外力·阿合買提

(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)

新疆地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，氣溫溫差大，日照時間長，降水量少?？臻g分布上，降水量西部和北部多、東部和南部少；時間分布上，夏季降水量占全年70%以上，春、秋、冬三季降水量占比不足30%，因降水量時空分布不均勻，影響當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動[1]。從目前研究來看，多是氣候變化對水資源環(huán)境造成的影響，對于凍土、積雪等要素的變化和響應(yīng)研究較少。本次研究選取新疆準(zhǔn)噶爾盆地以及區(qū)域內(nèi)的代表性河流，一方面分析氣候變化對徑流量的影響，另一方面分析徑流量對氣候變化的響應(yīng)，為當(dāng)?shù)厮Y源合理開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支持。

1 氣候變化對徑流系統(tǒng)的影響

1.1 氣候變暖對徑流的影響

隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，新疆地區(qū)的工業(yè)步伐加快，再加上人為活動、自然因素的干擾，氣候變暖問題日益嚴(yán)重。近二三十年，新疆地區(qū)氣溫總體上呈現(xiàn)升高趨勢，每年平均升溫0.02℃。新疆地區(qū)海拔高，含有大量積雪冰川，是重要的水源存儲地。隨著氣候變暖，會導(dǎo)致積雪冰川融化速度加快，進(jìn)入河流水系中就會增大徑流量。以葉爾羌河、昆馬力克河為例，積雪和冰川是主要補(bǔ)給方式，徑流量受到氣候變暖的影響更加明顯。

此外，氣候變暖還會導(dǎo)致蒸發(fā)量增加，進(jìn)而改變徑流量。尤其是在氣候干旱地區(qū)，隨著河流增發(fā)量變大，徑流量就會減小。以綠洲地區(qū)為例，氣候極其干旱，降水量小、蒸發(fā)量大，后者達(dá)到前者的50倍。在氣候變暖的影響下，當(dāng)?shù)馗珊等彼潭冗M(jìn)一步加劇。

1.2 降水量對徑流的影響

宏觀上看，新疆地區(qū)和我國西部地區(qū)，年降水量變化特征基本相同，呈現(xiàn)出持續(xù)增加的趨勢[2]。在北疆地區(qū)，尤其是伊犁河谷區(qū)、環(huán)準(zhǔn)噶爾盆地周邊，降水量增多非常明顯，其次是瑪納斯河流域。在南疆地區(qū)，近二三十年的降水量也明顯增多，緩解了當(dāng)?shù)馗珊惮F(xiàn)狀，有助于抑制環(huán)境進(jìn)一步惡化。在東疆地區(qū)，雖然降水量絕對值低于北疆和南疆，但自身和歷史數(shù)據(jù)比較降水量增長也很明顯，10 a間線性增長率達(dá)到9%左右。降水量增多，無疑會增加徑流量，作為地表水系的一種補(bǔ)給方式。

1.3 氣候?yàn)?zāi)害對徑流的影響

以洪水為代表的自然災(zāi)害，和氣候變化具有密切關(guān)聯(lián)，是徑流量短時間、大幅度增加造成的極端情況。20世紀(jì)80年代中期以來，因氣溫升高、降水量增加，新疆地區(qū)多條河流爆發(fā)了洪水災(zāi)害，如昆馬力克河、布爾津河等。進(jìn)一步監(jiān)測各河流的徑流量，可見洪峰流量幾乎都在增加。我們以葉爾羌河為例，冰雪融水是主要補(bǔ)給，氣候變暖導(dǎo)致冰雪融水速度加快，注入河流后導(dǎo)致水量急劇增多，因破壞了水文平衡，從而誘發(fā)洪水災(zāi)害[3]。

2 新疆準(zhǔn)噶爾盆地的氣候和水文特征

2.1 氣候特征

該地區(qū)位于新疆北部，在天山山脈、阿爾泰山脈及西部諸山間，總面積約38萬平方千米，海拔在500～1 000 m之間，地勢東高西低。屬于中溫帶氣候，西部和北部年平均氣溫為3℃～5℃，南部為5℃～7.5℃，東部是寒潮通道，富蘊(yùn)1月平均氣溫達(dá)到-28℃。該地區(qū)自然災(zāi)害主要是大風(fēng)和凍害，每年8級以上的大風(fēng)天數(shù)北部約33～77 d，西部在70 d以上。

2.2 水文特征

該地區(qū)水汽來自西風(fēng)氣流，降水量西多東少，邊緣多中心少。冬季有積雪，冬、春兩季降水量占全年30%～45%。河流補(bǔ)給主要來自山區(qū)，少數(shù)是平原上的冰雪融水，共計(jì)年度徑流量210億 m3。該區(qū)域內(nèi)的水系主要有4個：分別是烏倫古湖、艾比湖、瑪納斯湖、天山北坡獨(dú)立水系。

3 氣候變化對該地區(qū)河流徑流量影響的研究

該地區(qū)的瑪納斯河，源出天山北麓，向北注入瑪納斯湖，長度約450 km，流域總面積約34 000 km2。河流貫穿了山地-綠洲-荒漠系統(tǒng)，地表過程復(fù)雜，年平均氣溫在-3.5℃～-0.1℃之間，年徑流量變異系數(shù)為0.37。有研究選擇瑪納斯河流域的綠洲區(qū)為對象，利用氣象站數(shù)據(jù)分析氣候變化特征。結(jié)果顯示：綠洲區(qū)年平均氣溫和四季氣溫均升高，尤其冬、春兩季升溫更明顯；降水量呈現(xiàn)顯著增加趨勢，冬、夏兩季更明顯[4]。

3.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于國家氣象局、新疆維吾爾族自治區(qū)水利廳、新疆維吾爾自治區(qū)水文信息中心等，時間段為1969-2019年。

3.2 研究方法

結(jié)合現(xiàn)有研究成果，分析氣候變化對徑流量的影響，以及水資源對氣候變化的響應(yīng)，主要利用峰值指數(shù)和干濕指數(shù)，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，簡要介紹如下。

3.2.1 峰值指數(shù)和干濕指數(shù)

峰值指數(shù)α和干濕指數(shù)β，均是研究年內(nèi)徑流量變化的常用指標(biāo)，前者反映出最大徑流量特征，后者反映出干旱度特征。計(jì)算公式是：

(1)

(2)

式中：α代表季節(jié)性融雪水與山地融雪和降水產(chǎn)生的總徑流量的比值；β代表汛期徑流量與非汛期徑流量比值，或地下水補(bǔ)給和年徑流量比值；W代表月徑流量。

3.2.2 M-K檢驗(yàn)

M-K檢驗(yàn)是一種氣候診斷與預(yù)測技術(shù)，通過檢驗(yàn)可以判斷氣候序列中是否存在氣候突變；如果存在，還能確定突變發(fā)生的時間[5]。隨著M-K檢驗(yàn)的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，目前也用于氣候變化影響下的降水、干旱頻次趨勢檢測。綜合來看，進(jìn)行M-K檢驗(yàn)，能掌握徑流量時間序列的變化趨勢和突變性。M-K檢驗(yàn)法的應(yīng)用，是基于時間序列的排列和時間順序，對這兩者的相關(guān)性進(jìn)行分析。

對于時間序列X={x1,x2,…,xn}，統(tǒng)計(jì)量計(jì)算方法是：

(3)

(4)

式中：Ri、Rj代表時間序列觀測值xi、xj的排列。統(tǒng)計(jì)量S的平均值E(S)和方差Var(S)，計(jì)算方法是：

E(S)=0

(5)

(6)

式中：n代表觀察次數(shù)。如果時間序列中出現(xiàn)了相同數(shù)據(jù)，計(jì)算方差時采用以下公式：

(7)

式中：m代表時間序列中捆綁數(shù)據(jù)的數(shù)量。當(dāng)觀測次數(shù)增加，S的分布也會變化，逐漸趨向于正態(tài)分布。這種變化是否顯著，可利用標(biāo)準(zhǔn)化變量u和期望顯著性水平α下的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量進(jìn)行比較，計(jì)算方法是：

(8)

3.2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法，是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度，來衡量因素之間的關(guān)聯(lián)程度。該方法目前在多個領(lǐng)域應(yīng)用，基本計(jì)算分為三個步驟：第一步，確定參考序列：X0={x0(1),x0(2)…,x0(n)},j=1,2,…,m；第二步，確定比較序列：Xj={xj(1),xj(2)…,xj(n)},j=1,2,…,m；第三步，分析兩者的關(guān)聯(lián)度，通常建立一個關(guān)聯(lián)度系數(shù)離散函數(shù)，計(jì)算方法是：

(9)

式中：l=1,2,…,n；Δmin代表最小接近度；Δmax代表最大接近度；ρ∈(0,1〗，是區(qū)分、接近度的系數(shù)。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 徑流量月度變化

1)月徑流量變化。對1-12月每月徑流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。分析可知：(1)徑流量集中在每年7、8、9三月，占比為49.9%；1、2、12三月徑流量很小，占比為6.2%。(2)徑流量最大值在7月，占比為18.0%；最小值在2月，占比為1.7%，相差10.6倍。本地區(qū)水源主要來源于降水和融雪，年度徑流量分布較穩(wěn)定，但月度徑流量波動明顯，7月和9月是兩個高峰。地下水補(bǔ)給主要是降水、融雪和融化凍土水，季節(jié)性凍土在整個研究區(qū)均有分布，融化季節(jié)是每年5-9月，寒冷氣候下是10月-次年4月，凍結(jié)時間持續(xù)6、7個月。

表1 每月徑流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2)峰值指數(shù)和干濕指數(shù)變化。由圖1、圖2分析可知：(1)峰值指數(shù)α曲線呈上升趨勢，但是變化不顯著，這說明季節(jié)性融雪水在高山冰雪融水和雨水的年徑流總量中占比較大。(2)干濕指數(shù)β曲線幾乎持平，沒有明顯變化，說明汛期和非汛期徑流量比值基本沒有變化，地下水補(bǔ)給和年徑流量比例是穩(wěn)定的。進(jìn)一步對峰值指數(shù)序列進(jìn)行M-K檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有顯著性水平的突變點(diǎn)，出現(xiàn)在1995年和2013年?；谝陨辖Y(jié)果，可以得出結(jié)論：1995年后，該地區(qū)季節(jié)性融水供給在水資源總量中小幅度增加，并且對年內(nèi)、年際徑流量產(chǎn)生一定影響。

圖1 月徑流量的峰值指數(shù)α曲線圖 圖2 月徑流量干濕指數(shù)β曲線圖

3.3.2 徑流量對氣候變化的響應(yīng)

凍結(jié)期溫度和最大凍土深度的關(guān)系。結(jié)果顯示：1993-2004年，凍土深度明顯減??；2010-2014年，凍土深度再次明顯減小。說明變暖年份的徑流量受地下水補(bǔ)給、永久凍土融水、季節(jié)性冰雪融水的貢獻(xiàn)更大。

溫度、降水量和徑流量的關(guān)系。日照時間長短和溫度高低變化，會影響區(qū)域水分蒸發(fā)量，繼而影響徑流量。結(jié)果顯示：徑流量與年平均氣溫以及年度降水量正相關(guān)。但是這種線性關(guān)系在1987年之后，與年度降水量的變?nèi)酰c氣溫的變強(qiáng)。

積雪和降水對年徑流量的影響。積雪融水也是徑流量的一個補(bǔ)給來源，本地區(qū)積雪最大值一般出現(xiàn)在5月，和徑流量呈正相關(guān)性。從近幾年的數(shù)據(jù)看，2015年、2018年和2019年，流域內(nèi)積雪覆蓋率分別是99%、76.9%和77.2%。原因在于：觀測數(shù)據(jù)顯示2018年的冬季降雪少，導(dǎo)致2019年的總徑流量減少。繪制積雪、降水和年徑流量之間的曲線圖，結(jié)果顯示：(1)年徑流量和降水量正相關(guān)，和積雪面積負(fù)相關(guān)。(2)2012年-2016年，不論是降水量、還是積雪面積均比較大，因此徑流量也在增加。(3)2018年，年徑流中的積雪融化量占比減小，而降水量占比較大。

4 結(jié)語

綜上所述，氣候變化對徑流系統(tǒng)的影響，體現(xiàn)在三個方面：氣候變暖對徑流的影響，氣候變暖會增加徑流量；降水量對徑流的影響，降水量增多也會增加徑流量；氣候?yàn)?zāi)害對徑流的影響，以洪水為代表的災(zāi)害會增加徑流量。本次研究以新疆準(zhǔn)噶爾盆地為例，采用峰值指數(shù)、干濕指數(shù)、M-K檢驗(yàn)、灰色關(guān)聯(lián)分析等，分析氣候變化對當(dāng)?shù)貜搅髁康挠绊懀贸鼋Y(jié)論如下：

(1)徑流量月度變化方面：徑流量集中在每年7、8、9三月，占比為49.9%；1、2、12三月徑流量很小，占比為6.2%。(2)徑流量年度變化方面：1995年后，該地區(qū)季節(jié)性融水供給在水資源總量中小幅度增加，并且對年內(nèi)、年際徑流量產(chǎn)生一定影響。(3)徑流量對氣候變化的響應(yīng)方面：變暖年份的徑流量在地下水補(bǔ)給、永久凍土融水、季節(jié)性冰雪融水獲得貢獻(xiàn)更大。1987年之后，該地區(qū)徑流量和年度降水量的線性關(guān)系變?nèi)酰鴱搅髁亢蜌鉁氐木€性關(guān)系變強(qiáng)。2018年，由于積雪面積減小，降水量高于平均值，因此年徑流中的積雪融化量占比減小，而降水量占比較大。

綜上，溫度變化影響該地區(qū)的凍土退化和降雪情況，繼而改變河流徑流量，冬季降雪減少會對來年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和自然生態(tài)帶來不利影響。