趙曉恩，李 璐，張合理，3，陳 峰，3，Zulfiyor Bakhtiyorov，4

（1.云南大學國際河流與生態(tài)安全研究院，云南省國際河流與跨境生態(tài)安全重點實驗室，云南 昆明 650500；2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；3.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，中國氣象樹木年輪理化研究重點開放實驗室，新疆樹木年輪生態(tài)實驗室，新疆 烏魯木齊 830002；4.塔吉克斯坦共和國科學院胡占德科學中心，塔吉克斯坦 胡占德735712）

水資源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎，氣候變化在不同程度上影響著水循環(huán)[1]。自1850年以來，全球地表平均氣溫上升幅度超1℃[2]。在全球變暖背景下，冰川消融加速、洪澇和干旱等極端氣候事件頻發(fā)，對中亞地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟產(chǎn)生的影響尤為突出[3]。中亞地處亞洲內(nèi)陸干旱半干旱區(qū)，區(qū)域水資源供需不平衡，空間分布不均，發(fā)源于山地的河川徑流是重要水源之一。隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，該地區(qū)水資源承載力面臨巨大的壓力，嚴重制約著區(qū)域可持續(xù)性發(fā)展[4-5]。此外，中亞地區(qū)是我國開展絲綢之路經(jīng)濟帶建設的重要合作區(qū)域，水資源安全是建設經(jīng)濟帶過程中高度關(guān)注的問題。

近年來，基于器測氣象水文數(shù)據(jù)，相關(guān)學者對于中亞地區(qū)河流流量時空變化及其氣候驅(qū)動因子進行了大量的研究[6-8]。近80年以來，額爾齊斯河年均流量呈下降趨勢，但趨勢不顯著[6]；1881年以來，錫爾河流域年均降水量與年均溫呈波動式上升，流量受氣溫和降水共同影響，呈上升趨勢[7]；自1970年以來，烏拉爾河受氣候變化和人類活動影響顯著[8]。目前，伊希姆河源區(qū)的水文研究大多集中于水資源保護[5，9]、生態(tài)水文[10]等方面，而在全球氣候變化背景下，利用水文資料分析流域水文變化十分鮮見，尤其缺乏氣候變化和人類活動對徑流變化貢獻率定量分析方面的研究。

以伊希姆河自1933年以來月均流量觀測數(shù)據(jù)和流域內(nèi)平均氣溫與降水量數(shù)據(jù)為基礎，采用線性趨勢法、Mann-Kendall突變檢驗法和累積量斜率變化率比較法，研究流域內(nèi)氣溫、降水量和流量變化特征。定量分析氣候因子和人類活動對徑流變化的貢獻率，探討伊希姆河流量變化的氣候驅(qū)動因子。以期為絲綢之路經(jīng)濟帶沿線地區(qū)水資源合理規(guī)劃提供科學依據(jù)，為更好地促進中哈兩國跨境水資源與工農(nóng)業(yè)合作發(fā)展提供科學參考。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

伊希姆河全長2 450 km，流域面積約為14.4×104km2，發(fā)源于哈薩克斯坦北部尼亞茲山，流經(jīng)哈薩克斯坦和俄羅斯，河道自東向西流經(jīng)哈薩克斯坦首都努爾蘇丹，在杰兒札溫斯克北上，經(jīng)彼得羅巴甫洛斯克出至俄羅斯境內(nèi)，流經(jīng)伊希姆平原，在烏斯季伊希姆注入額爾齊斯河。河流主要補給來源為降水和積雪融水[11-12]。流域內(nèi)水資源量占哈薩克斯坦水資源總量的1.86%，供應著230多萬人（600多個村莊和8個城市）的用水需求，自然和人為因素使其水資源利用復雜化[13]。

研究區(qū)地處哈薩克丘陵及其北部，烏拉爾山脈東部，地勢南高北低，地理位置為50°～58 °N，64°～76 °E（圖1）。流域北部、中部海拔在-2～200 m，南部海拔在200～903 m，屬于典型的溫帶大陸性氣候，多年平均氣溫為1.89℃，多年平均降水量為350.44 mm。流域內(nèi)夏季降水多，易發(fā)生洪水災害，冬春季節(jié)寒冷，降水多以積雪的形式存儲[14-15]。

圖1 哈薩克斯坦伊希姆河流域示意

1.2 數(shù)據(jù)資料

1933—2016年伊希姆河器測月平均流量資料來源于哈薩克斯坦境內(nèi)彼得羅巴甫洛斯克水文站（54.87 °N，69.14 °E）。流量觀測期間，水文站位置未發(fā)生改變。上游有謝爾蓋耶夫斯基大型水庫（1969年投入使用），出庫流量最高達693 m3/min。由于伊希姆河流域內(nèi)氣象站較少，觀測年份數(shù)據(jù)缺失較多，可利用率較低。為此本文所用氣象數(shù)據(jù)為英國東英吉利大學氣候研究中心（CRU）提供的1933—2016年CRU-TS4.03氣象格點數(shù)據(jù)集，空間分辨率為0.5°×0.5°，選取范圍為50°～58 °N，64°～76 °E，要素為月均氣溫、月降水量和月均潛在蒸發(fā)量（Potential Evapotranspiration，PET）。相關(guān)學者[10，16]已經(jīng)利用CRU格點數(shù)據(jù)對中亞不同區(qū)域的降水、氣溫、蒸發(fā)等氣象要素進行相關(guān)研究，結(jié)果表明中亞地區(qū)CRU格點數(shù)據(jù)揭示氣候要素變化特征具有較高的可靠性和適用性。

1.3 研究方法

本文采用線性趨勢法[17]和不均勻系數(shù)法分析氣候水文要素演變趨勢及特征。使用Mann-Kendall突變檢驗法[18-19]和滑動T檢驗法[20]探究氣候水文要素的突變現(xiàn)象；使用相關(guān)普查法[21-22]分析年內(nèi)氣候水文要素之間關(guān)系和氣候變化對徑流的影響；利用滑動相關(guān)分析方法[23]探討在年際尺度上氣候因子如何影響流量變化，選取時間窗口為21 a，滑動步長為1。

氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻率定量分析是采用王隨繼[24]等2012年提出的累積量斜率變化率比較法實現(xiàn)的。假設流量—時間曲線的斜率在某一年發(fā)生了改變，則改變前后分為兩個時期，即SRb和SRa；假設降水量—時間曲線的斜率在某一年發(fā)生了改變，則改變前后分為兩個時期，即SPb和SPa，累積流量斜率變化率RSR（%）為：

累積降水量斜率變化率RSR（%）為：

式中，RSR和RSP為正（負）時，代表斜率增大（減?。?。

降水量對徑流變化的貢獻率CP（%）為：

同理，可以求出流域內(nèi)氣溫或蒸發(fā)量對徑流變化的貢獻率，即CT（%）和CET（%）。氣溫是通過蒸發(fā)來影響徑流變化，可以用CET代表CT，則人類活動對徑流變化的貢獻率C（H%）為：

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化特征

伊希姆河流域1933—2016年平均氣溫在-0.48～3.97℃，7月月平均氣溫為19.88℃，1月月平均氣溫為-17.28℃（圖2a）。自1933年以來，伊希姆河流域氣溫總體上呈顯著上升趨勢，其線性趨勢為0.30℃/10 a（P＜0.01，圖3a）。年際平均氣溫波動較大，20世紀30—50年代平均氣溫較其他年代低，距平值為-0.77℃；20世紀80—90年代平均氣溫達時段最高值，距平值為0.42℃。從Mann-Kendall突變檢驗（圖3b）分析得出，自1962年起，伊希姆河流域年均溫序列呈上升趨勢，年平均氣溫在1980年發(fā)生突變，整體升溫趨勢呈現(xiàn)從低上升到高上升的變化。

伊希姆河流域1933—2016年平均降水量為350.44 mm，最大年降水量出現(xiàn)在2013年（443.93 mm）；最小年降水量出現(xiàn)在1950年（253.28 mm）。年內(nèi)降水量分布不均，主要集中在夏季，占全年降水量的42.82%（圖2b）。從年降水量變化（圖3c）可知，1933—2016年流域降水量總體呈上升趨勢，線性趨勢為4.70 mm/10 a（P＜0.05）。年際降水量波動較大，其中，20世紀50年代為最低階段，21世紀初達到峰值。1953年以來伊希姆河流域年降水量呈上升趨勢（圖3d），1969年以后呈顯著增加趨勢（P＜0.05），1963年年降水量發(fā)生了突變。

圖2 1933—2016年伊希姆河流域月平均氣溫（a）和月平均降水量（b）

伊希姆河流域1933—2016年年平均潛在蒸發(fā)量為708.91 mm。夏季年均潛在蒸發(fā)量為388.49 mm，冬季年均潛在蒸發(fā)量僅為8.41 mm。其中，1月潛在蒸發(fā)量自1933年呈下降趨勢，其他月份保持上升趨勢。潛在蒸發(fā)量與年均氣溫在年內(nèi)變化上保持同步增長趨勢，兩序列間年際相關(guān)性達0.60（1933—2016年，P＜0.01）。器測時期內(nèi)，流域潛在蒸發(fā)量總體呈上升趨勢，線性趨勢為7.5 mm/10 a（P＜0.01，圖3e）。伊希姆河流域年均潛在蒸發(fā)量自1953年以來呈增加趨勢，在1973、1993年發(fā)生突變（圖3f）。

圖3 1933—2016年伊希姆河流域年平均氣溫、年降水量和年潛在蒸發(fā)量變化及Mann-Kendall突變檢驗

2.2 流量變化特征

2.2.1流量年內(nèi)變化

伊希姆河流量年內(nèi)分配不均，各個年代的年內(nèi)流量呈現(xiàn)“單峰型”特征。年內(nèi)4月流量開始增加，到5月流量達峰值。流量主要集中在4—6月，占全年流量的85.46%；年內(nèi)其他月份處于平水期，占全年流量的14.54%。這可能是由于河流主要補給類型為冰雪融水導致，初春時節(jié)，氣溫回升，上游冰雪融化；夏季，降水量增多，兩者共同影響河流的補給。此外，水庫建成后的調(diào)節(jié)作用使得伊希姆河在平水期保持穩(wěn)定的流量變化，未出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。通過計算不均勻系數(shù)，發(fā)現(xiàn)20世紀40—60年代值最大，分別為1.98、1.74和1.66，相對于其他年代各月間流量波動大。

2.2.2流量年際變化

伊希姆河年際流量變化大，多年平均流量為54.91 m3/s。年均流量總體呈下降趨勢（圖4a），線性趨勢為-0.50（m3/s）/10 a，未能通過顯著性檢驗。流量總體上波動趨勢明顯，20世紀40—50年代流量上升趨勢顯著（P＜0.05），1948年達到最高值，為227.42 m3/s（P＜0.05）；20世紀60—80年代流量為最低階段，原因可能是受到上游水庫和氣候變化影響。利用Mann-Kendall突變檢驗方法（圖4b）分析UF和UB的交點位置，采用滑動T檢驗法，選取時間窗口為5、10和15 a（滑動步長為1），確定了伊希姆河年均流量分別在1969、1997年前后發(fā)生了突變。

圖4 伊希姆河年平均流量與氣候因素相關(guān)系數(shù)（a）和滑動相關(guān)分析（b）

圖4 1933—2016年伊希姆河年內(nèi)分配、年際流量變化（a）及Mann-Kendall突變檢驗（b）

3 討論

3.1 氣候變化對徑流的影響

流域內(nèi)氣候的變化會直接或間接影響河流流量的大小[25]。將上年7月—當年12月降水量和氣溫數(shù)據(jù)對伊希姆河年均流量進行相關(guān)普查分析（圖5a）。結(jié)果表明，年徑流量與流域內(nèi)上年7月—當年5月降水量相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為0.51（P＜0.01）；年徑流量與流域當年4—8月氣溫相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為-0.22（P＜0.05）。伊希姆河流量主要集中在春季和夏季，占全年流量的85.46%，流域內(nèi)冬季、春季和夏季降水量占全年降水量的76.42%。結(jié)合伊希姆河流量年內(nèi)分配特征分析，年均流量與上年7月—當年5月降水量呈顯著正相關(guān)性（P＜0.01），可能是因為流域內(nèi)降水量在直接或間接轉(zhuǎn)化為流量過程中具有明顯的滯后性。上年7月—當年5月降水量對當年流量一直有積極的影響，冬季降水主要以冰雪等固體形式存在，春季氣溫回暖時開始融化，伴隨著降水量的增多，通過地表徑流和地下徑流補給伊希姆河。4—8月氣溫與年均流量相關(guān)性最大，該時期流域內(nèi)氣溫開始升高并達到峰值，春夏高溫導致了流域內(nèi)蒸散能力的提高。盡管春季氣溫的升高導致積雪融水進入河流補給，但在這一過程中并不能完全彌補由蒸散帶來的水分損耗。因此，4—8月氣溫會對伊希姆河產(chǎn)生負面影響，導致流量減少。值得注意的是，1月氣溫與年均流量呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），可能是因為1月氣溫的升高增加了積雪融化量，而1月又為全年最低蒸發(fā)量時期，所以二者保持呈正相關(guān)且同步增加趨勢。Deng等[26]研究表明，近年來中亞夏季降水有所增加，冬季氣溫升高對流域內(nèi)河流流量影響不容小覷。

采用年際滑動相關(guān)分析法進一步分析可知（圖5b），年降水量對年均流量變化具有促進作用，整個時期呈現(xiàn)波動式正相關(guān)趨勢。年均氣溫可能受到由全球變暖造成的驅(qū)動水循環(huán)加快影響，1981年后，與年均流量保持同步上升趨勢。如果未來全球變暖趨勢未停滯，氣溫很可能在伊希姆河流量變化上占據(jù)主導地位。龍愛華等[27]同樣認為中亞干旱半干旱氣候區(qū)變化態(tài)勢，由“暖干”向“暖濕”的趨勢發(fā)展，該地區(qū)氣溫上升幅度要明顯高于全球平均水平。同時，中亞地區(qū)氣溫和降水對水循環(huán)過程有疊加作用。近年來，雖然降水趨勢不斷的上升，但對水循環(huán)過程的影響在逐步縮小[23，28]。因此，研究中亞地區(qū)水文循環(huán)對氣候變化的響應具有重要意義。

3.2 人類活動對徑流變化的影響

氣候變化和人類活動是影響徑流量大小的兩大主要因子[29-30]。氣候變化主要包括降水量和氣溫變化，人類活動因素包括人為改變下墊面、流域環(huán)境和水資源的開發(fā)及利用等[31-32]。研究區(qū)位于哈薩克斯坦境內(nèi)，由于其特殊的歷史、戰(zhàn)爭、社會制度和經(jīng)濟原因，自1933年以來，受人為活動影響強烈，伊希姆河累積年平均流量不同時期擬合度也有所不同。因此，將伊希姆河累積年平均流量與Mann-Kendall突變檢驗結(jié)合，劃分為1933—1968年（T時段）、1969—1996年（T1時段）和1997—2016年（T2時段）3個階段，并對累積年平均流量、累積年降水量和累積年蒸發(fā)量進行分析（圖6）。

人口數(shù)量的增加是流域內(nèi)河流流量變化的重要原因之一[33]。20世紀30年代前蘇聯(lián)開展了“消滅富農(nóng)運動”，驅(qū)逐26.6萬人到哈薩克斯坦北部地區(qū)長期定居，從事農(nóng)業(yè)勞動或手工行業(yè)[31]。第二次世界大戰(zhàn)期間（1939—1945年），哈薩克斯坦地區(qū)作為大后方基地接納疏散人口達150萬之多[34-36]。自1960年開始，境內(nèi)人口開始進入穩(wěn)步發(fā)展時期，截至2016年，人口數(shù)量翻了一番，達到了1 700萬[37]。人口數(shù)量的增多帶來城市化進程的加快，人為改變下墊面條件，導致地下水匯集減少，地表徑流也相應減少。另外，人口數(shù)量的增加導致了區(qū)域用水緊張，水資源量減少，生活用水大幅提高，1989年伊希姆河流域用水結(jié)構(gòu)中家庭用水只占15%，而到2016年底，這個比率上升到了59%[5]。自1933年以來，伊希姆河流量的減少與地區(qū)人口數(shù)量的增加密切相關(guān)。

人口數(shù)量的增加帶來土地利用類型的改變，在惡劣和干旱的地方種植農(nóng)業(yè)作物，使得國內(nèi)農(nóng)業(yè)用地極速增加。由于特殊的干旱半干旱氣候，大量的農(nóng)業(yè)用水會顯著減少地表徑流量。經(jīng)歷了“墾荒運動”（1954—1960年）后，哈薩克斯坦總計開荒2.30×107 hm2，建立了573個國營農(nóng)場，總播種面積達2.55×107hm2，成為了一個大糧倉[36]。截至1989年底，伊希姆河流域農(nóng)業(yè)用水占用水結(jié)構(gòu)比為61%。其中，灌溉水占農(nóng)業(yè)用水的54%[5]。農(nóng)業(yè)用水的增加與伊希姆河84 a以來呈減少趨勢密切相關(guān)。

從前蘇聯(lián)第二個五年計劃（1933—1937年）開始，哈薩克斯坦主要精力放在了大型水利設施建設方面，依托這些大型水利工程修建新的灌溉系統(tǒng)[36，38]。截至1958年，哈薩克斯坦灌溉面積達到1.45×107hm2，牧場面積為8.10×107hm2。在第八個五年計劃（1966—1970年）和第九個五年計劃（1971—1975年），哈薩克斯坦水利建設總投資比第六個五年計劃（1956—1960年）和第七個五年計劃（1961—1965年）增加了6倍，建造了大量的灌溉工程系統(tǒng)，包括水渠、水壩、堤壩等水利基礎設施[36，38]。1966—1976年又修建了5.17×105hm2的灌溉系統(tǒng)，對3.78×105hm2灌溉地進行了灌溉系統(tǒng)改造[38]。其中，上游地區(qū)謝爾蓋耶夫斯基水庫的投入使用（1969年）導致伊希姆河下游年均流量大幅減少，從年平均值58.75 m3/s（1933—1968年）減少到年平均值51.81 m3/s（1969—2016年），兩者相差6.94 m3/s；水庫建成前最大月流量為2 080 m3/s，而水庫建成后則為1 048 m3/s，它顯著地調(diào)節(jié)了洪峰值的大小。因此，1969，伊希姆河流量發(fā)生突變很可能是因為上游水庫的作用。

結(jié)合氣候因子分析，T時段、T1時段和T2時段累積流量斜率趨勢逐時段呈下降趨勢，而累積降水量斜率和累積蒸發(fā)量斜率趨勢呈上升趨勢（表1）。T時段受人類活動因素影響較小，加之年降水量在1963年發(fā)生突變呈上升趨勢，流量顯示出大幅波動狀變化且距平值為最高（圖6d）。T1時段由于上游水庫的調(diào)節(jié)、土地利用類型的改變、農(nóng)業(yè)人口和農(nóng)業(yè)用水的增加等人類活動因素，流域用水量急劇增加。1980年年均氣溫發(fā)生突變，使得流域內(nèi)蒸散發(fā)能力增強，地下水和降水補給無法彌補這一缺口，流量呈下降趨勢。T2時段為受人類活動和氣候變化影響強烈時期，地表水資源的使用增加及非生產(chǎn)性損失加劇和氣候變化共同影響了伊希姆河流量的減少。根據(jù)以上分析和累積量斜率變化率比較法得出，T1時段和T2時段與T時段相比，氣候變化對流量減少的貢獻率分別為16.09%和44.83%，而人類活動對流量減少的貢獻率為83.91%和55.17%。

圖6 伊希姆河累積流量（a）、降水量（b）和潛在蒸發(fā)量（c）年變化與距平值分析（d）

表1 伊希姆河累積流量、累積降水量和累積蒸發(fā)量斜率及其變化率

4 結(jié)論

通過分析伊希姆河流量的特征以及流域氣候因素，研究了流域水文過程對氣候變化和人類活動響應，主要結(jié)論如下：

（1）84 a來，伊希姆河流域氣溫總體呈上升趨勢，1962年以后增溫趨勢明顯。降水量也呈增加趨勢，尤其在20世紀70年代以后，由于全球氣候變暖，驅(qū)動水循環(huán)的過程加快，導致降水量的增加尤為明顯。

（2）伊希姆河地處中亞干旱半干旱氣候區(qū)，河流流量年內(nèi)分配不均勻。流域內(nèi)降水量在冬春季節(jié)以冰雪固態(tài)的形式存在，隨著溫度的升高而融化，4—6月月均流量占全年流量的85.46%。流量年際變化總體呈下降趨勢，但趨勢不顯著。

（3）伊希姆河流量受流域內(nèi)氣候因子和人類活動的共同影響。降水對流量的貢獻最大，且相關(guān)性最大。氣溫與當年4—8月徑流量相關(guān)性最大，而降水的變化對徑流補給具有滯后性。利用累積量斜率變化率比較法計算出T1時段和T2時段與T時段相比，氣候變化對流量減少的貢獻率分別為16.09%和44.83%，而人類活動對流量減少的貢獻率為83.91%和55.17%。流域內(nèi)下墊面基礎、生態(tài)環(huán)境的改變和水資源的開發(fā)及利用等人類活動在很大程度上影響了伊希姆河流量。