塔河下游河道生態(tài)輸水對(duì)氣候變化的影響探討

塔衣爾·艾爾肯

（新疆塔里木河流域干流管理局,新疆 庫(kù)爾勒 841000）

0 引言

從20 世紀(jì)50 年代開始,氣候變化及人類對(duì)水土資源的過(guò)度開采導(dǎo)致塔里木河流域下游河道干涸、地下水位驟降、斷流、沙漠化加劇。包括氣溫升高、蒸散發(fā)加劇、水量消耗增加等在內(nèi)的氣候變化會(huì)改變流域水資源總量,使洪水、旱災(zāi)、內(nèi)澇等災(zāi)害性事件發(fā)生頻次和強(qiáng)度增大,加重干旱區(qū)流域水資源短缺矛盾。對(duì)塔河下游所進(jìn)行的生態(tài)輸水,使下游河道水循環(huán)過(guò)程進(jìn)一步改善,區(qū)域小氣候發(fā)生變化。針對(duì)塔河下游河道生態(tài)輸水的研究大多集中在輸水效益評(píng)估、下游河道生態(tài)水文過(guò)程演變等方面,而對(duì)于生態(tài)輸水對(duì)下游河道氣候變化的影響尚無(wú)相關(guān)分析探討。本文以塔河下游國(guó)家級(jí)氣象站氣溫、降水等基礎(chǔ)性資料為依托,進(jìn)行了生態(tài)輸水前后標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)、土壤干旱指數(shù)等指標(biāo)變化趨勢(shì)特征的對(duì)比分析,從而揭示出生態(tài)輸水對(duì)塔河下游河道氣候變化的影響,以期對(duì)塔河下游戰(zhàn)略性生態(tài)輸水積極意義進(jìn)行客觀評(píng)價(jià),并為流域水資源管理和可持續(xù)利用提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 塔河下游河道生態(tài)輸水概況

1.1 研究區(qū)概況

塔河由和田河、葉爾羌河、阿克蘇河等數(shù)條源流匯聚而成,全長(zhǎng)1321 km,流域生態(tài)十分脆弱,近年來(lái)隨著流域周圍灌溉農(nóng)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展及水土資源的過(guò)度開發(fā),源流匯入水量急劇減少,塔河下游河道一度出現(xiàn)斷流干涸局面。1972 年大西海子水庫(kù)建成后塔河下游阿拉干斷面以下徹底斷流,地下水埋深也從此前的3.0 m～5.0 m下降至11.0 m～13.5 m,天然植被大面積衰敗,綠色走廊瀕臨消亡。為此,從2000 年開始,國(guó)家啟動(dòng)塔河綜合治理工程,從大西海子水庫(kù)調(diào)水向塔河下游進(jìn)行戰(zhàn)略性生態(tài)輸水,到2020 年經(jīng)過(guò)20 次生態(tài)輸水后預(yù)期輸水目標(biāo)基本完成,塔河尾閭臺(tái)特瑪湖昔日自然景觀得以重現(xiàn),自然成為國(guó)內(nèi)外干旱區(qū)受損生態(tài)環(huán)境修復(fù)的典型范例。

1.2 生態(tài)輸水概況

自2000年開始,塔河先后向其下游河道進(jìn)行了20 次生態(tài)輸水,截至目前,從大西海子水庫(kù)累計(jì)下泄生態(tài)水量81.6×108m3,年輸水量均值4.34×108m3,塔河綜合治理規(guī)劃所制定的3.5×108m3的下泄水量目標(biāo)已然實(shí)現(xiàn)。由圖1 可以看出,除2008年外的其余年份均有水量下泄,且2003 年、2010年～2013 年、2015 年～2018 年從大西海子水庫(kù)下泄的水量均超過(guò)3.5×108m3。

圖1 塔河下游河道生態(tài)輸水量

2 研究方法

采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間序列趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn),并通過(guò)Pettitt突變檢驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行塔河流域徑流長(zhǎng)序列突變分析[1],以便準(zhǔn)確確定突變點(diǎn)所在及突變量,同時(shí)進(jìn)行突變點(diǎn)統(tǒng)計(jì)意義判斷。Pettitt突變檢驗(yàn)技術(shù)原假設(shè)H0序列不存在突變點(diǎn),如果滿足以下條件：

則 為突變點(diǎn),并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量計(jì)算：

式中：n為序列長(zhǎng)度；Ut,n為根據(jù)第1個(gè)樣本序列大于第2個(gè)樣本序列次數(shù)統(tǒng)計(jì)而成的新序列。如果所得到的統(tǒng)計(jì)量p ≤0.05,則突變點(diǎn) 存在顯著統(tǒng)計(jì)意義,且為受檢驗(yàn)序列的一級(jí)突變點(diǎn)；以突變點(diǎn) 為分界線將原序列劃分為兩個(gè)子序列后,再重復(fù)以上過(guò)程繼續(xù)檢測(cè)新突變點(diǎn),最終得到多級(jí)突變點(diǎn)[2]。

本文主要采用溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）進(jìn)行植被分布特征分析,并結(jié)合降水、氣溫等氣候因子計(jì)算塔河下游6 個(gè)月及12 個(gè)月時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）,根據(jù)結(jié)果進(jìn)行項(xiàng)目區(qū)干旱時(shí)空演變分析,SPEI等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）等級(jí)

為進(jìn)行極端降水指數(shù)小波周期分析,本文還應(yīng)用了MATLAB軟件的Wavelet分析方法。

3 下游氣候變化分析

3.1 氣溫及降水變化

選取塔河下游尉犁國(guó)家級(jí)氣象站1960年～2020年的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù),并進(jìn)行Mann-Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn),根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果,1960年～2020年間該氣象站所測(cè)平均氣溫為11.21℃,趨勢(shì)檢驗(yàn)值取6.38,高出0.01 檢驗(yàn)水平下2.56 的檢驗(yàn)值,表明氣溫以較顯著趨勢(shì)升高,增速為0.027℃/a。1960年～2020年間該氣象站所測(cè)降水量均值為36.42 mm,趨勢(shì)檢驗(yàn)值1.29,比0.01檢驗(yàn)水平下1.98 的檢驗(yàn)值低,表明降水量以不顯著趨勢(shì)增大,增速為0.15 mm/a。運(yùn)用Mann-Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)法進(jìn)行該氣象站氣溫、降水變動(dòng)趨勢(shì)檢驗(yàn),結(jié)構(gòu)見圖2和圖3,圖中所示UFk和UBk的交點(diǎn)即為突變點(diǎn)[3]。

圖2 尉犁氣象站氣溫變動(dòng)趨勢(shì)Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知,1960年～2020年間該氣象站氣溫增加趨勢(shì)明顯,UFk和UBk的交點(diǎn)（即氣溫突變點(diǎn)）出現(xiàn)在1996年,此前UFk曲線在UBk曲線之下,此后則表現(xiàn)出相反的變動(dòng)趨勢(shì),突變量為1.06℃。

根據(jù)對(duì)圖3的分析,1960年～2020年間該氣象站降水量表現(xiàn)為不顯著的增大趨勢(shì),且UFk和UBk曲線變動(dòng)趨勢(shì)一致,在1993年之前UFk在UBk曲線之上,1993 年之后兩曲線表現(xiàn)出多次交叉,但分離趨勢(shì)不顯著,表明,該測(cè)站降水量在1993年存在不顯著突變,突變量1.48 mm。

3.2 降水蒸散指數(shù)變化

研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）主要根據(jù)氣象站氣溫及降水資料推算,并根據(jù)推算結(jié)果進(jìn)行干旱等級(jí)劃分及變動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè),SPEI逐年變化趨勢(shì)見圖4。由圖可知,1960 年～2020 年間該氣象站年度SPEI呈整體下降趨勢(shì),說(shuō)明以該氣象站為代表的項(xiàng)目區(qū)趨向干旱化。根據(jù)前述分析,該氣象站降水量表現(xiàn)為不顯著的增大趨勢(shì),而氣溫顯著升高,則蒸發(fā)持續(xù)加速后便造成項(xiàng)目區(qū)干旱化趨勢(shì)的不斷加劇。根據(jù)對(duì)圖4中SPEI逐年變化趨勢(shì)的分析還可以發(fā)現(xiàn),1993年后SPEI數(shù)值由正轉(zhuǎn)負(fù),變動(dòng)劇烈,此前僅若干年份（1978 年和1986 年）出現(xiàn)輕旱和中旱,而1993 年以后干旱情勢(shì)加劇,僅若干年份無(wú)旱,其余年份均為干旱甚至重旱狀態(tài),2001 年出現(xiàn)特旱。

3.3 干旱指數(shù)變化

植被干旱指數(shù)（TVDI）主要根據(jù)光學(xué)和熱紅外遙感通道數(shù)據(jù)反演項(xiàng)目區(qū)表層土壤水分變化情況,本文主要以該指標(biāo)進(jìn)行塔河下游生態(tài)輸水后土壤水分變化情況的評(píng)估。

應(yīng)用ENVI5.0遙感影響處理軟件進(jìn)行項(xiàng)目區(qū)2000年～2020年Modis-EVI及Modis-LST數(shù)據(jù)分析,并計(jì)算得出相應(yīng)年份塔河下游溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）逐年平均取值,結(jié)果見圖5。由圖可知,進(jìn)行塔河下游生態(tài)輸水后下游河岸帶和湖區(qū)TVDI值表現(xiàn)出下降趨勢(shì),且年均減小量為0.008,充分說(shuō)明塔河下游2000年～2020年間土壤含水量是增長(zhǎng)的。根據(jù)水量轉(zhuǎn)化程度,塔河下游河道生態(tài)輸水量有至少40%轉(zhuǎn)化為土壤水,其中河岸帶和湖區(qū)TVDI也呈逐年減小趨勢(shì),表明此類區(qū)域均呈濕潤(rùn)化發(fā)展。

圖5 河岸帶+湖區(qū)溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）逐年均值

根據(jù)塔河下游生態(tài)輸水后河道2000年～2020年溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）的空間分布情況,采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)進(jìn)行土壤干旱指數(shù)逐象元分析計(jì)算,并最終得出TVDI空間變化趨勢(shì)規(guī)律,具體見表2。根據(jù)圖中計(jì)算結(jié)果可以看出,塔河下游河岸帶和湖區(qū)土壤干旱指數(shù)均呈下降趨勢(shì),即趨勢(shì)檢驗(yàn)值Z＜0,面積為2930 km2,占比84.75%,說(shuō)明塔河下游生態(tài)輸水后整體呈濕潤(rùn)化發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)實(shí)地調(diào)查,TVDI呈上升趨勢(shì)的區(qū)域主要分布在喀爾達(dá)依和阿拉干區(qū)間。

表2 塔河下游生態(tài)輸水后TVDI空間趨勢(shì)及占比

4 結(jié)論

綜上所述,自2000年對(duì)塔河下游進(jìn)行生態(tài)輸水以來(lái)其下游河道氣溫增加趨勢(shì)明顯,且1996年出現(xiàn)氣溫突變點(diǎn)后氣溫急劇顯著升高；降水量則表現(xiàn)為不顯著的增大趨勢(shì),在氣溫和降水的綜合作用下,河道下游蒸發(fā)加劇。根據(jù)對(duì)降水蒸散指數(shù)變化趨勢(shì)的分析發(fā)現(xiàn),項(xiàng)目區(qū)自1993年以來(lái)干旱化趨勢(shì)加劇,2001年甚至出現(xiàn)特旱,而生態(tài)輸水后這種局面有所逆轉(zhuǎn)。通過(guò)分析塔河下游河道生態(tài)輸水后植被干旱指數(shù)（TVDI）的變動(dòng)趨勢(shì)發(fā)現(xiàn),除極個(gè)別沙漠化區(qū)域外,其余河岸帶和湖區(qū)土壤均呈濕潤(rùn)化發(fā)展,對(duì)于塔河下游水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)較為有利,這也為以后塔河下游河道生態(tài)輸水戰(zhàn)略的持續(xù)進(jìn)行提供了依據(jù)。