新素依爾·道恩德格

（新疆烏魯木齊水文勘測局，新疆 烏魯木齊 830000）

水資源是居民生產生活與生態(tài)過程發(fā)展的必需資源之一，是農業(yè)生產的基礎，水循環(huán)過程為環(huán)境發(fā)展和經濟社會提供必不可少的水資源[1-2]。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）研究指出，以氣候變暖為主要特征的全球氣候變化已成事實[1]，與此同時，水資源循環(huán)過程機制、時空分布模式也將發(fā)生改變。研究水資源的時空變化規(guī)律，對分析氣候變化背景下農業(yè)氣候適應性和防御旱澇災害具有重要意義。烏魯木齊平原是我國西北新疆地區(qū)工農業(yè)重鎮(zhèn)，區(qū)域綠洲聚集、地下水相對豐富、日照時數(shù)豐富，為農業(yè)發(fā)展提供良好的自然環(huán)境。然而近半世紀以來該區(qū)氣溫呈顯著升高趨勢，同時西伯利亞高壓與西風環(huán)流異常導致干旱、暴雪、冰雹等災害頻現(xiàn)。鑒于此，以烏魯木齊市67 年來水資源數(shù)據(jù)為基礎，采用Mann－Kendall 非參數(shù)檢驗法分析區(qū)域水資源時間變化趨勢。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊地處我國西北邊疆，區(qū)域面積13788 km2。區(qū)域地處博達山、喀拉扎山、天格爾山環(huán)繞的腹地，地勢周高中低，高程介于490.6 m～5445 m，地勢起伏懸殊，以山地、平原、盆地為主。由于深居歐亞大陸中心，常年受西伯利亞高壓控制，氣候干燥少雨，偶爾西風環(huán)流強勁帶來一定雨雪，冬季寒冷漫長、夏季炎熱少雨、晝夜溫差較大，其多年平均降水量為194 mm，溫度為7.8℃。區(qū)域地表覆被程度低，森林覆蓋率為4.75%，荒漠與牧草用地達45%以上，水源涵養(yǎng)能力差。2012 年數(shù)據(jù)顯示該市水資源總量為9.969 億m3，其中地表水資源為9.198 億m3，地下水僅占0.771 億m3。

1.2 Mann-Kendall 檢驗

水資源受降水及地下水的時序波動與蒸發(fā)量影響，因而具有趨勢變化特性。Mann-Kendall(M-K)檢驗法具有不受樣本值、分布類型等的影響，深刻挖掘時間序列時間內部隱含信息從而得出其規(guī)律，被廣泛應用于自然變量的時間分析研究中。對于時間序列變量(X1，X2，…，Xn)，n 為時間序列長度，M-K 法定義了統(tǒng)計量S：

其中Sgn()為符號函數(shù)，規(guī)則如下：

S 為正態(tài)分布，其均值為0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18，當n＞10 時，正太分布統(tǒng)計量計算如下：

若Z＞0，則表明降水在該時間序列呈增加趨勢，否則為降低趨勢，并且絕對值越大，則趨勢越明顯；且1.28、1.96、2.32 時分別通過90%、95%、99%的信度檢驗，在該水平上顯著[3～4]。

1.3 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)為新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計年鑒提供的水資源數(shù)據(jù)，由該市水文水資源局測取提供。水資源包含地表徑流資源、地下水資源，除去過境資源量與重復計算部分，即為該市有效水資源量。為解析水資源總量變化原因，從中國氣象局國家氣候中心網站提取了烏魯木齊市氣溫年值數(shù)據(jù)。采用Excel 2016 軟件進行數(shù)據(jù)匯總，并進行線性回歸分析；Matlab2018b 軟件編程實現(xiàn)M-K 突變檢驗。

2 結果與分析

2.1 水資源總體概況

如圖1 所示，1951 年～2017 年烏魯木齊市水資源呈波動變化，年水資源量最大值為1996 年的18.94 億m3，最低值為1967 年的6.30 億m3，平均值為11.37 億m3。水資源總量呈現(xiàn)弱的增加趨勢，其傾向斜率為0.0531 億m3/a，但未達到顯著水平(P＞0.05)，增加趨勢不顯著。為量化其年際變異性，根據(jù)其標準差與均值之比計算變異系數(shù)(CV)，得到CV=28.95%，介于0～1 之間，屬于中等程度變異，表明其年際波動性略強。另外，采用5年移動平均法模擬其波動規(guī)律，結果表明其存在多個波峰波谷，總體趨勢復雜。

圖1 1951 年～2017 年烏魯木齊市水資源時間變化趨勢

2.2 水資源M-K 趨勢

圖2 1951 年～2017 年烏魯木齊市水資源M-K 趨勢檢驗

采用M-K 非參數(shù)檢驗法，繪制變量離差平方和曲線(UF)與變化過程曲線(UB)來反映變量局部信息。如圖2 所示，圖中虛線為設定顯著性水平為0.05，閾值線為±1.96,UF、UB 曲線在1980 年交匯，說明該年為突變點，結合其發(fā)展趨勢可知由減少趨勢突變?yōu)樵黾于厔?，然而UB 值并未觸發(fā)閾值線，說明該突變特征不顯著(P＞0.05)。另外，結合UB 值域變化，可識別烏魯木齊水資源量年代變化，可知1951 年～1965 年間UB 的檢驗值多超過閾值1.96 的水平，說明在這些年內其增加總趨勢相對明顯，而在1965 年～2003 年之間呈現(xiàn)減少的趨勢，2003 年～2017 年為增加的趨勢。

2.3 年水資源變化與氣候變化的關系

圖3 1951 年～2017 年烏魯木齊市水資源變化與降水、氣溫的關系

利用烏魯木齊市降水與氣溫的同步數(shù)據(jù)與區(qū)域水資源總量數(shù)據(jù)對比分析可知 (圖3)，前后兩者幾乎呈同頻變化趨勢。其中，烏魯木齊市近67 年來降水量的變化形式為(y=0.5376x+153.93，R2=0.5871)，在0.05 水平上 顯著，表明區(qū)域降水量增加趨勢十分明顯，這與黃家強等[5]學者研究結果一致。而氣溫的變化形式為(y=0.0351x+6.7078，R2=0.444)，也通過了5%水平信度檢驗，說明區(qū)域增溫趨勢明顯，這與劉盛梅[6]的研究結論吻合。降水是水資源的直接、有效來源，近67 年來烏魯木齊市降水量逐漸增加，然而水資源的增加趨勢并不顯著，這主要由于該區(qū)氣溫升高較大，最高速率可達1.28℃/10 a，增加的降水量受蒸散影響未能形成有效水資源所致。

3 結論

烏魯木齊市深居干旱氣候帶上，區(qū)域降水稀少、徑流缺失、水資源呈資源性缺乏，是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的限制因素之一。隨著全球氣候變化加劇，西風環(huán)流與北大西洋氣流活動有所增強，一定程度上增加了降水量，然后暖干化的氣候變化趨勢導致區(qū)域蒸發(fā)旺盛，降水難以產流匯聚形成有效水資源，因而區(qū)域水資源緊缺的問題無法依賴于氣象變化來緩解。雖然烏市水資源總體呈弱的增加趨勢，然而該區(qū)人均水資源占有量仍然處于全國低值水平，今后的工作應該考慮加強水資源的科學規(guī)劃與空間調配，為水資源安全提供長宜之計。