塔里木河干流區(qū)年徑流量變化特征及其主要影響因素

焦紫嵐 王家強(qiáng) 遲春明 牛建龍

（塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

河川徑流是地表水資源的重要組成部分，其動(dòng)態(tài)變化主要受氣候和人類活動(dòng)的綜合作用[1]，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[2-3]。政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第四報(bào)告指出，21世紀(jì)中期，全球高緯度地區(qū)年徑流量將增加10%～40%，中緯度地區(qū)年徑流量將減少10%～30%。目前，關(guān)于河川流域徑流變化特征及其成因研究報(bào)道較多，但不同學(xué)者所持觀點(diǎn)卻不盡相同。Moraes等[4]認(rèn)為，人類大量用水是皮拉西卡巴河年徑流量減少的主要原因；Labat David等[5]認(rèn)為，全球年徑流量隨平均氣溫的升高而增加，且平均氣溫每升高1oC，年徑流量將增加4%；李二輝等[6]認(rèn)為，黃河上游和中游流域年徑流量的減少主要是由人類活動(dòng)造成的；劉二佳等[7]認(rèn)為，人類活動(dòng)是導(dǎo)致窟野河徑流減少的主要因素，氣候變化是次要因素；林凱榮等[8]認(rèn)為，土地利用和氣候變化分別導(dǎo)致了東江流域年徑流量的增加和減少，且影響分量相當(dāng)；趙陽(yáng)等[9]認(rèn)為，氣候變化是潮河和白河年徑流量減少的主要原因，人類活動(dòng)的影響次之。但以往研究主要偏重于濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū)，諸如南方山區(qū)、黃土丘陵區(qū)以及主要河流的水文變化特征分析[7-10]，針對(duì)生態(tài)環(huán)境極度脆弱、氣候敏感性極強(qiáng)的極端干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水文變化特征及其影響因素研究尚缺乏。

塔里木河干流區(qū)（39°20′00″N～41°30′00″N，80°30′00″E～88°30′00″E，以下簡(jiǎn)稱“塔河干流區(qū)”）位于塔里木盆地北緣，始于阿克蘇河、和田河和葉爾羌河的交匯處（肖夾克），歸宿于臺(tái)特瑪湖，全長(zhǎng)1.321×103km，面積約3.5×105km2。該區(qū)域年平均降水量?jī)H為51.2 mm，年蒸發(fā)量高達(dá)2.3×103～3.0×105mm，生態(tài)功能弱化，是我國(guó)典型的暖溫帶極端干旱沙漠氣候帶[10]；水分主要來(lái)自于冰川和永久積雪，塔里木河是典型的季節(jié)性內(nèi)陸河流。20世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著塔河干流區(qū)人口不斷增多，外加20世紀(jì)90年代出現(xiàn)暖濕的信號(hào)轉(zhuǎn)變，2000年后出現(xiàn)冷濕的動(dòng)態(tài)變化[11-12]，平均氣溫變幅高達(dá)0.5oC[13]，改變了塔河干流區(qū)和各流域區(qū)年徑流量的量值和重新分配，引起塔河干流上游區(qū)濕地面積銳減、地面沉降和荒漠生態(tài)系統(tǒng)受損，下游區(qū)綠色走廊瀕臨毀滅等一系列嚴(yán)重問(wèn)題[14-15]。因此，探明塔河干流區(qū)年徑流量變化特征及其影響因素，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)、水資源高效利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

年徑流量資料主要選取塔河干流上游區(qū)（阿拉爾）、中游區(qū)（英巴扎）、下游區(qū)（恰拉）3個(gè)主要控制水文站1961—2010年逐年徑流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。氣象資料選取塔河干流區(qū)及其周邊的阿克蘇、阿瓦提、阿拉爾、庫(kù)車、沙雅、輪臺(tái)、焉耆、庫(kù)爾勒、鐵干里克、若羌共10個(gè)氣象站1961—2010年逐日地面氣象資料，主要包括平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速和降水量。塔里木河干流區(qū)主要控制水文站空間分布圖見圖1。

圖1 塔里木河干流區(qū)3個(gè)主要控制水文站

1.2 研究方法

年徑流量和主要?dú)夂蛞刈兓厔?shì)分析采用最小二乘法[16]；人類活動(dòng)對(duì)年徑流量變化的影響采用降水—徑流雙累積曲線法，當(dāng)年徑流量變化僅受降水影響時(shí)（極端降水事件除外），直線斜率無(wú)明顯偏差；當(dāng)直線斜率有明顯偏差時(shí)，說(shuō)明人類活動(dòng)（包括土地利用/覆蓋）有顯著性的影響，且偏離越大，表明人類活動(dòng)的作用強(qiáng)度越大[17]；氣候因子對(duì)年徑流量變化的影響采用距平相關(guān)分析方法[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 年徑流量的變化特征

塔里木河干流區(qū)不同時(shí)段年徑流量變化過(guò)程曲線見圖2所示。近50年來(lái)，塔河干流區(qū)和各流域區(qū)（上、中、下）平均年徑流量分別為2.518×109m3、4.417×109m3、2.612×109m3和5.25×108m3，均呈減少趨勢(shì)，中游區(qū)減幅明顯（4.65×108m3/10a，P<0.01），干流、上游和下游區(qū)減幅均不明顯（P>0.05）。1970年前，塔河干流區(qū)和各流域區(qū)年徑流量較高，分別為3.275×109m3、5.006×109m3、3.666×109m3和 1.152×109m3，均呈減少趨勢(shì)，上游區(qū)減幅明顯（9.54×108m3/10a，P<0.05），干流、中游和下游區(qū)減幅均不明顯（P>0.05）；1970年后，塔河干流區(qū)和各流域區(qū)年徑流量較低，分別為2.329×109m3/10a、4.269×109m3/10a、2.348×109m3/10a和3.68×108m3/10a，均呈減少趨勢(shì)，中游區(qū)減幅明顯（4.15×108m3/10a，P<0.05），干流、上游和下游區(qū)減幅均不明顯（P>0.05）。綜上所述，近50年來(lái)，塔河干流和各流域區(qū)域年徑流量均呈減少趨勢(shì)，分別累計(jì)減少了 1.51×1010m3、1.235×1010m3、2.323×1010m3和9.65×109m3，且1970年前年徑流量減幅為“上游區(qū)>下游區(qū)>中游區(qū)”，1970年后年徑流量減幅為“中游區(qū)>上游區(qū)>下游區(qū)”。

圖2 塔里木河干流區(qū)不同時(shí)段年徑流量動(dòng)態(tài)變化（1961—2010年）

2.2 人類活動(dòng)對(duì)年徑流量變化的潛在影響

塔里木河干流區(qū)降水—徑流雙累積曲線見圖3。以人類活動(dòng)影響相對(duì)較小的1961—1970年作為基準(zhǔn)期，與基準(zhǔn)期比較可知，塔河干流區(qū)和各流域區(qū)（上、中、下）自1970年后累積徑流量均有不同程度偏離，且為“下游區(qū)>中游區(qū)>上游區(qū)”，隨著時(shí)間向后推遲，偏離程度越來(lái)越大，這說(shuō)明塔河干流區(qū)和各流域區(qū)年徑流量的變化不僅與降水量有關(guān)，也與諸如土地利用/土地覆蓋、人口數(shù)量和耗水量等人類活動(dòng)因子有關(guān)。

為進(jìn)一步確定人類活動(dòng)對(duì)塔河干流區(qū)年徑流量變化的影響大小，本文構(gòu)建了塔河干流區(qū)和各流域區(qū)（上、中、下）基準(zhǔn)期年降水量和年徑流量的線性方程，估算了年降水量和人類活動(dòng)對(duì)塔河干流區(qū)和各流域區(qū)年徑流量變化的影響（見表1和表2）。20世紀(jì)70年代后，年降水量對(duì)塔河干流區(qū)和各流域區(qū)年徑流量變化的影響率分別為-19.13%、-56.68%、2.99%、-8.30%，即人類活動(dòng)對(duì)塔河干流區(qū)和各流域區(qū)年徑流量變化的影響率分別為119.13%、156.68%、97.01%、108.30%，這說(shuō)明塔河干流區(qū)、上游和下游區(qū)年徑流量的減少僅受人類活動(dòng)的影響，與區(qū)域年降水量無(wú)關(guān)；中游年徑流量的減少幾乎全部受人類活動(dòng)的控制，區(qū)域降水量的影響微乎其微，不足3.0%。

表1 塔里木河干流區(qū)基準(zhǔn)期降水量和徑流量線性方程

圖3 塔里木河干流區(qū)降水—徑流量雙累積曲線（1961—2010年）

表2 降水量和人類活動(dòng)對(duì)塔里木河干流區(qū)年徑流量變化影響的計(jì)算結(jié)果（1961—2010年）

表3 塔里木河干流區(qū)不同時(shí)段年徑流量距平與同期主要?dú)夂蛞刈兓P(guān)系（1961—2010年）

2.3 氣候變化對(duì)年徑流量變化的潛在影響

塔里木河干流區(qū)不同時(shí)段年徑流量變化與主要?dú)夂蛞刈兓P(guān)系見表3。近50年來(lái)，塔河干流區(qū)年徑流量的變化與平均風(fēng)速呈極顯著正相關(guān)，與平均最低氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)，與平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與平均最高氣溫、降水量和平均相對(duì)濕度關(guān)系不明顯。其中，1961—1970年和1971—2010年期間，塔河干流區(qū)、上游和下游區(qū)年徑流量的減少均與氣候關(guān)系不明顯；1970年前，中游區(qū)年徑流量的減少與氣候變化關(guān)系不明顯，1970年后，年徑流量的減少與平均相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)，與平均氣溫和平均最低氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)。綜上所述，近50年來(lái)，塔河干流區(qū)年徑流量的減少是由平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均風(fēng)速和平均相對(duì)濕度等多種氣象因素共同作用的結(jié)果；1970年前，塔河干流區(qū)和各流域區(qū)年徑流量的減少均與氣候關(guān)系不明顯；1970年后，塔河干流區(qū)、上游和下游區(qū)年徑流量的減少均與氣候關(guān)系不明顯，中游區(qū)年徑流量的減少與年平均相對(duì)濕度的降低、年平均氣溫和年平均最低氣溫的升高關(guān)系明顯，與年平均最高氣溫的升高、年降水量的增多和年平均風(fēng)速的減小關(guān)系不明顯。

3 討論與結(jié)論

近50年來(lái)，塔河干流區(qū)和各流域區(qū)（上、中、下）年徑流量均呈減少趨勢(shì)，分別累計(jì)減少了1.51×1010m3、1.235×1010m3、2.323×1010m3和 9.65×109m3，且減幅為“中游區(qū)（4.65×108m3/10a，P<0.01）>上游區(qū)（2.47×108m3/10a，P>0.05）>下游區(qū)（1.93×108m3/10a，P>0.05）”；1970年前，年徑流量減幅為“上游區(qū)（9.54×108m3/10a，P<0.05）>下游區(qū)（3.46×108m3/10a，P>0.05）>中游區(qū)（5.2×107m3/10a，P>0.05）”；1970年后，減幅為“中游區(qū)（4.15×108m3/10a，P>0.05）>上游區(qū)（1.92×108m3/10a，P>0.05）>下游區(qū)（8.3×107m3/10a，P>0.05）”，這與全球中緯度地區(qū)、巴西皮拉西卡巴河、我國(guó)黃河、窟野河、東江、潮河和白河等流域年徑流減少趨勢(shì)相一致[4-9]，與全球高緯度地區(qū)年徑流量增加的趨勢(shì)不一致[4]。

近50年來(lái)，塔河干流區(qū)年徑流量的減少主要受人類活動(dòng)量增加的控制，且對(duì)徑流量減少的影響程度為“上游區(qū)>下游區(qū)>中游區(qū)”，氣候變化是次要的影響因子。1970年前，塔河干流區(qū)和各流域區(qū)年徑流量的減少均受人類活動(dòng)的影響，與氣候因子關(guān)系不大；1970年后，塔河干流中游區(qū)年徑流量的減少與人類活動(dòng)量的增大有關(guān)，與平均相對(duì)濕度的增大、平均氣溫和平均最低氣溫的升高有關(guān)；塔河干流區(qū)、上游和下游區(qū)年徑流量的減少僅與人類活動(dòng)有關(guān)，與氣候關(guān)系不大，這與人類活動(dòng)是影響皮拉西卡巴河、黃河上游和中游、窟野河等流域徑流量減少的主要控制因子的結(jié)論較為一致[4,6-7]，與氣候變化是影響潮河和白河流域年徑流量減少的主要控制因子的結(jié)論恰好相反[9]，與全球年平均氣溫升高而年徑流量增加的結(jié)論恰好相反，與人類活動(dòng)和氣候變化是導(dǎo)致東江流域年徑流量增加和減少的結(jié)論不太一致[8]，這可能與研究區(qū)域地理環(huán)境不同有關(guān)，也可能與所采用的研究方法不同有關(guān)。

近50年來(lái)，塔河干流區(qū)年徑流量累計(jì)減少了1.51×1010m3，尤其是塔河干流中游區(qū)，年徑流量累計(jì)減少量可達(dá)2.32×1010m3，平均氣溫和最低氣溫的升高將會(huì)使得區(qū)域水資源短缺問(wèn)題更加突出，應(yīng)引起有關(guān)部門的高度重視。同時(shí)，受數(shù)據(jù)獲取的限制，本文在分析塔河干流區(qū)年徑流量變化特征及其影響因素時(shí)，未充分考慮土地利用/土地覆蓋、人口數(shù)量和耗水量等人類活動(dòng)對(duì)塔河干流區(qū)年徑流量減少的定量影響，未來(lái)可進(jìn)行深入的研究。