塔里木河下游氣候變化與生態(tài)輸水之間的關系分析

王光焰，徐生武，謝志勇

( 新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

1 概述

氣候變化可以改變區(qū)域的水文循環(huán)過程，例如氣溫升高、蒸散發(fā)加劇，水量耗散增加，在降水一定的前提下，產(chǎn)匯流的減少[1]。氣候也會導致流域水資源總量發(fā)生變化，使極端災害性事件如洪水、內(nèi)澇、旱災等發(fā)生頻率和強度大幅度增加[2]，這將更加加重干旱地區(qū)流域水資源短缺的問題，影響著人類社會水資源的開發(fā)、利用以及規(guī)劃和管理 。

自20世紀50年代起，氣候變化的驅(qū)動與人類過度的水土資源開發(fā)引起塔里木河下游水資源鹽漬化、湖泊干涸、地下水位下降、沙漠化加劇及河道斷流等生態(tài)問題[3- 4]。迄今為止，塔里木河下游開展生態(tài)輸水工程20余次，恢復了下游的生態(tài)環(huán)境[5- 6]。生態(tài)輸水在滿足下游植被正常生長的基礎上，也會改變該區(qū)域水循環(huán)過程，從而導致區(qū)域小氣候發(fā)生變化[7]。針對塔里木河干流輸水，多數(shù)研究從輸水效益及評估開展了大量的研究[8- 12]，也有研究探討了氣候變化對塔里木河下游生態(tài)水文過程的影響。然而，生態(tài)輸水后，塔里木河下游氣候變化與生態(tài)輸水之間的關系尚不清楚。

本文利用塔里木河下游各水文斷面徑流、氣象資料，選取氣溫、降水、土壤干旱指數(shù)(TVDI)、標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)等氣候因子，對比分析以上因子在生態(tài)輸水前后的變化特征，揭示塔里木河下游的徑流變化與氣候因子之間的相關關系。采取GIS空間分析，分析了氣候因子的時空特性。本文旨在研究生態(tài)輸水對塔里木河下游局部小氣候的影響，為塔里木河下游水資源可持續(xù)利用提供科學支撐。

2 研究區(qū)概況

塔里木河下游位于塔克拉瑪干沙漠和庫姆塔格沙漠之間， 大西海子水庫以下輸水河段357 km。塔里木河下游屬典型的大陸性干旱氣候， 年降水量為17.4～42.0 mm， 而年蒸發(fā)潛勢達2500～3000 mm， 生態(tài)環(huán)境極為脆弱[4，13]。20 世紀70 年代初， 由于塔里木河源流來水量的減少和干流上中游耗水量的持續(xù)增加， 導致下游的來水量銳減。尤其在1972 年大西海子攔河水庫建成后，河道內(nèi)基本無水下泄， 塔里木河下游開始出現(xiàn)斷流、臺特馬湖干涸。自2000年以來， 從大西海子水庫向其文闊爾河、塔里木河故道進行單通道(向其中一條河道輸水)或雙通道(同時向兩條河道輸水)輸水， 下游生態(tài)環(huán)境明顯改善[14]。

3 數(shù)據(jù)來源及研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

(1)氣象數(shù)據(jù)：氣象數(shù)據(jù)主要為1957—2018年鐵干里克國家氣象站的逐月氣溫和降水數(shù)據(jù)，來源于國家氣象信息中心。

(2)遙感影像數(shù)據(jù)：選取2000—2018年的增強型植被指數(shù)(EVI)及地表溫度(LST)時間序列數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于美國NASA EOS數(shù)據(jù)中心發(fā)布的MODIS MOD13Q1(EVI)及MOD11A2(LST)數(shù)據(jù)集。EVI和LST數(shù)據(jù)時間間隔分別為16d和8d，其空間分辨率為250m和1000m，分別368副和736副。

3.2 研究方法

3.2.1非參數(shù)檢驗

本文利用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法，對各時間序列進行趨勢檢驗，利用Mann-Whitney非參數(shù)檢驗方法進行時間序列的突變檢驗[15- 16]。此外，采用Pettitt突變檢驗法對塔里木河流域徑流長時間序列的突變現(xiàn)象進行分析。該方法不僅能夠判斷出突變點的位置和數(shù)量，也能判斷突變點在統(tǒng)計意義上是否顯著。

Pettitt法定義檢驗統(tǒng)計量Ut，n公式

(1)

式中，xi、xj—待檢驗序列中的變量；n—序列長度；Ut，n—根據(jù)第一個樣本序列超過第二個樣本序列次數(shù)統(tǒng)計組成的新序列。

Pettitt法原假設H0為序列不存在突變點。若τ時刻滿足：

Kτ=|Uτ，n|=max|Ut，n|

(2)

則τ點處為突變點。同時可計算統(tǒng)計量：

(3)

如果p≤0.05，突變點τ在統(tǒng)計意義上是顯著的。τ點為被檢驗序列的第一級突變點；以時間τ作為分界線將原有序列分為兩個時序，重復上述方法繼續(xù)檢測新的突變點，將得到多級突變點。

3.2.2氣候要素分析方法

本研究使用TVDI來反映不同土壤干旱條件下植被的分布特征，并利用氣候因子，即月均降水與氣溫數(shù)據(jù)計算了研究區(qū)的SPEI。SPEI具有多時間尺度的特征，本研究選用6個月和12個月尺度的SPEI，分析研究區(qū)生長季和年際干旱時空演變特征，并根據(jù)表1中的標準進行等級劃分。此外，本研究還使用MATLAB軟件中的Wavelet工具來實現(xiàn)對極端降水指數(shù)的小波周期分析[17- 18]。

表1 標準化降水蒸散指數(shù)干旱等級劃分

4 結果與分析

4.1 下游生態(tài)輸水分析

2000年開始起，塔里木河下游生態(tài)輸水至今已進行20年，至2018年底，共實施生態(tài)輸水19次，累計生態(tài)輸水77.67億m3，年均輸水量4.32億m3，實現(xiàn)了塔里木河綜合治理規(guī)劃制定的3.5億m3下泄水量目標。根據(jù)圖1和表2，除2008年外，其余年份均有水量下泄，其中2001年、2003年、2010—2013年及2015—2018年下泄水量均在3.5億m3以上，特別是2010—2018年，年均的下泄水量達到6.07億m3。其中，2014年輸水水量最小，僅為0.07億m3，輸水時長僅為9d，平均流量為9.3m3/s；而2017年下泄水量最大，達到12.15億m3，下泄水量天數(shù)達到252d，平均流量也為歷年之最，達到了80.7m3/s。

表2 2000—2018年歷次生態(tài)輸水持續(xù)時間及平均流量

圖1 2000—2018年大西海子下泄生態(tài)水量

4.2 下游氣候變化分析

4.2.1氣溫及降水量變化特征

(1)趨勢變化特征

基于1957—2018年鐵干里克國家氣象站氣溫及降水數(shù)據(jù)，利用M-K單調(diào)趨勢檢驗，得到氣溫及降水變化趨勢檢驗結果，見表3。根據(jù)表3，1957—2018年之間鐵干里克氣溫均值為11.12℃，其趨勢檢驗值Zc為6.42，遠大于在0.01檢驗水平下的檢驗值(Z=2.58)，呈極顯著的增加趨勢，其年均增加量為0.027℃；而降水量年均值為36.15mm，其趨勢檢驗值Zc為1.28(<1.98)，呈不顯著的上升趨勢，其年均增加量為0.15mm。

表3 鐵干里克氣象站氣溫及降水Mann-Kendall單調(diào)趨勢檢驗結果

Mann-Kendall突變檢驗方法對鐵干里克氣象站氣溫和降水量進行趨勢檢驗，如圖2—3所示，圖2和圖3中UFk、UBk兩實線的交點可反映徑流序列的突變情況。

圖2 鐵干里克氣溫突變趨勢檢驗結果

圖3 鐵干里克降水量突變趨勢檢驗結果

根據(jù)圖2，1957—2018年之間，鐵干里克氣溫極顯著的增加趨勢，且UFk、UBk兩實線的交叉點在1996年，即氣溫的突變年發(fā)生在1996年。1996年之前UFk曲線在UBk曲線之下，而1996年后，則在UBk曲線之下，且兩曲線僅一次交叉，1996年后兩曲線完全分離，表明1996年突變趨勢明顯，其突變量達到1.04℃。根據(jù)圖3，1957—2018年之間，鐵干里克降水量呈不顯著的增加趨勢，UFk、UBk兩實線變化趨勢較為一致，在1993年之間UFk曲線基本在UBk曲線之上，1993年，兩曲線出現(xiàn)交叉，但分離不明顯，且在1993年后兩曲線發(fā)生多次交叉，因此可以看出，降水量在1993年發(fā)生不顯著突變，突變量為1.53mm。

(2)氣溫及降水量周期性特征分析

利用復值Morlet小波分析方法用于甄別鐵干里克氣溫和降水量的顯著周期，如圖4—5所示。由圖4和圖5可以看出其氣溫存在9年和8年的顯著周期變化。

圖4 鐵干里克氣溫小波分析結果

圖5 鐵干里克降水量小波分析

4.2.2標準化降水蒸散指數(shù)變化特征分析

利用鐵干里克氣溫和降水量數(shù)據(jù)計算得到標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)，并對其干旱等級劃分及逐年變化特征進行分析，如圖6所示。

根據(jù)圖6，1957—2018年之間鐵干里克年尺度SPEI呈顯著下降趨勢，趨勢斜率(slops)為0.046，表明鐵干里克趨向于干旱化。根據(jù)前文分析可知，鐵干里克降水僅表現(xiàn)為不顯著的增加趨勢，而氣溫則表現(xiàn)為顯著的上升趨勢，由于氣溫增加速率過快，蒸發(fā)增加，蒸發(fā)增加的速率可能高于降水增加的速率，從而導致該區(qū)域呈現(xiàn)顯著的氣象干旱化發(fā)展的特點。此外，由圖6可知1993年后SPEI出現(xiàn)明顯的反轉(即數(shù)值由正轉負)，1993年前，僅1978年和1986年分別表現(xiàn)為中旱和輕旱，其他年份均處于無旱級別；而在1993年后，僅1995、1996、1998、2003、2015年表現(xiàn)處于無旱狀態(tài)，其余年份中，2001年表現(xiàn)為特旱級別，1997、2002、2008—2009、2012—2014年及2016—2018年處于重旱級別。

圖6 標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)分級及逐年變化特征

4.2.3土壤干旱指數(shù)時空變化特征分析

土壤干旱指數(shù)(TVDI)是一種基于光學與熱紅外遙感通道數(shù)據(jù)進行植被覆蓋區(qū)域表層土壤水分反演的方法，被廣泛應用于大范圍、大時間尺度的干旱監(jiān)測，因此，本研究選取這一指標用以評估實施生態(tài)輸水后塔里木河下游(含河岸帶及湖區(qū))土壤水分變化特征。

(1)土壤干旱指數(shù)逐年變化特征

利用2000—2018年Modis-EVI和Modis-LST數(shù)據(jù)，借助遙感影像處理軟件ENVI5.0，參照土壤干旱指數(shù)計算方法，處理得到2000—2018年塔里木河下游TVDI的逐年均值，如圖7所示。

圖7 生態(tài)輸水后塔里木河下游(河岸帶和湖區(qū))

根據(jù)圖7，生態(tài)輸水實施后，塔里木河下游TVDI整體呈下降趨勢，年均減少量為0.008，表明2000—2018年之間下游土壤含水率增加，呈濕潤化發(fā)展。根據(jù)前文生態(tài)輸水后水量轉化研究結果，40%以上的輸水水量轉化為土壤水，生態(tài)輸水有效地改善了塔里木河下游土壤含水率。其中，河岸帶及湖區(qū)年均減少量分別為0.009和0.008，均呈濕潤化趨勢。河岸帶及湖區(qū)TVDI年際變化均較明顯，這與生態(tài)輸水水量的年際變化有關。特別在2000—2006年之間，臺特瑪湖湖區(qū)TVDI下降十分顯著，這與生態(tài)輸水初期水量轉化情況相一致，生態(tài)輸水進入湖區(qū)后，包氣帶水分得到補給含水率持續(xù)增加，使得土壤干旱指數(shù)明顯下降；而2007—2009年之間，生態(tài)輸水水量減小造成無水進入湖區(qū)，使得湖區(qū)土壤干旱指數(shù)明顯變大；2010年后，隨著生態(tài)輸水水量的增加，湖區(qū)土壤干旱指數(shù)又持續(xù)下降。

為細致刻畫塔里木河下游土壤干旱指數(shù)的空間變化特征，本研究將TVDI劃分為小于0.6、0.6～0.7、0.7～0.8、0.8～0.9及大于0.9五個等級，借助ArcGIS平臺，最終得到2000—2018年TVDI各等級空間分布圖，如圖8—9所示。

根據(jù)圖8和圖9，受年際輸水水量差異及植被生長等因素影響，2000—2018年之間，塔里木河下游河岸帶與湖區(qū)TVDI時空差異均較明顯，且河岸帶年際變化更為明顯，河岸帶干旱程度強于湖區(qū)。對于臺特瑪湖湖區(qū)，土壤含水率低值區(qū)(TVDI>0.9)的面積占比且隨著生態(tài)輸水水量的增加而逐步減少，2000—2006年之間，土壤含水率低值區(qū)面積占比由80.7%減少至3.6%，但在2007—2009年之間，隨著入湖水量的銳減，其面積占比又增加至40%以上，2010后，隨著生態(tài)輸水工作連續(xù)性的維持和輸水水量的增加，臺特瑪湖區(qū)域內(nèi)土壤含水率低值區(qū)面積占比基本減少至20%以下，尤其是2018年，土壤含水率低值區(qū)面積占比僅為2.7%。

圖8 2000—2018年塔河下游河岸及湖區(qū)土壤干旱指數(shù)(TVDI)空間變化特征

續(xù)圖8 2000—2018年塔河下游河岸及湖區(qū)土壤干旱指數(shù)(TVDI)空間變化特征

圖9 2000—2018年塔河下游河岸及湖區(qū)土壤干旱指數(shù)(TVDI)等級比例變化(A-河岸帶，B-湖區(qū))

(2)土壤干旱指數(shù)空間趨勢特征

基于2000—2018年的土壤干旱指數(shù)的空間分布數(shù)據(jù)，借助ArcGIS的空間分析功能，利用Mann-Kendall趨勢檢驗，逐象元地計算土壤干旱指數(shù)的趨勢，并參照趨勢檢驗值和差值分級，最終得到TVDI空間變化趨勢分布結果，如圖10和表4所示。

根據(jù)圖10和表4，塔里木河下游土壤干旱指數(shù)以下降趨勢(Z<0)為主，其面積占比為82.53%，表明塔里木河下游整體呈濕潤化發(fā)展。其中，呈微下降趨勢(-1.961.96)趨勢的面積占比分別為14.79%和0.46%。塔里木河下游河岸帶土壤干旱指數(shù)呈下降趨勢(Z<0)的面積占比為84.17%，呈上升趨勢(Z>0，干旱化)的面積占比為15.83%，其主要分布于喀爾達依及阿拉干區(qū)間內(nèi)。臺特瑪湖湖區(qū)土壤干旱指數(shù)呈下降趨勢(Z<0)的面積占比為84.75%，而呈上升趨勢(Z>0)的面積占比為15.25%，其主要分布于湖區(qū)南側。

表4 塔里木河下游土壤干旱指數(shù)空間趨勢比例

圖10 塔里木河下游土壤干旱指數(shù)空間趨勢分布圖

5 結論

1957—2018年之間，研究區(qū)氣溫呈極顯著的增加而降水整體呈不顯著的上升趨勢。但是，SPEI呈顯著下降趨勢，表明氣候趨于干旱化。1993年后SPEI出現(xiàn)明顯的反轉，1993年前以無旱級別為主，1993年后以中旱和重旱為主。生態(tài)輸水后，塔里木河下游土壤干旱指數(shù)整體呈下降趨勢，表明下游土壤含水率增加。下游濕潤化的土壤面積占比為82.53%，且河岸帶年際變化更明顯，表明生態(tài)輸水促進了塔里木河下游的土壤呈濕潤化。然而，呈上升趨勢即干旱化的區(qū)域主要分布在喀爾達依及阿拉干區(qū)間內(nèi)及臺特瑪湖湖區(qū)南側。因此，本研究也為未來生態(tài)輸水范圍的確定提供了重要的指導。