氣候變化下塔河徑流特征分析

謝天明

(1.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048；2.西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048)

1 引言

氣候變化及其引起的水文過程變化是全球學者廣泛關注的研究熱點和難點。近半個世紀以來，全球升溫導致水資源循環加快，氣候變化導致流域水量在時空上重新分配，塔里木河作為干旱區的特殊代表，其典型的地理位置和區域環境對全球氣候變化更為敏感[1]。

對于氣候變化下水文過程變化的檢測和成因分析問題，國內外學者開展了一系列研究。大多數研究主要分析氣候變化對水資源循環的影響，比如從水量來源（降雨等）[2]和耗散（蒸散發等）的變化方面進行分析[3]；從地面徑流過程的改變這方面入手[4]，或單獨研究氣候變化、人類生產生活（如城市道路、建筑硬化導致不透水層增加、下滲減少）對水文循環的影響。上述學者對氣候與水資源變化已開展深入研究，但關于人類生產生活和氣候變化對流域水循環過程以及水系統平衡的影響機理仍未達成共識。由此可見，正確認識氣候變化下的水文過程及其演變規律、水循環要素的變化檢驗與歸因分析以及地面水文過程對氣候變化的響應機制都是目前生態水文研究領域的關鍵問題。

塔河流域生態脆弱，環境惡劣，氣候極為干燥，是我國西北干旱區氣候敏感區的典型代表河流。其干流自身不產流，水量主要依靠高山冰雪融水和山區降水。氣溫升高導致冰川融雪加劇，使得流域徑流過程發生相應改變[5]。本文將重點分析塔河流域“四源一干”部分，即南部阿克蘇河、葉爾羌河，北部和田河、開都河以及干流部分的水文特征對流域氣候變化的響應關系。從不同角度剖析氣溫和降水對塔河流域出山徑流影響，初步分析出氣候變化下塔河徑流變化成因。

2 徑流與氣候因子周期對比分析

徑流是通過大氣降水或冰雪融化形成的，通過流域復雜的水系匯入河流或者湖泊等，受到氣候因子和下墊面條件的雙重影響。表征氣候變化的關鍵因子分別為氣溫和降水，對于塔河流域，氣候主要影響到高山冰雪消融速度、流域面上蒸散發、水資源來源形式以及局地小氣候等。降水是徑流形成的首要成因，水資源來源、降水強度、水資源時空分布等都會在一定程度上影響到塔里木河徑流的變化。

為分析出氣候變化環境下，徑流變化的氣候因子響應關系，本文采用小波分析、灰色關聯分析對塔里木河主要水源產生區出山口水文站所測徑流過程與氣溫和降水進行相關分析，分別可得到四個源流區徑流與氣候因子不同時間尺度上的小波分析周期，結果見表1。

表1 塔河源流區徑流、氣候因子周期對比分析

據表1可以看出：僅阿克蘇河和開-孔河徑流存在顯著突變點，且時間滯后于氣溫和降水的突變點，表明徑流突變相對于氣候變化具有一定的滯后性；位于流域北部的阿克蘇河和葉爾羌河的小波分析周期與氣溫較為相似，和田河與開-孔河徑流與氣溫和降水兩個氣候因子均具有較為相似的周期性變化特點。

據此可以推測：由于徑流成分組成不同，徑流與降水和氣溫的變化相關關系也不相同。融水占比大的河流，其受氣溫影響大；反之，受到降水的影響更大。所以，流域徑流內之所以存在不同支流與氣溫、降水振蕩周期不盡相同，這與不同支流的水資源補給相關聯。

3 徑流與氣候因子相關性檢驗

徑流來自于降水，降水又受到氣溫的影響，氣溫、降水和徑流三者互相影響，關系復雜。本文選取灰色關聯分析法，分析“四源一干”代表站徑流量與氣候因子相關性，從而確定降水和氣溫對徑流的不同影響程度。塔里木河被天山、昆侖山山脈包圍，高山降水大多時候以固體水資源沉積在高山凍融層，當年的降水甚至到下一年的春季才能融化形成徑流。

塔河干流位于塔克拉瑪干沙漠，不產流，其補給主要依靠三源流區匯流，由于沿河有大量的農田需要澆灌，沿岸居民用水和工業用水等，塔里木河干流受人類活動影響十分嚴重。因此僅對塔河干流匯水口阿拉爾水文站的徑流量與氣候、降水進行相關性檢驗分析。檢驗相關系數結果見表2。由表2可知：“四源一干”的徑流過程均與氣溫相關度更高，其中葉爾羌河相關系數最高，干流其次為0.41，開孔河和阿克蘇則分別位居第三、第四；與降水系列的相關性為干流最高，葉爾羌河緊隨其后，開孔河最小。“四源一干”徑流與氣候因子相關系數均未超過0.5，其主要原因是塔里木河流域主要水量來自于三個源流區的冰雪融水，且地下水所占比例較高，而氣候變化對積雪融化的影響十分顯著。因此，“四源一干”普遍表現為對氣溫變化更為敏感，而對降水相關性較低。

通過對四源流進行灰色關聯分析，同時考慮其地理位置分布，認為塔里木河流域越靠近南部的河流徑流與氣溫的相關性越高，越靠北的河流其上游高山冰雪固體儲量對徑流量影響則更明顯。因為塔里木河流域特殊的地理環境，其三大源流區（除開-孔河外）水資源量多來自于高山融水，因此其水量受氣溫及輻射影明響顯著。靠近南部的河流，高山融水占水資源比重更大，對變化更加敏感，也就導致了其徑流與氣溫變化相關性更高。

對于新疆塔里木河流域，其特殊的地理環境導致不同緯度的溫度和降水各不同，因此不同支流對氣候因子得變化敏感程度有差異。

表2 塔河“四源一干”年徑流量與氣候因子關聯度檢驗結果

4 氣候變化下塔里木河徑流變化成因分析

塔里木河流域深處內陸，遠離海洋，以其極為干旱的氣候特點，成為干旱內陸河流的代表，流域五分之四以上的水量來自于源流山區。因為其流域面積大、跨度廣，各源流河徑流補給形式不同，因而河流之間也表現出不同的徑流特性與洪水特征。對于塔里木河流域而言，山區多年平均降水產生的水量，占流域水資源總量的97.1%，其他形式的降水通過地面蒸發、植被蒸騰、自然耗散等形式再次回到回到空中，成為水汽，等待形成下一次的降水過程。塔里木河流域水量循環示意圖，見圖1。

近半個世紀以來，塔里木河流域平均氣溫約上升了1.1℃，增溫十分迅速。氣溫升高導致冰川融化，高山固體水資源作為流域的水塔，起到調蓄年際年內流量分配的作用，由于不同河流融水占河川徑流比各不相同，河川水量隨氣溫變化也不盡相同。總體來說：融水占比大，受氣溫影響明顯；占比小，則影響不明顯。

相關學者研究認為：當冰雪融水占河流水量25%以上，即可對河流起到較明顯的調控作用，冰雪受氣溫影響更顯著，所以冰雪消融占比大的河流，其徑流對氣溫的變化也更加敏感。

表3 塔里木河水系冰川資源統計

塔里木河流域由于其特殊的地理位置、徑流組成和氣候環境，使得流域對冰川的依賴較重，低溫時段，固體水量增加，融水減少，徑流減少；高溫時段，冰雪固體消融加劇，徑流量增大。高山冰川就像水塔一般，保護著流域的水資源不會受到干旱或者雨季過度的影響而造成災害。冰川融水占比高的流域在干旱高溫年月，水資源供給增大，解決下游生產、生活需求。低溫年月，自然儲備水量，調節水資源年內分配。這就使得塔里木河流域水量年際變化相對穩定，年內分配更加合理，有助于流域的植被生長和生產生活，保障了流域農牧業的發展穩定。

5 結論

分別對于塔里木河水文過程進行了周期分析、相關性檢驗、徑流變化分析，得出如下結論：

（1）阿克蘇河和開-孔河徑流存在顯著突變點，且時間滯后于氣溫和降水的突變點，表明徑流突變相對于氣候變化具有一定的滯后性。

（2）源流區徑流與氣候因子都表現出增加趨勢，塔河流域水文過程受氣候變化影響明顯，相關性分析結果表明“四源一干”的徑流過程均是與氣溫相關度更高，對降水相關性則較低。

（3）得益于高山冰川對塔河徑流量的調蓄作用，塔河水量的年際變化相對穩定。近半個世紀以來，由于全球氣溫升高雪線上移，融水量增大，水源主要來自于融雪的河流其出山口徑流量顯著增大。