气候因素对阿克苏河径流变化影响的定量评估

李虹彬，刘亚婷，王卫光,2*，庞麦田

气候因素对阿克苏河径流变化影响的定量评估

李虹彬1，刘亚婷1，王卫光1,2*，庞麦田1

（1.河海大学 水文水资源学院，南京 210098；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098）

【目的】探究阿克苏河径流变化的归因。【方法】采用Mann-Kendall-Sneyers检验估计流域水文、气象数据的变化趋势和突变情况，并试图用3种改进的弹性系数法评估气候要素（尤其是温度）对阿克苏河径流变化的影响。【结果】径流和温度分别以11.73 m3/（s·10 a）和0.26 ℃/10 a的速率显著递增。降雨也呈显著上升趋势，增幅为14.31 mm/10 a的速率递增，而潜在蒸散发呈显著下降趋势（21.89 mm/10 a），径流的突变点为1993年。因此，采用1960—1993年的多年平均径流和气候因素作为衡量变化的基准值。1994—2010年，径流量相对1960—1993年增加了23.1%。敏感性分析表明，温度升高对径流变化的相对贡献率为46.7%，是径流量增加的最主要因素，而降水量和潜在蒸散发的作用分别占径流量变化的20.5%和24.9%；其他非气候要素（主要是人类活动）对径流变化的相对贡献率约为7.9%。【结论】气候变化是阿克苏河径流量变化的主要原因，其中温度的贡献率最大。

径流变化；Mann-Kendall-Sneyers检验；弹性系数；气候变化

0 引 言

【研究意义】近年来，全球气候的变暖加速了水文循环，加剧了极端水文事件的发生[1]。随着全球平均气温的升高而导致的水资源短缺问题加剧，气候变化对水文循环的影响已经成为近年来水文学家们关注的热点问题[2-3]。由于干旱区脆弱的水文生态环境，气候变化带来的水资源短缺等一系列问题尤为突出。此外，我国西北干旱区的平均气温以0.33~0.39 ℃/10 a的速率上升，高于同一时期的我国平均0.249 ℃/10 a的上升速率，远大于全球平均0.13 ℃/10 a的升温速率[4-5]。这一现象进一步加剧了我国西北干旱区以冰川融雪补给为主的水资源系统的脆弱性和不确定性，同时也使得该地区绿洲经济与沙漠生态之间的水资源供需矛盾变得更加尖锐[6]。又由于我国干旱区的径流补给来源主要是降水与冰雪融水，降雨和温度的耦合作用将显著影响径流的稳定性，而作为反映大气蒸发能力指标的潜在蒸散发也是影响气候变化的主要气候变量，因此，在干旱区定量评估降雨、温度，潜在蒸散发等气候变量以及其他影响因素（主要是人类活动）对径流变化的影响对旱区水资源可持续发展的管理和布局具有重要意义。

【研究进展】目前，定量探讨气候变化对径流影响的研究中，多数都是基于以下3种方法进行：经验统计法，基于敏感性的弹性系数法和水文模型[7]。江善虎等[8]利用双累积曲线法确定了气候变化和人类活动对老哈河流域径流的影响。党素珍等[9]通过Budyko框架下的弹性系数法定量研究了气候变化和人类活动对泾河上游径流变化的影响。张艳霞等[10]通过双累积曲线法、累积量斜率变化率比较法以及弹性分析法定量研究了气候变化和人类活动对锡林河径流量影响的贡献率。王国庆等[11]采用水文模型模拟的途径定量探讨了山西省岚河流域河川径流变化受气候变化和人类活动的相对影响。可以发现，现有的对径流变化影响要素的研究多集中在湿润半湿润地区，而干旱地区的此类研究还较少。此外，经验统计法虽然易于使用，但需要非常详尽的水文气象资料，耗费人力物力，并且对不同要素之间的book=114,ebook=2相互作用难以有效的考虑[11]。水文模型物理基础完备，但是模型结构和计算参数的不确定性都会对结果造成明显的误差影响[12]。而基于模型的气候弹性法虽然在物理上是合理的，但是对模型参数率定的要求较高，并且结果的准确性也不很理想[13]。而干旱区水文、气象站点稀少且分布不均匀，资料不详尽，代表性较差，此外，由于干旱区高温少雨的气候条件和脆弱的水文生态环境，模型的参数难以得到有效的率定[14]。因此，现有方法在干旱区的使用仍具有一定的局限性。而基于非参数的弹性系数法，可以直接使用长时期的直接观测资料进行气候变化和人类活动对径流变化影响的定量评估，其稳健性和结果的合理性都具有一定的保障[15]。【切入点】然而上述方法都难以直接考虑温度对径流变化的影响，以往考虑温度变化对径流的影响都是通过潜在蒸散发对径流的影响而间接体现。而随着全球变暖的加剧，温度对河川径流变化的影响将变得更加剧烈，尤其是在寒旱区，其地表径流主要来自上游冰川融雪来水补给，温度对该地区径流变化的作用尤为强烈[16]，定量评估以温度为主的气候要素对径流变化的影响，将有助于加深对寒旱区水文过程的理解以及对未来水资源量的预测。Li等[17]提出了一种改进的弹性系数法，为考虑温度对径流变化的影响提供了一种行之有效的思路。

位于我国西北干旱区的阿克苏河是塔里木河的主要支流，也是目前唯一与塔里木河干流常年保持自然水力联系的源流，其补给水量约占塔里木河干流来水量的73%[18]。同时，阿克苏河起源于天山山脉，是典型的冰雪融水补给型河流。阿克苏河径流量的变化将显著影响塔里木河干流的来水量，进而显著影响干流的绿洲农业经济发展和生态保护[19]。近年来，围绕阿克苏河流域径流变化特征以及其影响因素已进行了一系列的深入研究，阿克苏河径流量逐年增加的现象被广泛地发现，特别是在20世纪90年代出现了由偏枯向偏丰的显著转变[20-22]，与此同时，该流域气候条件发生了由“暖干”向“暖湿”的明显转变，径流趋势与气候变化形成了明显的响应关系，证明气候要素（主要是降雨、温度等）是当前阶段造成径流变化的最重要原因[2,14,19]。然而，目前多数研究仍采用滑动平均或多项式、模型模拟、差积曲线分析和小波分析等方法定性拟合水文、气候变化趋势、分析气候特征对径流变化的影响[20]，而鲜有通过定量分析来探究阿克苏河径流对气候变化的响应情况的研究。【拟解决问题】因此，在全球变暖日益加剧的情况下，利用非参数Mann-Kendall-Sneyers检验对径流序列进行突变点检验，并利用Mann-Kendall趋势检验分析气候变量的变化趋势，继而利用基于LI等[17]、ZHENG等[12]所提出的改进的基于非参数的气候弹性方法定量评估以温度为主的气候要素对阿克苏河径流变化的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阿克苏河流域位于天山中段西部南麓地区，塔里木河盆地西北部（75°35′—80°59′E，40°17′—42°27′N），地势西北高，东南低，垂直地带分布显著，地形由南向北、由西向东逐渐下降。流域面积约5×108km2，塔里木河的主要补给来源[20]。该地区属于大陆性干旱气候，气候干旱，降水稀少，蒸发量大，日照时间长，光热资源丰富[21]。径流主要来源为大气降水、冰川和季节性积雪融水以及少量的地下水补给[22]。年极端最高温度和最低温度分别为40.2 ℃和27.6 ℃，年平均日照时间为2 850 h。库马拉克河和托什干河是其2条主要支流，在喀拉都维汇合形成阿克苏河，山区是阿克苏河的主要产流区，复杂的气候条件导致了径流的不规则波动[22]。本研究中选取了流域内位于山区的3个具代表性的水文站（表1，图1）：沙里桂兰克、协和拉、西大桥和各站1956—2011年的实测径流资料以及流域内自1956—2011年的逐日降雨、日平均气温、日最高、最低气温、平均相对湿度、平均风速、日照时间等气象资料，综合后分别求算各水文、气象指标的年平均值并基于Penman-Monteith综合法计算流域内潜在蒸散发值。

表1 阿克苏河流域水文站概况 Table 1 General situation of hydrological stations in Aksu River basin

图1 研究区位置及水文站分布 Fig.1 Location of study area and distribution of hydrological stations

book=117,ebook=3

1.2 研究方法

1.2.1 弹性理论方法

弹性理论可以用来检测自变量对因变量的影响[17]。为了定量评估气候因素对径流变化的影响，首先假设径流变化归因于气候因素和非气候因素相关的变化（如人类活动和其他因素）可以近似如下：

式中：Q、C和N分别代表径流，气候要素（本研究中包括（温度（T）、降雨（P）和潜在蒸散发（PET）），和非气候要素的变化量，f＇代表径流的变化率。

式中：Ci分别代表各气候要素（温度（T）、降雨（P）、潜在蒸散发（PET））。本研究中假设各要素对径流变化的影响作用相互独立，那么式（1）、式（2）可以改写为：

式中：QCi表示由要素Ci变化所引起的径流变化量，该式可用于区分径流变化中气候和非气候要素的影响。

根据Schaake[23]的定义，径流的气候弹性可写为：

式中：εi为径流对气候要素变化的弹性系数。基于式（6），可将式（4）、式（5）改写为：

遵循以前的研究结果[17]和上述公式，可依据下式直接根据观测值确定径流和气候要素间的关系：

式中：Qj和Cij表示年气候要素值和径流量（j=1956，1957，…，2011）；Qb和Cib是径流和气候要素的基准值（后文将有具体说明）。因此，ɛi可被看作（Qj-Qb）/Qb和（Cij-Cib）/Cib的线性回归系数。为了定量识别1956—2011年由气候要素所引起的径流变化，径流变化率的计算式为：

式中：ΔCi和ΔQ是1956—2011年气候要素和径流量的改变量；Φi是气候要素对径流变化的相对贡献率。为了验证本研究结果的合理性，同时选用了2种具有较高有效性和稳定性的基于非参数的弹性方法来探究年径流对气候要素变化的敏感性[12,24]，计算式：

式中：为多年平均气候要素值；Xi为年平均气候要素值；为多年平均径流；Qi为年平均径流。

1.2.2 突变点监测方法

非参数Mann-Kendall-Sneyers检验被广泛应用于确定气候因子和径流的阶跃变化点的出现[25-26]。x1，„，xn代表数据的时间序列。

式中：tk为mi的累积序列；mi为序列中满足后项大于前项条件的累积次数。在时间序列服从随机独立条件假设的条件下，统计量的均值和方差计算式为：

最后定义统计量：

为了获取统计量UBK，将径流数据时间序列按逆序排列，重复式（12）、式（13）、式（14），规定UB1=0，在给定显著水平下，若UFK和UBK曲线在置信区间中存在交点，则该交点即为理论突变点。

1.2.3 趋势性检验

Mann-Kendall非参数趋势检验，由于计算简单且不受少数异常值的干扰，适用于水文和气象等非正态分布的数据检测[27]。在本研究中应用Mann-Kendall法检测研究区内径流、温度、降雨、潜在蒸散发的显著性趋势。

2 结果与分析

2.1 径流和气候要素趋势性分析

图2为1956—2011年阿克苏河的年径流量、温度、降水和潜在蒸散量的变化。Mann-Kendall检验结果表明，径流和温度分别以11.73 m³/(s·10 a)和0.26 ℃/10 a的速率呈显著的递增趋势（P<0.01）。降雨以14.31 mm/10 a的速率递增（P<0.05），而潜在蒸散发却以21.89 mm/10 a的速率显著递减（P<0.01）。

运用Mann-Kendall-Sneyers检验方法，对1956—2011年阿克苏河的径流量进行突变点检验。年径流量序列突变点的计算结果见图3。UFk和UBk曲线的交点表明径流突变点在95%的置信水平上发生在1993年。该检验结果与以前阿克苏河地区的研究结book=0,ebook=4果基本一致[19,21]。随后为了进一步研究气候要素对径流变化的影响，对降雨、温度、潜在蒸散发都进行了相同的检验。检验结果表明，温度（1993年）、降雨（1991年）和潜在蒸散发（1994年）的突变点都发生在20世纪90年代初，也就是说，在1994年之后，由于气候要素的影响，径流量发生了显著的变化。因此，本研究将1956—1993年的多年平均径流量和气候要素作为衡量径流与气候要素变化的基准值。计算结果表明，阿克苏河1994—2011年的径流量、温度和降雨分别相对于1956—1993年增长了23.1%、32.4%和22.5%，而潜在蒸散发减少了7.6%（表2）。

表2 阿克苏河径流与气候要素变化情况（1956—2011年） Table 2 Changes of runoff and climate factors in Aksu River (1956—2011)

图2 年径流量与气候要素变化趋势 Fig.2 Trends in streamflow and climate factors

图3 阿克苏河径流M-K-S检验 Fig.3 The M-K-S test of annual streamflow for Aksu River

2.2 径流敏感性系数

图4为温度、降雨、潜在蒸散发和径流量之间的线性回归关系。阿克苏河1956—2011年径流量与温度、降雨变化率之间显著正相关（图4（a）、图4（c）），潜在蒸散发变化率与径流量之间显著负相关（图4（b））。由线性回归方程的系数即为所求的气候弹性，由图4可得到径流相对于温度（εT）、降雨（εP）和潜在蒸散发（εPET）的弹性分别为1.138、0.270 8和-1.003，这意味着温度、降雨和潜在蒸散发每增加1%将导致径流增加1.138%、0.270 8%和 -1.003%。阿克苏河径流变化对温度变化的响应最为敏感，潜在蒸散发次之，对降雨量的变化响应最不敏感。此外，由回归关系所得的气候弹性结果与式（10）、式（11）计算所得的结果基本一致（表3），侧面验证了结果的可靠性。

2.3 气候要素对径流变化的影响

基于气候变化速率和径流对降雨量、温度和潜book=0,ebook=5在蒸散发变化的弹性系数，利用式（9）可以定量评估气候因素对径流变化的相对影响（表3）。由表3可知，温度的变化对阿克苏河1956—2011年来径流变化的影响最大，推测这应该与阿克苏河上游冰川融雪水的径流补给比例较大有关；此外，该地区温度上升速度为0.26 ℃/10 a，高于同期全国平均增温速率（0.249 ℃/10 a）[4-5]。特别是相对于温度呈下降趋势的西南地区[28]，温度对阿克苏河径流变化的影响程度更加剧烈。

与此同时，由表3、表4可以看出，3种气候弹性方法（式（8）、式（10）、式（22））的最终计算结果基本一致，这意味着本研究所采用的弹性系数的计算方法在阿克苏河地区的应用结果是基本可信的，本研究的结论具有一定的合理性和可靠性。以3种计算方法的均值作为最终的结果，温度、降水和潜在蒸散发对阿克苏河径流变化的相对贡献率分别为46.7%、20.5%和24.9%，这表明其他因素（如人类活动等）对径流变化的相对贡献大约为7.9%，说明气候要素是阿克苏河径流变化的主导因素。

表3 基于不同弹性系数法的气候因素对径流变化的影响结果 Table 3 Influence of climate factors on streamflow changes based on different elastic coefficient methods

表4 基于不同气候弹性系数法的气候要素相对贡献率 Table 4 Relative contribution rate of climate elements based on different climate elasticity coefficient methods

图4 阿克苏河1956—2011年径流变化率与 气候要素变化率的回归关系 Fig.4 The regression relationships between the proportional change of streamflow and climate factors for Aksu River from 1956 to 2011

book=0,ebook=5

从目前的研究来看，阿克苏河流域温度的变化是径流变化中最主要的影响要素（46.7%），而非气候因素（如人类活动等）对径流变化的影响不大，1956—2011年来径流的变化只有约7.9%的变化是由非气候要素变化所引起的。这与该区域以前的研究基本一致[17,20]，但这一结论存在着一定的矛盾，非气候要素（主要指人类活动）与气候变化之间并不是完全割裂的2类过程，而是存在一定的相互作用关系[1,7,12]。以人类活动为例，人类活动的不断发展显著影响了地球上的水文与能量循环以及水热平衡，一定程度上促使了气候变化的发生与发展[24,29]，反之，气候的变化也会影响人类活动的举措与剧烈程book=120,ebook=6度[10-11]。因此，本文中温度、潜在蒸散发等气候要素对径流变化的影响中理应包含一部分人类活动所产生的影响，但本研究主要旨在探究径流变化对气候要素变化的定量响应情况，气候变化与人类活动之间的耦合作用的深入探讨暂不是本文的研究范围，尚有待在后续研究中做进一步的分析与讨论。

此外，尽管阿克苏河上游来水量不断增加，但塔里木河干流径流量在1956—2011年来却呈递减的倾向，并且人类活动是干流径流量减少的主导因素[1,2,16]。这与本研究的结果存在一定的冲突，究其原因，造成这种现象的原因主要有以下几点：

1）阿克苏河冰川融雪水补给径流比例较大（约42%），阿克苏河又处于我国气温变化的敏感地带，温度的上升加速了上游山区的冰雪融化，继而增加了河道的冰雪融水补给。此外，研究区气温呈明显的上升趋势，上升速度为0.26 ℃/10 a，高于同期全球平均水平（0.13 ℃/10 a），蒋艳等[22]分析指出，随着阿克苏河流域内气温的逐渐增加，以冰川融雪为主要补给来源的阿克苏河流域山区径流量显著的上升。

2）本研究选取的水文站位于山区和出山口，对山区径流变化上具有较好的代表性，而山区的人类活动强度较弱，因此以人类活动为主的非气候要素对径流变化的影响不大。此外，山区受冰雪融水补给量大，水文环境较原始，因此对气候变化的响应情况更为敏感。

3）人类活动对径流的影响主要包括直接的水资源开发利用和对下垫面条件的间接影响两方面[30]。阿克苏河作为新疆重要的棉花和粮食生产基地，人类活动对径流的影响主要体现在灌溉面积的激增所带来的水资源量的剧烈消耗[6,16]。但阿克苏河灌区主要分布在下游平原地区，对山区的开采利用还比较少，随着人类活动不断地加剧，尤其是阿克苏河流域灌溉农业的飞速发展，灌溉面积将不断向上游扩张，流域上下游的耗水量都呈现出显著的递增趋势，人类活动将会对径流变化产生越来越重要的影响。此外，由于阿克苏河下游绿洲农业的扩张，以及高耗水作物棉花的广泛种植，大量消耗了上游增加的来水量[6]，从而导致补给干流的水量减少，结合干流愈发剧烈的人类活动的影响，使得塔里木河干流的水量逐年减少。

4）由于非参数方法评估气候弹性是假设每一种气候要素之间都是相互独立互不干扰的，然而，事实上每种气候要素或是其他的相关因素之间都是相互联系的，存在着一定的相互作用，因此该类方法仍具有一定的不确定性。同时，观测值可能受不确定因素的影响进而影响计算结果，也会对结果造成一定的不确定性影响。如何降低评估过程的不确定性仍需要在今后的研究中进一步探索。

4 结 论

1）径流和温度分别以11.73 m³/(s·10 a)和0.26 ℃/10 a的速率显著递增（P<0.01）。降雨量以14.31 mm/10 a的速率递增（P<0.05），而潜在蒸散发以21.89 mm/10 a的速率呈显著的递减趋势（P<0.01）。突变检验结果表明阿克苏河水文、气象要素突变点都发生在20世纪90年代初。

2）阿克苏河径流变化对温度变化的响应最为敏感，潜在蒸散发次之，对降雨量的变化的敏感性最弱。气候变化是阿克苏河径流变化的主导原因，但随着流域人类活动的加剧，人类活动将对径流变化产生越来越重要的影响。

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Assessing the Impact of Meteorological Factors on Streamflow in Aksu River

LI Hongbin1, LIU Yating1, WANG Weiguang1,2*, PANG Maitian1

(1. College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.State Key Laboratory of Hydrology-water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

【Background】The effects of potential climate change on water flow in rivers have been well documented but with the focus putting on precipitation and potential evapotranspiration (PET). There is a lack of study on the impact of individual meteorological factors.【Objective】Taking Aksu river in Xinjiang as an example, this paper investigated the relationship between water flow rate in the river and some meteorological factors.【Method】The trends and abrupt changes in hydrological and meteorological data measured from the basin were analyzed using the Mann-Kendall-Sneyers test and Mann-Kendall nonparametric trend test; three improved elastic coefficient methods were used to evaluate the influence of the meteorological factors, particularly temperature, on water flow rate in the river.【Result】Both water flow rate in river and temperature in the basin had increased at rates of 11.73 (m3/s)/10a and 0.26 ℃/10a, respectively, at significant level (P<0.01). The precipitation trended up at a rate of 14.31 mm/10a at significant level (P<0.05), while the potential evapotranspiration had been in decline at a rate of 21.89 mm/10a at significant level (P<0.01). The test results showed that the temperature changed abruptly in 1993, the precipitation in 1991 and the potential evapotranspiration in the early 1990s. Water flow rate in the river underwent an abrupt change in 1993, indicating that water in the river has changed significantly since 1994 due to climatic impact. A multi-year average water flow rate and climate factors from 1960 to 1993 were thus used as the baseline to measure the change in water flow after 1993. From 1994 to 2010, streamflow, precipitation and temperature increased by 23.1%, 22.5% and 32.4% respectively, while the potential evapotranspiration reduced by 7.6%, compared to the averages over 1960 to 1993. The linear relationship between temperature, precipitation, potential evapotranspiration and streamflow passed the statistical test at significant level of 1%, indicating that the linear regression coefficients reflect the relationship between surface runoff and climate factors and that it can be used to deduce the climate elasticity. Sensitivity analysis showed that the elasticity of the streamflow to the temperature (εT) and the precipitation (εP) was 1.138 and 0.270 8 respectively, meaning that every 1% increase in the temperature and precipitation will lead to 1.138% and 0.270 8% increase in streamflow respectively. The elasticity coefficient of the streamflow to the potential evapotranspiration was -1.003(εPET), indicating that a 1% decrease in potential evapotranspiration would lead to a 1.003% rise in streamflow. Water flow in the river is most sensitive to temperature and least to precipitation, with the potential evapotranspiration between. It was also found that the relative contribution of temperature to streamflow was 46.7%, while the contribution of precipitation and potential evapotranspiration was 20.5% and 24.9% respectively. Non-climatic factors, such as anthropogenic activities, contributed only 7.9% to the streamflow change.【Conclusion】Our analysis showed that climate change is currently the main factor behind the streamflow change in Aksu river, despite the increasing influence of the continuous intensified anthropogenic activities at upper and lower reaches of the basin.

streamflow variation; Mann-Kendall-Sneyers test; elastic coefficient; climate change

P333.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020287

1672 - 3317（2021）01 - 0115 - 08

2020-05-30

国家自然科学基金项目（51979071）；国家级大学生创新训练项目（202010294009）

李虹彬（1998-），男。学士，主要从事水文物理规律模拟研究。 E-mail: lihongbin_hhu@163.com

王卫光（1979-），男。教授，博士生导师，主要从事水文物理规律模拟研究。E-mail: wangweiguang2016@126.com

李虹彬, 刘亚婷, 王卫光, 等. 气候因素对阿克苏河径流变化影响的定量评估[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(1): 115-122.

LI Hongbin, LIU Yating, WANG Weiguang, et al. Assessing the Impact of Meteorological Factors on Streamflow in Aksu River[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(1): 115-122.

责任编辑：赵宇龙