塔里木河下游气候变化与生态输水之间的关系分析

王光焰，徐生武，谢志勇

( 新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

1 概述

气候变化可以改变区域的水文循环过程，例如气温升高、蒸散发加剧，水量耗散增加，在降水一定的前提下，产汇流的减少[1]。气候也会导致流域水资源总量发生变化，使极端灾害性事件如洪水、内涝、旱灾等发生频率和强度大幅度增加[2]，这将更加加重干旱地区流域水资源短缺的问题，影响着人类社会水资源的开发、利用以及规划和管理 。

自20世纪50年代起，气候变化的驱动与人类过度的水土资源开发引起塔里木河下游水资源盐渍化、湖泊干涸、地下水位下降、沙漠化加剧及河道断流等生态问题[3- 4]。迄今为止，塔里木河下游开展生态输水工程20余次，恢复了下游的生态环境[5- 6]。生态输水在满足下游植被正常生长的基础上，也会改变该区域水循环过程，从而导致区域小气候发生变化[7]。针对塔里木河干流输水，多数研究从输水效益及评估开展了大量的研究[8- 12]，也有研究探讨了气候变化对塔里木河下游生态水文过程的影响。然而，生态输水后，塔里木河下游气候变化与生态输水之间的关系尚不清楚。

本文利用塔里木河下游各水文断面径流、气象资料，选取气温、降水、土壤干旱指数(TVDI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)等气候因子，对比分析以上因子在生态输水前后的变化特征，揭示塔里木河下游的径流变化与气候因子之间的相关关系。采取GIS空间分析，分析了气候因子的时空特性。本文旨在研究生态输水对塔里木河下游局部小气候的影响，为塔里木河下游水资源可持续利用提供科学支撑。

2 研究区概况

塔里木河下游位于塔克拉玛干沙漠和库姆塔格沙漠之间， 大西海子水库以下输水河段357 km。塔里木河下游属典型的大陆性干旱气候， 年降水量为17.4～42.0 mm， 而年蒸发潜势达2500～3000 mm， 生态环境极为脆弱[4，13]。20 世纪70 年代初， 由于塔里木河源流来水量的减少和干流上中游耗水量的持续增加， 导致下游的来水量锐减。尤其在1972 年大西海子拦河水库建成后，河道内基本无水下泄， 塔里木河下游开始出现断流、台特马湖干涸。自2000年以来， 从大西海子水库向其文阔尔河、塔里木河故道进行单通道(向其中一条河道输水)或双通道(同时向两条河道输水)输水， 下游生态环境明显改善[14]。

3 数据来源及研究方法

3.1 数据来源

(1)气象数据：气象数据主要为1957—2018年铁干里克国家气象站的逐月气温和降水数据，来源于国家气象信息中心。

(2)遥感影像数据：选取2000—2018年的增强型植被指数(EVI)及地表温度(LST)时间序列数据。数据来源于美国NASA EOS数据中心发布的MODIS MOD13Q1(EVI)及MOD11A2(LST)数据集。EVI和LST数据时间间隔分别为16d和8d，其空间分辨率为250m和1000m，分别368副和736副。

3.2 研究方法

3.2.1非参数检验

本文利用Mann-Kendall非参数检验方法，对各时间序列进行趋势检验，利用Mann-Whitney非参数检验方法进行时间序列的突变检验[15- 16]。此外，采用Pettitt突变检验法对塔里木河流域径流长时间序列的突变现象进行分析。该方法不仅能够判断出突变点的位置和数量，也能判断突变点在统计意义上是否显著。

Pettitt法定义检验统计量Ut，n公式

(1)

式中，xi、xj—待检验序列中的变量；n—序列长度；Ut，n—根据第一个样本序列超过第二个样本序列次数统计组成的新序列。

Pettitt法原假设H0为序列不存在突变点。若τ时刻满足：

Kτ=|Uτ，n|=max|Ut，n|

(2)

则τ点处为突变点。同时可计算统计量：

(3)

如果p≤0.05，突变点τ在统计意义上是显著的。τ点为被检验序列的第一级突变点；以时间τ作为分界线将原有序列分为两个时序，重复上述方法继续检测新的突变点，将得到多级突变点。

3.2.2气候要素分析方法

本研究使用TVDI来反映不同土壤干旱条件下植被的分布特征，并利用气候因子，即月均降水与气温数据计算了研究区的SPEI。SPEI具有多时间尺度的特征，本研究选用6个月和12个月尺度的SPEI，分析研究区生长季和年际干旱时空演变特征，并根据表1中的标准进行等级划分。此外，本研究还使用MATLAB软件中的Wavelet工具来实现对极端降水指数的小波周期分析[17- 18]。

表1 标准化降水蒸散指数干旱等级划分

4 结果与分析

4.1 下游生态输水分析

2000年开始起，塔里木河下游生态输水至今已进行20年，至2018年底，共实施生态输水19次，累计生态输水77.67亿m3，年均输水量4.32亿m3，实现了塔里木河综合治理规划制定的3.5亿m3下泄水量目标。根据图1和表2，除2008年外，其余年份均有水量下泄，其中2001年、2003年、2010—2013年及2015—2018年下泄水量均在3.5亿m3以上，特别是2010—2018年，年均的下泄水量达到6.07亿m3。其中，2014年输水水量最小，仅为0.07亿m3，输水时长仅为9d，平均流量为9.3m3/s；而2017年下泄水量最大，达到12.15亿m3，下泄水量天数达到252d，平均流量也为历年之最，达到了80.7m3/s。

表2 2000—2018年历次生态输水持续时间及平均流量

图1 2000—2018年大西海子下泄生态水量

4.2 下游气候变化分析

4.2.1气温及降水量变化特征

(1)趋势变化特征

基于1957—2018年铁干里克国家气象站气温及降水数据，利用M-K单调趋势检验，得到气温及降水变化趋势检验结果，见表3。根据表3，1957—2018年之间铁干里克气温均值为11.12℃，其趋势检验值Zc为6.42，远大于在0.01检验水平下的检验值(Z=2.58)，呈极显著的增加趋势，其年均增加量为0.027℃；而降水量年均值为36.15mm，其趋势检验值Zc为1.28(<1.98)，呈不显著的上升趋势，其年均增加量为0.15mm。

表3 铁干里克气象站气温及降水Mann-Kendall单调趋势检验结果

Mann-Kendall突变检验方法对铁干里克气象站气温和降水量进行趋势检验，如图2—3所示，图2和图3中UFk、UBk两实线的交点可反映径流序列的突变情况。

图2 铁干里克气温突变趋势检验结果

图3 铁干里克降水量突变趋势检验结果

根据图2，1957—2018年之间，铁干里克气温极显著的增加趋势，且UFk、UBk两实线的交叉点在1996年，即气温的突变年发生在1996年。1996年之前UFk曲线在UBk曲线之下，而1996年后，则在UBk曲线之下，且两曲线仅一次交叉，1996年后两曲线完全分离，表明1996年突变趋势明显，其突变量达到1.04℃。根据图3，1957—2018年之间，铁干里克降水量呈不显著的增加趋势，UFk、UBk两实线变化趋势较为一致，在1993年之间UFk曲线基本在UBk曲线之上，1993年，两曲线出现交叉，但分离不明显，且在1993年后两曲线发生多次交叉，因此可以看出，降水量在1993年发生不显著突变，突变量为1.53mm。

(2)气温及降水量周期性特征分析

利用复值Morlet小波分析方法用于甄别铁干里克气温和降水量的显著周期，如图4—5所示。由图4和图5可以看出其气温存在9年和8年的显著周期变化。

图4 铁干里克气温小波分析结果

图5 铁干里克降水量小波分析

4.2.2标准化降水蒸散指数变化特征分析

利用铁干里克气温和降水量数据计算得到标准化降水蒸散指数(SPEI)，并对其干旱等级划分及逐年变化特征进行分析，如图6所示。

根据图6，1957—2018年之间铁干里克年尺度SPEI呈显著下降趋势，趋势斜率(slops)为0.046，表明铁干里克趋向于干旱化。根据前文分析可知，铁干里克降水仅表现为不显著的增加趋势，而气温则表现为显著的上升趋势，由于气温增加速率过快，蒸发增加，蒸发增加的速率可能高于降水增加的速率，从而导致该区域呈现显著的气象干旱化发展的特点。此外，由图6可知1993年后SPEI出现明显的反转(即数值由正转负)，1993年前，仅1978年和1986年分别表现为中旱和轻旱，其他年份均处于无旱级别；而在1993年后，仅1995、1996、1998、2003、2015年表现处于无旱状态，其余年份中，2001年表现为特旱级别，1997、2002、2008—2009、2012—2014年及2016—2018年处于重旱级别。

图6 标准化降水蒸散指数(SPEI)分级及逐年变化特征

4.2.3土壤干旱指数时空变化特征分析

土壤干旱指数(TVDI)是一种基于光学与热红外遥感通道数据进行植被覆盖区域表层土壤水分反演的方法，被广泛应用于大范围、大时间尺度的干旱监测，因此，本研究选取这一指标用以评估实施生态输水后塔里木河下游(含河岸带及湖区)土壤水分变化特征。

(1)土壤干旱指数逐年变化特征

利用2000—2018年Modis-EVI和Modis-LST数据，借助遥感影像处理软件ENVI5.0，参照土壤干旱指数计算方法，处理得到2000—2018年塔里木河下游TVDI的逐年均值，如图7所示。

图7 生态输水后塔里木河下游(河岸带和湖区)

根据图7，生态输水实施后，塔里木河下游TVDI整体呈下降趋势，年均减少量为0.008，表明2000—2018年之间下游土壤含水率增加，呈湿润化发展。根据前文生态输水后水量转化研究结果，40%以上的输水水量转化为土壤水，生态输水有效地改善了塔里木河下游土壤含水率。其中，河岸带及湖区年均减少量分别为0.009和0.008，均呈湿润化趋势。河岸带及湖区TVDI年际变化均较明显，这与生态输水水量的年际变化有关。特别在2000—2006年之间，台特玛湖湖区TVDI下降十分显著，这与生态输水初期水量转化情况相一致，生态输水进入湖区后，包气带水分得到补给含水率持续增加，使得土壤干旱指数明显下降；而2007—2009年之间，生态输水水量减小造成无水进入湖区，使得湖区土壤干旱指数明显变大；2010年后，随着生态输水水量的增加，湖区土壤干旱指数又持续下降。

为细致刻画塔里木河下游土壤干旱指数的空间变化特征，本研究将TVDI划分为小于0.6、0.6～0.7、0.7～0.8、0.8～0.9及大于0.9五个等级，借助ArcGIS平台，最终得到2000—2018年TVDI各等级空间分布图，如图8—9所示。

根据图8和图9，受年际输水水量差异及植被生长等因素影响，2000—2018年之间，塔里木河下游河岸带与湖区TVDI时空差异均较明显，且河岸带年际变化更为明显，河岸带干旱程度强于湖区。对于台特玛湖湖区，土壤含水率低值区(TVDI>0.9)的面积占比且随着生态输水水量的增加而逐步减少，2000—2006年之间，土壤含水率低值区面积占比由80.7%减少至3.6%，但在2007—2009年之间，随着入湖水量的锐减，其面积占比又增加至40%以上，2010后，随着生态输水工作连续性的维持和输水水量的增加，台特玛湖区域内土壤含水率低值区面积占比基本减少至20%以下，尤其是2018年，土壤含水率低值区面积占比仅为2.7%。

图8 2000—2018年塔河下游河岸及湖区土壤干旱指数(TVDI)空间变化特征

续图8 2000—2018年塔河下游河岸及湖区土壤干旱指数(TVDI)空间变化特征

图9 2000—2018年塔河下游河岸及湖区土壤干旱指数(TVDI)等级比例变化(A-河岸带，B-湖区)

(2)土壤干旱指数空间趋势特征

基于2000—2018年的土壤干旱指数的空间分布数据，借助ArcGIS的空间分析功能，利用Mann-Kendall趋势检验，逐象元地计算土壤干旱指数的趋势，并参照趋势检验值和差值分级，最终得到TVDI空间变化趋势分布结果，如图10和表4所示。

根据图10和表4，塔里木河下游土壤干旱指数以下降趋势(Z<0)为主，其面积占比为82.53%，表明塔里木河下游整体呈湿润化发展。其中，呈微下降趋势(-1.961.96)趋势的面积占比分别为14.79%和0.46%。塔里木河下游河岸带土壤干旱指数呈下降趋势(Z<0)的面积占比为84.17%，呈上升趋势(Z>0，干旱化)的面积占比为15.83%，其主要分布于喀尔达依及阿拉干区间内。台特玛湖湖区土壤干旱指数呈下降趋势(Z<0)的面积占比为84.75%，而呈上升趋势(Z>0)的面积占比为15.25%，其主要分布于湖区南侧。

表4 塔里木河下游土壤干旱指数空间趋势比例

图10 塔里木河下游土壤干旱指数空间趋势分布图

5 结论

1957—2018年之间，研究区气温呈极显著的增加而降水整体呈不显著的上升趋势。但是，SPEI呈显著下降趋势，表明气候趋于干旱化。1993年后SPEI出现明显的反转，1993年前以无旱级别为主，1993年后以中旱和重旱为主。生态输水后，塔里木河下游土壤干旱指数整体呈下降趋势，表明下游土壤含水率增加。下游湿润化的土壤面积占比为82.53%，且河岸带年际变化更明显，表明生态输水促进了塔里木河下游的土壤呈湿润化。然而，呈上升趋势即干旱化的区域主要分布在喀尔达依及阿拉干区间内及台特玛湖湖区南侧。因此，本研究也为未来生态输水范围的确定提供了重要的指导。