近40年塔里木河流域水沙演變及其空間分異特征

祁泓錕, 焦菊英,, 嚴晰芹, 李建軍

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

水沙變化關系與河勢穩定、河道演變、江湖關系等密切相關，是流域系統中最為活躍的部分[1]。近十幾年來，由于氣候變化和人類活動的影響，河流徑流量與輸沙量出現了顯著性變化，影響著流域內水資源的配置和開發利用，同時對流域內地貌演變、生物化學循環產生了重要影響[2-3]。塔里木河地處我國西北部，是我國最大的內陸河，流域內大小河流約170余條[4]，氣候干旱，降水稀少，流域內生態極為脆弱。流域面積及多年平均水資源量約占我國西北干旱區面積及水資源總量的1/3，塔里木河對于我國干旱內陸區經濟發展和生態文明建設起著重要作用[5]。新疆是典型的大陸性干旱氣候區和生態脆弱區，對全球氣候變暖尤為敏感，施雅風等[6]研究指出，中國新疆地區的氣候由暖干向暖濕的轉變。在國家實施西部大開發戰略以來，塔里木河流域內人口激增，經濟加速增長。自20世紀90年代末以來，盡管流域內各主要源流來水持續偏豐，但隨著耕地面積的擴大，干流河道徑流量并未顯著增加，干流區水資源供需矛盾加劇[7]。在“十五”計劃以來，加強生態建設，保護和治理環境成為國家與地方治理中的重點，使塔里木河流域近期綜合治理規劃得以實施，地方采取了一系列措施如退耕還林、封沙育林等，提高了流域內的森林覆蓋面積[8]。塔里木河流域生態環境發生較大變化，水沙關系特征也出現了新的變化，這些變化都影響了塔里木河流域水資源的利用以及水土流失等。因此，了解塔里木河流域近年來水沙條件的變化具有重要意義。

目前學者們就塔里木河流域水沙演變問題已經開展了大量的研究，如張修宇等[9]采用線性傾向估計和M-K非參數檢驗法分析了塔里木河流域的水文過程及其規律；周海鷹等[10]則運用M-K趨勢檢驗法、Pettitt突變檢驗法和年代時段分析法，探討了塔里木河流域徑流對氣溫和降雨的響應關系；劉靜等[11]使用M-K趨勢檢驗、R/S分析法、Pettitt突變檢驗、集合經驗模態分解和年代時段分析等方法，從多時間尺度變化的角度，系統地分析了源流區徑流演變特征。大多數研究集中于分析塔里木河流域河流徑流量的變化，但對河流輸沙量的變化及趨勢的研究較少，而塔里木河流域泥沙的輸移變化既是上游地區生態變化的象征，也是中下游地區的肥力源泉[12]，可對流域侵蝕產沙規律的研究，區域生態環境建設等提供依據。因此，本文采用Mann-Kendall檢驗、Pearson相關性分析和Pettitt非參數檢驗等方法，分析近40年來塔里木河流域徑流量和輸沙量時間演變與空間分異特征，為流域水資源管理與水土保持治理提供參考依據。

1 研究區概況

塔里木河流域地處中國新疆南部，流域面積19.80萬km2，位于天山山脈與昆侖山、喀喇昆侖山山脈之間，發源于天山的阿克蘇河、喀喇昆侖山的葉爾羌河以及和田河匯流流入塔里木河干流，干流流經中國最大的沙漠塔克拉瑪干沙漠，最后流入臺特瑪湖，河川徑流總量410.90億m3[13]，是中國最大的內陸河流域(圖1)。歷史上，塔里木河干流由流域內9個較大的支流補給，但近年來由于全球氣候變化以及人類活動影響，尤其是綠洲農業的過度開發，目前只有和田河、葉爾羌河、阿克蘇河和開都河4條源流與塔里木河干流有地表水聯系[14]。

圖1 研究區示意圖

2 資料與方法

2.1 資料來源

本文利用《新疆水資源公報》和《新疆地下水》的水文資料，基于監測數據時間的統一性，對塔里木河干流控制站阿拉爾站和4個源流控制站葉爾羌河卡群站、玉龍喀什河同古孜洛克站、阿克蘇河新大河站、開都河焉耆站1980—2020年的徑流量和輸沙量數據進行整理與統計分析。

2.2 數據分析

2.2.1 趨勢分析 采用非參數Mann-Kendall趨勢檢驗法、Pettitt突變點檢驗法，分析徑流、輸沙序列的趨勢性與突變性。

(1) 非參數 Mann-Kendall(MK)趨勢檢驗法。MK法具有適用范圍廣、定量化程度高、人為性小、理論意義明確的特點，是目前水文氣象研究中常用的一種時間序列檢驗方法，檢驗統計量的計算與判斷見文獻[15-16]。

(2) Pettitt檢驗法。Pettitt法是識別水文序列突變點的非參數檢驗方法，前提是序列存在趨勢性變化，通常用于連續數據的水文序列或氣候序列的單個變化點檢測[17]。先找到整個時間序列中的一級突變，然后以此為界分成兩個序列繼續檢測。

2.2.2 空間分析 (1) 徑流深與輸沙模數計算。徑流深是指在某一時段內通過河流上指定斷面的徑流總量(W，以m3計)除以該斷面以上的流域面積(F，以km2計)所得的值。它相當于該時段內平均分布于該面積上的水深(R，以mm計)，即R=W/1000F。

輸沙模數(Ms，單位t/km2a)是指某一時段內河流上指定斷面的輸沙量(Ws，單位t)與該斷面以上集水面積(F，單位km2)的比值，即Ms=Ws/F。輸沙模數是表示流域侵蝕產沙強度的指標之一，是流域內地貌、地面組成物質、氣候、植被覆蓋度以及人類活動對泥沙綜合影響的結果和反映，是研究流域侵蝕產沙規律，進行水土保持規劃、水利工程設計等的最基本依據[18]。

(2) 空間分異。通過計算與比較源流各站控制區的徑流深和輸沙模數，探究各源流之間的水沙空間差異性。而在比較了干流入口阿拉爾控制區與上游各源流水文站控制區的水沙后，可以得知在源流匯入干流過程中，河流徑流量與泥沙量的變化，并計算得出區間內的徑流深和輸沙模數。

3 結果與分析

3.1 塔里木河流域源干區徑流與輸沙統計特征

根據塔里木河源干區水文站點1980—2020年之間的年徑流量、年輸沙量數據進行統計(表1)，多年平均徑流量和輸沙量最小值在焉耆站，分別為26.24億m3，59.80萬t；最大值在卡群站，分別為69.16億m3，3 206.36萬t。焉耆所控制的開都河位于塔里木河流域下游，徑流量與輸沙量都顯著低于塔里木河流域其他源流。干流阿拉爾站徑流量極值比最大為4.14，而其他各源流站的徑流極值比均小于2，表明塔里木河干流出現過極端徑流狀況。輸沙量極值比最大值在焉耆為43.50，遠大于其他各站的輸沙極值比。5個水文控制站的徑流量與輸沙量Cv值均>1，屬于強變異性。年徑流量的Cv值較輸沙量大，徑流量變化變異程度較高，其中卡群站變化最為明顯，而阿拉爾站的徑流量Cv值最小，說明干流區的徑流量年際變化較小，源流區控制站的年徑流量則變化更加劇烈。輸沙量的變異程度中，阿拉爾站輸沙量的Cv值最大為2.13，而焉耆站的輸沙量Cv值最小為1.06，表明塔里木河上游泥沙變異程度較下游更高。

表1 塔里木河流域河流徑流泥沙特征值

3.2 徑流與輸沙的演變趨勢

水沙演變過程具有復雜的非線性特征，隱含著突變、趨勢性等特性，因此通過對塔里木河流域源干流水文站徑流量和輸沙量進行Mann-Kendall檢驗分析，結果表明(表2)：卡群站、同古孜洛克站、阿拉爾站、焉耆站各站的徑流量秩相關系數均為正數，說明塔里木河上游源流區及干流徑流量呈上升趨勢，且阿拉爾站和同古孜洛克站的年徑流量上升趨勢均達到0.01的置信水平，卡群站和焉耆站的年徑流量上升趨勢均達到0.10的置信水平，而新大河站年徑流量上升趨勢不顯著；焉耆站、新大河站和阿拉爾站輸沙量秩相關系數均為負數，三站的年輸沙量變化呈下降趨勢，焉耆站與阿拉爾站的年輸沙量下降趨勢都達到0.01的置信水平，新大河站的年輸沙量下降趨勢達到0.05的置信水平。而卡群站和同古孜洛克站年輸沙量無顯著變化趨勢。于塔里木河整體而言，徑流量年際變化呈顯著上升趨勢，輸沙量則隨時間呈顯著下降趨勢。

表2 塔里木河流域主要水文站徑流量和 輸沙量Mann-Kendall秩次相關分析

利用Pettitt非參數檢驗分析對焉耆、新大河、阿拉爾、卡群和同古孜洛克水文站的徑流量、輸沙量進行突變點分析，結果見圖2和表3。

由突變點分析結果可知，新大河站和同古孜洛克站徑流量突變點分別出現在1992年、1999年，突變后較突變前增長18.23%，18.10%。阿拉爾站的徑流量突變點出現在2000年，增幅為62.15%。而氣候變化是造成塔里木河徑流量變化的重要因素，在1980s中期塔里木河源流區氣候轉型，由暖干轉向暖濕[19]；徑流量在1990s發生了突變，是由于水文循環對氣候響應的滯后性，徑流變化晚于氣候轉型時間[20]。而卡群站突變年份晚于干流阿拉爾站，說明葉爾羌河向塔里木河干流匯入的徑流量對干流影響度已經很低了。輸沙量序列的突變時間基本比徑流量序列突變時間延后，焉耆站、新大河站和阿拉爾站的輸沙量突變點都出現在2001年，年平均輸沙量突變后較突變前降低68.31%，30.50%，36.73%；干流阿拉爾站徑流量與上游三源流的徑流量的變化趨勢比較一致，其中阿拉爾站徑流量均值在突變前后的差距最大，下游焉耆站突變點前后變化不大(圖3A)。對于輸沙量來說，卡群站波動明顯，阿拉爾站和焉耆站出現顯著下降趨勢(圖3B)。

3.3 徑流輸沙的空間分異特征

塔里木河源流四站控制區的徑流深存在南北空間上的差異，同古孜洛克站控制區的徑流深最大為161.83 mm，其次為卡群站控制區的137.79 mm，焉耆站控制區的116.64 mm，新大河站控制區的徑流深最小為95.41 mm；而干流阿拉爾站控制區徑流深更小，只有21.43 mm(圖5)。北部發源于天山山區的阿克蘇河新大河站控制區和開都河焉耆站控制區的徑流深明顯低于南部發源于喀喇昆侖山的葉爾羌河卡群站控制區和玉龍喀什河同古孜洛克站控制區，且卡群站、同古孜洛克站都位于河流出山口，來水量較為大，而阿克蘇河新大河站控制區位于阿拉爾市，沿途農業灌溉和生活用水都對其徑流進行著調用。各個水文站控制區的徑流深在突變后都出現了明顯的增加(表4)，阿拉爾站控制區增加62.15%，新大河站控制區增加19.09%，同古孜洛克站控制區增加18.23%。可見，發源自天山的阿克蘇河突變后增加幅度大于發源自喀喇昆侖山的葉爾羌河和玉龍喀什河。近年來新疆地區整體氣溫上升，但天山山區氣溫上升速度較新疆南部更快，而降水量方面天山山區明顯增加而塔里木盆地卻呈減少趨勢[21]，這也是塔里木河流域北部徑流量在突變后增長幅度大于南部的主要因素。南部河流主要來源于冰川融水，喀喇昆侖山的冰川雖然依然呈退縮趨勢，但退縮速率降低[22]。

塔里木河源流水文站控制區的輸沙模數存在明顯的空間差異，同古孜洛克站控制區輸沙模數最大為846.48 t/(km2·a)，卡群站控制區為638.71 t/(km2·a)，新大河站控制區為430.47 t/(km2·a)，焉耆站控制區的輸沙模數為26.57 t/(km2·a)，干流阿拉爾站控制區的輸沙模數為112.44 t/(km2·a) (圖5)。由于和田河流域河床質輕，以沙質為主，且多為寬淺河道，而玉龍喀什河坡陡，流速大，水土流失程度也較高，導致卡群站與同古孜洛克站的控制區輸沙模數較高。源流區三源流中阿克蘇河的新大河站輸沙模數最小，是由于其源流昆馬力克河和托什干河起源于天山南側，以冰川融水補給為主[23]，森林覆蓋率22.57%[24]，植被覆蓋度較東南沙漠地區更高，輸沙模數的空間分異也體現了塔里木河流域植被分布“北高南低，西高東低”的特點[25]。阿拉爾站控制區的輸沙模數代表著塔里木河上游流域的區域產沙特征，與塔里木河上游各源流水文站控制區相比顯著下降，其原因在于塔里木河上游各源流在到達出山口后產沙量較大，但在輸送到干流的過程中經過大面積的沖擊平原，泥沙逐漸沉積在河道中，因此上游源流向干流輸送的過程中必須保證足夠的徑流量，減少河道淤積泥沙[26]；與下游源流開都河焉耆站控制區的輸沙模數進行比較，塔里木河上游源流區域產沙顯著大于下游源流區域產沙量，上游源流是塔里木河干流中泥沙的主要來源區域。干流阿拉爾站以及源流的新大河站控制區和焉耆站控制區在突變后輸沙模數都顯著減少，減幅分別為36.72%，30.50%和68.31%。根據對塔里木河流域的植被覆蓋變化分析[25]，阿克蘇河和開都河流域的植被覆蓋度都有著明顯改善，各流域輸沙模數的變化很好地響應了其源區的植被生態變化情況。由新大河站和阿拉爾站輸沙變化幅度可以說明，阿克蘇河的泥沙輸入對于塔里木河干流的泥沙變化起著主要作用。

圖2 塔里木河流域主要水文站水沙變化Pettitt突變點檢驗結果

表3 塔里木河流域主要水文站水沙變化突變年份

上游三源流年均徑流量總和(133.92億m3)及輸沙量總和(6 297.56萬t)遠遠大于干流控制站阿拉爾站的年均徑流量(35.71億m3)及輸沙量(1 873.41萬t)，這是因為河流出山口后進入平原地帶，坡度變緩，泥沙在輸移過程中由于障礙物或者植被緩沖區等因素發生沉積[27]，而農業高度開發及綠洲用水也使得徑流在向干流輸入的過程中被大量調用[28]。葉爾羌河流經大面積綠洲，隨著灌區的開發，絕大部分徑流作為灌溉用水[8]，葉爾羌河向塔里木河干流的輸入在1983年以后已基本斷流[29]。目前，能夠全年連續向塔里木河干流供水只有阿克蘇河，而和田河只在每年洪水期供水，葉爾羌河只有在遭遇特大洪水時才會有向干流的供水[30]。徑流和泥沙在離開塔里木河上游源流水文站流向干流區間內變化通過計算得出：區間的年平均消耗徑流量98.21億m3，徑流深167.31 mm，淤積泥沙量4 424.15萬t，淤積模數753.69 t/(km2·a)。

圖3 塔里木河流域各站逐年徑流量、輸沙量變化及突變點前后的平均值

表4 塔里木河流域水沙的空間變化特征

4 結 論

(1) 1980—2020年塔里木河源流區新大河站、同古孜洛克站、焉耆站以及干流阿拉爾站年徑流量都隨時間表現為明顯上升趨勢，除焉耆站外(無突變點)徑流量突變點分別出現在1992年、1999年、2000年，卡群站年徑流量無明顯變化趨勢。阿拉爾站、新大河站和焉耆站的年輸沙量呈顯著下降趨勢，突變點都出現在2001年，卡群站、同古孜洛克站的輸沙量變化不顯著。

(2) 徑流量在突變后均顯著增長，阿拉爾站、同古孜洛克站、新大河站增幅分別為63.44%，18.81%，19.09%，存在差異的主要原因是流域南北部氣溫上升速度不同和降水是北增南減。阿拉爾站、焉耆站和新大河站的年平均輸沙量突變后分別降低33.68%，66.05%，33.69%，河流的泥沙變化特征響應了其源區的植被與生態變化，干流輸沙變化受阿克蘇河影響較大。

(3) 塔里木河流域徑流深和輸沙模數存在顯著的空間差異，北部源自天山山區的阿克蘇河(新大河站控制區)和開都河(焉耆站控制區)的徑流深低于源自南部喀喇昆侖山的葉爾羌河(卡群站控制區)和玉龍喀什河(同古孜洛克站控制區)；上游源流區域的輸沙模數大于下游源流開都河，上游源流區是塔里木河干流泥沙主要來源。上游源流在向干流匯入區間內的年平均消耗徑流量98.21億m3，徑流深167.31 mm，淤積泥沙量4 424.15萬t，淤積模數753.69 t/(km2·a)。

圖5 塔里木河流域水沙的空間分布

(4) 本文根據塔里木河“四源一干徑”流泥沙實測數據進行了趨勢性、突變性、相關性和空間分異性分析，證明了塔里木河近期綜合治理工程總體上取得了良好的生態環境效益，建議在保護流域生態環境基礎之上，進一步保護源流與干流的河流生態健康，對塔里木河流域進行合理的開發與利用，提高水資源的管理能力和利用效率，實現流域的可持續發展。