基于時間序列的哈密市水資源面積分布和氣候變化特征

高國文

(新疆哈密東天山水務(wù)集團(tuán)有限公司，新疆哈密839000)

水資源是指在特定行政區(qū)域內(nèi)目前或者近期可以被人類直接或間接利用的水，是自然資源的重要組成部分，對區(qū)域發(fā)展具有重要的意義[1]。水資源主要包括河川徑流、地下水、積雪和冰川、湖泊水、沼澤水、海水。隨著全球氣候條件變化和人類活動影響，各類水資源的時空分布不均，天然水資源量也不等于可利用量[2]。因此，往往采用修筑水庫和地下水庫來調(diào)蓄水源。與其他自然資源不同，水資源是可再生的資源，可以重復(fù)多次使用，具有一定的周期和規(guī)律；儲存形式和運(yùn)動過程受自然地理因素和人類活動所影響[3-4]。

哈密市位于新疆東部，是新疆通向內(nèi)地的主要通道。自古以來，就是絲綢之路的咽喉，有“西域襟喉，中華拱衛(wèi)”和“新疆門戶”之稱[5]。北與蒙古國接壤，設(shè)有國家一類季節(jié)性開放口岸——老爺廟口岸，是新疆與蒙古國發(fā)展邊貿(mào)的重要開放口岸之一，是新疆重要的經(jīng)濟(jì)樞紐，具有戰(zhàn)略意義[5-6]。哈密地勢為北高南低、東西傾斜的盆地，屬于溫帶大陸性干旱氣候，天山南北氣候分明，春季多大風(fēng)，氣候干燥，年降雨量稀少。生活用水、灌溉水等主要依靠天山雪水，因此，水資源是哈密市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略性資源和限制性資源[6-8]。

本文利用2000年、2005年、2010年和2015年四期土地利用數(shù)據(jù)，分析哈密水資源類型和分布面積，同時探討2000年～2015年期間氣候因子(年平均溫度、≥0℃年積溫和年降雨量)的變化特征，以期在全球氣候變化的大背景下為哈密市水資源的利用和長期規(guī)劃提供參考和理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

哈密市位于新疆維吾爾自治區(qū)東部，東天山南麓。地理坐標(biāo)見圖1，面積為8.5萬km2，東西長約404 km，南北寬約322 km，約占全疆總面積的5.2%。哈密地勢為北高南低、東西傾斜的盆地。北部為天山余脈，南部為低山剝蝕丘陵，中西部為南湖戈壁，中上部為沖積平原，中下部為庫木塔格大沙漠。境內(nèi)最高峰喀爾里克山，海拔4888 m。哈密屬于溫帶大陸性干旱氣候，春季多大風(fēng)，氣候干燥，年平均氣溫9.8℃，極端最高氣溫43℃，極端最低氣溫-32℃。年平均無霜期182 d。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

2000年～2015年哈密市年平均溫度、積溫和降水量數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(https://data. cma.cn/site/index.html)，選取伊州區(qū)、巴里坤和伊吾三個國家級氣象站。高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)，分辨率為90 m，處理為空間分辨率為1 km柵格數(shù)據(jù)。哈密市行政區(qū)劃數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=282)，2000年、2005年、2010年和2015年四期土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=282)，空間分辨率為1 km柵格數(shù)據(jù)。將以上數(shù)據(jù)統(tǒng)一投影坐標(biāo)為UTM-WGS-N48，空間分辨率為1 km。

1.3 研究方法

應(yīng)用GIS軟件，先將哈密市土地利用數(shù)據(jù)裁剪，然后分析2000年～2015年期間哈密市水資源類型和分布面積，統(tǒng)計分析2000年～2015年期間哈密市年均溫、積溫和降雨變化趨勢。確定氣候變化過程中，哈密市水資源的變化趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 哈密市水資源面積分布特征

哈密市2000年～2015年水資源面積空間分布特征見圖2，哈密市水資源分布類型主要為湖泊、水庫、永久性冰川和灘地，除水庫外，湖泊、永久性冰川和灘地主要分布在天山山脈兩側(cè)。從2000年～2015年哈密市湖泊面積呈現(xiàn)先下降后升高趨勢，總體呈下降趨勢2000年湖泊面積為136 km2，2015年湖泊面積為131 km2，湖泊面積最低值發(fā)生在2005年，面積為103 km2。水庫面積從2000年到2015年呈上升趨勢，2000年水庫面積為8 km2，2015年水庫面積為11 km2，2000年～2010年這10 a間上升趨勢緩慢，2010年～2015年期間水庫面積上升顯著。2000年～2015年期間，永久性冰川面積基本無變化面積維持在143 km2。哈密市灘地面積呈現(xiàn)總體下降趨勢，主要下降時間分布在2000年～2005年。哈密市2000年～2015年水資源總面積變化趨勢與湖泊變化趨勢類似，呈現(xiàn)先降低后升高，水資源面積的變化主要是湖泊面積引起的。

表1 2000年～2015年哈密不同類型水資源面積統(tǒng)計 單位：km2

圖2 2000年～2015年哈密不同類型水資源面積分布特征

2.2 哈密市2000年～2015年年均溫和≥0℃積溫變化特征

在2000年～2015年期間，哈密市三個縣區(qū)年平均溫度由高到低依次為伊州區(qū)、巴里坤和伊吾(圖3)。在2000年～2015年期間，伊州區(qū)年平均溫度處于9.50℃～11.46℃之間，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2015年和2003年，總體呈現(xiàn)上升趨勢；在2000年～2015年期間，巴里坤年平均溫度處于3.53℃～5.53℃之間，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2013年和2003年，總體呈現(xiàn)上升趨勢；在2000年～2015年期間，伊吾年平均溫度處于2.05℃～4.52℃之間，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2013年和2003年，總體呈現(xiàn)上升趨勢。就三個縣區(qū)的平均溫度而言，總體呈現(xiàn)上升趨勢，年平均溫度處于5.03℃～6.95℃之間，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2013年和2003年，線性方程為y=0.0512x-96.476(R2=0.227)，即哈密市溫度每10 a上升0.46℃。

圖3 2000年～2015年哈密市各縣區(qū)年平均溫度、積溫和降雨量變化特征

在2000年～2015年期間，哈密市各個縣區(qū)≥0℃年積溫變化趨勢與年平均溫度基本類似，總體呈現(xiàn)上升趨勢，≥0℃年積溫處于3207℃～3763℃之間，線性方程為y=2.0868x-702.95(R2=0.0064)，即≥0℃年積溫每10 a上升18.78℃。

2.3 哈密市2000年～2015年降雨量特征

在2000年～2015年期間，哈密市三個縣區(qū)年降雨量由低到高依次為伊州區(qū)、巴里坤和伊吾(圖3)。在2000年～2015年期間，伊州區(qū)年降雨量處于19.3 mm～78.8 mm之間，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2013年和2015年，總體呈現(xiàn)上升趨勢；在2000年～2015年期間，巴里坤年降雨量處于52.6 mm～175.8 mm之間，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2006年和2003年，總體呈現(xiàn)上升趨勢；在2000年～2015年期間，伊吾年降雨量處于168.2 mm～364 mm之間，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2002年和2015年，總體呈現(xiàn)上升趨勢；就三個縣區(qū)的年平均降雨而言，總體呈現(xiàn)上升趨勢，年平均降雨處于98.77 mm～196.2 mm之間，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2006年和2015年，線性方程為y=2.1796x-4242(R2=0.11)，即哈密市降雨量每10 a上升19.62 mm。

圖4 2000年～2015年哈密市各縣區(qū)降雨量變化特征

3 討論

水資源是制約干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”，是人類賴以生存和繁衍的不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)[9]。50多年來的水文氣象觀測記錄顯示[10]，受全球氣候變暖的影響，哈密地區(qū)氣溫顯著上升，降水波動增加，直接引起各類水資源的變化[11-13]。水資源的波動性變化對哈密及周邊地區(qū)人民的生產(chǎn)生活產(chǎn)生重大影響，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃和城市發(fā)展模式的確定起到舉足輕重的作用。本研究發(fā)現(xiàn)，哈密市水資源分布類型主要為湖泊、水庫、永久性冰川和灘地，從2000年～2015年哈密市湖泊面積呈先下降后上升，總體下降趨勢，水庫面積呈上升趨勢，永久性冰川面積基本無變化，灘地面積呈現(xiàn)總體下降趨勢，水資源面積的變化主要是湖泊面積引起的。而王璞玉[9]研究發(fā)現(xiàn)，1972年～2011年，榆樹溝6號冰川厚度平均減薄20 m，減薄速率約為0.51 m/a，冰川末端退縮254 m，年均退縮約6.5 m，與研究結(jié)果冰川面積無變化不一致，主要是由于本研究采用的土地利用數(shù)據(jù)分辨率為1 km，精度低。

氣候變化是影響水資源分布的主要因素，對區(qū)域分布具有主導(dǎo)性作用[14-15]。相關(guān)研究表明，在過去的15 a中，新疆降水量和氣溫整體呈增加趨勢，呈現(xiàn)暖濕現(xiàn)象[16-17]。本研究發(fā)現(xiàn)，在2000年～2015年期間，哈密市三個縣區(qū)年平均溫度和年積溫由高到低依次為伊州區(qū)、巴里坤和伊吾，降雨量與年平均溫度變化相反；哈密市平均溫度每10 a上升0.46℃，≥0℃年積溫每10 a上升18.78℃，降雨量每10 a上升19.62 mm。與上述研究結(jié)果類似，哈密市氣溫呈上升趨勢，降雨呈增多趨勢，這在一定程度上有利于植被的生長和恢復(fù)，對促進(jìn)區(qū)域生態(tài)良性發(fā)展具有導(dǎo)向性。

綜上所述，在2000年～2005年期間的水資源生態(tài)處于退化狀態(tài)，2005年～2015年期間的水資源生態(tài)處于恢復(fù)狀態(tài)，整體氣候呈暖濕現(xiàn)象，有利于水資源生態(tài)的良性發(fā)展。

4 結(jié)論

哈密市水資源分布類型主要為湖泊、水庫、永久性冰川和灘地，從2000年～2015年哈密市湖泊面積呈先下降后上升，總體下降趨勢，水庫面積呈上升趨勢，永久性冰川面積基本無變化，灘地面積呈現(xiàn)總體下降趨勢，水資源面積的變化主要是湖泊面積引起的。在2000年～2015年期間，哈密市三個縣區(qū)年平均溫度和年積溫由高到低依次為伊州區(qū)、巴里坤和伊吾，降雨量與年平均溫度變化相反；哈密市平均溫度每10 a上升0.46℃，≥0℃年積溫每10 a上升18.78℃，降雨量每10 a上升19.62 mm。綜上所述，在2000年～2005年期間的水資源生態(tài)處于退化狀態(tài)，2005年～2015年期間的水資源生態(tài)處于恢復(fù)狀態(tài)，整體氣候呈暖濕現(xiàn)象，有利于水資源生態(tài)的良性發(fā)展。