气候变化对塔里木河源流径流近61年的影响分析

金庆日

(塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

在气候变化的影响下，水文流域的水循环和径流形成演化为复杂的非线性系统[1]。气候变化导致全球大气温度升高，降水格局发生变化。气候变化最重要的潜在后果之一可能是区域水文循环的变化以及随后带来的河流数量和质量状况的变化。区域水循环的空间和时间分布受到全球温度升高(未来将明显持续)和降水空间分布变化的影响。近年来，干旱、洪水等极端事件频发，在世界范围内呈上升趋势[2]。干旱气候下，干旱和半干旱地区降水和温度的微小变化导致径流变化的百分比更高，因此中国西北干旱地区的内陆河流径流对气候变化的敏感性高于其他地区[3]。本文尝试定量分析气候变化对不同时空尺度河流径流的影响，旨在为进一步研究和决策流域水资源开发提供参考。

1 研究区概况

塔里木河流域处于完全封闭的内陆地区，降水量少，蒸发量大。径流主要来自盆地南侧、西侧和北侧高陡的阿尔金山、昆仑山和天山。这些山脉上的冰川和永久性积雪形成了山顶水库。流域是典型的耗散型内陆河流域，水来自山区，在平原和沙漠中枯竭。塔里木河干流起始于阿克苏河、叶尔羌河以及和田河的交汇处，全长1321km，最终流入台特玛湖。塔里木河本身不产流，而是由原始水源供给。历史上，干流由流域内9个水系补给，但现在只有3个上游源头的河水流入，即阿克苏河、叶尔羌河以及和田河。其中，阿克苏河全年四季都能连续向塔里木河供水，叶尔羌河在遭遇特大洪水时才能供水，和田河在每年的洪水期间供水。

2 数据来源与分析方法

2.1 数据来源

本研究收集了阿克苏河、叶尔羌河、和田河的7个水文站(和田河上的同古孜洛克和乌鲁瓦提站，叶尔羌河上的库鲁克栏干、卡群和玉孜门勒克站，阿克苏河上的协合拉和沙里桂兰克站)。为了便于分析，将来自7个源头站的年径流数据相加，以表示源头的年径流总量。

气象数据为塔里木河源流域8个国家基准、基本气象站(阿克苏、阿合奇、柯坪、巴楚、塔什库尔干、莎车、和田和皮山气象站)1956—2016年的逐月降水实测资料，计算8个气象站的年均降水量，代表塔里木河流域的年均降水量。

2.2 分析方法

本研究采用趋势分析法、差积曲线分析和Mann-Kendall检验法。为分析降水量的变化趋势，利用倾向率方法进行分析，即建立气候变量与时间的一元线性回归方程，为了减少随机误差，采用滑动平均消除噪声，运用5年滑动平均来反映降水及温度变化趋势。差积曲线的纵轴为径流累计差积量，曲线的水平轴为时间。向下坡度表示径流减少，向上坡度表示径流增加，水平坡度表示径流接近年平均值。因此，连续的向下梯度表明河道中长期存在干旱或缺水现象，反之亦然。无外界干扰时，累积差分曲线一般呈周期性波动。Mann-Kendall检验法是一种非参数统计检验方法，用于预测各种观测要素的时间序列数据的长期趋势。变量不一定具有正态分布特征，少数异常值不会影响它们。因此，它们可以应用于非正态分布的趋势分析，如水文变量和气象要素[4]。以近61年的径流量数据为基础，对其进行非参数检验，并建立径流的累积差分曲线，以反映径流的变化趋势。

3 结果分析

3.1 径流量变化

图1 塔里木河源流总径流量变化趋势

根据天然径流实测资料，分析了1956—2016年阿克苏河、叶尔羌河以及和田河总径流量变化趋势，见图1。1956—2016年的年均径流量为190.99亿m3，平均年径流量以0.6352亿m3/a的速率增加，研究期间共增加了38.75亿m3，趋势方程为y=0.6352x+171.3(P<0.05，变化显著，通过了95%显著性检验)。最大年径流量出现在1994年，为254.00亿m3；最小年径流量出现在1965年，为139.00亿m3，两者相差115.00亿m3。由图1可以看出，在1993—1994年总径流量发生较大转变，由144.00亿m3增长到254.00亿m3，且后期径流较长时间保持在较高水平。1956—1993年平均径流量为180.00亿m3，1994—2016年平均径流量为209.00亿m3，增加了16%。通过计算径流量累积距平可以发现，在1993年发生转折，说明在1993年之前径流量距平持续为负，之后持续为正。因此，选择1993年为突变点进行分析。

3.2 影响径流变化的气候因素分析

气候变化对水资源循环有着至关重要的影响。降水和温度共同决定了区域水资源分布，影响了径流的形成和区域分布。由于塔里木河流域是封闭的，温度决定了由冰川和融雪提供的径流量。因此，温度和降水趋势是塔里木河流域径流的两个主要驱动因素[5]。

3.2.1 温度变化

图2为塔里木河源流地区1956—2016年的年均温变化趋势，多年平均温度为11.13℃，且整体呈缓慢上升趋势。1956—1993年平均温度为10.78℃，趋势方程为y=0.0141x+10.5(P<0.05，变化显著，通过了95%显著性检验)，平均温度以0.0141℃/a的速率增加，38年间增加了0.54℃。1994—2016年平均温度为11.70℃，趋势方程为y=0.0338x+10.015(P<0.05，变化显著，通过了95%显著性检验)，平均温度以0.0338℃/a的速率增加，23年间增加了0.78℃。1993年之后温度变化率由0.0141℃/a提升到0.0338℃/a，提高了140.0%；平均温度由10.78℃提升到11.70℃，增加了8.5%。

图2 塔里木河源流域年均温变化趋势

3.2.2 降水变化

图3为塔里木河源流地区1956—2016年的年均降水变化趋势，多年平均降水量为77.81mm，且整体呈缓慢上升趋势。1956—1993年平均降水量为69.91mm，趋势方程为y=0.4732x+60.443(P>0.05，变化不显著，未通过95%显著性检验)，平均降水以0.4732mm/a的速率增加，38年间增加了17.98mm。1994—2016年平均降水量为90.86mm，趋势方程为y=0.9927x+41.220(P>0.05，变化不显著，未通过95%显著性检验)，平均降水以0.9927mm/a的速率增加，23年间增加了22.83mm。1993年之后降水变化率由0.4732mm/a提升到0.9927mm/a，提高了110.0%；年均降水量由69.91mm提升到90.86mm，增加了30%。

图3 塔里木河源流域年均降水变化趋势

3.3 气候变化对径流的影响分析

过去61年来，河流的总径流量呈现出略微增加的趋势，并且在1993年后增加趋势更加明显，可以通过图4(a)进一步确认，总径流量呈现出周期性波动和随后的持续上升趋势。图4(b)、图4(c)以及图4(d)分别为阿克苏河、叶尔羌河以及和田河的径流累计差分曲线，显示出了与总径流量相似的变化趋势。在1993年之前呈现出反复波动，且径流量普遍低于平均径流量；在1993年时3个流域的径流量普遍发生转变；在1993年之后径流量普遍大于平均径流量，并且增长明显，这与降水以及气温变化类似，都在1993年之后有了较快的增长。以上分析表明：随着温度和降水量的增加，河流表层径流也有增加的趋势。换言之，气候变化加速了研究区水文过程向积极的方向转变。

图4 塔里木河源流域径流累计差分曲线

3.4 源流径流量突变分析

图5为塔里木河源流径流量突变检验，其中图5(a)为源流总径流量突变检验，从图5(a)中可以看出，在研究时间范围内只有一个突变点，说明总径流量振荡不明显，在1956—1993年总径流量基本为水平波动变化，1993年以后开始明显增加；图5(b)为阿克苏河径流量突变检验，由于阿克苏河径流量占总径流量权重最大，因此同总径流量走势基本一致；图5(c)为叶尔羌河径流量突变检验，从图5(c)中可以看出，在2003—2011年之间存在多个突变点，说明这个阶段径流量振荡明显；图5(d)为和田河径流量突变检验，从图5(d)中可以看出，在2010年之后径流量存在多个突变点，说明这个时期内径流量波动明显，在1956—1993年期间径流量整体呈现缓慢向下波动的趋势，在1993年之后径流量开始增加。

图5 塔里木河源流径流量突变检验

3.5 气候变化与径流的相关性分析

为了进一步定量分析气候变化(主要指降水与温度变化)与径流变化的相关程度，基于CORREL函数分别对年均降水与年均径流量、年均温度与年均径流量进行相关性分析，结果见表1。

从表1中可以看出温度与径流量的相关系数均大于降水与径流量的相关系数，说明温度的变化对径流量的变化影响更大。通过显著性检验可知，降水与流域径流量显著性检验较差；温度对阿克苏河以及叶尔羌河显著性检验较好，说明温度变化主要影响阿克苏河以及叶尔羌河径流量变化。因此，温度是影响塔里木河源流域径流量变化的主要因素。

表1 降水及温度与径流量相关性分析

4 结 论

塔里木河上游的3条原始河流均发源于山区。由于原始河流交汇的地区基本上没有人类活动，河道中的径流变化可归因于气温上升和降水增加，简而言之，气候因素(主要指降水跟气温)是造成这种情况下径流变化的最重要原因。在1956—2016年，61年期间降水增加了40.81mm，气温升高了1.32℃，总径流量增加了38.75亿m3。塔里木河上游的3条原始河流的径流在近61年时间整体呈现增加趋势，在1993年之前主要为水平振荡走势，1993年以后径流量有明显的上升。气候变化增加了塔里木河源头的地表径流，并且通过相关性分析可知，温度变化是影响源流径流量的主要因素。