气候变化下塔河径流特征分析

2018-09-23谢天明

陕西水利 2018年5期

谢天明

(1.西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048；2.西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西西安 710048)

1 引言

气候变化及其引起的水文过程变化是全球学者广泛关注的研究热点和难点。近半个世纪以来，全球升温导致水资源循环加快，气候变化导致流域水量在时空上重新分配，塔里木河作为干旱区的特殊代表，其典型的地理位置和区域环境对全球气候变化更为敏感[1]。

对于气候变化下水文过程变化的检测和成因分析问题，国内外学者开展了一系列研究。大多数研究主要分析气候变化对水资源循环的影响，比如从水量来源（降雨等）[2]和耗散（蒸散发等）的变化方面进行分析[3]；从地面径流过程的改变这方面入手[4]，或单独研究气候变化、人类生产生活（如城市道路、建筑硬化导致不透水层增加、下渗减少）对水文循环的影响。上述学者对气候与水资源变化已开展深入研究，但关于人类生产生活和气候变化对流域水循环过程以及水系统平衡的影响机理仍未达成共识。由此可见，正确认识气候变化下的水文过程及其演变规律、水循环要素的变化检验与归因分析以及地面水文过程对气候变化的响应机制都是目前生态水文研究领域的关键问题。

塔河流域生态脆弱，环境恶劣，气候极为干燥，是我国西北干旱区气候敏感区的典型代表河流。其干流自身不产流，水量主要依靠高山冰雪融水和山区降水。气温升高导致冰川融雪加剧，使得流域径流过程发生相应改变[5]。本文将重点分析塔河流域“四源一干”部分，即南部阿克苏河、叶尔羌河，北部和田河、开都河以及干流部分的水文特征对流域气候变化的响应关系。从不同角度剖析气温和降水对塔河流域出山径流影响，初步分析出气候变化下塔河径流变化成因。

2 径流与气候因子周期对比分析

径流是通过大气降水或冰雪融化形成的，通过流域复杂的水系汇入河流或者湖泊等，受到气候因子和下垫面条件的双重影响。表征气候变化的关键因子分别为气温和降水，对于塔河流域，气候主要影响到高山冰雪消融速度、流域面上蒸散发、水资源来源形式以及局地小气候等。降水是径流形成的首要成因，水资源来源、降水强度、水资源时空分布等都会在一定程度上影响到塔里木河径流的变化。

为分析出气候变化环境下，径流变化的气候因子响应关系，本文采用小波分析、灰色关联分析对塔里木河主要水源产生区出山口水文站所测径流过程与气温和降水进行相关分析，分别可得到四个源流区径流与气候因子不同时间尺度上的小波分析周期，结果见表1。

表1 塔河源流区径流、气候因子周期对比分析

据表1可以看出：仅阿克苏河和开-孔河径流存在显著突变点，且时间滞后于气温和降水的突变点，表明径流突变相对于气候变化具有一定的滞后性；位于流域北部的阿克苏河和叶尔羌河的小波分析周期与气温较为相似，和田河与开-孔河径流与气温和降水两个气候因子均具有较为相似的周期性变化特点。

据此可以推测：由于径流成分组成不同，径流与降水和气温的变化相关关系也不相同。融水占比大的河流，其受气温影响大；反之，受到降水的影响更大。所以，流域径流内之所以存在不同支流与气温、降水振荡周期不尽相同，这与不同支流的水资源补给相关联。

3 径流与气候因子相关性检验

径流来自于降水，降水又受到气温的影响，气温、降水和径流三者互相影响，关系复杂。本文选取灰色关联分析法，分析“四源一干”代表站径流量与气候因子相关性，从而确定降水和气温对径流的不同影响程度。塔里木河被天山、昆仑山山脉包围，高山降水大多时候以固体水资源沉积在高山冻融层，当年的降水甚至到下一年的春季才能融化形成径流。

塔河干流位于塔克拉玛干沙漠，不产流，其补给主要依靠三源流区汇流，由于沿河有大量的农田需要浇灌，沿岸居民用水和工业用水等，塔里木河干流受人类活动影响十分严重。因此仅对塔河干流汇水口阿拉尔水文站的径流量与气候、降水进行相关性检验分析。检验相关系数结果见表2。由表2可知：“四源一干”的径流过程均与气温相关度更高，其中叶尔羌河相关系数最高，干流其次为0.41，开孔河和阿克苏则分别位居第三、第四；与降水系列的相关性为干流最高，叶尔羌河紧随其后，开孔河最小。“四源一干”径流与气候因子相关系数均未超过0.5，其主要原因是塔里木河流域主要水量来自于三个源流区的冰雪融水，且地下水所占比例较高，而气候变化对积雪融化的影响十分显著。因此，“四源一干”普遍表现为对气温变化更为敏感，而对降水相关性较低。

通过对四源流进行灰色关联分析，同时考虑其地理位置分布，认为塔里木河流域越靠近南部的河流径流与气温的相关性越高，越靠北的河流其上游高山冰雪固体储量对径流量影响则更明显。因为塔里木河流域特殊的地理环境，其三大源流区（除开-孔河外）水资源量多来自于高山融水，因此其水量受气温及辐射影明响显著。靠近南部的河流，高山融水占水资源比重更大，对变化更加敏感，也就导致了其径流与气温变化相关性更高。

对于新疆塔里木河流域，其特殊的地理环境导致不同纬度的温度和降水各不同，因此不同支流对气候因子得变化敏感程度有差异。

表2 塔河“四源一干”年径流量与气候因子关联度检验结果

4 气候变化下塔里木河径流变化成因分析

塔里木河流域深处内陆，远离海洋，以其极为干旱的气候特点，成为干旱内陆河流的代表，流域五分之四以上的水量来自于源流山区。因为其流域面积大、跨度广，各源流河径流补给形式不同，因而河流之间也表现出不同的径流特性与洪水特征。对于塔里木河流域而言，山区多年平均降水产生的水量，占流域水资源总量的97.1%，其他形式的降水通过地面蒸发、植被蒸腾、自然耗散等形式再次回到回到空中，成为水汽，等待形成下一次的降水过程。塔里木河流域水量循环示意图，见图1。

近半个世纪以来，塔里木河流域平均气温约上升了1.1℃，增温十分迅速。气温升高导致冰川融化，高山固体水资源作为流域的水塔，起到调蓄年际年内流量分配的作用，由于不同河流融水占河川径流比各不相同，河川水量随气温变化也不尽相同。总体来说：融水占比大，受气温影响明显；占比小，则影响不明显。

相关学者研究认为：当冰雪融水占河流水量25%以上，即可对河流起到较明显的调控作用，冰雪受气温影响更显著，所以冰雪消融占比大的河流，其径流对气温的变化也更加敏感。

表3 塔里木河水系冰川资源统计

塔里木河流域由于其特殊的地理位置、径流组成和气候环境，使得流域对冰川的依赖较重，低温时段，固体水量增加，融水减少，径流减少；高温时段，冰雪固体消融加剧，径流量增大。高山冰川就像水塔一般，保护着流域的水资源不会受到干旱或者雨季过度的影响而造成灾害。冰川融水占比高的流域在干旱高温年月，水资源供给增大，解决下游生产、生活需求。低温年月，自然储备水量，调节水资源年内分配。这就使得塔里木河流域水量年际变化相对稳定，年内分配更加合理，有助于流域的植被生长和生产生活，保障了流域农牧业的发展稳定。