新疆城市化對(duì)降雨、徑流的影響分析

張亞剛

（和田地區(qū)水利局，新疆 和田848000）

0 引言

全球氣候的變化使得新疆地區(qū)降雨量也呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化，隨著我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)建設(shè)速度加快，生態(tài)環(huán)境也隨之產(chǎn)生變化。城市化進(jìn)程加速和降雨量的改變對(duì)新疆地區(qū)的水資源產(chǎn)生了巨大的影響，尤其對(duì)河流內(nèi)的徑流量影響最大。新疆阿勒泰地區(qū)處于內(nèi)陸，地形較為復(fù)雜，是水資源嚴(yán)重缺乏的地方。探討河道徑流及降雨的影響，對(duì)該地區(qū)的水資源研究具有重要意義［1］。

1 研究區(qū)概況

阿勒泰市位于亞洲大陸腹地，據(jù)史料記載，秦朝時(shí)候，就已經(jīng)有部落生活在阿勒泰地區(qū)，阿勒泰市總面積達(dá)10800 km2，現(xiàn)住居民都是從河西走廊遷來的。阿勒泰山脈在北部形成了自然的北方地理屏障，曾格盆地接鄰南部邊緣，因此，阿勒泰市形成了較為特別的天氣條件，南方與北方的氣候差異巨大。阿勒泰地區(qū)擁有三大水系通過境內(nèi)，水資源儲(chǔ)量非常豐富，在新疆排名第2，但可利用水較少。

2 研究方法

2.1 不均勻系數(shù)

年內(nèi)降雨不均勻系數(shù)Cut，計(jì)算公式為［2］：

式中：Crt為降雨量的年內(nèi)不均勻系數(shù)；Ui為各個(gè)月份的平均降雨量；U為年內(nèi)月均降雨量；Cut數(shù)值越大，下一年的月降水量差異越大，年內(nèi)分布不均。徑流的年平均分布也用這個(gè)系數(shù)來衡量。

2.2 完全調(diào)節(jié)系數(shù)

降雨量調(diào)節(jié)系數(shù)Cru計(jì)算公式如下［3］：

2.3 集中度和集中期

使用年降水量分布矢量法決定了降水集中度和集中期。降雨集中度是指以矢量形式累積的每個(gè)月的流出量，各成分的合計(jì)占年流出量的比例［4］。意義是反映年流出量。降雨集中期是指流出矢量合成后的方向，各個(gè)月反映了年間流出集中度的中心出現(xiàn)的月份，用12個(gè)月降雨量的比的sin值來表示。集中度是將各個(gè)月的降雨量和徑流量作為矢量數(shù)據(jù)，月平均降雨量和平均徑流量的大小是矢量的長(zhǎng)度，當(dāng)前月份為矢量的方向。1月～2月的方向從0～360°［5］：

復(fù)合矢量的方向指示最大月徑流發(fā)生的月份，即集中期，集中度反映了集中期徑流值與年總徑流的比例。

2.4 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法主要是用來研究數(shù)據(jù)隨著時(shí)間規(guī)律變化趨勢(shì)和突變的方法。該方法檢測(cè)范圍廣，對(duì)人體的影響小，定量度高，能準(zhǔn)確判斷突變年份［6］。本文采用Mann-Kendall試驗(yàn)，分析了阿勒泰市流域降雨徑流的年際變化。

2.5 數(shù)據(jù)來源

收集了阿勒泰地區(qū)流域的降雨和流量資料。數(shù)據(jù)起止時(shí)間為1960年～2010年。降雨資料來自阿勒泰地區(qū)氣象監(jiān)控站點(diǎn)。數(shù)據(jù)起止時(shí)間為1960年～2010年逐日計(jì)量數(shù)據(jù)。遙感解譯采用1960年、1970年、1980年、1990年、2000年、2010年的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

3 研究結(jié)果

3.1 降雨徑流趨勢(shì)性變化

年均降水量空間插值圖是基于阿勒泰地區(qū)氣象站點(diǎn)日觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過整理、計(jì)算和空間插值處理生成。再利用ARCGIS柵格計(jì)算器，計(jì)算1960年～2010年平均值［7］，見圖1。

圖1 阿勒泰地區(qū)多年平均降雨量分布圖

阿勒泰地區(qū)降水呈北高南低的趨勢(shì)，如圖所示，年平均降水量427.8 mm。北部為山區(qū)，地勢(shì)較高，降雨形成的徑流容易在南部匯合。降雨徑流呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，且徑流減少趨勢(shì)明顯大于降雨，見圖1。1960年～1990年，徑流變化趨勢(shì)較為強(qiáng)烈，年平均值41.39 mm，比多年平均徑流偏14.5%。1991年～2010年，波動(dòng)平緩，平均-23.17%。可見，1993年以后，徑流迅速減少。使用Mann-Kendall檢驗(yàn)法和線性回歸方程的方法，對(duì)阿勒泰市的降雨量和徑流量的變化趨勢(shì)進(jìn)行診斷。結(jié)果見表1和圖2。由表1可知，徑流Z值高達(dá)-3.79，經(jīng)99%置信度檢驗(yàn)，徑流呈極顯著的下降趨勢(shì)。降雨Z值為-2.14，通過90%的置信度檢驗(yàn)，降雨量的降低趨勢(shì)小于徑流量降低趨勢(shì)，說明除了降雨量之外，還有其他因素干擾徑流的產(chǎn)生。

圖2 降雨徑流年際變化趨勢(shì)圖

表1 降雨徑流趨勢(shì)性分析表

3.2 不均勻度與集中度

根據(jù)以上公式計(jì)算出阿勒泰市流域各特征結(jié)果計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 阿勒泰市流域降雨徑流特征值

由表2可以看出，集中度與非均勻系數(shù)的變化幾乎相同，說明集中度與非均勻系數(shù)具有一定的相關(guān)性，也就是說，降雨量的集中性越高，分布在全年的降雨量越不均勻。比較降雨和徑流的集中度，可以看出徑流的集中度比降雨的分布更為集中。阿勒泰市流域降雨徑流集中期基本相同，集中在4月下中旬。徑流的集中期稍有延遲。阿勒泰市流域年降雨徑流分布不均，無明顯變化趨勢(shì)。但是總體來看，降雨對(duì)徑流的影響較大。

從徑流年內(nèi)分配的集中性看，1960年～1970年、1970年～1980年和1999年～2000年RCD較小，而2000年～2010年均較大。從序列（1960年～2010年）RCD的變化來看，年際變化較大，最大值為0.82（2010年），最小值為0.41（1967年），見圖3。

圖3 降雨、徑流不均勻系數(shù)變化圖

從降雨年內(nèi)分配的集中度可以看出，1980年～1990年、2000年～2010年集中度均值較小，而1990年～2000年集中度較大。從序列（1960年～2010年）RCD的變化來看，年際變化較大，最大值為0.78（2010年），最小值為0.31（1967年）。且RCD序列整體上存在增大趨勢(shì)，見圖4。

圖4 集中度變化趨勢(shì)圖

3.3 城市化影響

人工建設(shè)改變了原來的水文學(xué)基礎(chǔ)面，改變了透水性，減少了地面坡度，破壞了表面原有的自然植被，改變了原有的水文學(xué)環(huán)境，改變了原有的農(nóng)地建設(shè)的流出模式。大幅減少雨水滲透，提高城鎮(zhèn)浸水的概率，綜合處理和小流域水土保持，改善土壤結(jié)構(gòu)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，增加表面植被流出。利用遙感影像，使用ENVI軟件分別解譯出1960年、1970年、1980年、1990年、2000年和2010年土地利用圖［8］，見圖5。

圖5 土地利用變化趨勢(shì)圖

從土地利用變化趨勢(shì)圖5和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，受自然環(huán)境影響，阿勒泰地區(qū)城市化進(jìn)程緩慢。城鎮(zhèn)主要集中在中原地區(qū)，城鎮(zhèn)人口建設(shè)面積增長(zhǎng)43.2%。草原覆蓋廣泛，南部平原荒漠化裸露土地是城市化進(jìn)程緩慢的原因之一。

通過比較累積量的坡度變化率，定量計(jì)算了降雨和城市化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)值。由于流域蒸發(fā)量變化較小且顯著，徑流變化與其他因素相比非常有限，徑流減少貢獻(xiàn)值約為0。以徑流變化位置為分界點(diǎn)，對(duì)徑流和降雨序列進(jìn)行了劃分。認(rèn)為該系列的第一部分以城市化為基期，其余為計(jì)算期，受城市化影響較小。繪制降雨徑流累積量與年的線性關(guān)系，得到基期和計(jì)算期的斜率（取徑流累積量與年的線性關(guān)系的斜率為Sr，降雨累積量與年的線性關(guān)系的斜率為SP），見圖6、圖7和表3。

圖6 累計(jì)徑流量圖

圖7 累計(jì)降雨量圖

1960年～1989年城市化對(duì)徑流量降低的貢獻(xiàn)率為52.89%；而降雨量對(duì)徑流量降低的貢獻(xiàn)率僅為42.03%，城市化的影響程度更高。1989年～2010年，城市化進(jìn)程的影響貢獻(xiàn)率增長(zhǎng)為75.43%，成為影響徑流量的主要因素。相對(duì)于1960年～1989年的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)明顯加快，減少了降雨量對(duì)徑流量的影響。

表3 降雨和城鎮(zhèn)變化對(duì)流域徑流量變化的貢獻(xiàn)率

4 結(jié)論

阿勒泰市流域的降雨具有明顯的年際變化規(guī)律，但總體變化速度不高，略微降低。徑流在受到降雨的影響后，變化較大，但總體上的時(shí)間分布差距不大，主要分布在3月～4月，該時(shí)段內(nèi)的徑流量占總量的57%。土地利用變化揭示了阿勒泰地區(qū)的城鎮(zhèn)化有所上升，但上升速率較慢，城鎮(zhèn)化對(duì)降雨徑流的影響貢獻(xiàn)率在1989年～2010年達(dá)到75.43%。本文在討論人類活動(dòng)的時(shí)候，并未考慮對(duì)土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，在今后的研究中，可以在該區(qū)域進(jìn)行降雨、產(chǎn)流試驗(yàn)，研究不同下墊面的降雨-徑流相關(guān)性。