氣候變化對塔里木河源流徑流近61年的影響分析

金慶日

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

在氣候變化的影響下，水文流域的水循環和徑流形成演化為復雜的非線性系統[1]。氣候變化導致全球大氣溫度升高，降水格局發生變化。氣候變化最重要的潛在后果之一可能是區域水文循環的變化以及隨后帶來的河流數量和質量狀況的變化。區域水循環的空間和時間分布受到全球溫度升高(未來將明顯持續)和降水空間分布變化的影響。近年來，干旱、洪水等極端事件頻發，在世界范圍內呈上升趨勢[2]。干旱氣候下，干旱和半干旱地區降水和溫度的微小變化導致徑流變化的百分比更高，因此中國西北干旱地區的內陸河流徑流對氣候變化的敏感性高于其他地區[3]。本文嘗試定量分析氣候變化對不同時空尺度河流徑流的影響，旨在為進一步研究和決策流域水資源開發提供參考。

1 研究區概況

塔里木河流域處于完全封閉的內陸地區，降水量少，蒸發量大。徑流主要來自盆地南側、西側和北側高陡的阿爾金山、昆侖山和天山。這些山脈上的冰川和永久性積雪形成了山頂水庫。流域是典型的耗散型內陸河流域，水來自山區，在平原和沙漠中枯竭。塔里木河干流起始于阿克蘇河、葉爾羌河以及和田河的交匯處，全長1321km，最終流入臺特瑪湖。塔里木河本身不產流，而是由原始水源供給。歷史上，干流由流域內9個水系補給，但現在只有3個上游源頭的河水流入，即阿克蘇河、葉爾羌河以及和田河。其中，阿克蘇河全年四季都能連續向塔里木河供水，葉爾羌河在遭遇特大洪水時才能供水，和田河在每年的洪水期間供水。

2 數據來源與分析方法

2.1 數據來源

本研究收集了阿克蘇河、葉爾羌河、和田河的7個水文站(和田河上的同古孜洛克和烏魯瓦提站，葉爾羌河上的庫魯克欄干、卡群和玉孜門勒克站，阿克蘇河上的協合拉和沙里桂蘭克站)。為了便于分析，將來自7個源頭站的年徑流數據相加，以表示源頭的年徑流總量。

氣象數據為塔里木河源流域8個國家基準、基本氣象站(阿克蘇、阿合奇、柯坪、巴楚、塔什庫爾干、莎車、和田和皮山氣象站)1956—2016年的逐月降水實測資料，計算8個氣象站的年均降水量，代表塔里木河流域的年均降水量。

2.2 分析方法

本研究采用趨勢分析法、差積曲線分析和Mann-Kendall檢驗法。為分析降水量的變化趨勢，利用傾向率方法進行分析，即建立氣候變量與時間的一元線性回歸方程，為了減少隨機誤差，采用滑動平均消除噪聲，運用5年滑動平均來反映降水及溫度變化趨勢。差積曲線的縱軸為徑流累計差積量，曲線的水平軸為時間。向下坡度表示徑流減少，向上坡度表示徑流增加，水平坡度表示徑流接近年平均值。因此，連續的向下梯度表明河道中長期存在干旱或缺水現象，反之亦然。無外界干擾時，累積差分曲線一般呈周期性波動。Mann-Kendall檢驗法是一種非參數統計檢驗方法，用于預測各種觀測要素的時間序列數據的長期趨勢。變量不一定具有正態分布特征，少數異常值不會影響它們。因此，它們可以應用于非正態分布的趨勢分析，如水文變量和氣象要素[4]。以近61年的徑流量數據為基礎，對其進行非參數檢驗，并建立徑流的累積差分曲線，以反映徑流的變化趨勢。

3 結果分析

3.1 徑流量變化

圖1 塔里木河源流總徑流量變化趨勢

根據天然徑流實測資料，分析了1956—2016年阿克蘇河、葉爾羌河以及和田河總徑流量變化趨勢，見圖1。1956—2016年的年均徑流量為190.99億m3，平均年徑流量以0.6352億m3/a的速率增加，研究期間共增加了38.75億m3，趨勢方程為y=0.6352x+171.3(P<0.05，變化顯著，通過了95%顯著性檢驗)。最大年徑流量出現在1994年，為254.00億m3；最小年徑流量出現在1965年，為139.00億m3，兩者相差115.00億m3。由圖1可以看出，在1993—1994年總徑流量發生較大轉變，由144.00億m3增長到254.00億m3，且后期徑流較長時間保持在較高水平。1956—1993年平均徑流量為180.00億m3，1994—2016年平均徑流量為209.00億m3，增加了16%。通過計算徑流量累積距平可以發現，在1993年發生轉折，說明在1993年之前徑流量距平持續為負，之后持續為正。因此，選擇1993年為突變點進行分析。

3.2 影響徑流變化的氣候因素分析

氣候變化對水資源循環有著至關重要的影響。降水和溫度共同決定了區域水資源分布，影響了徑流的形成和區域分布。由于塔里木河流域是封閉的，溫度決定了由冰川和融雪提供的徑流量。因此，溫度和降水趨勢是塔里木河流域徑流的兩個主要驅動因素[5]。

3.2.1 溫度變化

圖2為塔里木河源流地區1956—2016年的年均溫變化趨勢，多年平均溫度為11.13℃，且整體呈緩慢上升趨勢。1956—1993年平均溫度為10.78℃，趨勢方程為y=0.0141x+10.5(P<0.05，變化顯著，通過了95%顯著性檢驗)，平均溫度以0.0141℃/a的速率增加，38年間增加了0.54℃。1994—2016年平均溫度為11.70℃，趨勢方程為y=0.0338x+10.015(P<0.05，變化顯著，通過了95%顯著性檢驗)，平均溫度以0.0338℃/a的速率增加，23年間增加了0.78℃。1993年之后溫度變化率由0.0141℃/a提升到0.0338℃/a，提高了140.0%；平均溫度由10.78℃提升到11.70℃，增加了8.5%。

圖2 塔里木河源流域年均溫變化趨勢

3.2.2 降水變化

圖3為塔里木河源流地區1956—2016年的年均降水變化趨勢，多年平均降水量為77.81mm，且整體呈緩慢上升趨勢。1956—1993年平均降水量為69.91mm，趨勢方程為y=0.4732x+60.443(P>0.05，變化不顯著，未通過95%顯著性檢驗)，平均降水以0.4732mm/a的速率增加，38年間增加了17.98mm。1994—2016年平均降水量為90.86mm，趨勢方程為y=0.9927x+41.220(P>0.05，變化不顯著，未通過95%顯著性檢驗)，平均降水以0.9927mm/a的速率增加，23年間增加了22.83mm。1993年之后降水變化率由0.4732mm/a提升到0.9927mm/a，提高了110.0%；年均降水量由69.91mm提升到90.86mm，增加了30%。

圖3 塔里木河源流域年均降水變化趨勢

3.3 氣候變化對徑流的影響分析

過去61年來，河流的總徑流量呈現出略微增加的趨勢，并且在1993年后增加趨勢更加明顯，可以通過圖4(a)進一步確認，總徑流量呈現出周期性波動和隨后的持續上升趨勢。圖4(b)、圖4(c)以及圖4(d)分別為阿克蘇河、葉爾羌河以及和田河的徑流累計差分曲線，顯示出了與總徑流量相似的變化趨勢。在1993年之前呈現出反復波動，且徑流量普遍低于平均徑流量；在1993年時3個流域的徑流量普遍發生轉變；在1993年之后徑流量普遍大于平均徑流量，并且增長明顯，這與降水以及氣溫變化類似，都在1993年之后有了較快的增長。以上分析表明：隨著溫度和降水量的增加，河流表層徑流也有增加的趨勢。換言之，氣候變化加速了研究區水文過程向積極的方向轉變。

圖4 塔里木河源流域徑流累計差分曲線

3.4 源流徑流量突變分析

圖5為塔里木河源流徑流量突變檢驗，其中圖5(a)為源流總徑流量突變檢驗，從圖5(a)中可以看出，在研究時間范圍內只有一個突變點，說明總徑流量振蕩不明顯，在1956—1993年總徑流量基本為水平波動變化，1993年以后開始明顯增加；圖5(b)為阿克蘇河徑流量突變檢驗，由于阿克蘇河徑流量占總徑流量權重最大，因此同總徑流量走勢基本一致；圖5(c)為葉爾羌河徑流量突變檢驗，從圖5(c)中可以看出，在2003—2011年之間存在多個突變點，說明這個階段徑流量振蕩明顯；圖5(d)為和田河徑流量突變檢驗，從圖5(d)中可以看出，在2010年之后徑流量存在多個突變點，說明這個時期內徑流量波動明顯，在1956—1993年期間徑流量整體呈現緩慢向下波動的趨勢，在1993年之后徑流量開始增加。

圖5 塔里木河源流徑流量突變檢驗

3.5 氣候變化與徑流的相關性分析

為了進一步定量分析氣候變化(主要指降水與溫度變化)與徑流變化的相關程度，基于CORREL函數分別對年均降水與年均徑流量、年均溫度與年均徑流量進行相關性分析，結果見表1。

從表1中可以看出溫度與徑流量的相關系數均大于降水與徑流量的相關系數，說明溫度的變化對徑流量的變化影響更大。通過顯著性檢驗可知，降水與流域徑流量顯著性檢驗較差；溫度對阿克蘇河以及葉爾羌河顯著性檢驗較好，說明溫度變化主要影響阿克蘇河以及葉爾羌河徑流量變化。因此，溫度是影響塔里木河源流域徑流量變化的主要因素。

表1 降水及溫度與徑流量相關性分析

4 結 論

塔里木河上游的3條原始河流均發源于山區。由于原始河流交匯的地區基本上沒有人類活動，河道中的徑流變化可歸因于氣溫上升和降水增加，簡而言之，氣候因素(主要指降水跟氣溫)是造成這種情況下徑流變化的最重要原因。在1956—2016年，61年期間降水增加了40.81mm，氣溫升高了1.32℃，總徑流量增加了38.75億m3。塔里木河上游的3條原始河流的徑流在近61年時間整體呈現增加趨勢，在1993年之前主要為水平振蕩走勢，1993年以后徑流量有明顯的上升。氣候變化增加了塔里木河源頭的地表徑流，并且通過相關性分析可知，溫度變化是影響源流徑流量的主要因素。