氣候變化和人類活動對塔里木河流域地表徑流影響分析

崔 華

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000）

氣候變化和人類活動對塔里木河流域地表徑流影響分析

崔 華

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000）

借助非參數(shù)Mann-Kendall、Mann-Whitney檢驗對塔里木河源流和干流地表徑流量、源流區(qū)間耗用水量進(jìn)行分析；構(gòu)建氣候變化和人類活動影響對源流水資源的影響量定量分離模型。結(jié)果表明：（1）1957～2013年源流出山口來水量和區(qū)間耗用水量均呈顯著增加趨勢，年增加幅度分別為0.83億m3和0.89億m3；干流阿拉爾來水量呈不顯著的下降趨勢，年均減少幅度為0.1億 m3。（2）源流出山口來水量和區(qū)間耗用水量均在1993年出現(xiàn)顯著的增多突變，突變躍度分別為31.13億m3和30.87億m3，干流阿拉爾地表徑流量在1984年呈不顯著的減少突變，突變躍度為 4.41億 m3。（3）1994年來，氣候變化對塔里木河源流水資源量表現(xiàn)為正影響，影響量占58.5%；人類活動表現(xiàn)為負(fù)影響，影響量占41.5%。（4）1994年來，人類活動對源流地表水資源影響呈減少趨勢，從1994～2000年的47.2%減少到2011～2013年的37.3%，綜合治理成效逐漸顯現(xiàn)。

地表徑流量；趨勢性；突變性；氣候變化；人類活動；塔里木河流域

塔里木河流域是一個集山地、綠洲、荒漠于一體的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。發(fā)源于塔里木盆地周邊高原山區(qū)的一百四十多條大小河流呈向心分布匯入盆地，最終消散于綠洲和廣闊的沙漠地區(qū)。近百年來在全球氣候變暖的大背景下，塔里木河源流區(qū)也呈現(xiàn)氣溫變暖、降水遞增的趨勢［1］。塔里木河流域地表徑流主要由源流山區(qū)降水和冰川融水匯流形成，受源流山區(qū)氣候變化的影響，源流地表徑流量表現(xiàn)出較為顯著的趨勢性和突變性［2-3］。同時，受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使，上世紀(jì)50年代以來，流域內(nèi)無序的水土資源開發(fā)，導(dǎo)致用水矛盾突出，出現(xiàn)諸如尾閭湖泊干涸、胡楊林衰敗、綠色走廊退化等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題［4］。2000年以來，國家投資107億元啟動塔里木河流域綜合治理工程，經(jīng)過十多年的不懈努力，流域生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，尤其塔河干流下游綠色走廊逐漸恢復(fù)生機(jī)［5］。近年來，流域陸續(xù)啟動和計劃實施包括葉爾羌河流域防洪工程、阿爾塔什水利樞紐工程、玉龍喀什水利樞紐、大石峽水利樞紐工程等一批源流重大水利工程。這些源流防洪工程和山區(qū)控制性水利工程的實施，將為實現(xiàn)流域水資源精細(xì)化管理和科學(xué)調(diào)度提供先決條件，而摸清源流匯入干流水資源受氣候和人類活動的影響量及其規(guī)律，則可為流域水資源管理者科學(xué)管理、合理調(diào)度水資源提供重要的理論依據(jù)和決策參考。

本文基于塔里木河源流和干流的徑流序列數(shù)據(jù)，借助趨勢檢驗方法，研究了源流和干流來水量及源流區(qū)耗水量的變化規(guī)律；定量分離和分析了氣候變化和人類活動對源流區(qū)地表徑流量的影響。

1 研究區(qū)概況

塔里木河流域位于新疆南部，地處天山和昆侖山山脈之間。從最長源流葉爾羌河源頭到尾閭臺特碼湖，全長近2200km；流域東西長1100km，南北寬600km，是世界上最大的內(nèi)陸河流域，流域面積102萬 km2。塔里木河流域地域廣袤，河流眾多，歷史上曾有9大水系144條河流。受氣候變化和人類活動的影響，目前與塔河干流常年有地表水水力聯(lián)系的僅有阿克蘇河、葉爾羌河、和田河，開都河的水注入博斯騰湖后經(jīng)泵站揚(yáng)水通過孔雀河向塔河干流下游輸水，形成“四源一干”的水系格局（圖 1）。

圖1 塔里木河流域水系分布示意圖

塔里木河上游三源流出山口多年平均年徑流量196.2億 m3，其中阿克蘇河向干流輸送水量占70%左右。三源流在肖夾克匯流后，進(jìn)入塔里木河干流，干流源頭阿拉爾水文站多年平均徑流量45.6億m3。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

收集了1957～2013年，塔里木河流域上游三源流阿克蘇河協(xié)合拉和沙里桂蘭克、葉爾羌河喀群和江卡、和田河烏魯瓦提和同古孜洛克六個出山口水文站實測地表徑流資料，以及干流源頭水文站阿拉爾的實測地表徑流資料。

2.2 研究方法

2.2.1 非參數(shù)檢驗

對于徑流時間序列的假設(shè)檢驗，一般從單調(diào)趨勢和階段轉(zhuǎn)換趨勢兩個方面考慮。在檢驗中，原假設(shè)（H0）認(rèn)為時間序列的增減趨勢或者階段轉(zhuǎn)換的跳躍不明顯；而備擇性假設(shè)（H1）認(rèn)為時間序列變化趨勢或突變顯著。從檢驗?zāi)芰ι峡矗褂梅菂?shù)Mann-Kendall單調(diào)趨勢檢驗和Mann-Whitney階段轉(zhuǎn)換檢驗要優(yōu)于參數(shù)t檢驗，并且無須事先假定樣本的統(tǒng)計分布。該方法在的許多文獻(xiàn)已有詳細(xì)介紹，本文不再具體介紹［6］

2.2.2 周期疊加趨勢模型

若時間序列數(shù)據(jù)具有周期性和趨勢性，則可以利用周期性疊加趨勢模型進(jìn)行預(yù)測，在時段T+S的期望值為：

式中，aT是時段T的平均水準(zhǔn)；bS是該時段的斜率；D（T+S）是時段 T+S的季節(jié)增量。利用歷史資料建立預(yù)測預(yù)報模型分為兩步：第一步，先根據(jù)完整周期的時間序列的歷史數(shù)據(jù)（x1，x2，x3，……，xT）來估計第T個周期（時段）中的估值 ?aT和bS的估計值 ?bS和 D（T+S）的估計值 d（T+S）（S=1，2，…，M），并對未來時段進(jìn)行預(yù)測；第二步，用剩余不夠一個完整周期的數(shù)據(jù)更新預(yù)報模型，并作相應(yīng)的預(yù)測，從而建立 T在對未來第 S時段的完整預(yù)測模型［7］：

3 結(jié)果與分析

3.1 源流和干流地表徑流量及源流區(qū)耗水量變化規(guī)律分析

首先對塔里木河流域源流山區(qū)、干流源頭阿拉爾地表徑流量及源流區(qū)間耗用水量年際變化過程進(jìn)行分析。通過收集1957～2013年各有關(guān)水文斷面徑流資料，繪制徑流、耗水及其累計距平變化趨勢線（圖2）。

圖2 塔里木河源流出山口來水量及區(qū)間耗用水量變化趨勢

從圖2可知，1957～2013年，塔里木河源流出山口年地表徑流量和源流區(qū)間年耗用水量總體呈上升趨勢，源流區(qū)間耗用水量增加趨勢要高于出山口徑流量；干流阿拉爾年徑流量呈下降趨勢。干流來水量沒有隨源流來水量的增加而增加，反映出源流區(qū)耗用水量的增加趨勢。源流區(qū)間耗用水量短期內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)增加趨勢，除了與源流來水增加導(dǎo)致水量自然蒸發(fā)、滲漏量、河道漫溢量增大有關(guān)外，一般認(rèn)為主要是流域內(nèi)人類大規(guī)模的水土資源開發(fā)導(dǎo)致，最主要還是耕地面積的擴(kuò)張［8］。收集的資料顯示，2007年塔里木河三源流區(qū)現(xiàn)狀耕地面積較《塔里木河“四源一干”五年實施方案》中確定的規(guī)劃耕地面積超出465萬畝，按照畝均年灌溉定額700m3計算，擠占水資源量達(dá)32.6億m3。由于耕地面積的擴(kuò)大，源流區(qū)水資源被無序開發(fā)利用，不僅擠占了源流區(qū)的生態(tài)用水需求，同時由于減少了源流向干流的下泄水量。

通過累積距平可以直觀的反映出源流出山口、干流阿拉爾年地表徑流量和源流區(qū)間耗用水量1957～2013年時間序列上的升降趨勢（圖2）。從圖2A2、B2；看以看出，1957～1993年之前源流出山口年地表徑流量和區(qū)間耗用水量累積距平呈持續(xù)下降趨勢，說明源流出山口地表徑流量和期間耗用水量在該時段處于相對偏低階段；1994～2013年呈持續(xù)上升趨勢，說明源流出山口地表徑流量和期間耗用水量在該時段處于相對偏高階段。從圖2C2可以看出，干流阿拉爾年地表徑流量累積距平呈波動變化趨勢，大體上可以分為四個階段：1957～1969年徑流量總體處于穩(wěn)步上升且偏高階段；1970～1984徑流量接近在平均值上下波動的階段；1985～1993年徑流量基本處于明顯下降且持續(xù)偏低階段；1994～2006年徑流量處于在平均值上下波動階段；2007～2009徑流量急劇下降，至2010年以后徑流量急劇抬升并持續(xù)處于偏高階段。

通過非參數(shù)Mann-Kendall單調(diào)趨勢檢驗和Mann-Whitney階段轉(zhuǎn)換檢驗，分別對1957～2013年，塔里木河源流出山口年地表徑流量、源流區(qū)間耗用水量和干流源頭阿拉爾年徑流量趨勢性和突變性進(jìn)行檢驗（表1）。

從表1可知，1957～2013年源流出山口來水量和區(qū)間耗用水量均呈顯著增加趨勢，年增加幅度分別為0.83億m3和0.89億m3；且二者均在1993年出現(xiàn)顯著的增多突變，突變躍度分別為

表1 塔里木河源流來水量、區(qū)間耗水量以及干流來水量的趨勢及突變檢驗

31.13 億m3和30.87億m3。干流阿拉爾來水量呈不顯著的下降趨勢，年均減少幅度為 0.1億 m3；在1984年出現(xiàn)不顯著的減少突變，突變躍度為4.41億m3。

3.2 氣候變化和人類活動對源流區(qū)水資源量的影響

上世紀(jì)50年代以來，塔里木河流域地表徑流量受氣候變化和人類活動的雙重影響表現(xiàn)出復(fù)雜的變化特征，定量確定二者的影響量，對于摸清流域水資源變化特征，指導(dǎo)流域水資源合理分配和優(yōu)化調(diào)度具有重要意義。通過構(gòu)建氣候變化和人類活動與源流水資源量影響模型，分離 1994年以來二者對源流區(qū)水資源的影響量。

3.2.1 氣候變化和人類活動對源流區(qū)水量影響的模型構(gòu)建

要分離出氣候變化和人類活動對源流區(qū)水量的影響，首先應(yīng)確定兩個因素對其影響的顯著時段。根據(jù)上文分析，1993年后塔里木河源流區(qū)的區(qū)間耗水量增加明顯，表明人類活動在1993年后對源流區(qū)徑流量產(chǎn)生了顯著影響。塔里木河源流出山口地表徑流量在1993年發(fā)生了增多突變，為氣候變化對徑流顯著影響的開始。綜合分析表明，1993年為氣候變化和人類活動對源流徑流量產(chǎn)生顯著影響的轉(zhuǎn)折點。因此，以1993年突變點為計算依據(jù)，分離氣候變化與人類活動對源流區(qū)地表徑流影響量。思路如下：

第一步：將1993年之后處于豐水期的阿拉爾實際地表徑流量記為 RM。首先根據(jù)干流阿拉爾1993年之前的徑流量，預(yù)測1993年之后的徑流來水量。由于1993年之前源流區(qū)氣候變化與人類活動較弱，因此以1993年之前阿拉爾徑流量為基準(zhǔn)，通過構(gòu)建周期性疊加趨勢模型預(yù)測得到的1993之后的徑流量，即是受人類活動與氣候變化干擾較小下的阿拉爾天然徑流量，記為RH。

第二步：塔里木河源流出山口地表徑流變化主要受氣候因子影響，考慮到氣候變化對其影響劇烈開始年份為1993年，因此以1993年之前源流山區(qū)總徑流量與阿拉爾徑流量數(shù)據(jù)為依據(jù)，構(gòu)建二者之間的關(guān)系模型。

第三步：以1993年之前人類活動對源流區(qū)徑流量的影響程度為基準(zhǔn)，根據(jù)1993年之后源流山區(qū)的徑流量值，借助已構(gòu)建的模型計算得到 1993年后，氣候變化顯著影響下豐水期阿拉爾的徑流量，記為RC。

于是，氣候變化與人類活動對豐水期源流區(qū)徑流影響量的計算公式為：

根據(jù)以上思路，首先構(gòu)建計算 RH關(guān)系模型。根據(jù)已有的研究成果［3］，阿拉爾徑流量存在著趨勢性和周期性，因此利用周期性疊加趨勢模型對1993年后阿拉爾徑流量進(jìn)行預(yù)測。以干流阿拉爾17年的周期為計算依據(jù)，將1960～1993年（兩個周期）阿拉爾的徑流數(shù)據(jù)輸入模型，得到干流阿拉爾徑流的擬合方程（表2）。

根據(jù)表2，該方程的平均相對誤差為4.14%，擬合精度較好。因此，1993年之后周期時段內(nèi)（1994～2013年）的RH可利用該模型推算獲得。其次，構(gòu)建計算RC的關(guān)系模型。利用1993年之前源流山區(qū)總徑流量與阿拉爾徑流量實測數(shù)據(jù)，構(gòu)建模型如下：

表2 塔里木河干流阿拉爾徑流擬合方程

表3 氣候變化和人類活動對源流區(qū)水資源的影響量 單位：億m3

式中，Z為干流阿拉爾年地表徑流量，x表示源流出山口年地表徑流量。該方程為氣候變化對源流山區(qū)豐水期徑流產(chǎn)生強(qiáng)烈影響前，與干流阿拉爾豐水期徑流之間的關(guān)系模型。因而，RC可利用1994～2013年源流山區(qū)豐水期徑流量實測數(shù)據(jù)帶入該模型計算獲得。

3.2.2 氣候變化和人類活動對源流區(qū)耗水量影響的定量分離

根據(jù)上述已構(gòu)建的定量分離模型，氣候變化和人類活動對塔里木河源流區(qū)地表徑流的影響量被計算獲取（表3）。

從表3可知，1994～2013年，氣候變化使得塔里木河源流出山口地表徑流量年均增加18.44億m3，而人類活動導(dǎo)致其年均減少13.07億 m3，表明氣候波動是導(dǎo)致塔里木河源流區(qū)徑流變化的主導(dǎo)因素。以氣候變化和人類活動對徑流影響的絕對值之和作為總影響量，進(jìn)而利用人類活動影響量與總影響量的比值確定人類活動對徑流影響的百分比。由表3可知，人類活動對源流區(qū)水資源影響的百分比在1994～2000年（流域?qū)嵤┚C合治理之前）、2001～2010年（流域?qū)嵤┚C合治理之前、體制改革之前）、2011～2013年（流域體制改革以后）分別為47.2%、39.5%和37.3%，呈減少趨勢。尤其是2011～2013年，人類活動的負(fù)影響量較 1994～2000年及 2001～2010年分別減少了 9.7%和15.0%。因此，在塔里木河流域體制改革后，實施水資源的統(tǒng)一管理，源流區(qū)水資源利用水平和管理效能大為提高。

4 結(jié)論

（1）1957～2013年塔里木河源流出山口地表徑流量呈顯著的增加趨勢，干流源頭阿拉爾地表徑流量呈不顯著的減少趨勢，源流區(qū)間耗用水量呈顯著的增加趨勢。

（2）塔里木河源流出山口地表徑流量和區(qū)間耗用水量在1993年后均出現(xiàn)顯著的增多突變，干流阿拉爾地表徑流量在1984年后出現(xiàn)不顯著的減少突變。

（3）受氣候變化的影響，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；受人類活動影響，1994～2013年塔里木河源流區(qū)間耗用水量年均減少13.07億 m3。氣候變化是源流水資源量影響的主導(dǎo)因素。

（4）人類活動對塔里木河源流水資源的影響量在1994～2000年、2001～2010年和2011～2013年三個階段呈現(xiàn)減小趨勢，流域綜合治理成效逐漸凸顯。

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1672-2469（2017）02-0048-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.017

2016-09-08

國家自然科學(xué)基金（31400466、41471099）。

崔 華（1987年—），女，助理工程師。