全球變暖背景下干旱區(qū)典型內(nèi)陸河徑流量變化及未來趨勢(shì)預(yù)估

阿迪力江·吾拉木

（新疆塔里木河流域喀什管理局,新疆 喀什 844700）

內(nèi)陸河是指由內(nèi)陸山區(qū)降雨或高山融雪產(chǎn)生的不能流入海洋、只能流入內(nèi)陸湖泊或在內(nèi)陸消失的河流。在我國(guó)干旱區(qū)分布有一些內(nèi)陸河,發(fā)源于冰川面積大和分布集中的山區(qū)。近幾十年來,隨著全球氣候變暖,干旱區(qū)氣溫呈上升趨勢(shì),冰雪消融和河道徑流明顯增加,干旱和洪澇災(zāi)害頻發(fā)[1-2]。但以往研究資料陳舊,研究時(shí)空范圍都較小,不能系統(tǒng)反映干旱區(qū)內(nèi)陸河水資源年際和年內(nèi)變化對(duì)全球氣候變化的響應(yīng),更缺乏對(duì)未來10 年水資源變化的科學(xué)預(yù)估。本文以我國(guó)極端干旱的典型內(nèi)陸河——葉爾羌河為例進(jìn)行水資源特征研究。

葉爾羌河是我國(guó)塔里木河四大源流（阿克蘇河、葉爾羌河、和田河和開都-孔雀河）之一,屬于典型的內(nèi)陸河,發(fā)源于喀喇昆侖山,河流全長(zhǎng)1281 km。流域形態(tài)是由葉爾羌河干流、塔什庫(kù)爾干河、提孜那甫河、上游克勒青河及眾多小的支流形成的一個(gè)不規(guī)則的“扇”狀水系[3]。提孜那甫河是葉爾羌河的一條較大支流,發(fā)源于海拔5000 m 昆侖山北坡的科克阿特達(dá)坂現(xiàn)代冰川區(qū),豐富的冰雪融水及大氣降水保證了河水及地下水有較充沛的補(bǔ)給源。地勢(shì)西南高東北低,橫貫昆侖山北坡,流經(jīng)葉城、澤普、莎車、麥蓋提縣,在汗克爾渠首附近匯入葉爾羌河,河流全長(zhǎng)335 km。因葉爾羌河流域地處歐亞大陸腹地,遠(yuǎn)離海洋,周圍又有高山阻隔,加上沙漠的影響,流域內(nèi)呈典型的干旱大陸性氣候,空氣干燥,日照長(zhǎng),蒸發(fā)強(qiáng)烈,降水小。葉爾羌河徑流組成主要以冰雪消融補(bǔ)給為主,受氣候變化影響大,存在水資源年內(nèi)分配和地域分布極不均勻的特征,引起春旱、夏洪、鹽堿及風(fēng)沙等危害,社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水還嚴(yán)重?cái)D占生態(tài)用水,水資源利用效率極為低下,難以維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。為了保障葉爾羌河灌區(qū)約200 萬人的生產(chǎn)和生活用水及河岸林草植被恢復(fù)的生態(tài)用水功效,需系統(tǒng)掌握過去65 年（1954 年～2018 年）葉爾羌河徑流量的年際、年內(nèi)和豐枯變化特征,并科學(xué)預(yù)測(cè)未來10 年葉爾羌河徑流量的變化。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

葉爾羌河喀群（1954 年～2018 年）水文站和提孜那甫河江卡（1957 年～2018 年）水文站月徑流量數(shù)據(jù)來源于新疆塔里木河流域喀什管理局。

1.2 方法

1.2.1 徑流量變化分析方法

利用SPSS10.0、Sigmaplot12.0、Excell 等軟件,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析葉爾羌河出山口及其支流水文站徑流量的年際和年內(nèi)變化特征。

1.2.2 徑流量預(yù)測(cè)方法

時(shí)間序列分析的ARIMA 建模法也叫Box-Jenkins 法,可分為自回歸模型（AR 模型）、移動(dòng)平均模型（MA 模型）和自回歸移動(dòng)平均模型（ARMA 模型）。

ARMA 模型不僅與其前p 個(gè)時(shí)刻的自身觀測(cè)值有關(guān),而且還與其以前時(shí)刻進(jìn)入系統(tǒng)的q 個(gè)隨機(jī)誤差存在一定的依存關(guān)系,即：

在進(jìn)行ARMA 建模之前,時(shí)間序列必須滿足平穩(wěn)性條件。非平穩(wěn)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)則可以用差分法使之平穩(wěn)化,并進(jìn)行檢驗(yàn)。時(shí)間序列經(jīng)過差分平穩(wěn)化后,可以建立ARMA 模型來分析,對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì),通過數(shù)據(jù)變換的可逆性,使模型參數(shù)估計(jì)結(jié)果適應(yīng)平穩(wěn)化之前的數(shù)據(jù)。這整個(gè)過程建立的模型稱為ARIMA 模型。如果對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了d 次差分,則將建立的差分?jǐn)?shù)據(jù)記為ARIMA（p,d,q）。本文運(yùn)用該方法對(duì)葉爾羌河出山口徑流量未來10 年的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 徑流量變化特征

2.1 年際變化

1954 年～2018 年葉爾羌河出山口喀群水文站多年平均徑流量為67.78 億m3。隨著全球氣候變暖,葉爾羌河山區(qū)來水量呈輕微增加趨勢(shì),以平均0.71 億m3/10 a 速率增加（圖1（a））。通過計(jì)算1957 年～2018 年提孜那甫河出山口江卡水文站多年平均徑流量值（圖1（b））發(fā)現(xiàn),其多年平均徑流量為8.74 億m3。隨著全球氣候變暖,提孜那甫河來水量不斷增加,徑流量也呈現(xiàn)增加趨勢(shì),且以2.74 億m3/10 a 的速度增加。由此可知,過去65 年葉爾羌河徑流量增加不明顯,提孜那甫河主要受葉爾羌河人為輸水的影響,徑流量增加顯著。

圖1 1954 年～2018 年葉爾羌河主要水文站徑流量變化

2.2 年內(nèi)變化

通過分析葉爾羌河喀群水文站多年月平均徑流量（圖2（a））發(fā)現(xiàn),盛夏徑流量最大,夏初和秋初徑流量次之,春季和冬季徑流量最小。具體來看,6 月份和9 月份平均徑流量超過4 億m3,屬于偏豐期；而7 月份和8 月份平均徑流量超16 億m3,8 月份的平均徑流量最大,達(dá)24 億m3,屬于汛期；春季和冬季徑流量均低于3 億m3,屬于非汛期。全年超8 個(gè)月屬于非汛期。提孜那甫河江卡水文站各月徑流量的變化見圖2（b）,從圖2（b）可知,江卡水文站從5 月份開始進(jìn)行汛期,一直持續(xù)到9 月底,徑流量超過0.10 億m3,而其他月份徑流均低于0.03 億m3,屬于非汛期。

圖2 葉爾羌河主要水文站多年平均月徑流量變化

2.3 未來10 年葉爾羌河徑流量預(yù)估

通過運(yùn)用時(shí)間序列趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型對(duì)喀群水文站未來10 年（2019 年～2029 年）徑流量時(shí)間序列趨勢(shì)進(jìn)行了擬合。在運(yùn)用時(shí)間序列趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型對(duì)喀群水文站歷年徑流量進(jìn)行擬合的過程中,選擇了線性回歸模型、二次滑動(dòng)模型、二次指數(shù)平滑、一次平滑模型和三次指數(shù)平滑模型分別進(jìn)行了擬合（見表1）。由表1 可知,喀群和江卡水文站徑流量時(shí)間序列的二次指數(shù)平滑模型的均方擬合誤差分別為11.97 和1.54,是以上5 個(gè)模型中擬合誤差最小的,故選擇該模型為喀群和江卡水文站徑流量的時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型。通過對(duì)2019 年～2028 年喀群和江卡水文站徑流量進(jìn)行預(yù)測(cè)（見圖3）發(fā)現(xiàn),近10 年這兩個(gè)斷面徑流量都呈持續(xù)緩慢增加趨勢(shì),平均增加率分別為0.24 億m3/a 和0.04 億m3/a。

表1 喀群和江卡水文站歷年徑流量時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型擬合參數(shù)值

圖3 徑流量實(shí)測(cè)值、模擬值與預(yù)測(cè)值

3 結(jié)論

在氣候變暖的背景下,以積雪融水為基礎(chǔ)的干旱區(qū)水資源系統(tǒng)非常脆弱和敏感,融雪水變化導(dǎo)致的水資源異變,正改變著水資源時(shí)空分布和水循環(huán)過程,極端水文事件發(fā)生頻率和強(qiáng)度不斷上升,水資源供需矛盾日益突出,成為制約干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。近幾十年來,我國(guó)西北地區(qū)氣候出現(xiàn)了由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的事實(shí),氣溫持續(xù)攀升、降水量顯著增加、冰川萎縮、河川徑流量增加等,這種趨勢(shì)可能在一定時(shí)期內(nèi)存在。本文預(yù)測(cè)了未來10 年葉爾羌河徑流量的變化趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)近10 年來葉爾羌河仍處于豐水年,與以往研究結(jié)論一致。但西北干旱區(qū)氣候的暖濕化趨勢(shì),導(dǎo)致冰川消融退縮,對(duì)干旱區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大影響。據(jù)報(bào)道,20 世紀(jì)60 年代后的約40 年, 西北地區(qū)的冰川總面積減少約5%,而1956 年～2010 年祁連山的冰川面積減少21%。有研究指出,21 世紀(jì)山地冰凍圈仍將繼續(xù)呈退縮狀態(tài),目前的冰雪資源在未來的幾十年間可能會(huì)消失。因此,為了保障當(dāng)?shù)厝嗣駥?duì)水資源的長(zhǎng)期可持續(xù)利用,需未雨綢繆,在豐水年采取一定的節(jié)水和儲(chǔ)水措施,以便實(shí)現(xiàn)枯水年和特枯水年對(duì)水資源的利用。