塔河下游河道生态输水对气候变化的影响探讨

塔衣尔·艾尔肯

（新疆塔里木河流域干流管理局,新疆 库尔勒 841000）

0 引言

从20 世纪50 年代开始,气候变化及人类对水土资源的过度开采导致塔里木河流域下游河道干涸、地下水位骤降、断流、沙漠化加剧。包括气温升高、蒸散发加剧、水量消耗增加等在内的气候变化会改变流域水资源总量,使洪水、旱灾、内涝等灾害性事件发生频次和强度增大,加重干旱区流域水资源短缺矛盾。对塔河下游所进行的生态输水,使下游河道水循环过程进一步改善,区域小气候发生变化。针对塔河下游河道生态输水的研究大多集中在输水效益评估、下游河道生态水文过程演变等方面,而对于生态输水对下游河道气候变化的影响尚无相关分析探讨。本文以塔河下游国家级气象站气温、降水等基础性资料为依托,进行了生态输水前后标准化降水蒸散指数、土壤干旱指数等指标变化趋势特征的对比分析,从而揭示出生态输水对塔河下游河道气候变化的影响,以期对塔河下游战略性生态输水积极意义进行客观评价,并为流域水资源管理和可持续利用提供科学指导。

1 塔河下游河道生态输水概况

1.1 研究区概况

塔河由和田河、叶尔羌河、阿克苏河等数条源流汇聚而成,全长1321 km,流域生态十分脆弱,近年来随着流域周围灌溉农业的大规模发展及水土资源的过度开发,源流汇入水量急剧减少,塔河下游河道一度出现断流干涸局面。1972 年大西海子水库建成后塔河下游阿拉干断面以下彻底断流,地下水埋深也从此前的3.0 m～5.0 m下降至11.0 m～13.5 m,天然植被大面积衰败,绿色走廊濒临消亡。为此,从2000 年开始,国家启动塔河综合治理工程,从大西海子水库调水向塔河下游进行战略性生态输水,到2020 年经过20 次生态输水后预期输水目标基本完成,塔河尾闾台特玛湖昔日自然景观得以重现,自然成为国内外干旱区受损生态环境修复的典型范例。

1.2 生态输水概况

自2000年开始,塔河先后向其下游河道进行了20 次生态输水,截至目前,从大西海子水库累计下泄生态水量81.6×108m3,年输水量均值4.34×108m3,塔河综合治理规划所制定的3.5×108m3的下泄水量目标已然实现。由图1 可以看出,除2008年外的其余年份均有水量下泄,且2003 年、2010年～2013 年、2015 年～2018 年从大西海子水库下泄的水量均超过3.5×108m3。

图1 塔河下游河道生态输水量

2 研究方法

采用Mann-Kendall非参数检验进行时间序列趋势分析和突变检验,并通过Pettitt突变检验技术进行塔河流域径流长序列突变分析[1],以便准确确定突变点所在及突变量,同时进行突变点统计意义判断。Pettitt突变检验技术原假设H0序列不存在突变点,如果满足以下条件：

则 为突变点,并进行统计量计算：

式中：n为序列长度；Ut,n为根据第1个样本序列大于第2个样本序列次数统计而成的新序列。如果所得到的统计量p ≤0.05,则突变点 存在显著统计意义,且为受检验序列的一级突变点；以突变点 为分界线将原序列划分为两个子序列后,再重复以上过程继续检测新突变点,最终得到多级突变点[2]。

本文主要采用温度植被干旱指数（TVDI）进行植被分布特征分析,并结合降水、气温等气候因子计算塔河下游6 个月及12 个月时间尺度的标准化降水蒸散指数（SPEI）,根据结果进行项目区干旱时空演变分析,SPEI等级标准见表1。

表1 标准化降水蒸散指数（SPEI）等级

为进行极端降水指数小波周期分析,本文还应用了MATLAB软件的Wavelet分析方法。

3 下游气候变化分析

3.1 气温及降水变化

选取塔河下游尉犁国家级气象站1960年～2020年的气温和降水数据,并进行Mann-Kendall单调趋势检验,根据检验结果,1960年～2020年间该气象站所测平均气温为11.21℃,趋势检验值取6.38,高出0.01 检验水平下2.56 的检验值,表明气温以较显著趋势升高,增速为0.027℃/a。1960年～2020年间该气象站所测降水量均值为36.42 mm,趋势检验值1.29,比0.01检验水平下1.98 的检验值低,表明降水量以不显著趋势增大,增速为0.15 mm/a。运用Mann-Kendall单调趋势检验法进行该气象站气温、降水变动趋势检验,结构见图2和图3,图中所示UFk和UBk的交点即为突变点[3]。

图2 尉犁气象站气温变动趋势Mann-Kendall检验结果

由图2可知,1960年～2020年间该气象站气温增加趋势明显,UFk和UBk的交点（即气温突变点）出现在1996年,此前UFk曲线在UBk曲线之下,此后则表现出相反的变动趋势,突变量为1.06℃。

根据对图3的分析,1960年～2020年间该气象站降水量表现为不显著的增大趋势,且UFk和UBk曲线变动趋势一致,在1993年之前UFk在UBk曲线之上,1993 年之后两曲线表现出多次交叉,但分离趋势不显著,表明,该测站降水量在1993年存在不显著突变,突变量1.48 mm。

3.2 降水蒸散指数变化

研究区标准化降水蒸散指数（SPEI）主要根据气象站气温及降水资料推算,并根据推算结果进行干旱等级划分及变动趋势预测,SPEI逐年变化趋势见图4。由图可知,1960 年～2020 年间该气象站年度SPEI呈整体下降趋势,说明以该气象站为代表的项目区趋向干旱化。根据前述分析,该气象站降水量表现为不显著的增大趋势,而气温显著升高,则蒸发持续加速后便造成项目区干旱化趋势的不断加剧。根据对图4中SPEI逐年变化趋势的分析还可以发现,1993年后SPEI数值由正转负,变动剧烈,此前仅若干年份（1978 年和1986 年）出现轻旱和中旱,而1993 年以后干旱情势加剧,仅若干年份无旱,其余年份均为干旱甚至重旱状态,2001 年出现特旱。

3.3 干旱指数变化

植被干旱指数（TVDI）主要根据光学和热红外遥感通道数据反演项目区表层土壤水分变化情况,本文主要以该指标进行塔河下游生态输水后土壤水分变化情况的评估。

应用ENVI5.0遥感影响处理软件进行项目区2000年～2020年Modis-EVI及Modis-LST数据分析,并计算得出相应年份塔河下游温度植被干旱指数（TVDI）逐年平均取值,结果见图5。由图可知,进行塔河下游生态输水后下游河岸带和湖区TVDI值表现出下降趋势,且年均减小量为0.008,充分说明塔河下游2000年～2020年间土壤含水量是增长的。根据水量转化程度,塔河下游河道生态输水量有至少40%转化为土壤水,其中河岸带和湖区TVDI也呈逐年减小趋势,表明此类区域均呈湿润化发展。

图5 河岸带+湖区温度植被干旱指数（TVDI）逐年均值

根据塔河下游生态输水后河道2000年～2020年温度植被干旱指数（TVDI）的空间分布情况,采用Mann-Kendall趋势检验进行土壤干旱指数逐象元分析计算,并最终得出TVDI空间变化趋势规律,具体见表2。根据图中计算结果可以看出,塔河下游河岸带和湖区土壤干旱指数均呈下降趋势,即趋势检验值Z＜0,面积为2930 km2,占比84.75%,说明塔河下游生态输水后整体呈湿润化发展趋势。根据实地调查,TVDI呈上升趋势的区域主要分布在喀尔达依和阿拉干区间。

表2 塔河下游生态输水后TVDI空间趋势及占比

4 结论

综上所述,自2000年对塔河下游进行生态输水以来其下游河道气温增加趋势明显,且1996年出现气温突变点后气温急剧显著升高；降水量则表现为不显著的增大趋势,在气温和降水的综合作用下,河道下游蒸发加剧。根据对降水蒸散指数变化趋势的分析发现,项目区自1993年以来干旱化趋势加剧,2001年甚至出现特旱,而生态输水后这种局面有所逆转。通过分析塔河下游河道生态输水后植被干旱指数（TVDI）的变动趋势发现,除极个别沙漠化区域外,其余河岸带和湖区土壤均呈湿润化发展,对于塔河下游水生态系统的恢复较为有利,这也为以后塔河下游河道生态输水战略的持续进行提供了依据。