張正勇, 李忠勤, 何新林, 劉 琳, 王璞玉

(1.石河子大學, 新疆 石河子 832000; 2.中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境工程研究所 冰凍圈科學國家重點實驗室, 蘭州 730000)

瑪納斯河流域冰川變化及水資源研究進展

張正勇1, 李忠勤2, 何新林1, 劉 琳1, 王璞玉2

(1.石河子大學, 新疆 石河子 832000; 2.中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境工程研究所 冰凍圈科學國家重點實驗室, 蘭州 730000)

瑪納斯河流域地處西北內陸干旱區(qū)，由于水資源制約社會經濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設，近年來也取得了很多高水平的研究成果。按流域上游產流區(qū)和中下游消耗區(qū)對以往研究進行總結，以期對流域冰川變化及水資源方面有更清晰的認知，主要從冰雪覆蓋變化、河川徑流變化特征及其對氣候變化的響應、徑流變化的模擬預測、地下水、同位素、水資源的開發(fā)利用等方面綜合概述了研究區(qū)水資源的研究進展。近半個世紀以來，瑪河流域上游區(qū)開展了一些冰川野外考察工作，對流域冰川的形成、作用有了初步的認識，但缺少冰川變化方面的實測數據。在全球變暖的影響下，研究區(qū)冰川面積出現了不同程度的縮減，并導致冰川生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值下降；近60年來研究區(qū)氣溫和降水都呈遞增趨勢，流域年徑流變化受水文年降水量、夏季溫度、永久性冰川雪地面積變化等綜合影響，其中徑流量波動上升與氣溫和降水呈正相關，流域主要依賴冰雪消融和地下水補給；流域水資源承載力呈現良性發(fā)展的態(tài)勢，能夠維持生態(tài)系統(tǒng)的正常功能。但研究區(qū)由于資源性缺水和生產生活用水不斷加劇，水資源日益成為區(qū)域經濟社會發(fā)展的制約因素，眾多學者從不同層面提出了水資源開發(fā)利用和管理方面的對策和建議。但目前的研究中仍存在一些問題和不足，重點可以在流域冰川水資源的系統(tǒng)研究、建立冰川變化的定位觀測體系和開展詳細的流域冰川模擬預測研究，要在中下游區(qū)加強社會經濟用水和生態(tài)用水的科學調配等方面展開進一步研究。

瑪納斯河流域; 冰川; 水資源; 研究進展

瑪納斯河流域(以下簡稱瑪河流域)是新疆典型的內陸河流域，現已被開墾為我國最大人工綠洲區(qū)和第四大灌溉農業(yè)區(qū)[1-2]，也是天山北坡經濟帶的核心區(qū)域之一，水資源是該區(qū)域經濟發(fā)展和生態(tài)建設等最主要限制因子。然而在全球變暖影響下，主要靠冰雪融水補給的瑪河流域冰川面積急劇退縮，減少了淡水資源儲備，對區(qū)域的綠洲發(fā)展模式有十分重要而深遠的影響[3]?，敽恿饔蛭挥谛陆焐奖甭粗卸?，地處準噶爾盆地南緣，地理位置為84°43′—86°35′E，43°21′—45°20′N，遠離海洋，干旱少雨，蒸發(fā)量大，多荒漠，屬典型的大陸性干旱氣候區(qū)。經過新生代以來的構造運動、氣候變化等作用，流域內形成了具有明顯分帶性的地貌格局，劃分為山地帶、山前褶皺丘陵帶、串珠狀沖積扇帶、平原曲流帶、瑪納斯河尾閭湖泊和沙漠帶5個地貌帶[4]。其上游的天山支脈喀拉烏成山依連哈比爾尕山及比依克山等海拔為5 000～5 500 m，是僅次于天山主峰托木爾峰(海拔7 435.3 m)地區(qū)的天山第二大高山帶山結，其冰川總面積僅次于托木爾峰地區(qū)[3,5]。徑流補給具有顯著的垂直地帶性，冰雪融水對河流的補給可以占到河水徑流量的35.3%[6-7]，地下水補給量占45%左右[8]。流域內自東向西分布塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河、大南溝、巴音溝河6條內陸河流，其中瑪納斯河是準噶爾盆地南緣最大的一條融雪型山溪河流，河流由南向北，全長324 km，多年平均徑流量為11.9億m3[3]。上游海拔3 600 m以上山區(qū)大部分面積為冰川及永久性積雪覆蓋，平均雪線為3 970 m；海拔1 500～3 600 m屬降水豐沛區(qū)[4]，夏季蒸發(fā)較少，土地終年保持濕潤狀態(tài)，為瑪納斯河主要產流、匯流區(qū)；海拔1 500 m以下至出山口紅山嘴為瑪納斯河徑流運轉區(qū)，出山口以下為徑流散失區(qū)[7-8]?，敿{斯河上游設有紅溝煤窯、清水河子、肯斯瓦特和紅山嘴站水文站。肯斯瓦特為瑪納斯河干、支流匯合后的控制站，海拔910 m，控制面積為4 637 km2；紅山嘴站為瑪納斯河出山口控制站，海拔610 m，下游300 m處為瑪納斯河紅山嘴引水樞紐[7]。近幾十年來眾多學者對流域水資源和生態(tài)環(huán)境方面開展了大量研究，取得了很大進展，本文按流域上游產流區(qū)和中下游消耗區(qū)對以往研究進行總結，主要從冰雪覆蓋變化、水資源與氣候的響應、水資源承載力、水資源開發(fā)利用與管理措施等方面概述流域水資源研究進展，通過對以往研究成果的梳理，以期對流域水資源方面有更清晰的認知，并提出問題與展望。

1 冰川及冰雪覆蓋變化研究

自20世紀中期以來，就已經在瑪河流域上游區(qū)開展了一些冰川野外考察工作，對流域冰川的形成、作用有了初步的認識，但就目前的冰川研究成果來看，瑪河流域比塔里木河、烏魯木齊河等流域有明顯的缺失，沒有中長期冰川變化方面的實測數據，甚至短期的野外考察也是屈指可數。1961—1963年，中科院新疆分院冰雪隊對流域現代冰川和古冰川進行了流動考察和半定位觀測[9]；1979年，新疆地質局水文地質大隊在瑪納斯河、寧家河和金溝河的整個中上游地區(qū)進行區(qū)域水文地質普查，并對流域的第四紀古冰川作用進行了研究和探討[10]，認為該區(qū)至少有五次大規(guī)模的古冰川活動期，自老至新依次稱為大南溝冰期、紅山咀冰期、哈熊溝冰期、呼斯臺冰期和烏達特冰期，其間相應地存在著4個間冰期，表明該區(qū)從早更新世到晚更新世末期至少經歷了5次長時期的寒暖氣候交替變化。2002年、2003年，鞠遠江等在流域內的鹿角灣冰川區(qū)40 km2的范圍進行了野外考察，初步對該冰川地貌進行了研究[11]，按冰川斗底高度的不同將18個冰斗劃分為3個不同高度等級，冰斗朝向以偏北為主，說明水熱條件對冰斗發(fā)育是限制因素，有2個冰斗朝向偏南，說明其所代表的冰進階段水熱條件組合有利于冰川的長期存在，從而發(fā)育了大規(guī)模的向陽冰斗，共發(fā)育了10道冰磧壟，對其測年分析發(fā)現冰磧丘陵組地層屬于小冰期和新冰期沉積。

在全球變暖的影響下，近年來瑪河流域冰川面積出現了不同程度的縮減，張宏峰等[3]研究顯示1964—2006年間流域冰川面積減少了16.7%；低海拔冰川面積與高海拔呈現出相反的變化趨勢。劉志輝等[12]對流域冰川的消融率進行了計算和分析，得出瑪河上游1983—2004年間冰川面積減少了38.1 km2，1964—1983年冰川面積消融了8.41%，1983—2000年消融了27.18%；塔西河上游冰川面積1983—2004年間由48.01 km2減少為38.1 km2，年消融率為0.009；劉海隆、馬金玲等[13-14]基于多源、多時相的遙感數據分析了流域1989—2008年的冰川積雪覆蓋變化特征，結果顯示年際冰川積雪覆蓋區(qū)域的平均海拔高度在2002年以前表現為下降過程，在2002年后表現為上升過程；自2001年以后，出現了年均8 km左右穩(wěn)步減小的過程；其中減少的區(qū)域主要在源流區(qū)古仁郭勒、夏格孜郭勒，這里已無大面積的冰川存在，而流域西部的支流呼斯臺郭勒上游仍有大面積冰川覆蓋。另外，該流域冰川積雪面積與平均溫度、 降水分別呈顯著負相關和正相關關系，這說明氣候變暖對瑪納斯河流域山區(qū)冰川積雪的消融有明顯促進作用。張宏峰等[3]研究表明流域冰川服務功能總價值急劇下降，由1964年的1 228.5億元下降到2006年的960.1億元。冰川退縮改變了流域的水資源分布特征，導致冰川生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值下降。

2 氣候變化及其對水資源影響研究

2.1 氣候變化特征

學者們對瑪河流域氣候變化特征開展了大量的研究，基于近60 a來氣候觀測數據，運用數理統(tǒng)計和時間序列分析等方法[15-19]，對流域氣候變化(氣溫、降水和蒸發(fā)量等)趨勢進行了研究，結合Mann-Kendall[17]和小波分析[18-19]等方法分析了流域氣候變化的周期和突變檢測，并結合R/S[20-22]、灰色關聯[23]和模糊數學[24-25]等方法預測了氣候變化趨勢。

自1950s以來，瑪河流域年均溫總體呈增加趨勢[17-20](圖1)，年均溫變化傾向率為0.33～0.47℃/10 a，其中20世紀90年代升溫最明顯，季均溫亦呈現波段上升趨勢，尤其春冬兩季增溫趨勢最明顯，變化傾向率分別達 0.28℃/10 a，0.48℃/10 a[17-20]；侯麗娜等[21]運用近30年逐日數據分析得出，1月最低氣溫和7月最高氣溫的線性增加率分別為為0.8和1.3℃/10 a，其結果導致氣溫日較差減少。流域氣溫變化與全國和新疆變化趨勢一致，且略高于新疆平均氣溫升高的幅度[22]。李慧，馬金玲，唐湘玲等[15-17]對流域近60 a來降水量變化研究顯示，降水量總體在波動中呈不明顯的增多趨勢，和新疆降水的整體變化趨勢一致。多年平均降水量為335.4 mm，線性變化傾向率為1.04 mm/10 a，春、冬兩季降水量呈增多趨勢，夏季和秋季降水量呈減少趨勢。降水量與氣溫變化呈顯著正相關[17,22-23]。多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量為1 682.6 mm?？傮w來看，冬季蒸發(fā)增加幅度較大，其次為秋季，春季變化不大，而夏季蒸發(fā)有小幅下降[15-16]。從空間變化特征來看，流域上游氣溫增幅略高于中下游，而年降水量變化率上游略低[15-24]。

圖1 瑪納斯河流域氣溫、降水變化趨勢

凌紅波、唐湘玲等[17，18-20]對流域氣溫和降水變化周期和突變特征研究表明：流域年平均氣溫有著明顯的9，10 a主周期和4 a，2.7 a左右次周期震蕩，其周期與太陽黑子和南方濤動周期具有一致性；全年降水存在明顯的3.6 a和6 a顯著周期和5.7 a的次周期震蕩。氣溫突變節(jié)點為1975年、1995年并發(fā)生了由低到高的突變；降水突變節(jié)點為1983年、1998年并發(fā)生了由少到多的突變；蒸發(fā)量的突變節(jié)點在1988年。高培、凌紅波等[18,24-25]模擬預測未來50 a，流域溫度和降水量呈增長趨勢，而蒸發(fā)量持續(xù)減少。

2.2 徑流變化

從20世紀50年代以來建立的煤窯、肯斯瓦特、紅山嘴三個水文站的水文資料統(tǒng)計分析來看(圖2)，瑪納斯河徑流量大體分為5個階段：1954—1957年徑流量偏少，為枯水期；1958—1971年徑流量大體呈水平波動上升，為豐水期；1972—1976年下降趨勢明顯，為平水期；1977—1996年為枯水期；1996年開始出現明顯的增加趨勢[6,14,20]。徑流量多集中于夏季(6—8月)，約占全年平均徑流量的65%～70%，僅7月就占28.7%，主要來自于高山區(qū)的冰川和積雪消融，充分顯示了夏汛河流的特點。冬季為枯水期，徑流量穩(wěn)定，主要依賴于地下水回歸補給。年均流量存在 8～10 a、12 a左右和16 a左右的變化周期，并且在20世紀90年代初期周期發(fā)生了突變[17,26]。

圖2 瑪納斯河年徑流量變化趨勢

袁玉江等[27]使用5個樹輪年表序列較好地重建出肯斯瓦特水文站355 a來的年徑流總量，研究結果顯示瑪納斯河樹輪年表序列與該河肯斯瓦特水文站年徑流總量相關顯著，年徑流總量355 a來大致經歷了11個偏枯水期和10個偏豐水期，出現了最顯著的兩個百年流量變枯段；在1711—1712年、1872年流量發(fā)生過兩次突變；最豐水的年代為17世紀80—90年代，比現今偏多17.19%～18.11%，最枯水的年代為19世紀60年代，比現今偏少16.17%。根據50 a來瑪納斯河水文氣候周期的演變規(guī)律和國際氣候變化專門委員會(IPCC)的預測報告，預計21世紀前20 年瑪納斯河來水仍屬偏豐年份，這會對瑪納斯河流域的農牧業(yè)生產結構和布局產生重大影響[28-29]。

2.3 氣候與徑流變化關系

流域年徑流變化受水文年降水量、夏季溫度、永久性冰川雪地面積變化等綜合影響[6,14,26,29-31]。徑流的變化主要取決于降水的變化，氣溫的變化影響次之；但是在溫度的相對極值時，氣溫的變化則起到主導作用，如1990年的相對高溫以及1992年的相對低溫都體現了這一影響。夏季溫度的變化對于瑪納斯河徑流量的變化作用較大，如1996年夏季溫度增高明顯，持續(xù)高溫時間長，導致徑流量急劇增加，形成“96·7”特大洪水災害。另外氣溫和降水的負相關關系，使得冰雪融水補給和降水補給對年徑流出現互補特征，使得流域徑流變化比較穩(wěn)定。20世紀90年代以來，流量顯著增加，對降水和氣溫的變化有明顯的響應[29-30]。

瑪河流域氣候與徑流變化關系已有模擬預測研究。唐湘玲等[17]模擬預測當流域水文年降水量偏多或偏少10%～20%時，其年徑流量會出現偏多或偏少1.98%～5.93%的正響應；當流域5—9月平均氣溫增加1℃時，其年徑流量會增加或減少1.3%；當5—9月出現±2℃(或±3℃)的氣溫變化時，其年徑流量會做出±2.68%(或±4.0%)的正響應。王曉杰等[32]利用度日因子算法的SRM融雪徑流模型模擬了溫度和降水變化對徑流量的影響，認為隨著溫度和降水的增加，徑流量也會增加，并會使融雪徑流提前，假定降水量不發(fā)生大的變化，溫度增高1℃，徑流量增大13%～16%；趙麗、李慧等[33-34]結合流域水文規(guī)律，分別建立了適合于該區(qū)域的隨機模型和SWAT 分布式流域水文模型。

3 地下水與同位素方面研究

就瑪河流域地下水與同位素方面的研究相對較少。其中，史興民等[4]認為流域地下水分布范圍受地貌單元控制，由南向北呈明顯帶狀分布著不同類型的地下水。按區(qū)域分主要包括：① 中高山區(qū)和山前褶皺分布有基巖孔隙、裂隙水。② 流域沖積扇及沖積平原區(qū)分布有松散堆積層孔隙水。③ 低山丘陵之間的向斜盆地分布有零星含水區(qū)，冰川及其周邊的多年凍土地區(qū)分布開發(fā)利用價值不大的地下水。劉志明等[35]對流域平原區(qū)地表水、地下水同位素組分D，18O，T和14C特征進行了分析，運用同位素混合模型開展了水資源組成和水循環(huán)研究。研究表明，從上游至下游，地表水、淺層水和深層水的δD-δ18O，T-δ18O和14C-T關系呈現出明顯的分布規(guī)律，并在14C-T圖上，可明顯識別出古水。水資源主要來源于南部山區(qū)大氣降水補給，上游是地下水的主要補給區(qū)。

4 水資源承載力研究

對于內陸干旱綠洲區(qū)的瑪河流域來說，開展水資源承載力、水文生態(tài)質量、生態(tài)需水等研究尤為重要。為此，學者們利用模型對以上科學問題進行了分析和預測。楊廣等[36]通過建立模糊綜合評判模型，對流域不同水平年水資源承載力狀況進行了綜合評價，分析表明流域水資源承載力呈現良性發(fā)展的態(tài)勢，且通過節(jié)水技術和產業(yè)結構調整等綜合措施，瑪納斯河流域未來20年水資源承載力狀況將逐步改善。喬長錄等[37]研究結果表明，流域水文生態(tài)系統(tǒng)質量較差，其中水文氣象要素和生態(tài)環(huán)境要素對瑪納斯河流域水文生態(tài)系統(tǒng)質量影響較大，而社會經濟要素相對較好。凌紅波等[38]利用AHP(層次分析)和模糊綜合評判法等研究表明，2006年流域水資源生態(tài)安全指數和供需狀況指數分別處于基本安全和比較安全水平，水資源量指數和社會經濟指數皆處于不安全水平狀態(tài)。劉浩等[39]從降水—徑流的發(fā)生與演變出發(fā)，分層次計算了流域生態(tài)需水量，結果顯示流域生態(tài)可利用水量和平原徑流性生態(tài)需水量幾乎相等，說明瑪河流域生態(tài)需水基本得到滿足，能夠維持生態(tài)系統(tǒng)的正常功能。

5 水資源開發(fā)利用及管理研究

瑪河流域是新疆開發(fā)治理較早，社會效益、經濟效益、生態(tài)效益較高的典范灌區(qū)[10]。但進入田間被利用的山區(qū)來水只有13億m3，利用率僅57%，重復利用水僅9.1億m3，年調節(jié)蓄水量只占年徑流量的17.4%[39]。流域常規(guī)水資源開發(fā)利用程度已達95%以上，開發(fā)利用非常規(guī)水資源用于農業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設已開始引起重視，另外由于缺乏科學指導和合理開發(fā)，既造成地下水位下降[40]。水資源開發(fā)利用中還存在一些問題[41]，如上下游用水、城市與農業(yè)用水、工業(yè)布局與水資源狀況等關系不夠協(xié)調，相關部門缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和調配管理；流域內水資源的置換、補償、調控等水利經濟問題突顯，流域水權與水市場的研究工作亟待加強；地下水監(jiān)測、信息數據庫、預防系統(tǒng)不完備；流域內水質監(jiān)管治理不利污染嚴重。

瑪河流域由于資源性缺水和生產生活用水不斷加劇，水資源日益成為區(qū)域經濟社會發(fā)展的制約因素。為此，眾多學者從不同層面提出了水資源開發(fā)利用和管理方面的對策和建議，主要包括以下幾個方面[40-44]：① 政府管理職能方面。要充分發(fā)揮政府的管理作用，加強水資源的開發(fā)利用和保護，做好流域內各項規(guī)劃和調配工作，實行水資源的統(tǒng)一管理和調度；加強法制建設和宣傳工作,提高依法用水，保護水資源的意識；② 建立健全水市場方面。重視水資源的優(yōu)化配置，科學調配水資源，建立和完善水市場，建立水資源的轉移補償機制，維護各方利益，提高水資源效益；③ 技術手段方面。加強對水資源利用的科學技術研究和投入，采用合理的節(jié)水灌溉措施，建立污水處理設施，防治水污染，合理開發(fā)利用非常規(guī)水資源，防治水土流失和土壤鹽漬化，解決好灌區(qū)水利工程存在的問題，統(tǒng)籌利用地表水和地下水等。

6 總結與展望

瑪河流域地處西北內陸干旱區(qū)，水資源是制約社會經濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設的主要因素。在近半個世紀以來受到眾多學者的廣泛關注，在冰雪覆蓋變化、河川徑流變化特征及其對氣候變化的響應、徑流變化的模擬預測、地下水、同位素、水資源的開發(fā)利用等方面取得了豐富的成果，為科學認識和系統(tǒng)把握綠洲開發(fā)對流域水文循環(huán)及生態(tài)平衡的客觀影響提供理論指導和調控依據。

但目前的研究中仍存在一些問題和不足，如缺少對流域冰川水資源的系統(tǒng)研究，對于依賴于冰雪融水補給的內陸河流域，亟待建立冰川變化的定位觀測體系和開展詳細的流域冰川模擬預測研究；中下游區(qū)要加強社會經濟用水和生態(tài)用水的科學調配；探究極端氣候變化及其對水資源的影響機制；建立健全地下水的監(jiān)測和信息數據庫，防治土壤鹽漬化；展開全流域尺度的水循環(huán)機理分析等。

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ProgressintheResearchonGlacialChangeandWaterResourcesinManasRiverBasin

ZHANG Zheng-yong1, LI zhong-qin2, HE Xin-lin1, LIU Lin1, WANG Pu-yu2

(1.ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832000,China; 2.StateKeyLaboratoryofCryosphereSciences,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,CAS,Lanzhou730000,China)

Manas River Basin is located in the arid region of northwest China. Water resources of this region are the very important restriction factor of socio-economic development and eco-environmental construction. Manas River Basin has been taken as a typical region and hot spot for scientists to study hydrology and water resources. In this study, previous research was summarized according to the upstream watershed runoff downstream areas and in the consumption area in order to more clearly understand the valley glacier change and water resources from the views of the snow cover changes, change characteristics of runoff and its response to climate change, runoff simulation prediction, groundwater, isotope, the development and utilization of water resources. Nearly half a century, and the upper reaches of the River Basin to some ice field works was carried out, to understand the basin formation, effect of glacier, but measured data of glacier changes were not available. Under the effect of global warming, the glacier area in the study region appeared reduction at different degree, and resulted in the decreasing of ecosystem services; during the recent 60 years, the temperature and precipitation present increasing trend in the study area, runoff changes was influenced by hydrological year precipitation, the temperature in summer, the permanent ice and snow change, the runoff fluctuation increases were positively correlated with the temperature and precipitation, basin mainly relied on snow and ice melt and groundwater recharge; showed a benign development capacity of river basin water resources situation, to maintain the normal function of ecological system. But water resources have restricted the regional economic and social development in the study area because of shortage of water resources and the increase of production and living water. Many scholars put forward the development and utilization of water resources and management countermeasures and suggestions from different aspects. But the research still has deficiencies and faces some challenges. Further research can establish glacier changes in system research, glacier water resources locating observation system and carry out detailed study on simulation and prediction of glacier basin, strengthen social economic water use and ecological water use of scientific allocation etc in the middle and lower area.

Manas River Basin; glacial; water resources; advances

2013-12-13

：2014-01-02

石河子大學校級團隊創(chuàng)新項目“全球氣候變化下瑪河流域山區(qū)近30年冰雪變化對氣候響應的機制及應對策略研究”(2011ZRKXTD-05);新疆聯合基金重點支持項目“節(jié)水灌溉條件下瑪納斯河流域綠洲化鹽漠化響應機理研究”(U1203282)

張正勇(1978—),男,甘肅景泰人,副教授,博士研究生,主要從事水文水資源方面研究。E-mail:zyz0815@163.com

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：1005-3409(2014)05-0332-06