近60年塔里木河干流徑流變化影響因素定量分析

黃國(guó)強(qiáng)

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆庫爾勒 841000)

徑流是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，反映了區(qū)域氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水文過程的作用［1］，河川徑流的演變也是地表水資源研究的重要部分。近年來，受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，河川徑流出現(xiàn)一系列生態(tài)環(huán)境問題，如河道徑流大幅減少、下游河道斷流、尾閭湖泊干涸，流域生態(tài)環(huán)境惡化等［2］。因此，開展人類活動(dòng)對(duì)河川徑流影響程度的定量分析具有重要意義。

本文以新疆塔里木河干流為研究區(qū)，基于1960—2015年的徑流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用累積量斜距變化比較法、線性回歸方法分析流域內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響程度，旨在研究環(huán)境變化對(duì)河川徑流變化的影響及其驅(qū)動(dòng)力，為塔里木河流域水資源的合理利用和生態(tài)預(yù)警提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

塔里木河流域地處新疆南疆，位于天山山脈與昆侖山、喀喇昆侖山山脈之間，流域總面積約102萬km2，是中國(guó)最大的內(nèi)陸河流域，見圖1。流域內(nèi)降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，自然生態(tài)環(huán)境極為脆弱。歷史上，塔里木河流域九大水系匯入塔里木河干流，但受人類活動(dòng)與氣候變化影響，目前僅有阿克蘇河、葉爾羌河、和田河常年有地表水匯入塔里木河干流。

圖1 塔里木河流域示意圖

2 研究方法

流域徑流變化是環(huán)境變化的結(jié)果，環(huán)境變化主要指氣候變化(波動(dòng))和人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面等自然狀況的改變兩個(gè)方面。以人類活動(dòng)影響顯著之前(即突變點(diǎn))的徑流狀況作為背景值，則后期徑流較背景值的變化量包括兩部分，其中一部分是由于氣候變化引起的，另外一部分則是由于人活動(dòng)影響所造成的。根據(jù)背景值、各年代實(shí)測(cè)值及計(jì)算的天然徑流量來分析環(huán)境變化對(duì)流域徑流的影響，具體計(jì)算方法為：各年代實(shí)測(cè)徑流量與相應(yīng)時(shí)期天然徑流量的差值基本上可以視為由人類活動(dòng)影響所造成的變化量，而模擬的天然徑流與背景值的差值則可以看作為由氣候變化所產(chǎn)生的影響量［3］。

人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)流域徑流的影響定量計(jì)算如下：

式中：ΔWT為徑流變化總量；ΔWH為人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響量；ΔWC為氣候變化對(duì)徑流的影響量；WB為天然時(shí)期的徑流量；WHR為人類活動(dòng)影響時(shí)期的實(shí)測(cè)徑流量；WHN為人類活動(dòng)影響時(shí)期的天然徑流量；ηH、ηC分別為人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)徑流量的影響。

2.1 線性回歸法

利用干流年徑流量突變點(diǎn)前的數(shù)據(jù)建立源流出山口與干流水文站點(diǎn)年徑流量的回歸方程，依據(jù)線性回歸方程計(jì)算干流水文站在突變前后的年徑流量。計(jì)算所得突變點(diǎn)后徑流量與實(shí)測(cè)徑流量的差值即為人類活動(dòng)與氣候變化所產(chǎn)生的影響量。

2.2 累積量斜率變化比較法

設(shè)累積徑流-年份線性關(guān)系式的斜率在拐點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)期的徑流量分別為SRa和SRb(億m3)，累積降水量-年份線性關(guān)系式的斜率在拐點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)期的降水量分別為SPa和SPb(mm)，則累積徑流量斜率變化率為(SRb-SRa)/SRa，同樣，累積降水量斜率變化率為(SPb-SPa)/SPa，那么降水量對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率CP(%)為［4］

同樣，可計(jì)算潛在蒸發(fā)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率。設(shè)累積潛在蒸發(fā)-年份線性關(guān)系式的斜率在拐點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)期的潛在蒸發(fā)量分別為SEa和SEb(mm)，則累積潛在蒸發(fā)量斜率變化率為(SRb-SRa)/SRa，那么潛在蒸發(fā)量對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率CE(%)為

依據(jù)水量平衡原理，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率(%)為

3 結(jié)果與分析

3.1 基于線性回歸的影響評(píng)估

采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)塔里木河干流1960—2015年徑流進(jìn)行突變檢驗(yàn)，得知其在1972年、1993年與2009年發(fā)生突變。由于在1972年以前流域受人類活動(dòng)影響較小，因此以1960—1972年為塔里木河干流徑流基準(zhǔn)期，以該時(shí)期干流年徑流量累計(jì)值為因變量y，源流(阿克蘇河、葉爾羌河與和田河)出山口年徑流總量累計(jì)值為自變量x，建立塔里木河干流年徑流量累計(jì)值與源流出山口年徑流總量累計(jì)值之間的回歸方程：

利用基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)降水、徑流數(shù)據(jù)均值，建立反映近似天然狀況下的降水-徑流模式，然后計(jì)算出不同時(shí)段的降水、實(shí)測(cè)徑流、計(jì)算徑流的平均值。各個(gè)時(shí)段的計(jì)算值與基準(zhǔn)期計(jì)算值的差值即為該時(shí)段降水變化對(duì)徑流的影響量，各時(shí)段與基準(zhǔn)期的實(shí)測(cè)差值再減去降水變化的影響量，即得到人類活動(dòng)的影響量。針對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響分析，可以發(fā)現(xiàn)，在20世紀(jì)70～90年代，人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響占主導(dǎo)地位，貢獻(xiàn)率為53.08% ～86.24%。自20世紀(jì)80年代以來，西北干旱區(qū)氣候從暖干向暖濕轉(zhuǎn)化，氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率也因此而增加。

2010年以后，由于氣候變化的影響，源流區(qū)天然徑流大幅增加，并且上游人類用水活動(dòng)得到有效控制，導(dǎo)致上游來水大幅增加，氣候變化對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率超過了人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響。不同時(shí)期塔里木河干流徑流受氣候變化和人類活動(dòng)的影響程度見表1。

表1 不同時(shí)期塔里木河干流年徑流受氣候變化和人類活動(dòng)的影響程度

3.2 基于累積量斜率變化的影響評(píng)估

采用累積量斜率變化比較法評(píng)估了人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)徑流變化的影響及貢獻(xiàn)率，見表2。塔里木河干流在不同時(shí)間段，氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響分量相差較大，氣候變化對(duì)徑流變化的影響約為12.33%～46.23%，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響約為53.77% ～87.67%。1973—1993年，人類活動(dòng)影響較大，這是由于期間綠洲灌溉面積大幅擴(kuò)張，灌溉耗水量增加消耗了大量水資源，另一方面，流域內(nèi)水利工程、水土保持等建設(shè)工程的興建，在減少侵蝕、提高水資源利用效率的同時(shí)也減少了地表徑流。1993年以來，氣候變化的貢獻(xiàn)率顯著增加，到21世紀(jì)初達(dá)到46.23%，這說明雖然人類活動(dòng)仍然是導(dǎo)致徑流減少的主要影響因素，但降雨量的增加減弱了人類活動(dòng)的影響，氣候變化對(duì)徑流量的影響逐漸加強(qiáng)。

表2 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)塔里木河水文要素影響變化的貢獻(xiàn)率

由表3可知，塔里木河上游流域在1990—2000年期間耕地增加了1665km2，林地增加了854km2，荒地裸地增加了 698km2，水域減少了 115km2，草地減少3064km2，城鄉(xiāng)用地減少了139km2，塔里木河上游在20世紀(jì)90年代大量草地轉(zhuǎn)化為林地、荒地和耕地。而2000年以后，耕地大幅增加，大量的林地、草地以及荒地均轉(zhuǎn)為耕地，如2000—2010年，耕地增長(zhǎng)2599km2，城鄉(xiāng)用地增加50km2，而其余土地利用類型全部減少，其中林地減少170km2，草地減少1367km2，水域減少414km2，荒地裸地減少698km2。2010—2015年間的耕地增加量達(dá)到2785km2，這表明塔里木河上游主要的人類活動(dòng)為灌溉，耗水增加主要是由于耕地面積增加造成的。1993年后，盡管耕地?cái)U(kuò)張速度大幅提高，但塔里木河干流來水量仍處于增加趨勢(shì)。這表明：一方面氣候變化顯著，降水量逐漸增加，源流來水增加，氣候變化的影響逐漸增強(qiáng)；另一方面，隨著流域管理水平的提高以及高效節(jié)水灌溉方式的推廣應(yīng)用，用水效率提高，人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響相對(duì)減弱。

表3 塔里木河干流源流區(qū)土地利用變化 單位：km2

4 結(jié)論

本文分別采用線性回歸法和累積量斜率變化比較法定量分析了塔里木河干流年徑流受氣候變化和人類活動(dòng)的影響程度，結(jié)果表明：上述兩種方法計(jì)算結(jié)果較為相近，1973—1993年，氣候變化對(duì)徑流的影響約占15%，人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響約占85%；1994—2009年，氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響分別占33%和67%，氣候變化對(duì)徑流的影響有所增加。在外界作用中，人類活動(dòng)是徑流減少的主導(dǎo)因素。

對(duì)于氣候變化因素，本文僅考慮了降水和蒸發(fā)，實(shí)際上徑流變化也會(huì)受溫度與地面覆被變化(LUCC)等因子影響，所以導(dǎo)致本文在因素分析上可能存在一定誤差，另外對(duì)于影響徑流變化的具體因素也有待于進(jìn)一步研究。