塔里木河流域降雨特征與徑流關(guān)系

侯進(jìn)平

(新疆維吾爾自治區(qū)水利廳水土保持處，烏魯木齊 830000)

新疆地區(qū)位于中國(guó)西北干燥地區(qū)，海洋濕潤(rùn)氣流到達(dá)是比較困難的，氣候干燥，降水稀少，屬于溫暖的大陸氣候，地下水資源豐富，自然降水是山區(qū)地下水供應(yīng)最重要的來源[1]。河流流出的年變化對(duì)山岳地區(qū)的降水量有很大的影響。降水量是氣候變化，水循環(huán)，水資源評(píng)估，水文模型的重要輸入變量，也是大氣科學(xué)，水文學(xué)，地球科學(xué)，生態(tài)學(xué)術(shù)融合研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。關(guān)于降水量的空間和時(shí)間分布的研究，對(duì)世界性和地區(qū)性水循環(huán)法的發(fā)現(xiàn)、水資源的開發(fā)、利用、管理、綜合性水文研究、促進(jìn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。

1 塔里木河流域概況

塔里木河是中國(guó)最大的內(nèi)河，全長(zhǎng)2179km，由葉爾羌河、和塔里木、阿克蘇河等形成的，河流非常不穩(wěn)定，被稱為“脫韁的馬”。塔里木盆地位于天山山脈和昆侖之間新疆的南部，從東到西1100km，是從南到北600km寬的地方，是世界上最大的內(nèi)陸河流流域。從最長(zhǎng)的源流到塔里木河盡頭的塔里木河尾閭——泰特茅斯湖，長(zhǎng)250km。塔克拉瑪干沙漠是世界上第二大移動(dòng)沙漠，位于它的中央，流域總面積1.70萬(wàn)km2，包括370400km2的沙漠地區(qū)[2]。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)是從NASA的官方網(wǎng)站(http:/mirador.gsfc.nasa.gov/)上使用的?？臻g分辨率為0.250×0.250，時(shí)間分辨率為30d，覆蓋了中國(guó)的大部分。TRMm3B43沉淀物的形式如下。使用HDF.ENVI/IDL4.7或HDF讀取器工具，從HDF文件中提取時(shí)間平均TRMm3B43降水率(MM/HR)數(shù)據(jù)，并將每月的時(shí)間將格式轉(zhuǎn)換成每月的降水網(wǎng)格數(shù)據(jù)，積累每月的降水量數(shù)據(jù)，取得年降水量數(shù)據(jù)的總和[3]。

選定了1997—2015年新疆地區(qū)地區(qū)74個(gè)氣象觀測(cè)所的平均降水量數(shù)據(jù)，以塔里木流域全降水量的變化趨勢(shì)為特征。并且，比較中國(guó)西北部的干燥地區(qū)和塔里木盆地的山岳地帶的降水量的變化的差異。氣象數(shù)據(jù)來自中國(guó)國(guó)家氣象廳(NMAC)。在數(shù)據(jù)發(fā)布之前，測(cè)試極端值和時(shí)間一致性，并且質(zhì)量很好。1997—2015年測(cè)得的月平均流出量數(shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)為龍?jiān)麓ê吞泼鞔ê涌诘臏濤埶挠^測(cè)所和烏魯木齊水文觀測(cè)所。

2.2 研究方法

文章利用1997-2015年塔里木盆地11個(gè)氣象或水文站實(shí)測(cè)降水資料，對(duì)TRMm3b43的月降水資料進(jìn)行了GRA校正[4]。

從變化趨勢(shì)看，校正期間(1997-2010年)，校正前TRMM的年降水量數(shù)據(jù)普遍存在明顯高估，與以往的研究結(jié)果一致。經(jīng)GRA校正后的TRMM數(shù)據(jù)趨勢(shì)與實(shí)測(cè)站場(chǎng)數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致。相關(guān)系數(shù)方面，TRMM資料與校正前實(shí)測(cè)降水量的相關(guān)系數(shù)為0.51(P<0.001)，TRMM資料與校正后實(shí)測(cè)降水量的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.87(P<0.001)。同時(shí)，偏倚指數(shù)和RMSE指數(shù)分別下降了49.3%和15.49%。

驗(yàn)證期間(2011-2015年)，GRA校正的TRMM數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)站數(shù)據(jù)略有偏差，可能與本區(qū)站場(chǎng)稀少有關(guān)，但變化趨勢(shì)基本一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92(p<0.001)。總體上，用GRA方法標(biāo)定TRMM數(shù)據(jù)的精度有了很大的提高，表明該方法適合于研究區(qū)TRMM數(shù)據(jù)的標(biāo)定。因此，文章以1998-2015年塔里木盆地11個(gè)氣象水文站實(shí)測(cè)降水資料為基礎(chǔ)，采用GRA方法對(duì)TRMM 3b43的月降水資料進(jìn)行校正。流域校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期11個(gè)站點(diǎn)年平均降水量變化趨勢(shì)，見圖1。

圖1 流域校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期11個(gè)站點(diǎn)年平均降水量變化趨勢(shì)

3 降雨與徑流關(guān)系研究

3.1 降雨時(shí)空變化特征

3.1.1 年際變化特征

從年際變化看，1997-2015年塔里木盆地平均降水量為49.44mm，其中2001年降水量最大，達(dá)87.531mm，2009年降水量最小，僅16.48mm，降水量年際波動(dòng)較大。總的來說，1998-2015年和塔里木盆地的年平均降水量以-1.19mm/10a的速度減少，但沒有通過P<0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。塔里木盆地年降水量年際變化沒有明顯規(guī)律可循，主要是由于該地區(qū)地處塔里木盆地，降水條件受到全盆地水汽輸送、大氣環(huán)流和降水動(dòng)力學(xué)的制約，與塔里木盆地小氣候沒有直接的遺傳關(guān)系。降雨量年際變化趨勢(shì)，見圖2。

圖2 降雨量年際變化趨勢(shì)

3.1.2 季節(jié)性變化

1998—2015年，塔里木盆地和塔里木盆地的季節(jié)降水變化率均未通過顯著性檢驗(yàn)(P>0.05)，其中春秋季降水量呈下降趨勢(shì)，降水變化較為明顯，分別為-1.34mm/10a和-2.46mm/10a。但夏季和冬季降水量呈上升趨勢(shì)，降水量變化不大，冬季降水變化趨勢(shì)最不明顯，夏季變化率為0.27mm/10a，結(jié)果表明，塔里木盆地降水變化率與塔里木盆地降水變化率存在明顯的季節(jié)差異。春季和秋季降水變化明顯，夏季和冬季穩(wěn)定。降水量季節(jié)變化趨勢(shì)圖，見圖3。

3.2 徑流時(shí)空變化特征

3.2.1 年際變化

1998-2015年，塔里木盆地年徑流量呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，變化率為10.75×108m3/10a。通過M-K檢驗(yàn)[5]，分析了塔里木盆地年徑流變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，徑流變化趨勢(shì)檢驗(yàn)的Z值為2.14，經(jīng)顯著性水平檢驗(yàn)P<0.05。在此期間，1999年徑流量最小，僅為23.21×108m3；2013年徑流量最大，達(dá)到63.85×108m3。曲線呈鋸齒形，說明塔里木盆地年徑流量與塔里木盆地年徑流量變化頻繁。徑流量年際變化圖，見圖4。

圖4 徑流量年際變化圖

3.2.2 季節(jié)性變化

1997—2015年，塔里木盆地和塔里木盆地的徑流呈上升趨勢(shì)。夏季徑流變化趨勢(shì)最為明顯，變化率為5.73×108m3/10a，其次是春季和秋季，變化率分別為2.44×108m3/10a和1.87×108m3/10a，冬季徑流變化最為穩(wěn)定(0.51×108m3/10a)。徑流量季節(jié)性變化趨勢(shì)，見圖5。

由于塔里木盆地和塔里木盆地地處干旱地區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)量大。塔里木盆地年平均降水量<65mm，年平均潛在蒸發(fā)量近190mm。該流域的徑流主要來自高寒冰川融雪和中低山區(qū)少量降水，這決定了塔里木盆地大部分徑流集中在夏季高溫地區(qū)。根據(jù)現(xiàn)有資料計(jì)算，塔里木盆地夏季年平均徑流量為27.37×108m3，占全年的63.25%。特別是7-8月，8月流量最大，平均徑流量達(dá)到13.21×108m3，是年平均徑流量的3.75倍。平均徑流量春季5.97×108m3/a，秋季6.20×108m3，分別占12.39%和15.47%。冬季，由于降水少、氣溫低，河流徑流主要由地下水補(bǔ)給，徑流(3.47×108m3)所占比例最小，僅為6.42%。2月份徑流量年分配僅為0.84×108m3，主要取決于徑流補(bǔ)給來源。河流徑流與氣溫變化密切相關(guān)，徑流年分布極不均勻。年降水與徑流變化關(guān)系，見圖6。

3.3 降雨與徑流關(guān)系

1997-2015年與塔里木盆地年平均徑流量和降水量具有一定的同步性，特別是2004年以后。兩條曲線的峰值和谷值也反映出良好的同步性。由此可見，塔里木盆地降水變化對(duì)河流徑流有一定的影響。

圖6 年降水與徑流變化關(guān)系

徑流是氣候、下墊面條件和人類活動(dòng)等多種因素綜合作用的結(jié)果。降水形成的徑流需要經(jīng)過三個(gè)階段：攔蓄、行洪和河道匯水。由于降雨量和下墊面因素的不同，每個(gè)階段都需要消耗時(shí)間。因此，降水向水文站的匯流需要一定的時(shí)間。也就是說，水文站觀測(cè)到的降水水文特征存在時(shí)差。7、8月是降水相對(duì)集中的時(shí)期，而徑流則集中在8月。結(jié)果表明，年內(nèi)降水和徑流的分布特征和集中程度不同。徑流集中期出現(xiàn)在降水集中期之后，且波動(dòng)趨勢(shì)相似，說明塔里木盆地徑流對(duì)降水可能具有滯后效應(yīng)。年內(nèi)降雨與徑流變化趨勢(shì)，見圖7。

圖7 年內(nèi)降雨與徑流變化趨勢(shì)

在研究氣候變化對(duì)水文過程的影響時(shí)，敏感性系數(shù)通常用來表示水文要素對(duì)氣象要素的敏感性。基于靈敏度計(jì)算方法，分析了塔里木盆地不同山地結(jié)構(gòu)年徑流對(duì)降水的敏感性。使用以下公式計(jì)算靈敏度系數(shù)：

(1)

式中：Xi為降水量；Qi為徑流量；ε為敏感性系數(shù)；

為了定量辨識(shí)降水變化引起徑流的變化率，特利用以下公式計(jì)算徑流量變化率[6]，計(jì)算公式為：

(2)

式中：φ為指降雨量X變化造成的徑流量變化率；△x為降雨量的變化量。

由計(jì)算可知，研究區(qū)年徑流量對(duì)降水變化的敏感系數(shù)為0.23，即降水變化為1%，將導(dǎo)致河流年平均徑流量變化為0.32%。塔里木河和塔里木河的徑流主要來源于中、低山區(qū)冰川融雪水和少量降水。高山區(qū)冰川融水對(duì)徑流的貢獻(xiàn)大于降水，低山區(qū)冰川融水對(duì)徑流的貢獻(xiàn)較小，降水對(duì)徑流的貢獻(xiàn)較大。因此，中、低山區(qū)年徑流量與降水量的相關(guān)性高于高山區(qū)和高山區(qū)，中、低山區(qū)降水變化對(duì)降水變化的敏感性也強(qiáng)于高山區(qū)和高山區(qū)

計(jì)算得到的降水變化引起的河道徑流變化率表明，1997-2015年塔里木河流域降水變化引起的年均徑流變化為-5.98%。其中，高寒地區(qū)降水變化引起的年徑流變化率最大，為-5.71%。低山區(qū)、中山區(qū)和特高山區(qū)降水引起的年徑流變化率分別為-4.03%、-3.71%和-3.98%。結(jié)果表明，不同海拔地區(qū)降水變化引起的河流徑流變化是不同的：①河流徑流對(duì)不同海拔地區(qū)降水變化的敏感性不同；②與不同海拔地區(qū)降水變化幅度有關(guān)。河流年徑流量對(duì)山區(qū)降水變化的敏感性系數(shù)以及降水變化引起年徑流量的變化率，見表1。

表1 河流年徑流量對(duì)山區(qū)降水變化的敏感性系數(shù)以及降水變化引起年徑流量的變化率

4 結(jié) 論

分析了不同月、季、年時(shí)間尺度下的徑流變化特征，定量評(píng)價(jià)了降水變化對(duì)徑流的影響。主要結(jié)論為：

1997-2015年，塔里木盆地年徑流量以10.75×108m3/10a的變化率波動(dòng)增大(P<0.05)。塔里木盆地各季節(jié)年平均徑流量呈上升趨勢(shì)，年徑流量分布極不均勻。

計(jì)算了降水變化引起的徑流變化率，結(jié)果表明，1997-2015年塔里木河流域降水變化引起的年平均徑流變化率為-5.98%。不同海拔地區(qū)降水變化引起的河流徑流變化是不同的：①河流徑流對(duì)不同海拔地區(qū)降水變化的敏感性不同；②與不同海拔地區(qū)降水變化幅度有關(guān)。研究區(qū)年徑流量對(duì)降水量變化的敏感系數(shù)為0.23，即降水量變化的敏感系數(shù)為1%，將導(dǎo)致河流年平均徑流量變化為0.32%。