氣候變化對(duì)塔里木河源流徑流近61年的影響分析

金慶日

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

在氣候變化的影響下，水文流域的水循環(huán)和徑流形成演化為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)[1]。氣候變化導(dǎo)致全球大氣溫度升高，降水格局發(fā)生變化。氣候變化最重要的潛在后果之一可能是區(qū)域水文循環(huán)的變化以及隨后帶來(lái)的河流數(shù)量和質(zhì)量狀況的變化。區(qū)域水循環(huán)的空間和時(shí)間分布受到全球溫度升高(未來(lái)將明顯持續(xù))和降水空間分布變化的影響。近年來(lái)，干旱、洪水等極端事件頻發(fā)，在世界范圍內(nèi)呈上升趨勢(shì)[2]。干旱氣候下，干旱和半干旱地區(qū)降水和溫度的微小變化導(dǎo)致徑流變化的百分比更高，因此中國(guó)西北干旱地區(qū)的內(nèi)陸河流徑流對(duì)氣候變化的敏感性高于其他地區(qū)[3]。本文嘗試定量分析氣候變化對(duì)不同時(shí)空尺度河流徑流的影響，旨在為進(jìn)一步研究和決策流域水資源開發(fā)提供參考。

1 研究區(qū)概況

塔里木河流域處于完全封閉的內(nèi)陸地區(qū)，降水量少，蒸發(fā)量大。徑流主要來(lái)自盆地南側(cè)、西側(cè)和北側(cè)高陡的阿爾金山、昆侖山和天山。這些山脈上的冰川和永久性積雪形成了山頂水庫(kù)。流域是典型的耗散型內(nèi)陸河流域，水來(lái)自山區(qū)，在平原和沙漠中枯竭。塔里木河干流起始于阿克蘇河、葉爾羌河以及和田河的交匯處，全長(zhǎng)1321km，最終流入臺(tái)特瑪湖。塔里木河本身不產(chǎn)流，而是由原始水源供給。歷史上，干流由流域內(nèi)9個(gè)水系補(bǔ)給，但現(xiàn)在只有3個(gè)上游源頭的河水流入，即阿克蘇河、葉爾羌河以及和田河。其中，阿克蘇河全年四季都能連續(xù)向塔里木河供水，葉爾羌河在遭遇特大洪水時(shí)才能供水，和田河在每年的洪水期間供水。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究收集了阿克蘇河、葉爾羌河、和田河的7個(gè)水文站(和田河上的同古孜洛克和烏魯瓦提站，葉爾羌河上的庫(kù)魯克欄干、卡群和玉孜門勒克站，阿克蘇河上的協(xié)合拉和沙里桂蘭克站)。為了便于分析，將來(lái)自7個(gè)源頭站的年徑流數(shù)據(jù)相加，以表示源頭的年徑流總量。

氣象數(shù)據(jù)為塔里木河源流域8個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)、基本氣象站(阿克蘇、阿合奇、柯坪、巴楚、塔什庫(kù)爾干、莎車、和田和皮山氣象站)1956—2016年的逐月降水實(shí)測(cè)資料，計(jì)算8個(gè)氣象站的年均降水量，代表塔里木河流域的年均降水量。

2.2 分析方法

本研究采用趨勢(shì)分析法、差積曲線分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)法。為分析降水量的變化趨勢(shì)，利用傾向率方法進(jìn)行分析，即建立氣候變量與時(shí)間的一元線性回歸方程，為了減少隨機(jī)誤差，采用滑動(dòng)平均消除噪聲，運(yùn)用5年滑動(dòng)平均來(lái)反映降水及溫度變化趨勢(shì)。差積曲線的縱軸為徑流累計(jì)差積量，曲線的水平軸為時(shí)間。向下坡度表示徑流減少，向上坡度表示徑流增加，水平坡度表示徑流接近年平均值。因此，連續(xù)的向下梯度表明河道中長(zhǎng)期存在干旱或缺水現(xiàn)象，反之亦然。無(wú)外界干擾時(shí)，累積差分曲線一般呈周期性波動(dòng)。Mann-Kendall檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，用于預(yù)測(cè)各種觀測(cè)要素的時(shí)間序列數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期趨勢(shì)。變量不一定具有正態(tài)分布特征，少數(shù)異常值不會(huì)影響它們。因此，它們可以應(yīng)用于非正態(tài)分布的趨勢(shì)分析，如水文變量和氣象要素[4]。以近61年的徑流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)，并建立徑流的累積差分曲線，以反映徑流的變化趨勢(shì)。

3 結(jié)果分析

3.1 徑流量變化

圖1 塔里木河源流總徑流量變化趨勢(shì)

根據(jù)天然徑流實(shí)測(cè)資料，分析了1956—2016年阿克蘇河、葉爾羌河以及和田河總徑流量變化趨勢(shì)，見圖1。1956—2016年的年均徑流量為190.99億m3，平均年徑流量以0.6352億m3/a的速率增加，研究期間共增加了38.75億m3，趨勢(shì)方程為y=0.6352x+171.3(P<0.05，變化顯著，通過(guò)了95%顯著性檢驗(yàn))。最大年徑流量出現(xiàn)在1994年，為254.00億m3；最小年徑流量出現(xiàn)在1965年，為139.00億m3，兩者相差115.00億m3。由圖1可以看出，在1993—1994年總徑流量發(fā)生較大轉(zhuǎn)變，由144.00億m3增長(zhǎng)到254.00億m3，且后期徑流較長(zhǎng)時(shí)間保持在較高水平。1956—1993年平均徑流量為180.00億m3，1994—2016年平均徑流量為209.00億m3，增加了16%。通過(guò)計(jì)算徑流量累積距平可以發(fā)現(xiàn)，在1993年發(fā)生轉(zhuǎn)折，說(shuō)明在1993年之前徑流量距平持續(xù)為負(fù)，之后持續(xù)為正。因此，選擇1993年為突變點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.2 影響徑流變化的氣候因素分析

氣候變化對(duì)水資源循環(huán)有著至關(guān)重要的影響。降水和溫度共同決定了區(qū)域水資源分布，影響了徑流的形成和區(qū)域分布。由于塔里木河流域是封閉的，溫度決定了由冰川和融雪提供的徑流量。因此，溫度和降水趨勢(shì)是塔里木河流域徑流的兩個(gè)主要驅(qū)動(dòng)因素[5]。

3.2.1 溫度變化

圖2為塔里木河源流地區(qū)1956—2016年的年均溫變化趨勢(shì)，多年平均溫度為11.13℃，且整體呈緩慢上升趨勢(shì)。1956—1993年平均溫度為10.78℃，趨勢(shì)方程為y=0.0141x+10.5(P<0.05，變化顯著，通過(guò)了95%顯著性檢驗(yàn))，平均溫度以0.0141℃/a的速率增加，38年間增加了0.54℃。1994—2016年平均溫度為11.70℃，趨勢(shì)方程為y=0.0338x+10.015(P<0.05，變化顯著，通過(guò)了95%顯著性檢驗(yàn))，平均溫度以0.0338℃/a的速率增加，23年間增加了0.78℃。1993年之后溫度變化率由0.0141℃/a提升到0.0338℃/a，提高了140.0%；平均溫度由10.78℃提升到11.70℃，增加了8.5%。

圖2 塔里木河源流域年均溫變化趨勢(shì)

3.2.2 降水變化

圖3為塔里木河源流地區(qū)1956—2016年的年均降水變化趨勢(shì)，多年平均降水量為77.81mm，且整體呈緩慢上升趨勢(shì)。1956—1993年平均降水量為69.91mm，趨勢(shì)方程為y=0.4732x+60.443(P>0.05，變化不顯著，未通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn))，平均降水以0.4732mm/a的速率增加，38年間增加了17.98mm。1994—2016年平均降水量為90.86mm，趨勢(shì)方程為y=0.9927x+41.220(P>0.05，變化不顯著，未通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn))，平均降水以0.9927mm/a的速率增加，23年間增加了22.83mm。1993年之后降水變化率由0.4732mm/a提升到0.9927mm/a，提高了110.0%；年均降水量由69.91mm提升到90.86mm，增加了30%。

圖3 塔里木河源流域年均降水變化趨勢(shì)

3.3 氣候變化對(duì)徑流的影響分析

過(guò)去61年來(lái)，河流的總徑流量呈現(xiàn)出略微增加的趨勢(shì)，并且在1993年后增加趨勢(shì)更加明顯，可以通過(guò)圖4(a)進(jìn)一步確認(rèn)，總徑流量呈現(xiàn)出周期性波動(dòng)和隨后的持續(xù)上升趨勢(shì)。圖4(b)、圖4(c)以及圖4(d)分別為阿克蘇河、葉爾羌河以及和田河的徑流累計(jì)差分曲線，顯示出了與總徑流量相似的變化趨勢(shì)。在1993年之前呈現(xiàn)出反復(fù)波動(dòng)，且徑流量普遍低于平均徑流量；在1993年時(shí)3個(gè)流域的徑流量普遍發(fā)生轉(zhuǎn)變；在1993年之后徑流量普遍大于平均徑流量，并且增長(zhǎng)明顯，這與降水以及氣溫變化類似，都在1993年之后有了較快的增長(zhǎng)。以上分析表明：隨著溫度和降水量的增加，河流表層徑流也有增加的趨勢(shì)。換言之，氣候變化加速了研究區(qū)水文過(guò)程向積極的方向轉(zhuǎn)變。

圖4 塔里木河源流域徑流累計(jì)差分曲線

3.4 源流徑流量突變分析

圖5為塔里木河源流徑流量突變檢驗(yàn)，其中圖5(a)為源流總徑流量突變檢驗(yàn)，從圖5(a)中可以看出，在研究時(shí)間范圍內(nèi)只有一個(gè)突變點(diǎn)，說(shuō)明總徑流量振蕩不明顯，在1956—1993年總徑流量基本為水平波動(dòng)變化，1993年以后開始明顯增加；圖5(b)為阿克蘇河徑流量突變檢驗(yàn)，由于阿克蘇河徑流量占總徑流量權(quán)重最大，因此同總徑流量走勢(shì)基本一致；圖5(c)為葉爾羌河徑流量突變檢驗(yàn)，從圖5(c)中可以看出，在2003—2011年之間存在多個(gè)突變點(diǎn)，說(shuō)明這個(gè)階段徑流量振蕩明顯；圖5(d)為和田河徑流量突變檢驗(yàn)，從圖5(d)中可以看出，在2010年之后徑流量存在多個(gè)突變點(diǎn)，說(shuō)明這個(gè)時(shí)期內(nèi)徑流量波動(dòng)明顯，在1956—1993年期間徑流量整體呈現(xiàn)緩慢向下波動(dòng)的趨勢(shì)，在1993年之后徑流量開始增加。

圖5 塔里木河源流徑流量突變檢驗(yàn)

3.5 氣候變化與徑流的相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步定量分析氣候變化(主要指降水與溫度變化)與徑流變化的相關(guān)程度，基于CORREL函數(shù)分別對(duì)年均降水與年均徑流量、年均溫度與年均徑流量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表1。

從表1中可以看出溫度與徑流量的相關(guān)系數(shù)均大于降水與徑流量的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明溫度的變化對(duì)徑流量的變化影響更大。通過(guò)顯著性檢驗(yàn)可知，降水與流域徑流量顯著性檢驗(yàn)較差；溫度對(duì)阿克蘇河以及葉爾羌河顯著性檢驗(yàn)較好，說(shuō)明溫度變化主要影響阿克蘇河以及葉爾羌河徑流量變化。因此，溫度是影響塔里木河源流域徑流量變化的主要因素。

表1 降水及溫度與徑流量相關(guān)性分析

4 結(jié) 論

塔里木河上游的3條原始河流均發(fā)源于山區(qū)。由于原始河流交匯的地區(qū)基本上沒有人類活動(dòng)，河道中的徑流變化可歸因于氣溫上升和降水增加，簡(jiǎn)而言之，氣候因素(主要指降水跟氣溫)是造成這種情況下徑流變化的最重要原因。在1956—2016年，61年期間降水增加了40.81mm，氣溫升高了1.32℃，總徑流量增加了38.75億m3。塔里木河上游的3條原始河流的徑流在近61年時(shí)間整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，在1993年之前主要為水平振蕩走勢(shì)，1993年以后徑流量有明顯的上升。氣候變化增加了塔里木河源頭的地表徑流，并且通過(guò)相關(guān)性分析可知，溫度變化是影響源流徑流量的主要因素。