气候变化和人类活动对塔里木河流域地表径流影响分析

崔 华

（新疆维吾尔自治区塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000）

气候变化和人类活动对塔里木河流域地表径流影响分析

崔 华

（新疆维吾尔自治区塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000）

借助非参数Mann-Kendall、Mann-Whitney检验对塔里木河源流和干流地表径流量、源流区间耗用水量进行分析；构建气候变化和人类活动影响对源流水资源的影响量定量分离模型。结果表明：（1）1957～2013年源流出山口来水量和区间耗用水量均呈显著增加趋势，年增加幅度分别为0.83亿m3和0.89亿m3；干流阿拉尔来水量呈不显著的下降趋势，年均减少幅度为0.1亿 m3。（2）源流出山口来水量和区间耗用水量均在1993年出现显著的增多突变，突变跃度分别为31.13亿m3和30.87亿m3，干流阿拉尔地表径流量在1984年呈不显著的减少突变，突变跃度为 4.41亿 m3。（3）1994年来，气候变化对塔里木河源流水资源量表现为正影响，影响量占58.5%；人类活动表现为负影响，影响量占41.5%。（4）1994年来，人类活动对源流地表水资源影响呈减少趋势，从1994～2000年的47.2%减少到2011～2013年的37.3%，综合治理成效逐渐显现。

地表径流量；趋势性；突变性；气候变化；人类活动；塔里木河流域

塔里木河流域是一个集山地、绿洲、荒漠于一体的复合生态系统。发源于塔里木盆地周边高原山区的一百四十多条大小河流呈向心分布汇入盆地，最终消散于绿洲和广阔的沙漠地区。近百年来在全球气候变暖的大背景下，塔里木河源流区也呈现气温变暖、降水递增的趋势［1］。塔里木河流域地表径流主要由源流山区降水和冰川融水汇流形成，受源流山区气候变化的影响，源流地表径流量表现出较为显著的趋势性和突变性［2-3］。同时，受经济利益驱使，上世纪50年代以来，流域内无序的水土资源开发，导致用水矛盾突出，出现诸如尾闾湖泊干涸、胡杨林衰败、绿色走廊退化等严重的生态环境问题［4］。2000年以来，国家投资107亿元启动塔里木河流域综合治理工程，经过十多年的不懈努力，流域生态环境出现好转，尤其塔河干流下游绿色走廊逐渐恢复生机［5］。近年来，流域陆续启动和计划实施包括叶尔羌河流域防洪工程、阿尔塔什水利枢纽工程、玉龙喀什水利枢纽、大石峡水利枢纽工程等一批源流重大水利工程。这些源流防洪工程和山区控制性水利工程的实施，将为实现流域水资源精细化管理和科学调度提供先决条件，而摸清源流汇入干流水资源受气候和人类活动的影响量及其规律，则可为流域水资源管理者科学管理、合理调度水资源提供重要的理论依据和决策参考。

本文基于塔里木河源流和干流的径流序列数据，借助趋势检验方法，研究了源流和干流来水量及源流区耗水量的变化规律；定量分离和分析了气候变化和人类活动对源流区地表径流量的影响。

1 研究区概况

塔里木河流域位于新疆南部，地处天山和昆仑山山脉之间。从最长源流叶尔羌河源头到尾闾台特码湖，全长近2200km；流域东西长1100km，南北宽600km，是世界上最大的内陆河流域，流域面积102万 km2。塔里木河流域地域广袤，河流众多，历史上曾有9大水系144条河流。受气候变化和人类活动的影响，目前与塔河干流常年有地表水水力联系的仅有阿克苏河、叶尔羌河、和田河，开都河的水注入博斯腾湖后经泵站扬水通过孔雀河向塔河干流下游输水，形成“四源一干”的水系格局（图 1）。

图1 塔里木河流域水系分布示意图

塔里木河上游三源流出山口多年平均年径流量196.2亿 m3，其中阿克苏河向干流输送水量占70%左右。三源流在肖夹克汇流后，进入塔里木河干流，干流源头阿拉尔水文站多年平均径流量45.6亿m3。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

收集了1957～2013年，塔里木河流域上游三源流阿克苏河协合拉和沙里桂兰克、叶尔羌河喀群和江卡、和田河乌鲁瓦提和同古孜洛克六个出山口水文站实测地表径流资料，以及干流源头水文站阿拉尔的实测地表径流资料。

2.2 研究方法

2.2.1 非参数检验

对于径流时间序列的假设检验，一般从单调趋势和阶段转换趋势两个方面考虑。在检验中，原假设（H0）认为时间序列的增减趋势或者阶段转换的跳跃不明显；而备择性假设（H1）认为时间序列变化趋势或突变显著。从检验能力上看，使用非参数Mann-Kendall单调趋势检验和Mann-Whitney阶段转换检验要优于参数t检验，并且无须事先假定样本的统计分布。该方法在的许多文献已有详细介绍，本文不再具体介绍［6］

2.2.2 周期叠加趋势模型

若时间序列数据具有周期性和趋势性，则可以利用周期性叠加趋势模型进行预测，在时段T+S的期望值为：

式中，aT是时段T的平均水准；bS是该时段的斜率；D（T+S）是时段 T+S的季节增量。利用历史资料建立预测预报模型分为两步：第一步，先根据完整周期的时间序列的历史数据（x1，x2，x3，……，xT）来估计第T个周期（时段）中的估值 ˆaT和bS的估计值 ˆbS和 D（T+S）的估计值 d（T+S）（S=1，2，…，M），并对未来时段进行预测；第二步，用剩余不够一个完整周期的数据更新预报模型，并作相应的预测，从而建立 T在对未来第 S时段的完整预测模型［7］：

3 结果与分析

3.1 源流和干流地表径流量及源流区耗水量变化规律分析

首先对塔里木河流域源流山区、干流源头阿拉尔地表径流量及源流区间耗用水量年际变化过程进行分析。通过收集1957～2013年各有关水文断面径流资料，绘制径流、耗水及其累计距平变化趋势线（图2）。

图2 塔里木河源流出山口来水量及区间耗用水量变化趋势

从图2可知，1957～2013年，塔里木河源流出山口年地表径流量和源流区间年耗用水量总体呈上升趋势，源流区间耗用水量增加趋势要高于出山口径流量；干流阿拉尔年径流量呈下降趋势。干流来水量没有随源流来水量的增加而增加，反映出源流区耗用水量的增加趋势。源流区间耗用水量短期内出现持续增加趋势，除了与源流来水增加导致水量自然蒸发、渗漏量、河道漫溢量增大有关外，一般认为主要是流域内人类大规模的水土资源开发导致，最主要还是耕地面积的扩张［8］。收集的资料显示，2007年塔里木河三源流区现状耕地面积较《塔里木河“四源一干”五年实施方案》中确定的规划耕地面积超出465万亩，按照亩均年灌溉定额700m3计算，挤占水资源量达32.6亿m3。由于耕地面积的扩大，源流区水资源被无序开发利用，不仅挤占了源流区的生态用水需求，同时由于减少了源流向干流的下泄水量。

通过累积距平可以直观的反映出源流出山口、干流阿拉尔年地表径流量和源流区间耗用水量1957～2013年时间序列上的升降趋势（图2）。从图2A2、B2；看以看出，1957～1993年之前源流出山口年地表径流量和区间耗用水量累积距平呈持续下降趋势，说明源流出山口地表径流量和期间耗用水量在该时段处于相对偏低阶段；1994～2013年呈持续上升趋势，说明源流出山口地表径流量和期间耗用水量在该时段处于相对偏高阶段。从图2C2可以看出，干流阿拉尔年地表径流量累积距平呈波动变化趋势，大体上可以分为四个阶段：1957～1969年径流量总体处于稳步上升且偏高阶段；1970～1984径流量接近在平均值上下波动的阶段；1985～1993年径流量基本处于明显下降且持续偏低阶段；1994～2006年径流量处于在平均值上下波动阶段；2007～2009径流量急剧下降，至2010年以后径流量急剧抬升并持续处于偏高阶段。

通过非参数Mann-Kendall单调趋势检验和Mann-Whitney阶段转换检验，分别对1957～2013年，塔里木河源流出山口年地表径流量、源流区间耗用水量和干流源头阿拉尔年径流量趋势性和突变性进行检验（表1）。

从表1可知，1957～2013年源流出山口来水量和区间耗用水量均呈显著增加趋势，年增加幅度分别为0.83亿m3和0.89亿m3；且二者均在1993年出现显著的增多突变，突变跃度分别为

表1 塔里木河源流来水量、区间耗水量以及干流来水量的趋势及突变检验

31.13 亿m3和30.87亿m3。干流阿拉尔来水量呈不显著的下降趋势，年均减少幅度为 0.1亿 m3；在1984年出现不显著的减少突变，突变跃度为4.41亿m3。

3.2 气候变化和人类活动对源流区水资源量的影响

上世纪50年代以来，塔里木河流域地表径流量受气候变化和人类活动的双重影响表现出复杂的变化特征，定量确定二者的影响量，对于摸清流域水资源变化特征，指导流域水资源合理分配和优化调度具有重要意义。通过构建气候变化和人类活动与源流水资源量影响模型，分离 1994年以来二者对源流区水资源的影响量。

3.2.1 气候变化和人类活动对源流区水量影响的模型构建

要分离出气候变化和人类活动对源流区水量的影响，首先应确定两个因素对其影响的显著时段。根据上文分析，1993年后塔里木河源流区的区间耗水量增加明显，表明人类活动在1993年后对源流区径流量产生了显著影响。塔里木河源流出山口地表径流量在1993年发生了增多突变，为气候变化对径流显著影响的开始。综合分析表明，1993年为气候变化和人类活动对源流径流量产生显著影响的转折点。因此，以1993年突变点为计算依据，分离气候变化与人类活动对源流区地表径流影响量。思路如下：

第一步：将1993年之后处于丰水期的阿拉尔实际地表径流量记为 RM。首先根据干流阿拉尔1993年之前的径流量，预测1993年之后的径流来水量。由于1993年之前源流区气候变化与人类活动较弱，因此以1993年之前阿拉尔径流量为基准，通过构建周期性叠加趋势模型预测得到的1993之后的径流量，即是受人类活动与气候变化干扰较小下的阿拉尔天然径流量，记为RH。

第二步：塔里木河源流出山口地表径流变化主要受气候因子影响，考虑到气候变化对其影响剧烈开始年份为1993年，因此以1993年之前源流山区总径流量与阿拉尔径流量数据为依据，构建二者之间的关系模型。

第三步：以1993年之前人类活动对源流区径流量的影响程度为基准，根据1993年之后源流山区的径流量值，借助已构建的模型计算得到 1993年后，气候变化显著影响下丰水期阿拉尔的径流量，记为RC。

于是，气候变化与人类活动对丰水期源流区径流影响量的计算公式为：

根据以上思路，首先构建计算 RH关系模型。根据已有的研究成果［3］，阿拉尔径流量存在着趋势性和周期性，因此利用周期性叠加趋势模型对1993年后阿拉尔径流量进行预测。以干流阿拉尔17年的周期为计算依据，将1960～1993年（两个周期）阿拉尔的径流数据输入模型，得到干流阿拉尔径流的拟合方程（表2）。

根据表2，该方程的平均相对误差为4.14%，拟合精度较好。因此，1993年之后周期时段内（1994～2013年）的RH可利用该模型推算获得。其次，构建计算RC的关系模型。利用1993年之前源流山区总径流量与阿拉尔径流量实测数据，构建模型如下：

表2 塔里木河干流阿拉尔径流拟合方程

表3 气候变化和人类活动对源流区水资源的影响量 单位：亿m3

式中，Z为干流阿拉尔年地表径流量，x表示源流出山口年地表径流量。该方程为气候变化对源流山区丰水期径流产生强烈影响前，与干流阿拉尔丰水期径流之间的关系模型。因而，RC可利用1994～2013年源流山区丰水期径流量实测数据带入该模型计算获得。

3.2.2 气候变化和人类活动对源流区耗水量影响的定量分离

根据上述已构建的定量分离模型，气候变化和人类活动对塔里木河源流区地表径流的影响量被计算获取（表3）。

从表3可知，1994～2013年，气候变化使得塔里木河源流出山口地表径流量年均增加18.44亿m3，而人类活动导致其年均减少13.07亿 m3，表明气候波动是导致塔里木河源流区径流变化的主导因素。以气候变化和人类活动对径流影响的绝对值之和作为总影响量，进而利用人类活动影响量与总影响量的比值确定人类活动对径流影响的百分比。由表3可知，人类活动对源流区水资源影响的百分比在1994～2000年（流域实施综合治理之前）、2001～2010年（流域实施综合治理之前、体制改革之前）、2011～2013年（流域体制改革以后）分别为47.2%、39.5%和37.3%，呈减少趋势。尤其是2011～2013年，人类活动的负影响量较 1994～2000年及 2001～2010年分别减少了 9.7%和15.0%。因此，在塔里木河流域体制改革后，实施水资源的统一管理，源流区水资源利用水平和管理效能大为提高。

4 结论

（1）1957～2013年塔里木河源流出山口地表径流量呈显著的增加趋势，干流源头阿拉尔地表径流量呈不显著的减少趋势，源流区间耗用水量呈显著的增加趋势。

（2）塔里木河源流出山口地表径流量和区间耗用水量在1993年后均出现显著的增多突变，干流阿拉尔地表径流量在1984年后出现不显著的减少突变。

（3）受气候变化的影响，1994～2013年塔里木河源流出山口地表径流量年均增加 18.44亿 m3；受人类活动影响，1994～2013年塔里木河源流区间耗用水量年均减少13.07亿 m3。气候变化是源流水资源量影响的主导因素。

（4）人类活动对塔里木河源流水资源的影响量在1994～2000年、2001～2010年和2011～2013年三个阶段呈现减小趋势，流域综合治理成效逐渐凸显。

［1］陈亚宁，徐长春，郝兴明等.新疆塔里木河流域近50a气候变化及其对径流的影响［J］.冰川冻土，2008，30（06）：921-929.

［2］刘新华，徐海量，张青青等.气候变化对阿克苏河流域径流过程的影响［J］.自然资源学报，2012，27（11）：1931-1939.

［3］郑刚.塔里木河径流演变规律研究［J］.水利技术监督，2013（05）：60-63.

［4］贾小俊.塔里木河流域综合治理成效分析［J］.水利规划与设计，2015（08）：24-26.

［5］缪康.塔里木河流域近期综合治理工程经济效益后评价［J］.水利规划与设计，2015（08）：16-19.

［6］凌红波，徐海量，张青青.1956～2007年新疆玛纳斯河流域气候变化趋势分析［J］.冰川冻土，2011，33（01）：64-71.

［7］柯琳，叶茂，凌红波等.近48年区域气候变化对精河地表径流的影响分析［J］.水资源与水工程学报，2013（01）：54-59.

［8］刘新华，徐海量，凌红波等.塔里木河干流河道生态需水量研究［J］.干旱区研究，2012，29（06）：984-981.

TV121+.2

A

1672-2469（2017）02-0048-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.017

2016-09-08

国家自然科学基金（31400466、41471099）。

崔 华（1987年—），女，助理工程师。