氣候變化對(duì)葉爾羌河年徑流總量的影響評(píng)估

阿孜古力·斯買提

(喀什水文勘測(cè)局，新疆 喀什 844000)

水循環(huán)在全球氣候變化背景下徑流量的變化是其最為重要的表征[1]。有研究結(jié)果表明，新疆地區(qū)在近50年以來氣候變化總體呈現(xiàn)明顯的增濕和變暖變化趨勢(shì)，尤其是1986年以來出現(xiàn)明顯的暖濕變化[2]。受到氣候變化影響，新疆北部氣候變暖的增幅明顯高于南部地區(qū)，冬季為主要的變暖季節(jié)[3]。近50年以來，新疆南部降水增幅多于北疆地區(qū)，夏季和冬季為降水量偏多的兩個(gè)季節(jié)，總體具有顯著的變濕變化趨勢(shì)，但在秋季降水量有所減少[4]。近10年以來，我國(guó)已開展了大量的氣候變化對(duì)區(qū)域水資源影響的研究[5-10]，但對(duì)于葉爾羌流域氣候變化下水資源研究還較少，主要集中在對(duì)生態(tài)環(huán)境、洪水變化特征的研究。葉爾羌河流域是我國(guó)重要的石油和棉花生產(chǎn)基地，在國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略中具有重要的地位[11]。水資源是區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的核心所在，區(qū)域水循環(huán)的各個(gè)過程都受到水資源變化的影響。葉爾羌河是塔里木河的重要水源之一，近些年來，受到氣候變化的影響，葉爾羌河流域的年徑流總量有所減少，為探討氣候變化對(duì)葉爾羌河流域年徑流總量的影響，本文結(jié)合葉爾羌河流域內(nèi)7個(gè)氣象站、2個(gè)水文站實(shí)測(cè)氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，建立徑流與氣溫、降水的二元回歸方程，定量探討氣候變化對(duì)流域年徑流總量的影響。研究成果對(duì)于流域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)以及水資源可持續(xù)利用具有重要的意義。

1 流域概況及資料選取

1.1 流域概況

葉爾羌河全長(zhǎng)為1 097 km是塔里木河長(zhǎng)度最大的源頭水流。流域地處東經(jīng)74°28′～80°54′，北緯在35°40′～40°31′之間。流域山區(qū)和平原面積比例分別為61.5%和38.5%。葉爾羌多年徑流均值為64.5億 m3，水量較為充沛，最大和最小徑流分別為88億 m3和44.7億 m3，最豐水年份徑流為最枯水年份徑流的倍數(shù)高達(dá)1.97倍。葉爾羌河流域徑流年際變化幅度較高，夏季是徑流年內(nèi)分布最為集中的季節(jié)，徑流量占全年徑流量的比例達(dá)到80.3%。流域多年平均氣溫為3.9℃，降水量多年平均值為72.1 mm。

1.2 資料選取及處理

本文選用葉爾羌流域內(nèi)6個(gè)氣象站、2個(gè)水文站作為研究代表站點(diǎn)，各站點(diǎn)信息見表1所示。

表1 選取的代表站點(diǎn)概況

葉爾羌流域上游選用塔什庫(kù)爾干氣象站作為代表站點(diǎn)，資料序列為1961-2017年的月降水和月氣溫資料。中游以葉城、澤普以及莎車作為代表站，基于各站點(diǎn)1961-2017年的月降水和月氣溫資料采用算術(shù)平均方法得到中游段月平均氣溫和月平均降水?dāng)?shù)據(jù)系列。下游段以麥蓋提、巴楚兩個(gè)氣象站以及阿拉爾水文站為代表站點(diǎn)，基于以上三個(gè)站點(diǎn)1961-2017年的月降水和月氣溫資料采用算術(shù)平均方法得到葉爾羌河下游段月平均氣溫和月平均降水?dāng)?shù)據(jù)系列。出山口徑流資料選用卡群水文站1961-2017年的水文資料，下游徑流資料選用阿拉爾水文站的實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)，以兩個(gè)站點(diǎn)的多年徑流資料作為基準(zhǔn)。用標(biāo)準(zhǔn)平均值對(duì)年平均氣溫缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)處理。采用趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法對(duì)降水缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)訂正。具體處理方法為：首先將數(shù)據(jù)系列分為1961-1968年以及1970-2017年兩個(gè)時(shí)間段，并對(duì)各時(shí)間度計(jì)算5年滑動(dòng)均值，采用線性趨勢(shì)方法建立降水和時(shí)間的一元回歸方程，回歸方程兩個(gè)系數(shù)采用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。結(jié)合線性變化趨勢(shì)將1969年對(duì)應(yīng)的時(shí)間變量代入回歸方程計(jì)算得到5年滑動(dòng)平均的預(yù)測(cè)降水量。最后二個(gè)站對(duì)應(yīng)1969年的年降水量可通過滑動(dòng)平均預(yù)測(cè)值進(jìn)行計(jì)算得到。通過對(duì)各插補(bǔ)訂正站點(diǎn)的降水量進(jìn)行三性檢驗(yàn)，均符合代表性、可靠性、一致性的要求，資料可用于分析氣候變化影響下的徑流影響。

2 研究方法

為研究氣溫和降水對(duì)流域年徑流總量的影響，主要通過建立氣溫、降雨時(shí)間序列值和水文站實(shí)測(cè)年徑流總量序列的二元回歸方程來進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)，定量分析氣候變化如氣溫、降水的變化對(duì)年徑流總量的影響，回歸方程的主要表現(xiàn)形式為：

y=β0+β1x1+β2x2+ε

(1)

y=xβ+ε

(2)

回歸方程的系數(shù)可采用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。

3 成果分析及討論

3.1 徑流與氣溫相關(guān)分析結(jié)果

為分析出山口卡群水文站氣溫和徑流的影響程度，分別建立卡群水文站1961-2017年的年徑流量數(shù)據(jù)，采用相關(guān)分析軟件對(duì)卡群水文站年徑流量和其上游塔什庫(kù)爾干氣象站季節(jié)氣溫均值、年氣溫均值、最低以及最高氣溫均值的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

表2 卡群水文站不同時(shí)間尺度氣溫與年徑流總量的相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果

河川徑流量的重要影響因素為氣候變化，葉爾羌河流域徑流受到氣候影響主要體現(xiàn)在以下方面，(1)受氣溫變化積雪和冰川融化影響，(2)流域蒸發(fā)總量的影響，(3)高山地區(qū)降水量的改變，(4)近地表空氣與流域下墊面之間的氣溫差異而產(chǎn)生的小氣候流域。結(jié)合葉爾羌上游塔什庫(kù)爾干氣象站點(diǎn)氣溫?cái)?shù)據(jù)以及出山口卡群水文站1961-2017年年徑流總量數(shù)據(jù)，分析了不同時(shí)間尺度下氣溫和徑流量相關(guān)系數(shù)，從分析結(jié)果可看出，夏季平均氣溫和年徑流總量的相關(guān)系數(shù)最高，為0.84，其次為7-8月以及6-9月的相關(guān)系數(shù)，表明夏季氣溫的遞增可以提高葉爾羌河流域的年徑流總量。年徑流總量與冬季氣溫均值相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，說明冬季徑流量和氣溫相關(guān)性較小。這主要因?yàn)槿~爾羌河河川徑流與高山區(qū)冰雪積累有較大相關(guān)性，出山口卡群年徑流總量中冰川消融量多年均值的比重約為64.0%。此外，氣溫對(duì)徑流的影響在時(shí)間上存在一定的滯后性，通過對(duì)卡群水文站年徑流量序列和塔什庫(kù)爾干氣溫進(jìn)行相關(guān)性排序分析，上一年6-8月氣溫均值和次年年徑流總量的相關(guān)系數(shù)均可在0.5以上，且可通過0.001的顯著性檢驗(yàn)水平。

3.2 徑流與降水相關(guān)分析結(jié)果

為分析出山口卡群水文站降水和徑流的影響程度，分別建立卡群水文站1961-2017年的年徑流量數(shù)據(jù)，采用相關(guān)分析軟件對(duì)卡群水文站年徑流量和其上游塔什庫(kù)爾干氣象站季節(jié)降水均值、年降水均值、最小以及最大降水均值的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

表3 卡群水文站不同時(shí)間尺度降水與年徑流總量的相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果

從相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果可看出，對(duì)于年徑流總量和降水總體呈現(xiàn)正相關(guān)性，但不同時(shí)間尺度降水量和年徑流總量的相關(guān)系數(shù)都要小于氣溫和年徑流總量的相關(guān)系數(shù)，因此氣溫是葉爾羌河流域年徑流總量變化的主因。冬季降水和徑流呈負(fù)相關(guān)性，這主要是因?yàn)槎窘邓饕D(zhuǎn)換為積雪，隨著春季氣溫升高后，積雪消融增加葉爾羌河徑流量。和氣溫影響相似，降水和葉爾羌河流域年徑流量影響也具有一定的滯后性。

3.3 回歸方程的建立

結(jié)合卡群水文站1961-2017年徑流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象站7-8月降水量以及夏季氣溫均值，采用前述的回歸方程建立方法，建立降水、氣溫與徑流的回歸方程，其中回歸方程基于建立各站點(diǎn)降水、氣溫時(shí)間序列采用最小二乘法進(jìn)行估算，建立的回歸方程為：

y=9.054 3xt+0.043xp-69.53

(3)

在方程中xt表示為夏季氣溫均值(℃)；xp表示為7-8月的降水量均值(mm)。對(duì)建立的徑流和氣溫、降水的相關(guān)方程進(jìn)行了F檢驗(yàn)，該回歸方程可通過信度為0.001的顯著性經(jīng)驗(yàn)，建立的二元回歸方程可用來探討夏季氣候變化對(duì)葉爾羌流域徑流量影響的評(píng)估。

3.4 不同氣候變化下的徑流變化幅度

結(jié)合建立的回歸方程，探討夏季不同氣溫、降水變化幅度下的徑流量的變化幅度，如表4所示。

表4 夏季氣溫和降水不同變化比例下的徑流量變化幅度

結(jié)合建立的葉爾羌河流域徑流和夏季氣溫、7～8月降水量不同變化比例下的徑流量變化幅度進(jìn)行了探討，夏季氣溫和降水量的增加，可使得葉爾羌河流域徑流量得到顯著提高，提高的徑流量變化幅度均在60%以上。在相同氣溫條件下，降水量遞增5%，徑流增相應(yīng)增加的幅度為0.6%，而相同降水條件下，氣溫遞增0.5℃，則徑流量增加的比例為9.5%，反之相同氣溫和降水條件下，氣溫和降水遞減，徑流呈現(xiàn)相同的遞減幅度。

3.5 主要原因探討

為了減少降水和氣溫變差對(duì)徑流的影響，采用歸一化指數(shù)的分析方法對(duì)降水、氣溫、徑流進(jìn)行處理，通過分析塔什庫(kù)爾氣溫在夏季和徑流變化具有一致性，其吻合度可達(dá)到78%。夏季的氣溫極值變化和徑流豐枯變化重合期為10 a，這主要是因?yàn)槿~爾羌河流域高山冰川和積雪受氣溫升高影響其消融量增加，而融雪量是葉爾羌河流域主要的徑流補(bǔ)給，因此使得流域徑流增加。但不同氣象組合和蒸發(fā)的綜合影響，在個(gè)別年份氣溫升高而徑流確有所減少。葉爾羌河流域在60-70年代降水量有所減少，但徑流總量確有所增加，但總體變化是降水量對(duì)徑流影響度較小。綜合以上原因分析，氣溫變化是葉爾羌河徑流班花的主要因素，冬季降水量的變化，使得流域冬季積雪量有所增加，而夏季氣溫升高后，冰川融化量對(duì)河流徑流量進(jìn)行了條件，通過對(duì)溫度變化的影響，葉爾羌河流域降水對(duì)徑流總體為間接影響。

4 結(jié)語

(1)氣溫對(duì)徑流的影響在時(shí)間上存在一定的滯后性，通過對(duì)卡群水文站年徑流量序列和塔什庫(kù)爾干氣溫進(jìn)行相關(guān)性排序分析，上一年6-8月氣溫均值和次年年徑流總量的相關(guān)系數(shù)均可在0.5以上，且可通過0.001的顯著性檢驗(yàn)水平。

(2)在相同氣溫條件下，降水量遞增5%，徑流增相應(yīng)增加的幅度為0.6%，而相同降水條件下，氣溫遞增0.5℃，則徑流量增加的比例為9.5%，反之相同氣溫和降水條件下，氣溫和降水遞減，徑流呈現(xiàn)相同的遞減幅度。

(3)氣溫變化是葉爾羌河徑流班花的主要因素，冬季降水量的變化，使得流域冬季積雪量有所增加，而夏季氣溫升高后，冰川融化量對(duì)河流徑流量進(jìn)行了條件，通過對(duì)溫度變化的影響，葉爾羌河流域降水對(duì)徑流總體為間接影響。