量序列中徑流量最少的5個(gè)年份中，其中4次出現(xiàn)在近100 a時(shí)間內(nèi)，其中3次出現(xiàn)在觀測(cè)期內(nèi)，表明近百年來(lái)(特別是1950年代以來(lái))的極端干旱出現(xiàn)的頻率明顯較高。重建水文序列中的極端枯水年與天山南北坡的樹(shù)輪降水記錄和水文記錄中的極端干旱年是對(duì)應(yīng)的。

(4) 由于采樣點(diǎn)的海拔和空間代表性的不足，樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境響應(yīng)的滯后效應(yīng)以及樹(shù)木徑向生長(zhǎng)對(duì)徑流量增加的非穩(wěn)定線性響應(yīng)關(guān)系，導(dǎo)致基于樹(shù)輪寬度重建徑流量過(guò)程中存在一定的不足，特別是樹(shù)木年輪寬度對(duì)極端豐水年份捕捉的能力有限。