气候变化对头屯河流域径流的影响研究

刘海波

(新疆头屯河流域管理局，乌鲁木齐 831100)

1 概 述

近年来，世界范围内极端事件频发，尤其在干旱及半干旱地区，流域内水资源对气候变化响应更为敏感。西北地区有许多年径流量小于3.0×108m3的中小河流。大量专家学者对西部地区水文气候进行研究得出，新疆气候在上世纪90年代发生明显变暖，从而导致现代冰川加速融化，部分地区降水量和流量增加[1-3]。然而，对于这些位于天山北坡的中小河流，其水流变化规律尚不清楚[4-6]。本文以头屯河近55年水文气候资料为基础，对流域径流量的变化进行研究，分析径流量、降水、温度等时间序列的变化趋势，研究气候变化对头屯河流域水资源的影响，为流域的管理提供科学依据。

2 研究区

头屯河是天山北坡典型的山溪河。头屯河流域(N43°10′-N44°44′，E86°42′-E87°37′)集水面积2 885 km2，现代冰川面积20.03 km2。南部河流上游高寒地区降水量相对丰富，中低山区降水量较少，来水量仅占总产水量的10%左右，虽然这些地带的面积占总集水面积的44.08%，但在北部沙漠地区降水稀少。流域年平均降水量358.5 mm。流域降水时间分布不对称，主要集中在6-8月份，占全年降水总量的33.8%～50.2%，冬季最少，春季显著增加，秋季减少。

头屯河流域共有东南山谷、制材厂、硫磺沟和哈地坡4个水文站。制材厂水文站上游地区是头屯河流域产流的主要区域，平均海拔2 774 m，其径流量占总产流量的比例约为90%。头屯河流域特征见表1，头屯河主要受高寒地区冰川融化、夏季降雨、季节性积雪融化和地下水的补给。

表1 头屯河流域参数

3 数据和方法

3.1 数据收集

本文使用的数据是在头屯河上游的制材厂水文站的数据。本站有长期水文资料记录，水文断面上游的用水量可忽略不计。因此，该站所记录的水文资料可以用来揭示头屯河天然流量的变化趋势。本文采用年平均径流量和月平均径流量资料，并利用月降水量和月平均气温资料，揭示造成径流变化的原因。

3.2 分析方法

采用M-K非参数检验方法对水文过程的可能趋势进行检验。非参数统计和检验方程如下：

(1)

式中：xk和xi为连续值；n和t分别为数据集的长度和“节点”的宽度，并且表示所有节点的总和。

另一个用来判断趋势的指数表示为：

(2)

(3)

其中：1

4 结 果

4.1 径流趋势分析

从图1中可以看出，头屯河径流量近55年整体呈减少趋势。流域径流量变化主要经历3个阶段，1961-1982年的丰水期，1983-1997年的枯水期以及2998-2015年的丰水期，上世纪80年代初径流量开始显著减少，直到90年代末开始增加，后期维持在较高水平。

为了研究径流量随时间的变化规律，对月径流量数据进行M-K非参数检验，结果见表2。由表2可知，1、2和5月份的月径流量呈上升趋势，8-10月份期间明显减少，其他月份没有明显变化。其中8、9、10月份的径流量占全年径流总量的32.12%，而流量增加的1、2、5月份仅占11.79%。因此，头屯河年径流量的减少趋势主要受8-10月份流量减少的影响。

图1 头屯河近55年流量变化

表2 头屯河平均月流量检测

天山北坡河流流量的时间分布极为不对称。河流入流主要发生在夏季，这主要取决于河水的补给方式。头屯河6-8月份径流量占全年径流量的64.4%～65.7%，8-10月份占32.13%，8-10月份径流量的变化对趋势影响较大。月径流量在8-10月份的单调减少趋势中，8月份的减少趋势最为显著(表2)。从头屯河流量的时间分布来看，7月份是流量最大的月份(图2)，仅次于8月份，7月份径流量占全年径流总量的31%。这一时期的产流受山区融雪和降雨的双重影响，与气候波动密切相关。

图2 头屯河径流量分配

4.2 相关气候因子分析

近55年来，头屯河流域山区降水量没有明显的单调变化趋势，而气温却有显著的上升趋势。在此基础上，对流域的降水和温度的时间序列进行了检验。结果表明，6-9月份降水量最大，对径流影响较大，6、9月份月降水量呈明显减少趋势，8月份无明显变化趋势；7月份降水量略有增加(表3)。夏秋两季降水量呈减少趋势，但降水对径流的影响最大。10-12月份降水量呈增加趋势，有利于保持年平均降水量的整体平衡。山区降水为降雪，没有形成径流，因为气温从10月份开始下降，11月份的月气温下降至-3.3℃。此外，气温的升高导致蒸发量的增加，初春季节性积雪融化缓慢，随着季节性积雪的不断融化和气温的持续升高，融雪对径流的贡献减小。说明降水是天山北坡中小河流产流的重要因素，也是影响年径流量变化的关键因素。

表3 头屯河降水量及温度检测

对头屯河流域气温长期趋势的观测结果表明，上世纪90年代至2000年初，比60年代和70年代分别提高0.46℃和0.44℃。对温度序列的分析表明，夏季5-10月份气温上升最为显著。由于温度升高和蒸发，许多淡水可能蒸发掉，补给量可能减少，这与天山以南塔里木河流域的情况有明显不同。尽管冰川的融化加速了冰川流入量的增加，天山北坡冰川融水补给河流的比例较低，如头屯河流域仅为6.5%。因此，头屯河流域来水减少，也揭示了降水的季节变化是导致头屯河流域径流减少的主要原因之一。

5 结 论

本文以头屯河流域径流量、降水和气温资料为基础，采用M-K非参数检验方法，对流域径流量时间序列、气温的时间序列以及降水时间序列进行检验。结果表明，上世纪70、80年代为相对枯水期，山区来水较长期平均分别减少6%和9%；90年代水情较70、80年代有所改善，但年径流量减少4.0×105，比上世纪60年代增加7.2×105m3，2000年以来径流量持续缓慢降低。近55年来，流域气温呈上升趋势。20世纪90年代，流域气温分别比60年代和70年代上升0.46℃和0.44℃，然而，天山北坡流域的现代冰川并不多。河流冰川融雪补给的比例较低，温度升高导致的冰川加速融化对河流流量的影响不明显。