周洪華，王云倩，方功煥，葉朝霞，李衛(wèi)紅

(中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011)

1 研究背景

阿克蘇河位于絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶重要通道，是典型的中亞跨境河流，其豐富的水資源正成為沿岸各國(guó)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)[1]；同時(shí)，阿克蘇河也是西北干旱區(qū)最大內(nèi)陸河——塔里木河的主要源流，占塔里木河地表徑流的約70%～80%[2]，不僅是維持塔里木河流域生態(tài)走廊的最重要水源，也維系著新疆最大灌區(qū)阿克蘇灌區(qū)的1000多萬(wàn)畝農(nóng)田和150萬(wàn)人的生產(chǎn)和生活安全。目前，圍繞阿克蘇河流域洪水災(zāi)害已進(jìn)行了一系列的深入研究，且關(guān)于極端水文事件大多是從氣溫和降水角度進(jìn)行研究[3-5]或從文史資料中尋獲[6]，而從徑流角度識(shí)別水文干旱及其變化特征的研究相對(duì)比較薄弱，這將不利于未來(lái)阿克蘇河的水資源評(píng)估、預(yù)測(cè)和管理。因?yàn)橐詮搅髁繛楦珊抵笜?biāo)的水文干旱，晚于氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱，作為水文極值現(xiàn)象，是氣象、農(nóng)業(yè)干旱的延續(xù)與發(fā)展，因此被認(rèn)為是最徹底的干旱[7]；旱災(zāi)還是影響阿克蘇地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的重要因素之一[8]，一旦發(fā)生將對(duì)水資源系統(tǒng)平衡和社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成不可估量的影響。由于標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(Standardized Runoff Index,SRI)具有可進(jìn)行多時(shí)間尺度分析(1、3、6、12 個(gè)月等)、適用于資料缺乏、地形復(fù)雜的區(qū)域，且計(jì)算方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛被應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外水文干旱識(shí)別研究[9-16]。因此，本文采用SRI指數(shù)分析阿克蘇河有連續(xù)徑流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以來(lái)(1958-2015)的徑流豐枯演變過(guò)程，探尋采用SRI辨識(shí)阿克蘇河水文干旱事件的可能性，以期為阿克蘇河未來(lái)水資源評(píng)估和合理利用與管理提供科學(xué)方法和理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況和研究方法

2.1 研究區(qū)概況

阿克蘇河發(fā)源于天山中段西部南麓，由源自吉爾吉斯斯坦的托什干河和庫(kù)瑪力克河兩大支流在阿克蘇市境內(nèi)西大橋匯合而成，干流總長(zhǎng)132 km(圖1)。阿克蘇河由高山區(qū)冰川融水、積雪融水和降水共同補(bǔ)給，對(duì)氣候變化響應(yīng)敏感，是中緯度高山區(qū)最具代表性的河流。阿克蘇河流域總面積約為5.0×104km2，其中國(guó)外面積為1.9×104km2，國(guó)內(nèi)面積約為3.1×104km，地理坐標(biāo)介于40°17′～42°27′N 、75°35′～80°59′E 之間[17]。該流域?qū)贉貛Т箨懶愿珊禋夂?，多年平均氣溫?.2～11.5℃，海拔4 100 m以上的區(qū)域終年在0℃以下；多年平均年降水量為64 mm，降水量隨海拔梯度增加，最大降水量在海拔2 300 m以上的中高山帶；多年平均潛在蒸發(fā)量為1 890 mm[17-19]。流域山地垂直地貌分帶明顯，地勢(shì)西北高、東南低。由于阿克蘇河徑流的產(chǎn)流區(qū)位于山區(qū)，受人類活動(dòng)影響較少，徑流形成主要受山區(qū)復(fù)雜氣候條件如氣溫、降水和潛在蒸發(fā)的影響[18-19]。

圖1 研究區(qū)示意圖

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

本文所采用的阿克蘇河1958-2015年月徑流量為其兩源流匯合口-西大橋水文站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，由新疆塔里木河流域阿克蘇管理局提供。

采用標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(SRI)進(jìn)行阿克蘇水文干旱識(shí)別。與標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index,SPI)計(jì)算方法類似，即確定一定時(shí)間內(nèi)徑流適合的概率分布類型后，進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化得到SRI。計(jì)算方法如下[14]：

假設(shè)某一時(shí)間段的徑流量x滿足T分布概率密度函數(shù)f(x)：

(1)

式中：γ、β分別為形狀和尺度參數(shù)，x>0、γ>0、β>0，γ、β可用極大似然法計(jì)算。

一定時(shí)間尺度的徑流量x的累積率：

(2)

對(duì)T分布概率進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化得到：

(3)

當(dāng)F>0.5時(shí)，S=1；當(dāng)F≤0.5時(shí)，S=-1，其中c0= 2.515517，c1= 0.802853，c2= 0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

采用Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)檢驗(yàn)法檢驗(yàn)時(shí)間序列值的突變[18]；采用小波分析檢驗(yàn)時(shí)間序列值的變化周期[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流特征與水文干旱等級(jí)臨界值劃分

基于阿克蘇河流域干流西大橋水文站的月徑流量數(shù)據(jù)，采用徑流距平和SRI分析阿克蘇河干流1958-2015年的年際間徑流時(shí)間序列變化(圖2(a))。近57年來(lái)，阿克蘇河干流徑流在時(shí)間序列上整體呈增加趨勢(shì)，其中以1994年為突變點(diǎn)，阿克蘇河年徑流出現(xiàn)了從偏枯到偏豐的顯著躍變，其中1957-1993年徑流量平均距平為-14.46×108m3，年徑流處于相對(duì)較枯階段，而1994-2015年徑流量平均距平為22.61×108m3，年徑流量處于相對(duì)較豐階段。阿克蘇河年徑流產(chǎn)生躍變的原因可能是其徑流的主要來(lái)源為冰川積雪和山區(qū)降水，由于近20年來(lái)氣候變化引發(fā)了流域高山區(qū)冰川積雪快速消融，導(dǎo)致了阿克蘇兩源流-托什干河和庫(kù)瑪拉克河年徑流的增加[17-18]，從而造成阿克蘇河干流近年來(lái)持續(xù)呈現(xiàn)偏豐現(xiàn)象。

阿克蘇河干流年內(nèi)徑流分布變異較大，呈現(xiàn)單峰變化趨勢(shì)(圖2(b))，其中1-5月和10-12月徑流量均處于偏枯狀態(tài)，年內(nèi)徑流量主要聚集分布在6-9月，年內(nèi)徑流最大值出現(xiàn)在7-8月份，約占全年徑流量的47.90%。有研究表明7-8月也是阿克蘇河源區(qū)降水量最大的月份[18]，這證實(shí)阿克蘇河干流7-8月的徑流主要受中山帶降雨影響。同時(shí)，從圖2(b)也可看出，5-6月是年內(nèi)徑流量增幅最大的月份，而有研究顯示此時(shí)期的山區(qū)年內(nèi)氣溫增幅也最大且均超過(guò)0℃[18]，這表明5-6月的徑流增加主要是伴隨著氣溫的升高冰雪融水消融加快導(dǎo)致的。根據(jù)多年平均徑流量的豐枯等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)[14]，對(duì)阿克蘇河干流1958-2015年間的徑流資料計(jì)算得到各等級(jí)所占百分比，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，特旱、重旱、中旱、輕旱、正常、輕澇、中澇、中澇和重澇出現(xiàn)的概率分別2%、7%、10%、9%、41%、12%、9%、7%、3%，依次累加得到干旱等級(jí)的累積頻率為2%、9%、19%、28%、69%、81%、90%、97%和100%?；赟RI計(jì)算結(jié)果，繪制SRI序列頻率分布直方圖(圖3(a))，并擬合其正態(tài)分布情況 (K-S 檢驗(yàn)結(jié)果為0.0102，P<0.01)，獲取SRI值序列累積頻率曲線(圖3(b))。結(jié)合徑流距平百分比的干旱等級(jí)累積頻率所對(duì)應(yīng)的SRI值獲得SRI干旱等級(jí)臨界值(表1)。推導(dǎo)出的SRI旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)與目前在水文干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中應(yīng)用比較廣泛的徑流Z指數(shù)(RZI)的符合度也非常高[13]，因此本文推導(dǎo)出的SRI旱澇分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)具有合理性。

表1 SRI豐枯等級(jí)劃分臨界值

圖2 阿克蘇河干流1958-2015年年際徑流距平、徑流指數(shù)及徑流年內(nèi)分布

圖3 SRI頻率分布圖和累積頻率分布曲線

3.2 SRI對(duì)水文干旱的識(shí)別

考慮到阿克蘇河流域干旱和洪澇事件的記載多有季節(jié)性，將阿克蘇河流域劃分為四個(gè)季節(jié)：春季3-5月，夏季6-8月，秋季9-11月，冬季12-次年2月。為此采用3個(gè)月時(shí)間尺度的SRI對(duì)阿克蘇河干流水文干旱情況進(jìn)一步進(jìn)行分析。分別將3個(gè)月時(shí)間尺度下的5、8、11月和次年2月SRI值作為春季、夏季、秋季和冬季的SRI序列值。根據(jù)SRI干旱等級(jí)臨界值，獲取阿克蘇河干流1958-2015年來(lái)春、夏、秋、冬四季干旱等級(jí)分布狀況(圖4)。從圖4可看出，1994年前，尤其是20世紀(jì)60年代和70年代，春季、夏季和秋季阿克蘇河干流的水文干旱較為頻繁，1964-1966年和1973-1977年甚至出現(xiàn)春季連旱，1961-1962年和1975-1977出現(xiàn)夏季連旱，1974-1976年出現(xiàn)秋季連旱。1958-1993年，春季、夏季、秋季和冬季發(fā)生水文干旱的頻率分別41.67%、44.44%、36.11%和8.33%，且重旱程度及其以上的干旱在春、夏、秋季發(fā)生的頻率均為8.33%，高于冬季的5.56%。1994-2015年，春、夏、秋、冬季發(fā)生水文干旱的頻率分別為13.64%、9.09%、22.73%和68.18%。從干旱發(fā)生的年份來(lái)看，春季發(fā)生重旱及其以上程度干旱的年份為1958、1964、1966和2014年，夏季發(fā)生重旱及其以上程度干旱的年份為1959、1963、1972和2014年，秋季發(fā)生重旱及其以上程度干旱的年份為1968、1974、1985和2014年，冬季發(fā)生重旱及其以上程度的干旱年份為1965、1985、2013和2014年。

進(jìn)一步將SRI識(shí)別的重度及其以上干旱與《中國(guó)氣象災(zāi)害大典(新疆卷)》記載的1958-2000年的實(shí)際干旱事件和《2014年新疆氣候公報(bào)及影響評(píng)價(jià)》以及網(wǎng)絡(luò)記載的干旱事件進(jìn)行了比較(表2)。從表2中可以看出，文獻(xiàn)記載的經(jīng)阿克蘇河流經(jīng)區(qū)域的重大干旱事SRI都識(shí)別到了。但還有一些年份SRI識(shí)別為重度及其以上干旱的年份，文獻(xiàn)資料并未記載到，尤其是1963-1966年，這可能是由于干旱現(xiàn)象的復(fù)雜性及記載的干旱類別不明確，判別干旱事件的方法不同造成的。但從已識(shí)別到的干旱年份和等級(jí)來(lái)看，SRI對(duì)阿克蘇河的水文干旱識(shí)別還是具有一定的合理性。

圖4 1958-2015年不同季節(jié)干旱等級(jí)變化趨勢(shì)

3.3 阿克蘇河干流水文干旱趨勢(shì)分析

1958-2015年間阿克蘇河干流SRI序列值變化趨勢(shì)呈現(xiàn)由(-1,0)到(0,0.5)轉(zhuǎn)變，即由輕旱轉(zhuǎn)向正常至輕澇趨勢(shì)，突變時(shí)間在20世紀(jì)90年代；小波分析顯示，阿克蘇河干流SRI旱澇的主周期為9 a(圖5)。此SRI趨勢(shì)研究結(jié)果與氣候干旱指數(shù)計(jì)算分析得到的結(jié)果一致，如李思諾[20]以綜合氣象干旱指數(shù)(Copula函數(shù))計(jì)算發(fā)現(xiàn)，阿克蘇河徑流形成區(qū)的山區(qū)近51年來(lái)干旱程度趨于緩解，近10年來(lái)，干旱程度亦有所緩解，阿克蘇市和烏什縣綠洲區(qū)內(nèi)干旱形勢(shì)也有所緩解；張玉虎等[21]提出阿克蘇河流域南部干旱風(fēng)險(xiǎn)大于北部，以阿克蘇市為中心，經(jīng)阿克蘇河(含兩源流)流經(jīng)的縣市-包括阿合奇、烏什、阿克蘇、溫宿等，干旱風(fēng)險(xiǎn)均較小。這些研究結(jié)果證實(shí)了西北地區(qū)農(nóng)業(yè)旱災(zāi)集中在20世紀(jì)90年代前，以50、60、70和90年代最為典型，21世紀(jì)后西北氣候?yàn)槠珴称?，干旱將有所減輕[22]這一結(jié)論。同時(shí)此SRI趨勢(shì)分析也與劉新華等[17]采用Z指數(shù)法分析阿克蘇河兩源流-托什干河和庫(kù)瑪力克河的豐枯變化趨勢(shì)基本一致。

圖5 1958-2015年阿克蘇河SRI變化趨勢(shì)和周期變化

進(jìn)一步分解春季、夏季、秋季和冬季的SRI序列值可以看出(圖6)，春季、夏季和秋季阿克蘇河干流SRI均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，尤其是春季和夏季SRI值由(-1，-0.5)向(0.5,1)轉(zhuǎn)變，表明徑流量在春季和夏季有從輕旱至輕澇轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)；秋季SRI值由(-0.5，0)向(0,0.5)轉(zhuǎn)變，表明徑流量在秋季趨于正常，并略有趨于偏澇的趨勢(shì)。

春、夏、秋三季節(jié)的SRI序列值變化趨勢(shì)與年SRI序列值變化趨勢(shì)一致，均在由旱轉(zhuǎn)澇，轉(zhuǎn)變的時(shí)間都在20世紀(jì)90年代。這進(jìn)一步驗(yàn)證了阿克蘇河主要受氣溫和降水驅(qū)動(dòng)，全球氣候變化導(dǎo)致了阿克蘇河源區(qū)降水和冰雪融水的增加，進(jìn)而顯著增加了春、夏季徑流[18-19,22]。

表2 SRI水文干旱識(shí)別與實(shí)際重要干旱事件對(duì)比

然而，冬季SRI序列值變化趨勢(shì)與春、夏、秋季SRI正好相反，呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，SRI值由(1，0)向(0，-1)轉(zhuǎn)變，表明徑流量在冬季有從輕澇轉(zhuǎn)變?yōu)檩p旱的趨勢(shì)。冬季徑流的減少可能是因?yàn)樯絽^(qū)冬季氣溫提前降低，托什干河冬季氣溫甚至以0.54℃/10a的趨勢(shì)下降，降水被雨雪取代，加之氣溫低于0℃，積雪不能融化導(dǎo)致的[18]。

阿克蘇河流域是全球氣候變化響應(yīng)最敏感的區(qū)域之一，全球氣候變暖背景下，阿克蘇河山區(qū)的降水和冰川融雪格局將進(jìn)一步改變[1，23]，這種春夏季洪水和冬季干旱的徑流差異將可能進(jìn)一步增大，這可能將成為阿克蘇河在應(yīng)對(duì)未來(lái)全球氣候變化下水資源管理面臨的一個(gè)新挑戰(zhàn)。

圖6 1958-2015年不同季節(jié)SRI變化趨勢(shì)

4 結(jié) 論

(1)基于標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(SRI)計(jì)算方法，結(jié)合徑流距平百分比，推導(dǎo)的阿克蘇河SRI干旱等級(jí)臨界值，所識(shí)別的水文干旱與實(shí)際干旱事件基本一致。表明SRI可以在阿克蘇河應(yīng)用，SRI水文干旱等級(jí)臨界值的劃分是合理的，能有效地監(jiān)測(cè)流域內(nèi)水文干旱事件。

(2)阿克蘇河干流不同季節(jié)的SRI變化趨勢(shì)是不同的，在春季、夏季阿克蘇河干流呈現(xiàn)出明顯的增濕趨勢(shì)，秋季阿克蘇河干流呈現(xiàn)略增濕趨勢(shì)，而冬季阿克蘇河干流呈現(xiàn)明顯的增干趨勢(shì)。這些結(jié)果表明，阿克蘇河1993年后年徑流量的增加主要是因?yàn)榇杭颈ǚe雪融化和夏季降水增加所引起的，且未來(lái)會(huì)出現(xiàn)春、夏季洪水和冬旱現(xiàn)象的可能性在逐漸增大。在全球氣候變化背景下，阿克蘇河水資源季節(jié)差異可能還將逐漸增大，阿克蘇河流域水資源管理部門應(yīng)及早提出相應(yīng)管理措施和對(duì)策，以避免未來(lái)水資源調(diào)度不當(dāng)阻礙流域社會(huì)-經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的有序發(fā)展。