崔 華

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)塔里木河流域地表徑流影響分析

崔 華

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

借助非參數(shù)Mann-Kendall、Mann-Whitney檢驗(yàn)對(duì)塔里木河源流和干流地表徑流量、源流區(qū)間耗用水量進(jìn)行分析；構(gòu)建氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響對(duì)源流水資源的影響量定量分離模型。結(jié)果表明：（1）1957～2013年源流出山口來(lái)水量和區(qū)間耗用水量均呈顯著增加趨勢(shì)，年增加幅度分別為0.83億m3和0.89億m3；干流阿拉爾來(lái)水量呈不顯著的下降趨勢(shì)，年均減少幅度為0.1億 m3。（2）源流出山口來(lái)水量和區(qū)間耗用水量均在1993年出現(xiàn)顯著的增多突變，突變躍度分別為31.13億m3和30.87億m3，干流阿拉爾地表徑流量在1984年呈不顯著的減少突變，突變躍度為 4.41億 m3。（3）1994年來(lái)，氣候變化對(duì)塔里木河源流水資源量表現(xiàn)為正影響，影響量占58.5%；人類(lèi)活動(dòng)表現(xiàn)為負(fù)影響，影響量占41.5%。（4）1994年來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)源流地表水資源影響呈減少趨勢(shì)，從1994～2000年的47.2%減少到2011～2013年的37.3%，綜合治理成效逐漸顯現(xiàn)。

地表徑流量；趨勢(shì)性；突變性；氣候變化；人類(lèi)活動(dòng)；塔里木河流域

塔里木河流域是一個(gè)集山地、綠洲、荒漠于一體的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。發(fā)源于塔里木盆地周邊高原山區(qū)的一百四十多條大小河流呈向心分布匯入盆地，最終消散于綠洲和廣闊的沙漠地區(qū)。近百年來(lái)在全球氣候變暖的大背景下，塔里木河源流區(qū)也呈現(xiàn)氣溫變暖、降水遞增的趨勢(shì)［1］。塔里木河流域地表徑流主要由源流山區(qū)降水和冰川融水匯流形成，受源流山區(qū)氣候變化的影響，源流地表徑流量表現(xiàn)出較為顯著的趨勢(shì)性和突變性［2-3］。同時(shí)，受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使，上世紀(jì)50年代以來(lái)，流域內(nèi)無(wú)序的水土資源開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致用水矛盾突出，出現(xiàn)諸如尾閭湖泊干涸、胡楊林衰敗、綠色走廊退化等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題［4］。2000年以來(lái)，國(guó)家投資107億元啟動(dòng)塔里木河流域綜合治理工程，經(jīng)過(guò)十多年的不懈努力，流域生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，尤其塔河干流下游綠色走廊逐漸恢復(fù)生機(jī)［5］。近年來(lái)，流域陸續(xù)啟動(dòng)和計(jì)劃實(shí)施包括葉爾羌河流域防洪工程、阿爾塔什水利樞紐工程、玉龍喀什水利樞紐、大石峽水利樞紐工程等一批源流重大水利工程。這些源流防洪工程和山區(qū)控制性水利工程的實(shí)施，將為實(shí)現(xiàn)流域水資源精細(xì)化管理和科學(xué)調(diào)度提供先決條件，而摸清源流匯入干流水資源受氣候和人類(lèi)活動(dòng)的影響量及其規(guī)律，則可為流域水資源管理者科學(xué)管理、合理調(diào)度水資源提供重要的理論依據(jù)和決策參考。

本文基于塔里木河源流和干流的徑流序列數(shù)據(jù)，借助趨勢(shì)檢驗(yàn)方法，研究了源流和干流來(lái)水量及源流區(qū)耗水量的變化規(guī)律；定量分離和分析了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)源流區(qū)地表徑流量的影響。

1 研究區(qū)概況

塔里木河流域位于新疆南部，地處天山和昆侖山山脈之間。從最長(zhǎng)源流葉爾羌河源頭到尾閭臺(tái)特碼湖，全長(zhǎng)近2200km；流域東西長(zhǎng)1100km，南北寬600km，是世界上最大的內(nèi)陸河流域，流域面積102萬(wàn) km2。塔里木河流域地域廣袤，河流眾多，歷史上曾有9大水系144條河流。受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，目前與塔河干流常年有地表水水力聯(lián)系的僅有阿克蘇河、葉爾羌河、和田河，開(kāi)都河的水注入博斯騰湖后經(jīng)泵站揚(yáng)水通過(guò)孔雀河向塔河干流下游輸水，形成“四源一干”的水系格局（圖 1）。

圖1 塔里木河流域水系分布示意圖

塔里木河上游三源流出山口多年平均年徑流量196.2億 m3，其中阿克蘇河向干流輸送水量占70%左右。三源流在肖夾克匯流后，進(jìn)入塔里木河干流，干流源頭阿拉爾水文站多年平均徑流量45.6億m3。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

收集了1957～2013年，塔里木河流域上游三源流阿克蘇河協(xié)合拉和沙里桂蘭克、葉爾羌河喀群和江卡、和田河烏魯瓦提和同古孜洛克六個(gè)出山口水文站實(shí)測(cè)地表徑流資料，以及干流源頭水文站阿拉爾的實(shí)測(cè)地表徑流資料。

2.2 研究方法

2.2.1 非參數(shù)檢驗(yàn)

對(duì)于徑流時(shí)間序列的假設(shè)檢驗(yàn)，一般從單調(diào)趨勢(shì)和階段轉(zhuǎn)換趨勢(shì)兩個(gè)方面考慮。在檢驗(yàn)中，原假設(shè)（H0）認(rèn)為時(shí)間序列的增減趨勢(shì)或者階段轉(zhuǎn)換的跳躍不明顯；而備擇性假設(shè)（H1）認(rèn)為時(shí)間序列變化趨勢(shì)或突變顯著。從檢驗(yàn)?zāi)芰ι峡?，使用非參?shù)Mann-Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)和Mann-Whitney階段轉(zhuǎn)換檢驗(yàn)要優(yōu)于參數(shù)t檢驗(yàn)，并且無(wú)須事先假定樣本的統(tǒng)計(jì)分布。該方法在的許多文獻(xiàn)已有詳細(xì)介紹，本文不再具體介紹［6］

2.2.2 周期疊加趨勢(shì)模型

若時(shí)間序列數(shù)據(jù)具有周期性和趨勢(shì)性，則可以利用周期性疊加趨勢(shì)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，在時(shí)段T+S的期望值為：

式中，aT是時(shí)段T的平均水準(zhǔn)；bS是該時(shí)段的斜率；D（T+S）是時(shí)段 T+S的季節(jié)增量。利用歷史資料建立預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型分為兩步：第一步，先根據(jù)完整周期的時(shí)間序列的歷史數(shù)據(jù)（x1，x2，x3，……，xT）來(lái)估計(jì)第T個(gè)周期（時(shí)段）中的估值 ?aT和bS的估計(jì)值 ?bS和 D（T+S）的估計(jì)值 d（T+S）（S=1，2，…，M），并對(duì)未來(lái)時(shí)段進(jìn)行預(yù)測(cè)；第二步，用剩余不夠一個(gè)完整周期的數(shù)據(jù)更新預(yù)報(bào)模型，并作相應(yīng)的預(yù)測(cè)，從而建立 T在對(duì)未來(lái)第 S時(shí)段的完整預(yù)測(cè)模型［7］：

3 結(jié)果與分析

3.1 源流和干流地表徑流量及源流區(qū)耗水量變化規(guī)律分析

首先對(duì)塔里木河流域源流山區(qū)、干流源頭阿拉爾地表徑流量及源流區(qū)間耗用水量年際變化過(guò)程進(jìn)行分析。通過(guò)收集1957～2013年各有關(guān)水文斷面徑流資料，繪制徑流、耗水及其累計(jì)距平變化趨勢(shì)線（圖2）。

圖2 塔里木河源流出山口來(lái)水量及區(qū)間耗用水量變化趨勢(shì)

從圖2可知，1957～2013年，塔里木河源流出山口年地表徑流量和源流區(qū)間年耗用水量總體呈上升趨勢(shì)，源流區(qū)間耗用水量增加趨勢(shì)要高于出山口徑流量；干流阿拉爾年徑流量呈下降趨勢(shì)。干流來(lái)水量沒(méi)有隨源流來(lái)水量的增加而增加，反映出源流區(qū)耗用水量的增加趨勢(shì)。源流區(qū)間耗用水量短期內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)增加趨勢(shì)，除了與源流來(lái)水增加導(dǎo)致水量自然蒸發(fā)、滲漏量、河道漫溢量增大有關(guān)外，一般認(rèn)為主要是流域內(nèi)人類(lèi)大規(guī)模的水土資源開(kāi)發(fā)導(dǎo)致，最主要還是耕地面積的擴(kuò)張［8］。收集的資料顯示，2007年塔里木河三源流區(qū)現(xiàn)狀耕地面積較《塔里木河“四源一干”五年實(shí)施方案》中確定的規(guī)劃耕地面積超出465萬(wàn)畝，按照畝均年灌溉定額700m3計(jì)算，擠占水資源量達(dá)32.6億m3。由于耕地面積的擴(kuò)大，源流區(qū)水資源被無(wú)序開(kāi)發(fā)利用，不僅擠占了源流區(qū)的生態(tài)用水需求，同時(shí)由于減少了源流向干流的下泄水量。

通過(guò)累積距平可以直觀的反映出源流出山口、干流阿拉爾年地表徑流量和源流區(qū)間耗用水量1957～2013年時(shí)間序列上的升降趨勢(shì)（圖2）。從圖2A2、B2；看以看出，1957～1993年之前源流出山口年地表徑流量和區(qū)間耗用水量累積距平呈持續(xù)下降趨勢(shì)，說(shuō)明源流出山口地表徑流量和期間耗用水量在該時(shí)段處于相對(duì)偏低階段；1994～2013年呈持續(xù)上升趨勢(shì)，說(shuō)明源流出山口地表徑流量和期間耗用水量在該時(shí)段處于相對(duì)偏高階段。從圖2C2可以看出，干流阿拉爾年地表徑流量累積距平呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，大體上可以分為四個(gè)階段：1957～1969年徑流量總體處于穩(wěn)步上升且偏高階段；1970～1984徑流量接近在平均值上下波動(dòng)的階段；1985～1993年徑流量基本處于明顯下降且持續(xù)偏低階段；1994～2006年徑流量處于在平均值上下波動(dòng)階段；2007～2009徑流量急劇下降，至2010年以后徑流量急劇抬升并持續(xù)處于偏高階段。

通過(guò)非參數(shù)Mann-Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)和Mann-Whitney階段轉(zhuǎn)換檢驗(yàn)，分別對(duì)1957～2013年，塔里木河源流出山口年地表徑流量、源流區(qū)間耗用水量和干流源頭阿拉爾年徑流量趨勢(shì)性和突變性進(jìn)行檢驗(yàn)（表1）。

從表1可知，1957～2013年源流出山口來(lái)水量和區(qū)間耗用水量均呈顯著增加趨勢(shì)，年增加幅度分別為0.83億m3和0.89億m3；且二者均在1993年出現(xiàn)顯著的增多突變，突變躍度分別為

表1 塔里木河源流來(lái)水量、區(qū)間耗水量以及干流來(lái)水量的趨勢(shì)及突變檢驗(yàn)

31.13 億m3和30.87億m3。干流阿拉爾來(lái)水量呈不顯著的下降趨勢(shì)，年均減少幅度為 0.1億 m3；在1984年出現(xiàn)不顯著的減少突變，突變躍度為4.41億m3。

3.2 氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)源流區(qū)水資源量的影響

上世紀(jì)50年代以來(lái)，塔里木河流域地表徑流量受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響表現(xiàn)出復(fù)雜的變化特征，定量確定二者的影響量，對(duì)于摸清流域水資源變化特征，指導(dǎo)流域水資源合理分配和優(yōu)化調(diào)度具有重要意義。通過(guò)構(gòu)建氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)與源流水資源量影響模型，分離 1994年以來(lái)二者對(duì)源流區(qū)水資源的影響量。

3.2.1 氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)源流區(qū)水量影響的模型構(gòu)建

要分離出氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)源流區(qū)水量的影響，首先應(yīng)確定兩個(gè)因素對(duì)其影響的顯著時(shí)段。根據(jù)上文分析，1993年后塔里木河源流區(qū)的區(qū)間耗水量增加明顯，表明人類(lèi)活動(dòng)在1993年后對(duì)源流區(qū)徑流量產(chǎn)生了顯著影響。塔里木河源流出山口地表徑流量在1993年發(fā)生了增多突變，為氣候變化對(duì)徑流顯著影響的開(kāi)始。綜合分析表明，1993年為氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)源流徑流量產(chǎn)生顯著影響的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。因此，以1993年突變點(diǎn)為計(jì)算依據(jù)，分離氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)源流區(qū)地表徑流影響量。思路如下：

第一步：將1993年之后處于豐水期的阿拉爾實(shí)際地表徑流量記為 RM。首先根據(jù)干流阿拉爾1993年之前的徑流量，預(yù)測(cè)1993年之后的徑流來(lái)水量。由于1993年之前源流區(qū)氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)較弱，因此以1993年之前阿拉爾徑流量為基準(zhǔn)，通過(guò)構(gòu)建周期性疊加趨勢(shì)模型預(yù)測(cè)得到的1993之后的徑流量，即是受人類(lèi)活動(dòng)與氣候變化干擾較小下的阿拉爾天然徑流量，記為RH。

第二步：塔里木河源流出山口地表徑流變化主要受氣候因子影響，考慮到氣候變化對(duì)其影響劇烈開(kāi)始年份為1993年，因此以1993年之前源流山區(qū)總徑流量與阿拉爾徑流量數(shù)據(jù)為依據(jù)，構(gòu)建二者之間的關(guān)系模型。

第三步：以1993年之前人類(lèi)活動(dòng)對(duì)源流區(qū)徑流量的影響程度為基準(zhǔn)，根據(jù)1993年之后源流山區(qū)的徑流量值，借助已構(gòu)建的模型計(jì)算得到 1993年后，氣候變化顯著影響下豐水期阿拉爾的徑流量，記為RC。

于是，氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)豐水期源流區(qū)徑流影響量的計(jì)算公式為：

根據(jù)以上思路，首先構(gòu)建計(jì)算 RH關(guān)系模型。根據(jù)已有的研究成果［3］，阿拉爾徑流量存在著趨勢(shì)性和周期性，因此利用周期性疊加趨勢(shì)模型對(duì)1993年后阿拉爾徑流量進(jìn)行預(yù)測(cè)。以干流阿拉爾17年的周期為計(jì)算依據(jù)，將1960～1993年（兩個(gè)周期）阿拉爾的徑流數(shù)據(jù)輸入模型，得到干流阿拉爾徑流的擬合方程（表2）。

根據(jù)表2，該方程的平均相對(duì)誤差為4.14%，擬合精度較好。因此，1993年之后周期時(shí)段內(nèi)（1994～2013年）的RH可利用該模型推算獲得。其次，構(gòu)建計(jì)算RC的關(guān)系模型。利用1993年之前源流山區(qū)總徑流量與阿拉爾徑流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建模型如下：

表2 塔里木河干流阿拉爾徑流擬合方程

表3 氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)源流區(qū)水資源的影響量 單位：億m3

式中，Z為干流阿拉爾年地表徑流量，x表示源流出山口年地表徑流量。該方程為氣候變化對(duì)源流山區(qū)豐水期徑流產(chǎn)生強(qiáng)烈影響前，與干流阿拉爾豐水期徑流之間的關(guān)系模型。因而，RC可利用1994～2013年源流山區(qū)豐水期徑流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)帶入該模型計(jì)算獲得。

3.2.2 氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)源流區(qū)耗水量影響的定量分離

根據(jù)上述已構(gòu)建的定量分離模型，氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)塔里木河源流區(qū)地表徑流的影響量被計(jì)算獲?。ū?）。

從表3可知，1994～2013年，氣候變化使得塔里木河源流出山口地表徑流量年均增加18.44億m3，而人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致其年均減少13.07億 m3，表明氣候波動(dòng)是導(dǎo)致塔里木河源流區(qū)徑流變化的主導(dǎo)因素。以氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流影響的絕對(duì)值之和作為總影響量，進(jìn)而利用人類(lèi)活動(dòng)影響量與總影響量的比值確定人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流影響的百分比。由表3可知，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)源流區(qū)水資源影響的百分比在1994～2000年（流域?qū)嵤┚C合治理之前）、2001～2010年（流域?qū)嵤┚C合治理之前、體制改革之前）、2011～2013年（流域體制改革以后）分別為47.2%、39.5%和37.3%，呈減少趨勢(shì)。尤其是2011～2013年，人類(lèi)活動(dòng)的負(fù)影響量較 1994～2000年及 2001～2010年分別減少了 9.7%和15.0%。因此，在塔里木河流域體制改革后，實(shí)施水資源的統(tǒng)一管理，源流區(qū)水資源利用水平和管理效能大為提高。

4 結(jié)論

（1）1957～2013年塔里木河源流出山口地表徑流量呈顯著的增加趨勢(shì)，干流源頭阿拉爾地表徑流量呈不顯著的減少趨勢(shì)，源流區(qū)間耗用水量呈顯著的增加趨勢(shì)。

（2）塔里木河源流出山口地表徑流量和區(qū)間耗用水量在1993年后均出現(xiàn)顯著的增多突變，干流阿拉爾地表徑流量在1984年后出現(xiàn)不顯著的減少突變。

（3）受氣候變化的影響，1994～2013年塔里木河源流出山口地表徑流量年均增加 18.44億 m3；受人類(lèi)活動(dòng)影響，1994～2013年塔里木河源流區(qū)間耗用水量年均減少13.07億 m3。氣候變化是源流水資源量影響的主導(dǎo)因素。

（4）人類(lèi)活動(dòng)對(duì)塔里木河源流水資源的影響量在1994～2000年、2001～2010年和2011～2013年三個(gè)階段呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，流域綜合治理成效逐漸凸顯。

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TV121+.2

A

1672-2469（2017）02-0048-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.017

2016-09-08

國(guó)家自然科學(xué)基金（31400466、41471099）。

崔 華（1987年—），女，助理工程師。