氣候變化下塔河徑流特征分析

謝天明

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048)

1 引言

氣候變化及其引起的水文過程變化是全球?qū)W者廣泛關(guān)注的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。近半個(gè)世紀(jì)以來，全球升溫導(dǎo)致水資源循環(huán)加快，氣候變化導(dǎo)致流域水量在時(shí)空上重新分配，塔里木河作為干旱區(qū)的特殊代表，其典型的地理位置和區(qū)域環(huán)境對(duì)全球氣候變化更為敏感[1]。

對(duì)于氣候變化下水文過程變化的檢測(cè)和成因分析問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列研究。大多數(shù)研究主要分析氣候變化對(duì)水資源循環(huán)的影響，比如從水量來源（降雨等）[2]和耗散（蒸散發(fā)等）的變化方面進(jìn)行分析[3]；從地面徑流過程的改變這方面入手[4]，或單獨(dú)研究氣候變化、人類生產(chǎn)生活（如城市道路、建筑硬化導(dǎo)致不透水層增加、下滲減少）對(duì)水文循環(huán)的影響。上述學(xué)者對(duì)氣候與水資源變化已開展深入研究，但關(guān)于人類生產(chǎn)生活和氣候變化對(duì)流域水循環(huán)過程以及水系統(tǒng)平衡的影響機(jī)理仍未達(dá)成共識(shí)。由此可見，正確認(rèn)識(shí)氣候變化下的水文過程及其演變規(guī)律、水循環(huán)要素的變化檢驗(yàn)與歸因分析以及地面水文過程對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制都是目前生態(tài)水文研究領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。

塔河流域生態(tài)脆弱，環(huán)境惡劣，氣候極為干燥，是我國西北干旱區(qū)氣候敏感區(qū)的典型代表河流。其干流自身不產(chǎn)流，水量主要依靠高山冰雪融水和山區(qū)降水。氣溫升高導(dǎo)致冰川融雪加劇，使得流域徑流過程發(fā)生相應(yīng)改變[5]。本文將重點(diǎn)分析塔河流域“四源一干”部分，即南部阿克蘇河、葉爾羌河，北部和田河、開都河以及干流部分的水文特征對(duì)流域氣候變化的響應(yīng)關(guān)系。從不同角度剖析氣溫和降水對(duì)塔河流域出山徑流影響，初步分析出氣候變化下塔河徑流變化成因。

2 徑流與氣候因子周期對(duì)比分析

徑流是通過大氣降水或冰雪融化形成的，通過流域復(fù)雜的水系匯入河流或者湖泊等，受到氣候因子和下墊面條件的雙重影響。表征氣候變化的關(guān)鍵因子分別為氣溫和降水，對(duì)于塔河流域，氣候主要影響到高山冰雪消融速度、流域面上蒸散發(fā)、水資源來源形式以及局地小氣候等。降水是徑流形成的首要成因，水資源來源、降水強(qiáng)度、水資源時(shí)空分布等都會(huì)在一定程度上影響到塔里木河徑流的變化。

為分析出氣候變化環(huán)境下，徑流變化的氣候因子響應(yīng)關(guān)系，本文采用小波分析、灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)塔里木河主要水源產(chǎn)生區(qū)出山口水文站所測(cè)徑流過程與氣溫和降水進(jìn)行相關(guān)分析，分別可得到四個(gè)源流區(qū)徑流與氣候因子不同時(shí)間尺度上的小波分析周期，結(jié)果見表1。

表1 塔河源流區(qū)徑流、氣候因子周期對(duì)比分析

據(jù)表1可以看出：僅阿克蘇河和開-孔河徑流存在顯著突變點(diǎn)，且時(shí)間滯后于氣溫和降水的突變點(diǎn)，表明徑流突變相對(duì)于氣候變化具有一定的滯后性；位于流域北部的阿克蘇河和葉爾羌河的小波分析周期與氣溫較為相似，和田河與開-孔河徑流與氣溫和降水兩個(gè)氣候因子均具有較為相似的周期性變化特點(diǎn)。

據(jù)此可以推測(cè)：由于徑流成分組成不同，徑流與降水和氣溫的變化相關(guān)關(guān)系也不相同。融水占比大的河流，其受氣溫影響大；反之，受到降水的影響更大。所以，流域徑流內(nèi)之所以存在不同支流與氣溫、降水振蕩周期不盡相同，這與不同支流的水資源補(bǔ)給相關(guān)聯(lián)。

3 徑流與氣候因子相關(guān)性檢驗(yàn)

徑流來自于降水，降水又受到氣溫的影響，氣溫、降水和徑流三者互相影響，關(guān)系復(fù)雜。本文選取灰色關(guān)聯(lián)分析法，分析“四源一干”代表站徑流量與氣候因子相關(guān)性，從而確定降水和氣溫對(duì)徑流的不同影響程度。塔里木河被天山、昆侖山山脈包圍，高山降水大多時(shí)候以固體水資源沉積在高山凍融層，當(dāng)年的降水甚至到下一年的春季才能融化形成徑流。

塔河干流位于塔克拉瑪干沙漠，不產(chǎn)流，其補(bǔ)給主要依靠三源流區(qū)匯流，由于沿河有大量的農(nóng)田需要澆灌，沿岸居民用水和工業(yè)用水等，塔里木河干流受人類活動(dòng)影響十分嚴(yán)重。因此僅對(duì)塔河干流匯水口阿拉爾水文站的徑流量與氣候、降水進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)分析。檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)結(jié)果見表2。由表2可知：“四源一干”的徑流過程均與氣溫相關(guān)度更高，其中葉爾羌河相關(guān)系數(shù)最高，干流其次為0.41，開孔河和阿克蘇則分別位居第三、第四；與降水系列的相關(guān)性為干流最高，葉爾羌河緊隨其后，開孔河最小?！八脑匆桓伞睆搅髋c氣候因子相關(guān)系數(shù)均未超過0.5，其主要原因是塔里木河流域主要水量來自于三個(gè)源流區(qū)的冰雪融水，且地下水所占比例較高，而氣候變化對(duì)積雪融化的影響十分顯著。因此，“四源一干”普遍表現(xiàn)為對(duì)氣溫變化更為敏感，而對(duì)降水相關(guān)性較低。

通過對(duì)四源流進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，同時(shí)考慮其地理位置分布，認(rèn)為塔里木河流域越靠近南部的河流徑流與氣溫的相關(guān)性越高，越靠北的河流其上游高山冰雪固體儲(chǔ)量對(duì)徑流量影響則更明顯。因?yàn)樗锬竞恿饔蛱厥獾牡乩憝h(huán)境，其三大源流區(qū)（除開-孔河外）水資源量多來自于高山融水，因此其水量受氣溫及輻射影明響顯著。靠近南部的河流，高山融水占水資源比重更大，對(duì)變化更加敏感，也就導(dǎo)致了其徑流與氣溫變化相關(guān)性更高。

對(duì)于新疆塔里木河流域，其特殊的地理環(huán)境導(dǎo)致不同緯度的溫度和降水各不同，因此不同支流對(duì)氣候因子得變化敏感程度有差異。

表2 塔河“四源一干”年徑流量與氣候因子關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)結(jié)果

4 氣候變化下塔里木河徑流變化成因分析

塔里木河流域深處內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，以其極為干旱的氣候特點(diǎn)，成為干旱內(nèi)陸河流的代表，流域五分之四以上的水量來自于源流山區(qū)。因?yàn)槠淞饔蛎娣e大、跨度廣，各源流河徑流補(bǔ)給形式不同，因而河流之間也表現(xiàn)出不同的徑流特性與洪水特征。對(duì)于塔里木河流域而言，山區(qū)多年平均降水產(chǎn)生的水量，占流域水資源總量的97.1%，其他形式的降水通過地面蒸發(fā)、植被蒸騰、自然耗散等形式再次回到回到空中，成為水汽，等待形成下一次的降水過程。塔里木河流域水量循環(huán)示意圖，見圖1。

近半個(gè)世紀(jì)以來，塔里木河流域平均氣溫約上升了1.1℃，增溫十分迅速。氣溫升高導(dǎo)致冰川融化，高山固體水資源作為流域的水塔，起到調(diào)蓄年際年內(nèi)流量分配的作用，由于不同河流融水占河川徑流比各不相同，河川水量隨氣溫變化也不盡相同?？傮w來說：融水占比大，受氣溫影響明顯；占比小，則影響不明顯。

相關(guān)學(xué)者研究認(rèn)為：當(dāng)冰雪融水占河流水量25%以上，即可對(duì)河流起到較明顯的調(diào)控作用，冰雪受氣溫影響更顯著，所以冰雪消融占比大的河流，其徑流對(duì)氣溫的變化也更加敏感。

表3 塔里木河水系冰川資源統(tǒng)計(jì)

塔里木河流域由于其特殊的地理位置、徑流組成和氣候環(huán)境，使得流域?qū)Ρǖ囊蕾囕^重，低溫時(shí)段，固體水量增加，融水減少，徑流減少；高溫時(shí)段，冰雪固體消融加劇，徑流量增大。高山冰川就像水塔一般，保護(hù)著流域的水資源不會(huì)受到干旱或者雨季過度的影響而造成災(zāi)害。冰川融水占比高的流域在干旱高溫年月，水資源供給增大，解決下游生產(chǎn)、生活需求。低溫年月，自然儲(chǔ)備水量，調(diào)節(jié)水資源年內(nèi)分配。這就使得塔里木河流域水量年際變化相對(duì)穩(wěn)定，年內(nèi)分配更加合理，有助于流域的植被生長(zhǎng)和生產(chǎn)生活，保障了流域農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展穩(wěn)定。

5 結(jié)論

分別對(duì)于塔里木河水文過程進(jìn)行了周期分析、相關(guān)性檢驗(yàn)、徑流變化分析，得出如下結(jié)論：

（1）阿克蘇河和開-孔河徑流存在顯著突變點(diǎn)，且時(shí)間滯后于氣溫和降水的突變點(diǎn)，表明徑流突變相對(duì)于氣候變化具有一定的滯后性。

（2）源流區(qū)徑流與氣候因子都表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，塔河流域水文過程受氣候變化影響明顯，相關(guān)性分析結(jié)果表明“四源一干”的徑流過程均是與氣溫相關(guān)度更高，對(duì)降水相關(guān)性則較低。

（3）得益于高山冰川對(duì)塔河徑流量的調(diào)蓄作用，塔河水量的年際變化相對(duì)穩(wěn)定。近半個(gè)世紀(jì)以來，由于全球氣溫升高雪線上移，融水量增大，水源主要來自于融雪的河流其出山口徑流量顯著增大。