艾再孜江·帕合提

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水文實(shí)驗(yàn)站，新疆 烏魯木齊 830049)

同全世界一樣，中國(guó)的氣候和環(huán)境已經(jīng)發(fā)生并將繼續(xù)發(fā)生重大變化。水資源的極度短缺成為影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展最重要的瓶頸。由氣候變暖帶來(lái)的強(qiáng)烈蒸發(fā)是導(dǎo)致水資源大面積減少的直接原因。一般來(lái)講，氣候變化通過(guò)大氣環(huán)流的變化、蒸發(fā)量的增加、冰雪條件的變化，引起降雨、蒸發(fā)、入滲等一系列變化，進(jìn)而改變?nèi)蛩难h(huán)的現(xiàn)狀，引起全球水文循環(huán)在時(shí)間和空間的重新分布[1]。氣候變化給人類帶來(lái)的影響不可估計(jì)，自1950年以來(lái)，我國(guó)6大江河的徑流量減少，未來(lái)中國(guó)水資源供需矛盾可能會(huì)加劇。因此亟需研究由氣候變化對(duì)地區(qū)水文水資源的科學(xué)影響，為未來(lái)水資源的合理配置提供一定的研究意義。

1 區(qū)域概況

塔里木盆地位于新疆南部，處在天山和昆侖山、阿爾金山之間。盆地地勢(shì)西高東低。由于遠(yuǎn)離海洋，四面環(huán)山，且中部為塔克拉瑪干沙漠，形成了典型的干旱大陸性氣候[2]。塔里木河流域總面積102萬(wàn) km2，流域多年平均天然徑流量398.3×108m3，以冰川融雪補(bǔ)給為主，流域水資源總量為429×108m3。一年四季溫差懸殊大，同時(shí)日照時(shí)間長(zhǎng)，降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，風(fēng)沙、浮塵天氣居多，由于人類活動(dòng)與氣候變化等影響，使得該盆地水資源極度缺乏。

2 研究方法

由于氣候變化對(duì)地域水文要素產(chǎn)生一定的影響，且不同區(qū)域?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)不同，因此應(yīng)將研究區(qū)劃分為水文區(qū)域。采用模糊聚類方法以地區(qū)內(nèi)水文站為單位進(jìn)行聚類，采用循環(huán)迭代模型對(duì)水資源展開(kāi)研究。模糊聚類循環(huán)迭代模型原理及計(jì)算步驟如下[3]：

設(shè)有對(duì)模糊概念A(yù)聚類的n個(gè)樣本組成的集合：

X={x1，x2，x3，…，xn}

(1)

用m個(gè)指標(biāo)特征值向量：

(2)

對(duì)樣本進(jìn)行聚類，則待聚類的樣本集可用m×n階指標(biāo)特征值矩陣表示：

Xm×n=(xij)m×n

(3)

式中xj為樣本j指標(biāo)i的特征值； i=1，2，3，…m； j=1，2，3…n。設(shè)n個(gè)樣本依據(jù)m個(gè)指標(biāo)特征值按照C個(gè)類別進(jìn)行聚類，其類別隸屬度矩陣為：

Uc×n=(uhj)c×n

(4)

其中h=1，2，…C，uhj表示樣本j對(duì)類別h的相對(duì)隸屬度。C個(gè)類別的聚類中心可以表示為：

Sm×c=(sih)m×c

(5)

動(dòng)態(tài)模糊聚類方法是在“迭代自組織數(shù)據(jù)分析技術(shù)”的基礎(chǔ)上引入模糊數(shù)學(xué)理論而形成的。它是在粗略的初始分類基礎(chǔ)上，遵循擇優(yōu)原則經(jīng)過(guò)反復(fù)修改分類直至分類比較合理為止。聚類準(zhǔn)則為“最佳分類的目標(biāo)函數(shù)J(U，S)小”，即：

(6)

式(6)的含義是：依n個(gè)樣本將其分為K類，最終達(dá)到類內(nèi)差異與隸屬權(quán)重之積的總和最小。

聚類的計(jì)算可以分以下幾步：

1)指標(biāo)特征值的標(biāo)準(zhǔn)化：由于m個(gè)指標(biāo)特征物理量綱不同，在進(jìn)行聚類之前先消除量綱差異，本文采用“標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化”處理，原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)成均值為0，標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)為1的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。公式如下：

(7)

(8)

(9)

2)確定分區(qū)數(shù)K的取值范圍及迭代精度e：分類數(shù)的選擇根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及原水系分區(qū)定為4～10。迭代精度為e=0.001。

3)初始分類矩陣生成：根據(jù)每次循環(huán)取定的K值，由計(jì)算機(jī)生成初始分類矩陣U。初始分類矩陣U要滿足以下三個(gè)要求：(1)每元素uij都在[0,1]區(qū)間取值；(2)每一列隸屬函數(shù)之和等于1；(3)每一行隸屬函數(shù)值之和大于0。

4)計(jì)算類中心值Sih：

(10)

式中：Sih為以第i個(gè)要素為準(zhǔn)歸入h類的類中心值。

5)重新計(jì)算分類矩陣U：

(11)

式中Sej為以第d個(gè)要素為準(zhǔn)歸為第e類的類中心值。

7)進(jìn)行“0，1”化處理：將最終分類矩陣U中每列元素的最大值者變?yōu)?，其余變?yōu)?，至此得一普通分類矩陣。

8)求出K取不同值時(shí)的分類結(jié)果：代入不同K值重復(fù)(2)-(7)各步驟。

9)分析確定分類數(shù)K：最終選定K值要從以下三方面考慮：(1)對(duì)于分類矩陣U(t)，較理想的情況是：每行元素中隸屬樣本的隸屬度和非隸屬樣本的隸屬度之間有較明顯的界限。每列元素中樣本對(duì)其隸屬類的的隸屬度應(yīng)遠(yuǎn)大于其對(duì)非隸屬類的隸屬度。(2)與傳統(tǒng)分類及實(shí)際情況相結(jié)照分析K取值的合理性。(3)其它因素。

3 研究應(yīng)用

選取塔里木河流域33個(gè)站的年平均徑流深等4項(xiàng)指標(biāo)，指標(biāo)值見(jiàn)表1。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 分區(qū)水文站點(diǎn)及指標(biāo)

分類計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 分區(qū)計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的比較分析，認(rèn)為分區(qū)數(shù)取4較合適。H1類站，徑流深為150～300 mm，冰川覆蓋率10%～20%，6-9月徑流貢獻(xiàn)0.7 以上，包括卡木魯、沙曼、維它克、庫(kù)魯克欄干、同克孜勒克、桑株。分入H2類站的站點(diǎn)最多，主要特征為徑流深在150 mm 以下，冰川覆蓋率低于10%，徑流受冰川影響小，6-9月徑流貢獻(xiàn)小于0.5。H3類站點(diǎn)特點(diǎn)是水量較豐富，冰川覆蓋率在3%～10%，6-9月徑流貢獻(xiàn)率0.7左右，冰川覆蓋率低于H1類。分入H4站點(diǎn)僅三個(gè)站，特點(diǎn)是徑流深大，冰川覆蓋率超過(guò)30%，冰川補(bǔ)給豐富。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，結(jié)合河流的地理位置，本文將盆地分為四個(gè)水資源區(qū)，其中一區(qū)為開(kāi)都河流域區(qū)，包括開(kāi)都河、黃水河和清水河；二區(qū)為渭干河區(qū)，主要有庫(kù)車(chē)河、卡拉蘇河、黑孜河、木扎特河、卡木斯浪河；三區(qū)為阿克蘇河區(qū)，主要河流包括臺(tái)蘭河、昆馬力克河、托什干河、卡浪古呂克河、蓋孜河、庫(kù)山河；四區(qū)葉爾羌-和田河區(qū)，主要河流為葉爾羌河、提茲拉甫河、皮山、喀拉喀什河、玉龍喀什河、策勒河、克里雅河。

4 氣候變化對(duì)區(qū)域水資源的影響

設(shè)氣象要素時(shí)間序列為y，y…yn，它可用一個(gè)多項(xiàng)式來(lái)表示：

yn(t)=a0+a1t+…+amtn(m

(13)

式中：t表示時(shí)間，單位為年。一般講，氣溫和降水的氣候趨勢(shì)可用一次直線方程來(lái)描述，即：

yn(t)=a0+a1t

(14)

其中方程系數(shù)可用最小二乘法確定。

4.1 氣候年際變化特征

將塔里木盆地年平均氣溫序列代入式(13)，得到1959-2004年盆地年平均氣溫的變化趨勢(shì)，氣溫傾向率值為0.194℃/10a，說(shuō)明呈上升趨勢(shì)。塔里木盆地年平均氣溫序列變化趨勢(shì)如圖1所示，最高氣溫出現(xiàn)在1979年為8.1℃，最低氣溫出現(xiàn)在1967年為5.52℃。此外90年代以前增溫不明顯，而90年代后期增溫較顯著。各年代平均氣溫1960-1969年為6.35℃，1970-1979年為6.65℃，1980-1989年為6.69℃，1990-1999年為6.95℃，2000-2004年為7.24℃，90年代平均氣溫比多年平均氣溫高出0.22℃，而2000年后平均氣溫比多年平均氣溫高出0.51℃。雖然60、70、80年代平均氣溫較多年平均氣溫低，但90年代后的增溫使得總體趨勢(shì)上依然為上升。

圖1 塔里木盆地年平均氣溫變化及多年平均值

圖2 塔里木盆地年降水量變化及多年平均值

4.2 降水量年際變化特征

將塔里木盆地年降水序列代入式(13)，得到1959-2004年盆地年降水量變化趨勢(shì)，降水傾向率值為0.531 mm/10a，說(shuō)明呈增加趨勢(shì)。塔里木盆地年降水量序列變化趨勢(shì)如圖2所示，1987年最高為117.1 mm，1985年最低為47.85 mm。從各年代看，70年代以前降水增加不明顯，而80年代后期開(kāi)始降水增加較顯著。盆地內(nèi)多年平均降水為 83 mm，各年代平均降水1960-1969為74.13 mm，1970-1979 為77.58 mm，1980-1989為82.3 mm，1990-1999為92.26 mm，2000-2004年為94.21 mm，90年代平均降水量比多年平均多出9.26 mm，而2000年后平均降水量比多年平均多出11.21 mm。雖然60、70、80年代平均降水量較多年平均值低，但90年代后的增水使得總體趨勢(shì)上依然是上升的。

5 結(jié)語(yǔ)

氣候變化對(duì)西北干旱區(qū)水文水資源的影響具有重要意義。因此，研究氣候變化對(duì)塔里木盆地水資源的影響，對(duì)新疆水資源的高效利用和合理配置具有重要影響。本文根據(jù)盆地內(nèi)25個(gè)站點(diǎn)近46年來(lái)的氣象資料，采用模糊聚類法劃分了水文分區(qū)，分析了盆地氣候變化的特征，結(jié)果顯示塔里木盆地氣候存在著變暖的趨勢(shì)，降水也有增加的趨勢(shì)，90年代以后增溫、增濕都較顯著。塔里木盆地氣候變化存在明顯的區(qū)域性，各測(cè)站氣候傾向率變化幅度不同。研究結(jié)果為其他水文研究提供一定的參考。