变化环境下塔里木河径流变化及其影响因素分析

王启猛，张捷斌，付意成

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐830011;2.中国科学院 研究生院，北京100049;3.中国水科院 水资源研究所，北京100044)

流域水文过程变化是环境变化的结果，环境变化主要受气候变化和流域内人类活动的影响[1]。以气温、降水变化等为主要特征的气候变化和以水土资源开发等为标志的人类活动的加剧越来越深刻地改变着流域环境，在此影响下流域水循环及水量平衡发生了极大改变，并产生一系列的水资源、水灾害和水环境问题，表现为径流时空变化，洪水过程改变，地下水位下降，生态系统退化等[1-2]。目前环境变化对流域水文过程的影响已成为国内外研究的重要课题。塔里木河流域(以下简称塔河流域)地处我国西北干旱区，为我国最大的内陆河流域，是典型的生态脆弱带和环境危机带，其特殊的自然地理条件决定了水在其社会经济发展、生态环境建设中的重要地位[3-4]。研究变化环境下流域水文过程演变，并探讨各环境因子对于流域水文循环的可能影响，对流域水资源评价、管理、规划等方面工作的开展具有重要意义。

1 研究区概况及资料来源

1.1 研究区概况

塔河流域是环塔里木盆地9大水系114条河流的总称，流域面积1.02×106km2，多年平均地表水天然径流量3.98×1010m3，主要由高山区冰雪融水和降水补给。塔河干流全长1 321 km，自身不产流，历史上汇入干流的9大水系中车尔臣河、克里亚河、迪纳河、喀什噶尔河、开都—孔雀河、渭干河等相继与其失去地表水力联系。和田河只在每年的7—9月洪水期才有水量进入塔河;叶尔羌河在1986—2003年这18 a中，仅有1994年在洪水期有水补给塔河，其余17 a均无地表水输入塔河干流。目前，阿克苏河是汇入干流水量的主要补给来源，补给量占到73.2%，而和田河、叶尔羌河仅占23.2%和3.6%[5]。

1.2 资料来源

本研究中塔河流域源流及干流年径流数据均为各水文站实测径流数据;气温和降水数据来源于《中国塔里木河治水理论与实践》;耕地变化数据等来源于《中国干旱区土地利用与土地覆被变化》。其它数据来源于相关文献，在文中均做了标注。

2 径流变化分析

近50 a来塔河源流出山口年径流量总体上呈增长趋势，三源流(阿拉尔站以上的阿克苏河、和田河和叶尔羌河)的年汇总径流量线性趋势系数为0.67，四源流(包括三源流及开都河)趋势系数达0.81(图1)。特别是20世纪90年代以后，各源流普遍进入丰水期[5]，除和田河在1990s年径流量与多年均值相比有小幅下降外，其余各源流年径流量在1990s和2000s以后均有不同程度的增加，其中阿克苏河和开都—孔雀河年径流量的变化趋势最为显著，2000—2005年年径流量与多年平均相比增幅分别达18.9%和25.2%。

图1 塔里木河源流 1957—2005年径流量(合计)变化趋势

表1 塔里木河源流出山口径流量及汇入干流水量统计 108m3

但是，河流在出山口后，年径流量减少的趋势却特别明显，且沿程递减幅度加大。

由表1分析可知，各源流汇入干流的水量总体上呈下降趋势，即使在1990s以后出山口径流量增加情况下，汇入干流的水量增加也不明显，甚至还有一定幅度的下降。例如，三源流汇入干流水量由1950s的5.03×109m3下降到2000s的4.21×109m3。同时，干流各水文站实测年径流量同样呈显著下降趋势，阿拉尔站线性趋势系数为-0.16，英巴扎站为-0.36，恰拉站为-0.23(图2)。2000—2005年在三源流来水比多年平均偏多2.34×109m3情况下，阿拉尔站年径流量却比多年平均来水量减少了1.25×108m3，英巴扎站减少更是达6.39×109m3。

图2 塔里木河干流水文站1957—2005年径流量变化

3 径流变化影响因素分析

在气候变化和人类活动的影响下，流域径流情势发生了显著变化，但两者对水资源系统影响的相关性较强，气候变化下自然条件的改变会影响人类对水资源的利用，同时土地利用变化等人类活动也会不同程度的对气候系统产生影响，两者的影响很难明确区分。本研究分因子从两者的直接影响出发，暂不考虑其间的耦合关系。

3.1 气候变化影响

气候系统通过降水、气温等因子直接或间接地影响着流域水循环过程[6]。在干旱地区，水资源系统尤其容易受到气候变化影响，全球变暖及大气环流的改变影响着高山区冰川消融和降水形态，同时改变了流域的总蒸发量[7-9]。塔河流域以高山冰川和山区降水为主要补给来源，因此山区气温和降水是影响流域径流变化最重要的环境因素[5]。

3.1.1 气温 气温变化对流域蒸散发、高山区冰川消融影响较大。相关研究表明[7，10-11]，近 50 a来塔河流域年平均气温变化具有明显的增加趋势，且阶段转换特征显著，在20世纪80年代末到90年代初发生跳跃。其中，流域源流山区气温增加的趋势表现更为显著，图3反映的是流域主要站点年平均气温的年际变化情况。从图中可以看出，各站点年均气温总体上呈增长趋势，1990年代和2001—2005年的平均值大都高于多年平均气温0.4℃～1.5℃。

蒸发是反映气候变化影响地区水资源的重要因素。目前气候变化对流域蒸发量的影响存在争议。苏宏超[13]等研究认为气温上升背景下新疆蒸发量大体上呈下降趋势，其中塔河流域所在的南疆地区下降幅度为13.4 mm/a。蒋艳等[9]则认为在气温上升情境下源流区内蒸发量呈增加趋势，且径流对气温和蒸发量变化较为敏感。但蒸发量变化对径流的影响相对较小。

图3 塔里木河流域时段平均气温变化统计[17]

高山冰雪融水在塔河流域径流补给中占较大比重。从源流产流角度看，气温升高会使冰川退缩和物质负平衡持续，河流冰川融水径流补给增长[14]。近期气候暖湿变化在冰川径流变化中得到了很好体现。在1981年以来的两个10 a中冰川径流深高出多年平均14.9 mm(4.5%)和 22.6 mm(6.9%)。1990年代冰川径流增加占出山径流增加的1/3，而1980s出山径流表现偏少情况下，冰川径流却处于增加趋势，说明冰川退缩对河川径流增加的影响不断加强[16]。但从长期看由于大部分冰川面积较小且分布在低海拔的山坡，易于融化退缩，甚至消失，会使冰川融水量突然减少，减弱对河川径流的调节，且使河流水量明显减少[15]。

3.1.2 降水 降水是径流产生的重要因素。以往研究通过分析流域近50 a的平均降水变化，认为降水具有与气温相似的变化趋势，同样在20世纪80年代中后期到90年代初发生跳跃，之后呈现显著的增加态势[7，10-11]。图4反映的是塔河流域主要站点年平均降水的年际变化情况。总体上看，各站点在1980s以前年均降水量呈下降趋势，在1980年代以后降水量增长显著，其中塔什库尔干站和沙里桂兰克站在2001—2005

年的年均降水量的距平比达30.3%和42.7%。

图4 塔里木河流域时段平均降雨量变化统计

但是，降水增加对塔河流域径流变化效应的研究目前还存在争议。吴素芬等[16]利用投影回归模型分析认为当降水量增加时，径流量会因降水增加导致温度降低而出现下降。徐海量等[17]对源流区降水和径流变化的趋势进行长序列分析，认为降水和径流变化呈现一定的关联性，其中阿克苏河、开都河的径流增加与降水变化趋势一致性显著，但和田河、叶尔羌河在同样检验水平上变化趋势不一致。本研究认为显著性的差异可能与河流补给类型有关。前者以降水补给为主，而和田河和叶尔羌河补给来源中冰川融水占有更大比重(表2)。可见，与以冰川融水补给为主的河流相比，降水补给为主河流的降水与径流变化趋势的关系显著性要更强些。

表2 塔里木河主要源流径流组成统计

3.2 人类活动影响

3.2.1 水资源利用量 塔河流域以绿洲农业经济为主，农业用水量占总用水量的97%以上。自1960年以来流域各区域耕地面积均有不同程度的增长，其中源流区的阿克苏河、开—孔河流域以及干流区耕地面积增长最为显著，增幅分别达 57.48%，95.16%，62.26%[18]。在一定条件下，径流的河道自然损耗量是相对稳定的。图5反映干流上游区间耗水量从1956—2005年呈上升趋势，表明随着耕地面积的增加，水资源利用量相应增长。但是，由于灌溉基础设施的完善和灌溉管理制度的改革(自主管理灌区制度实施等)，流域水资源利用效率逐步提高，大体经历3个阶段:大规模开发利用阶段，开发利用稳定增加阶段，高效协调利用阶段[19]。其中，源流灌区的灌溉面积从1950年的2.32×104hm2增加到 2000年的8.38×104hm2，增长了2.6倍，而灌区相应用水量从5.00×109m3增加到1.55×1010m3，增长了2.1倍。水资源量利用量增幅低于耕地面积的增幅[3]。

3.2.2 水利工程 塔里木河流域水利工程设施主要有引水渠首、水库工程、渠系工程等。据统计，目前流域已修建各类平原水库76座，总库容2.81×109m3，有效灌溉面积3.65×105hm2;已建成各类引水渠首286处，总设计引水能力882 m3/s，现状供水能力765 m3/s;干、支、斗三级渠道总长度4.85 km[20]。目前流域水利工程存在的问题比较突出，水利工程组合结构和总体布局不完善，主要表现为:水利工程数量少，规模小，绝大多数河流尚缺乏调蓄控制工程;现有水库中除乌鲁瓦提水库外，均为平原水库，水库水量损失大、周边盐碱化严重、调蓄能力有限;现有水利工程老化失修，临时性工程多，建设标准低，配套不完善，等。各种水利工程对流域河流径流过程产生了不同程度的影响。以平原水库为例，水库修建后各河流的引水率达75.0%以上，远超过国际上河流引水率低于50%的要求[21]。同时，平原水库由于其水深浅，水面面积大，且建设标准低，蒸发渗漏损失水量较大，仅干流现有的8座平原水库每年水库损失水量就达4.16×108m3。

图5 塔里木河干流上段区间耗水量变化统计

3.2.3 流域综合治理工程 塔河流域综合治理工程是通过源流灌区工程改造、干流河道治理、流域水资源统一管理和调度等措施的实施，增加了各源流汇入塔里木河的水量，使干流上中游林草植被得到有效保护和恢复，下游生态环境得到初步改善[22]。工程的实施在缓解流域生态用水需求的同时，也改变了原有地表水资源的时空分布特征。以其中的“流域水权管理制度”建立和“下游生态应急输水工程”实施进行实例说明。

塔河流域水权管理制度的建立合理界定了源流与干流的水权分配方案，对源流严格采取总量控制和定额用水管理制度，确保干流来水的量和质[23]。依据塔里木河流域《近期综合治理规划》和《“四源一干”地表水水量分配方案》，渐近初始水权，取得了初步成效，但距规划目标尚有一定距离，源流来水仍偏离初始水权，均不同程度的挤占了干流水量(表3)。

塔河下游生态应急输水工程是利用开都河来水连续偏丰的有利时机，从博斯腾湖向下游应急生态调水。该工程自2000—2006年共完成了8次生态应急输水，从大西海子水库向下游河道输水达2.28×109m3，输水至台特玛湖[25]。但该工程之所以能实施主要是由于开都河长期处于丰水期，博斯腾湖处于高水位。在平枯水期，特别是长时段枯水期，能否实现持续输水值得关注。根据现状来水和用水条件计算，博斯腾湖向塔河下游输水4.50×108m3的风险率达到91.72%，因此维持现行生态输水方式的可能性很小[24-25]。

4 结论

(1)变化环境下塔河流域的径流过程发生了显著变化。近50 a来源流出山口年径流量总体上呈增加的趋势，特别是1990s以后各源流普遍进入丰水期。但在出山口以后年径流量却呈显著下降趋势，且沿程递减幅度加大。各源流汇入干流水量总体上呈下降趋势，同时，塔河干流各水文站实测年径流量同样呈显著下降趋势。

(2)塔河源流出山口径流量增加是气温和降水变化共同作用的结果。气温变化对流域蒸发的影响并不显著，但气温升高使河流冰川融水径流补给增长明显;降水增加对各源流径流变化的影响有差异，可能与径流的补给类型有关，以冰川消融和永久积雪补给为主的河流径流变化与气温变化关系密切，以降水补给为主的河流径流则与降水变化的关系更为显著。

(3)人类活动是影响流域径流变化的主导性因素。水利工程建设和水资源取用量增加使流域径流量不断减少，甚至造成下游长时间断流。为拯救干流下游濒临毁灭的生态系统，实施了塔河综合治理工程，工程的实施一定程度上改变了地表径流的时空分布，增加了下游的径流量，但未从根本上解决问题。

(4)塔河流域径流变化是一个多层次、多因素的复杂性系统问题，探讨变化环境下气候变化和人类活动对流域径流过程的影响，并区分两者各因子的影响程度是相当困难的。本研究分因子仅从其对径流过程的可能直接影响进行了分析，要全面评估气候变化和人类活动对流域水文水资源的影响，并研究其对源流(产流区)和干流(耗散区)径流的不同作用效果还有待进一步的深入研究。

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