氣候變化對頭屯河流域徑流的影響研究

劉海波

(新疆頭屯河流域管理局，烏魯木齊 831100)

1 概 述

近年來，世界范圍內(nèi)極端事件頻發(fā)，尤其在干旱及半干旱地區(qū)，流域內(nèi)水資源對氣候變化響應(yīng)更為敏感。西北地區(qū)有許多年徑流量小于3.0×108m3的中小河流。大量專家學(xué)者對西部地區(qū)水文氣候進(jìn)行研究得出，新疆氣候在上世紀(jì)90年代發(fā)生明顯變暖，從而導(dǎo)致現(xiàn)代冰川加速融化，部分地區(qū)降水量和流量增加[1-3]。然而，對于這些位于天山北坡的中小河流，其水流變化規(guī)律尚不清楚[4-6]。本文以頭屯河近55年水文氣候資料為基礎(chǔ)，對流域徑流量的變化進(jìn)行研究，分析徑流量、降水、溫度等時間序列的變化趨勢，研究氣候變化對頭屯河流域水資源的影響，為流域的管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)

頭屯河是天山北坡典型的山溪河。頭屯河流域(N43°10′-N44°44′，E86°42′-E87°37′)集水面積2 885 km2，現(xiàn)代冰川面積20.03 km2。南部河流上游高寒地區(qū)降水量相對豐富，中低山區(qū)降水量較少，來水量僅占總產(chǎn)水量的10%左右，雖然這些地帶的面積占總集水面積的44.08%，但在北部沙漠地區(qū)降水稀少。流域年平均降水量358.5 mm。流域降水時間分布不對稱，主要集中在6-8月份，占全年降水總量的33.8%～50.2%，冬季最少，春季顯著增加，秋季減少。

頭屯河流域共有東南山谷、制材廠、硫磺溝和哈地坡4個水文站。制材廠水文站上游地區(qū)是頭屯河流域產(chǎn)流的主要區(qū)域，平均海拔2 774 m，其徑流量占總產(chǎn)流量的比例約為90%。頭屯河流域特征見表1，頭屯河主要受高寒地區(qū)冰川融化、夏季降雨、季節(jié)性積雪融化和地下水的補(bǔ)給。

表1 頭屯河流域參數(shù)

3 數(shù)據(jù)和方法

3.1 數(shù)據(jù)收集

本文使用的數(shù)據(jù)是在頭屯河上游的制材廠水文站的數(shù)據(jù)。本站有長期水文資料記錄，水文斷面上游的用水量可忽略不計。因此，該站所記錄的水文資料可以用來揭示頭屯河天然流量的變化趨勢。本文采用年平均徑流量和月平均徑流量資料，并利用月降水量和月平均氣溫資料，揭示造成徑流變化的原因。

3.2 分析方法

采用M-K非參數(shù)檢驗方法對水文過程的可能趨勢進(jìn)行檢驗。非參數(shù)統(tǒng)計和檢驗方程如下：

(1)

式中：xk和xi為連續(xù)值；n和t分別為數(shù)據(jù)集的長度和“節(jié)點”的寬度，并且表示所有節(jié)點的總和。

另一個用來判斷趨勢的指數(shù)表示為：

(2)

(3)

其中：1

4 結(jié) 果

4.1 徑流趨勢分析

從圖1中可以看出，頭屯河徑流量近55年整體呈減少趨勢。流域徑流量變化主要經(jīng)歷3個階段，1961-1982年的豐水期，1983-1997年的枯水期以及2998-2015年的豐水期，上世紀(jì)80年代初徑流量開始顯著減少，直到90年代末開始增加，后期維持在較高水平。

為了研究徑流量隨時間的變化規(guī)律，對月徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行M-K非參數(shù)檢驗，結(jié)果見表2。由表2可知，1、2和5月份的月徑流量呈上升趨勢，8-10月份期間明顯減少，其他月份沒有明顯變化。其中8、9、10月份的徑流量占全年徑流總量的32.12%，而流量增加的1、2、5月份僅占11.79%。因此，頭屯河年徑流量的減少趨勢主要受8-10月份流量減少的影響。

圖1 頭屯河近55年流量變化

表2 頭屯河平均月流量檢測

天山北坡河流流量的時間分布極為不對稱。河流入流主要發(fā)生在夏季，這主要取決于河水的補(bǔ)給方式。頭屯河6-8月份徑流量占全年徑流量的64.4%～65.7%，8-10月份占32.13%，8-10月份徑流量的變化對趨勢影響較大。月徑流量在8-10月份的單調(diào)減少趨勢中，8月份的減少趨勢最為顯著(表2)。從頭屯河流量的時間分布來看，7月份是流量最大的月份(圖2)，僅次于8月份，7月份徑流量占全年徑流總量的31%。這一時期的產(chǎn)流受山區(qū)融雪和降雨的雙重影響，與氣候波動密切相關(guān)。

圖2 頭屯河徑流量分配

4.2 相關(guān)氣候因子分析

近55年來，頭屯河流域山區(qū)降水量沒有明顯的單調(diào)變化趨勢，而氣溫卻有顯著的上升趨勢。在此基礎(chǔ)上，對流域的降水和溫度的時間序列進(jìn)行了檢驗。結(jié)果表明，6-9月份降水量最大，對徑流影響較大，6、9月份月降水量呈明顯減少趨勢，8月份無明顯變化趨勢；7月份降水量略有增加(表3)。夏秋兩季降水量呈減少趨勢，但降水對徑流的影響最大。10-12月份降水量呈增加趨勢，有利于保持年平均降水量的整體平衡。山區(qū)降水為降雪，沒有形成徑流，因為氣溫從10月份開始下降，11月份的月氣溫下降至-3.3℃。此外，氣溫的升高導(dǎo)致蒸發(fā)量的增加，初春季節(jié)性積雪融化緩慢，隨著季節(jié)性積雪的不斷融化和氣溫的持續(xù)升高，融雪對徑流的貢獻(xiàn)減小。說明降水是天山北坡中小河流產(chǎn)流的重要因素，也是影響年徑流量變化的關(guān)鍵因素。

表3 頭屯河降水量及溫度檢測

對頭屯河流域氣溫長期趨勢的觀測結(jié)果表明，上世紀(jì)90年代至2000年初，比60年代和70年代分別提高0.46℃和0.44℃。對溫度序列的分析表明，夏季5-10月份氣溫上升最為顯著。由于溫度升高和蒸發(fā)，許多淡水可能蒸發(fā)掉，補(bǔ)給量可能減少，這與天山以南塔里木河流域的情況有明顯不同。盡管冰川的融化加速了冰川流入量的增加，天山北坡冰川融水補(bǔ)給河流的比例較低，如頭屯河流域僅為6.5%。因此，頭屯河流域來水減少，也揭示了降水的季節(jié)變化是導(dǎo)致頭屯河流域徑流減少的主要原因之一。

5 結(jié) 論

本文以頭屯河流域徑流量、降水和氣溫資料為基礎(chǔ)，采用M-K非參數(shù)檢驗方法，對流域徑流量時間序列、氣溫的時間序列以及降水時間序列進(jìn)行檢驗。結(jié)果表明，上世紀(jì)70、80年代為相對枯水期，山區(qū)來水較長期平均分別減少6%和9%；90年代水情較70、80年代有所改善，但年徑流量減少4.0×105，比上世紀(jì)60年代增加7.2×105m3，2000年以來徑流量持續(xù)緩慢降低。近55年來，流域氣溫呈上升趨勢。20世紀(jì)90年代，流域氣溫分別比60年代和70年代上升0.46℃和0.44℃，然而，天山北坡流域的現(xiàn)代冰川并不多。河流冰川融雪補(bǔ)給的比例較低，溫度升高導(dǎo)致的冰川加速融化對河流流量的影響不明顯。