人類(lèi)活動(dòng)影響下塔里木河流域氣象干旱向水文干旱傳播的規(guī)律

薛聯(lián)青，白青月，劉遠(yuǎn)洪

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.皖江工學(xué)院水利工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031)

塔里木河是中國(guó)境內(nèi)最長(zhǎng)的內(nèi)陸河，在地理位置、氣候環(huán)境、地形條件以及人類(lèi)活動(dòng)等多重因素作用下，干旱已成為塔里木河流域最主要、最常見(jiàn)的一種自然災(zāi)害，對(duì)該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生活產(chǎn)生了極大的危害[1-2]，因此研究塔里木河干旱傳播規(guī)律對(duì)于加強(qiáng)干旱管理以及水文干旱預(yù)警具有重要意義。干旱可分為氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱4種類(lèi)型，其中，氣象干旱與降水不足有關(guān)[3]，而河流徑流量、湖泊和水庫(kù)蓄水量的減少則會(huì)導(dǎo)致水文干旱的產(chǎn)生[4]。從一種干旱類(lèi)型轉(zhuǎn)化到另一種干旱類(lèi)型時(shí)，水分循環(huán)與能量轉(zhuǎn)化伴隨該過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，水分缺失信號(hào)在不同類(lèi)型干旱之間的轉(zhuǎn)移稱(chēng)為干旱傳播[5]。通常，由于缺乏降水而引起的氣象干旱首先出現(xiàn)，在這種情況下，流域地表徑流和地下徑流缺乏降水的補(bǔ)充，同時(shí)，蒸發(fā)等水分循環(huán)和人類(lèi)活動(dòng)、社會(huì)生產(chǎn)等過(guò)程會(huì)對(duì)水分進(jìn)行持續(xù)消耗，最終導(dǎo)致地表及地下水位低于正常值，水文干旱由此產(chǎn)生[6]。

目前對(duì)于氣象干旱向水文干旱傳播的研究主要集中于水文干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)時(shí)間。吳杰峰等[7]利用對(duì)數(shù)函數(shù)構(gòu)建了干旱特征響應(yīng)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，得到晉江流域氣象干旱向水文干旱傳播的臨界條件為氣象歷時(shí)1.45月、烈度0.8。李運(yùn)剛等[8]基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(standard precipitation evapotranspiration index，SPEI)和徑流干旱指數(shù)(streamflow drought index，SDI)得出流域水文干旱滯后于氣象干旱1～8月，流域氣象干旱是水文干旱的主要驅(qū)動(dòng)力。氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間往往受到氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)等諸多因素的影響，目前對(duì)于干旱傳播時(shí)間的驅(qū)動(dòng)因子研究較少。Zhou等[9]基于時(shí)滯相關(guān)分析方法探究了水文干旱對(duì)氣象干旱的反應(yīng)延遲時(shí)間，結(jié)果表明氣候和土地利用變化是影響氣象干旱向水文干旱傳播的主要因素。以上研究初步探討了氣象干旱向水文干旱傳播時(shí)間的影響因素，但人類(lèi)活動(dòng)對(duì)干旱傳播的驅(qū)動(dòng)作用研究較少，在人類(lèi)活動(dòng)干擾強(qiáng)烈的地區(qū)，揭示干旱傳播的機(jī)理具有更加重要的意義。

本文基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index,SPI)和SDI對(duì)塔里木河流域氣象、水文干旱的時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行分析，探究氣象干旱向水文干旱傳播的規(guī)律，進(jìn)一步揭示人類(lèi)活動(dòng)對(duì)干旱傳播規(guī)律的影響，以期為塔里木河流域干旱管理提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

塔里木河流域(圖1)位于塔里木盆地北部，地處天山、昆侖山和阿爾金山之間，是世界上最大的內(nèi)陸河流域之一，地理坐標(biāo)為73°10′E～94°5′E、34°55′N(xiāo)～43°8′N(xiāo)。塔里木河流域地域遼闊，地勢(shì)落差較大，作為溫帶干旱大陸性氣候的典型代表區(qū)域，降水少，蒸發(fā)強(qiáng)，早晚溫差較大，同時(shí)植被覆蓋度低，生態(tài)環(huán)境較為脆弱[10]。隨著社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于塔里木河流域的影響日益顯著。人口的迅速增長(zhǎng)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得水資源的需求量不斷增加，城市擴(kuò)張、農(nóng)田開(kāi)墾、灌溉引水、水利工程建設(shè)等人類(lèi)活動(dòng)持續(xù)影響著流域的水文過(guò)程。

圖1 塔里木河流域示意圖Fig.1 Sketch map of Tarim River Basin

基于源流區(qū)阿克蘇河的沙里桂蘭克水文站、和田河的同古孜洛克水文站和葉爾羌河的卡群水文站3個(gè)出山口控制站以及干流控制站阿拉爾水文站共4個(gè)主要水文控制站的徑流數(shù)據(jù)計(jì)算徑流SDI，4個(gè)水文站1960—2017年的月徑流量資料來(lái)源于塔里木河流域管理局，阿克蘇河的阿克蘇氣象站、葉爾羌河的莎車(chē)氣象站、和田河的和田氣象站以及干流的阿拉爾氣象站同期的月降水量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，用于計(jì)算氣象干旱指數(shù)。

1.2 研究方法

1.2.1干旱指數(shù)計(jì)算

SPI僅以降水量數(shù)據(jù)為輸入，不需要其他數(shù)據(jù)，且計(jì)算原理簡(jiǎn)單，因而廣泛應(yīng)用于氣象干旱的評(píng)價(jià)，多個(gè)時(shí)間尺度的SPI值能夠表征不同時(shí)期的干旱情況[11]。SDI的計(jì)算原理[12]與SPI相似，SPI與SDI的干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[13]如表1所示。

表1 干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard of drought grade

1.2.2干旱傳播規(guī)律分析方法

基于流量數(shù)據(jù)的SDI能夠表征流域的水文過(guò)程，與SPI比較可以得到降水減少導(dǎo)致的水分虧缺通過(guò)水文循環(huán)轉(zhuǎn)移到徑流所需的時(shí)間。利用Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)1～24月時(shí)間尺度SPI(SPI-n，n=1，2，…，24)與1月時(shí)間尺度SDI(SDI-1)的時(shí)間序列進(jìn)行交叉相關(guān)計(jì)算，比較分析計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)大小，從而得到氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間，具體步驟如下：①計(jì)算流域某月SPI-n和SDI-1序列值，得到25個(gè)干旱指數(shù)序列；②分別計(jì)算SPI-n與SDI-1對(duì)應(yīng)序列的Pearson相關(guān)系數(shù)(由于不同時(shí)間尺度干旱指數(shù)的序列長(zhǎng)度不同，SPI-n的序列長(zhǎng)度總是小于或等于SDI-1的序列長(zhǎng)度)，得到24個(gè)Pearson相關(guān)系數(shù)；③24個(gè)Pearson相關(guān)系數(shù)中最大的相關(guān)系數(shù)所對(duì)應(yīng)的SPI時(shí)間尺度即為從氣象干旱到水文干旱最可能的傳播時(shí)間；④定義某季節(jié)的干旱傳播時(shí)間為該季節(jié)對(duì)應(yīng)3個(gè)月份干旱傳播時(shí)間的均值，年干旱傳播時(shí)間為12個(gè)月份干旱傳播時(shí)間的均值。

根據(jù)塔里木河流域已有研究成果[14-15]，將1993年作為塔里木河流域徑流突變發(fā)生的年份，據(jù)此將研究時(shí)段劃分為人類(lèi)活動(dòng)干擾前(1960—1993年)、后(1994—2017年)兩個(gè)時(shí)段，人類(lèi)活動(dòng)干擾前流域自然條件對(duì)干旱傳播影響較大，人類(lèi)活動(dòng)干擾后的干旱傳播是自然條件和人類(lèi)活動(dòng)共同作用的結(jié)果。兩個(gè)時(shí)段干旱傳播的差異可以反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)干旱傳播的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象干旱和水文干旱的時(shí)空演變特征

對(duì)阿克蘇河、和田河、葉爾羌河和干流的年尺度干旱指數(shù)序列進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表 2。由表2可見(jiàn)，置信區(qū)間均超過(guò)95%(|Z|≥1.64)，三源流的SPI和SDI值均呈增大趨勢(shì)，干流的SPI值呈顯著增大趨勢(shì)，而SDI值呈顯著減小趨勢(shì)。

表2 干旱指數(shù)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)Table 2 Mann-Kendall trend test of drought index

對(duì)1960—2017年4個(gè)水文站多時(shí)間尺度(1～12月)的SPI和SDI值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖2。不同時(shí)間尺度干旱指數(shù)可表征短期及長(zhǎng)期的干旱演變特征，時(shí)間尺度較短時(shí)，干濕交替頻繁，隨著時(shí)間尺度增大，SPI和SDI能夠識(shí)別到較為連續(xù)的干旱和濕潤(rùn)時(shí)段，干旱歷時(shí)出現(xiàn)延長(zhǎng)的現(xiàn)象。以和田河為例，SPI在1980年和1985年、SDI在1990年和1995年左右識(shí)別到了連續(xù)的干旱時(shí)段，SPI在1988年、SDI在1995年左右識(shí)別到了連續(xù)的濕潤(rùn)時(shí)段。三源流的SPI變化較為一致，表明1960—2017年源流區(qū)氣象干旱的空間異質(zhì)性較小，但干流在1980—1990年和2010年左右與源流的干旱情況不同，表現(xiàn)出區(qū)域差異。SDI反映了4條河流的水文干旱具有明顯的區(qū)域差異，與Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果一致，源流區(qū)水文干旱呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，而干流區(qū)呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，與馮怡等[16]和孫鵬等[17]的研究結(jié)果相近，說(shuō)明SPI和SDI能夠?qū)λ锬竞恿饔蚋珊登闆r進(jìn)行有效識(shí)別。通過(guò)對(duì)多時(shí)間尺度SPI和SDI比較發(fā)現(xiàn)，氣象干旱和水文干旱雖然密切相關(guān)，但并不同步，二者在時(shí)間尺度上存在一定的關(guān)聯(lián)性。

(a) SPI(阿克蘇河)

(b) SDI(阿克蘇河)

(c) SPI(和田河)

(d) SDI(和田河)

(e) SPI(葉爾羌河)

(f) SDI(葉爾羌河)

(g) SPI(干流)

(h) SDI(干流)圖2 不同時(shí)間尺度的SPI和SDI變化過(guò)程Fig.2 Variation of SPI and SDI at different time scales

塔里木河流域在人類(lèi)活動(dòng)干擾前后(即1993年前后)不同干旱指數(shù)的干旱頻率如表3所示。塔里木河流域氣象干旱和水文干旱均以輕旱和中旱為主，重旱和特旱的發(fā)生頻率較低。源流區(qū)在1993年后氣象干旱和水文干旱的發(fā)生頻率均降低，僅阿克蘇河流域水文干旱的特旱事件發(fā)生頻率出現(xiàn)升高的現(xiàn)象；而干流在1993年后氣象干旱事件的頻率降低，水文干旱事件的頻率升高。

表3 人類(lèi)活動(dòng)干擾前后各流域的干旱頻率Table 3 Drought frequency of different regions before and after being affected by human activities

2.2 氣象干旱向水文干旱傳播的規(guī)律

塔里木河流域在人類(lèi)活動(dòng)干擾前后SPI-n與對(duì)應(yīng)SDI-1的相關(guān)關(guān)系如圖3和圖4所示(圖中黑點(diǎn)表示各月氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間，各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)已經(jīng)過(guò)置信水平為90%的置信度檢驗(yàn))。人類(lèi)活動(dòng)干擾前后(圖3)源流區(qū)氣象干旱向水文干旱的年傳播時(shí)間比干流長(zhǎng)1～3月，發(fā)源于天山山脈的阿克蘇河流域干旱的年傳播時(shí)間為7～8月，發(fā)源于昆侖山脈的葉爾羌河與和田河流域干旱的年傳播時(shí)間為10～11月。塔里木河流域氣象干旱向水文干旱的傳播具有明顯的季節(jié)特征，源流區(qū)氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間為夏季最短(1～6月)，其次是秋季(5～13月)，冬季較長(zhǎng)(11～16月)，春季最長(zhǎng)(12～16月)，干流的干旱傳播規(guī)律與之相似，夏、秋、冬、春季傳播時(shí)間分別為5月、6月、9月和11月。氣象干旱向水文干旱的傳播與氣候類(lèi)型密切相關(guān)，干旱地區(qū)干旱傳播較慢，冬季傳播較夏季慢[18]。塔里木河流域夏季降水多、溫度高，能夠加快徑流對(duì)降水的響應(yīng)時(shí)間，而冬季河道凍結(jié)，水循環(huán)減緩，徑流對(duì)降水的響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，春季氣溫上升后，山區(qū)冰川積雪融化形成地表徑流[19]，能夠緩解水文干旱，延長(zhǎng)干旱傳播時(shí)間。在源流區(qū)，阿克蘇河流域夏秋季水文干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)比其他流域快3～4月，春冬季的干旱傳播時(shí)間與其他流域相近。干流氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間除夏季長(zhǎng)于源流區(qū)1～4月外，其余季節(jié)干旱傳播均比源流區(qū)短1～6月。

(a) 阿克蘇河

(b) 和田河

(c) 葉爾羌河

(d) 干流圖3 人類(lèi)活動(dòng)干擾前SPI-n與SDI-1的相關(guān)系數(shù)Fig.3 The correlation coefficient between SPI-n and SDI-1 before being affected by human activities

(a) 阿克蘇河

(b) 和田河

(c) 葉爾羌河

(d) 干流圖4 人類(lèi)活動(dòng)干擾后SPI-n與SDI-1的相關(guān)系數(shù)Fig.4 The correlation coefficient between SPI-n and SDI-1 after being affected by human activities

塔里木河流域在人類(lèi)活動(dòng)干擾后(圖 4)源流區(qū)氣象干旱向水文干旱的年傳播時(shí)間(11～14月)變長(zhǎng)，干流干旱的年傳播時(shí)間縮短。與人類(lèi)活動(dòng)干擾前相似，氣象干旱向水文干旱的傳播依然表現(xiàn)出季節(jié)性變化：源流區(qū)氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間為夏季最短(6～11月)，其次是秋季(10～14月)，冬季較長(zhǎng)(12～17月)，春季最長(zhǎng)(12～20月)，干流的干旱傳播時(shí)間在夏、秋、冬、春季分別為1月、2月、7月和11月。源流區(qū)的干旱傳播時(shí)間在夏、秋、冬、春季分別延長(zhǎng)了6月、4月、2月和4月，其中阿克蘇河流域夏秋季水文干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)仍然表現(xiàn)出比其他流域快3～4月的特點(diǎn)，春冬季的干旱傳播時(shí)間與其他流域相近；干流干旱傳播時(shí)間與源流區(qū)表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，在夏、秋、冬季分別縮短4月、4月和2月，在春季延長(zhǎng)4月，其干旱傳播時(shí)間在各個(gè)季節(jié)均短于源流區(qū)。

2.3 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)干旱傳播時(shí)間的影響

氣象干旱向水文干旱的傳播過(guò)程受許多因素的影響[20]，其中氣候變化能夠直接影響干旱的發(fā)展，進(jìn)而影響氣象干旱向水文干旱的傳播[9]。1994—2013年塔里木河源流出山口地表徑流量年均增加18.44億m3，氣候變化對(duì)徑流的正影響可達(dá)到62.7%[21]，且呈增大趨勢(shì)。隨著氣候變暖，源流區(qū)山地冰川積雪呈加速消融之勢(shì)[19]，對(duì)徑流補(bǔ)充作用增強(qiáng)，降低了水文干旱的發(fā)生頻率，源流區(qū)各個(gè)季節(jié)和干流春季的氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間整體變長(zhǎng)。在三源流中，阿克蘇河流域的降水量最大[21]，阿克蘇河流域降水不足導(dǎo)致的水分短缺狀態(tài)更易影響徑流，從而導(dǎo)致水文干旱，因此阿克蘇河流域氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間比其他兩條源流更短。

在西北干旱區(qū)氣候整體暖濕化的背景下，干流氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間與源流區(qū)表現(xiàn)出不同的變化，這主要是由于土地利用和耗用水等人類(lèi)活動(dòng)的影響[22]。研究表明，人類(lèi)活動(dòng)是干流阿拉爾水文站流量減小的主要影響因素，多年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)塔里木河干流徑流量減小的貢獻(xiàn)率一直維持在60%以上，且氣候暖濕化造成的徑流增加量被逐年加劇的人類(lèi)活動(dòng)所消耗[23]。源流區(qū)出山口至阿拉爾水文站的區(qū)間耗用水量以0.98億m3/a的速率呈顯著增加的趨勢(shì)，一般認(rèn)為主要是流域內(nèi)人類(lèi)大規(guī)模的水土資源開(kāi)發(fā)所致，如耕地面積的擴(kuò)張[24]。山前平原區(qū)隨著開(kāi)墾活動(dòng)的增加，耕地面積從1970年的9 055.42 km2增加到2015年的17 125.53 km2，通過(guò)河道引水和地下水開(kāi)采的灌溉引水量持續(xù)增加，使得河道的徑流量減小[25]，在發(fā)生氣象干旱時(shí)，河道無(wú)法維持正常蓄水量，水分不足狀態(tài)更易影響徑流而發(fā)生水文干旱，縮短了氣象干旱到水文干旱的傳播時(shí)間，源流區(qū)出山口至阿拉爾水文站的農(nóng)業(yè)活動(dòng)縮短了6～11月的干旱傳播時(shí)間，傳播時(shí)間為4～6月。同時(shí)，城市建設(shè)用地面積擴(kuò)大，使得不透水層面積增加，阻礙了水分下滲等對(duì)徑流的補(bǔ)充作用，改變了研究區(qū)徑流的水文過(guò)程，縮短了干旱的傳播時(shí)間。GDP和人口與耗用水量有直接的關(guān)系[26]，1990年后，塔里木河流域人口以每年77萬(wàn)人的速度不斷增加，GDP以年均65億元的速度迅速增長(zhǎng)，工業(yè)用水量和生活用水量增加，源流區(qū)區(qū)間耗用水量明顯上升，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源的消耗量增加，干旱的發(fā)展加快。

此外，水利工程的建設(shè)和運(yùn)行對(duì)流域的水文循環(huán)過(guò)程也有一定的影響[27]。水庫(kù)在雨季攔截洪峰進(jìn)行蓄水，在旱季泄水用于灌溉等，會(huì)改變枯水期降水與徑流的關(guān)系。水利工程對(duì)徑流的調(diào)節(jié)作用能夠明顯緩解水文干旱，延長(zhǎng)干旱傳播時(shí)間。但是，由于人類(lèi)活動(dòng)的不確定性，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)干旱傳播的影響和干旱傳播的機(jī)理仍有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

a.塔里木河流域源流區(qū)氣象、水文干旱均呈減弱趨勢(shì)，干流氣象干旱呈減弱趨勢(shì)，水文干旱與之相反；時(shí)間尺度較短時(shí)，干濕交替頻繁，隨時(shí)間尺度增大，SPI和SDI能夠識(shí)別到較為連續(xù)的干旱和濕潤(rùn)時(shí)段，干旱歷時(shí)出現(xiàn)延長(zhǎng)的現(xiàn)象。

b.塔里木河流域氣象干旱和水文干旱均以輕旱和中旱為主，重旱和特旱的發(fā)生頻率較低。源流區(qū)在1993年后氣象干旱和水文干旱的發(fā)生頻率均降低，干流在1993年后氣象干旱發(fā)生頻率降低，水文干旱發(fā)生頻率升高。

c.塔里木河流域氣象干旱向水文干旱的傳播具有明顯的季節(jié)特征。受人類(lèi)活動(dòng)干擾后，源流區(qū)氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間夏季最短(6～11月)，其次是秋季(10～14月)，冬季較長(zhǎng)(12～17月)，春季最長(zhǎng)(12～20月)；干流干旱傳播規(guī)律與之相似，夏、秋、冬、春季傳播時(shí)間分別為1月、2月、7月和11月。

d.受人類(lèi)活動(dòng)干擾后，源流區(qū)氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間受氣候變化影響較大，隨著氣溫升高、降水增多，冰川積雪的消融速度變快，氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間在各個(gè)季節(jié)均變長(zhǎng)，在夏、秋、冬、春季分別延長(zhǎng)了6月、4月、2月和4月。

e.受人類(lèi)活動(dòng)干擾后，干流夏、秋、冬季的氣象干旱向水文干旱的傳播時(shí)間縮短，春季變長(zhǎng)。干流干旱傳播時(shí)間主要受人類(lèi)活動(dòng)的影響，同時(shí)城市建設(shè)面積的擴(kuò)大和耗用水的增加也會(huì)縮短干旱傳播時(shí)間。