塔里木河流域枯水流量變化特征及其成因分析

塔里木河流域枯水流量變化特征及其成因分析

塔里木河流域（以下簡稱塔河）位于歐亞大陸腹地，遠離水源。此外，高山上的降水非常少。這是典型的干旱半干旱地區(qū)。流域內(nèi)農(nóng)業(yè)是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū),“荒漠綠洲、灌溉農(nóng)業(yè)”是該區(qū)域的顯著特點。干旱是塔河農(nóng)業(yè)最普遍、最主要的一種自然災害。據(jù)統(tǒng)計1990-2007年塔河流域旱災平均受災面積、旱災平均成災面積和旱災平均絕收面積分別是22.4萬hm2,14.5萬hm2,2.5萬hm2,而2000-2007年的旱災平均受災面積、旱災平均成災面積和旱災平均絕收面積分別是27.2萬hm2,18.4萬hm2和3.5萬hm2,旱災發(fā)生的范圍和成災面積呈逐年增加的趨勢。塔河流域是我國長絨棉的主產(chǎn)區(qū),是我國最大的植棉基地,是我國具有強烈地域特色的重要特種果品的生產(chǎn)基地,是國家重要的能源基地,也是我國灌溉面積比重最大省份。塔河流域是新疆水資源量最少的地區(qū),塔河流域灌溉農(nóng)業(yè)最大限度的利用河川徑流和地下淡水資源,枯水流量的變化直接影響塔河農(nóng)業(yè)的發(fā)展成為一個重要的研究課題。國內(nèi)外很多的學者從氣候變化和人類活動等方面探討了對塔河流域水資源的時空分布、趨勢變化的影響。ZHANG等從降雨和氣溫角度研究氣候變化對塔河流域徑流趨勢變化;葉民權(quán)等對新疆的自然災害進行綜合區(qū)劃。這些成果對于塔河流域的水資源管理以及生態(tài)保護提供一定的科學依據(jù)。需要提及的是,塔河流域枯水流量的研究不多,更無有關(guān)塔河流域枯水徑流演變特征及成因的成果,而枯水徑流的研究對于流域水資源配置、合理安排區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等具有重要意義?；诖?本文通過對該區(qū)域長序列枯水流量數(shù)據(jù),在系統(tǒng)搜集水庫和灌區(qū)資料等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,揭示流域氣候變化和人類活動對枯水流量的影響機制,并分析枯水流量對流域的社會經(jīng)濟的影響。該項研究對于科學理解在當前氣候變化與人類活動雙重影響下,塔河流域的抗旱、水資源規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境演變有重要科學與現(xiàn)實意義。1年最小連續(xù)7d平均流量本文所分析數(shù)據(jù)為塔里木河流域8個主要水文站1962-2008年最小連續(xù)7d平均流量。數(shù)據(jù)均來自塔里木河流域管理局,部分缺失數(shù)據(jù)通過與相鄰水文站水文序列建立回歸關(guān)系進行插補(R2>0.8)。圖1中標注的大中型水庫和灌區(qū)等資料來源于新疆通志。2時間序列的自相關(guān)性研究本文主要采用非參數(shù)Mann-Kendall(以下簡稱M-K法)趨勢突變檢驗法、線性趨勢等分析方法。國內(nèi)外許多文獻研究了時間序列的自相關(guān)性對M-K檢驗結(jié)果的影響。Storch等建議在進行M-K檢驗之前對時間序列進行“預白化”(Prewhiten)處理。所有序列在進行M-K分析之前均需要預白化處理。斜率能確定序列趨勢變化的程度,是一種非參數(shù)的計算趨勢斜率方法,該方法計算出的線性趨勢的斜率不受序列奇異值的影響,能很好的反應序列的變化程度。3結(jié)果分析3.1年生時期流量特征由表1可以看出,沙里桂蘭克和大山口徑流量主要集中在5-8月,塔河其他水文站的徑流量主要集中在6-8月份,5-8月的徑流量占到全年徑流總量的70%左右,塔河干流阿拉爾站,徑流量主要集中在7-9月份,阿拉爾站徑流量比重大于10%出現(xiàn)的月份比其他幾個站點滯后一個月;相對其他站點,大山口、黃水溝站在9月至次年5月所占的比重低于其他區(qū)域,這主要是黃水溝水文站上游是山區(qū),人類活動影響較小,途徑地區(qū)水量消耗小。而作為春播最為關(guān)鍵的4-5月份各站點(除沙里桂蘭克和大山口)徑流量僅占不到10%,其中阿拉爾流量只占到3.22%,嚴重制約當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。表2中可以看出各年代的徑流量變化不大,塔河源流在21世紀以來的徑流量是各年代的最大值,阿拉爾站在20世紀60年代達到最大,然后逐漸減小。3.2干流量趨勢的變化3.2.1枯水流量檢測圖2(a)顯示,同古孜洛克站在1965-1975年枯水流量呈下降趨勢,斜率表明枯水流量年均減少14721.6m3;1976-2008年枯水流量呈增加趨勢,枯水的增加和減小均為超過95%置信度檢驗,增加和減小不顯著?？菟髁磕昃黾?1393.0m3,枯水流量在1996發(fā)生變異?？菟髁砍霈F(xiàn)時間主要集中在1年中的第1-88天和第327-365天(即12月至次年的3月份,表中的“出現(xiàn)時間”表示離年初的天數(shù)),這主要因為和田河流域主要以冰川積雪融水和雨水補給為主,該時間段氣溫低,冰川積雪不能融化,和田河徑流量補給不足造成的。3.2.2阿拉爾站枯水流量的生長情況表1阿拉爾站在1962-1976年枯水流量呈減小趨勢,年均減小量達40378.8m3;1976-2008年枯水流量呈增加趨勢,其中1997-2008年增加顯著(超過95%的置信度檢驗),1976-2008年枯水年均增加29190.9m3,阿拉爾站枯水流量在1988年發(fā)生變異(圖2(c))。從圖2(b),(d)中可以看到兩站點變異后的枯水流量增長率大于變異前。阿拉爾站枯水流量分布在1年中的第105-177天和第331-365天,最枯季節(jié)晚于同古孜洛克站。阿拉爾站20世紀80年代初至90年代的最小枯水流量出現(xiàn)時間在第150天左右浮動(即5月底),該季節(jié)正是農(nóng)作生長的關(guān)鍵時期,其對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響是顯著的。據(jù)統(tǒng)計,該時期南疆的塔河流域發(fā)生干旱的次數(shù)明顯高于其他時期,比如1983,1989,1991等干旱年份。3.2.3枯水流量檢測玉孜門勒克站枯水流量在1962-1980年呈下降趨勢(下降趨勢不顯著),年均枯水減少流量達到1135.5m3;枯水流量在1981-2008年呈增加趨勢(2005年以后超過95%的置信度檢驗,增加顯著),年均增加枯水流量達5019.2m3,枯水流量在1995年發(fā)生變異(圖3(a))。由圖3(c)知:卡群站的枯水流量在1962-1999年徑流量呈增加趨勢,其中1991-1999年徑流增加顯著(超過95%的置信度檢驗)。該時段年均增加流量是25426.3m3;2000-2008年枯水流量呈減小趨勢,枯水年均減少103063m3,枯水流量在1971年發(fā)生突變。由圖3(b),(d)知:兩站點變異后的枯水流量增加的趨勢明顯的大于變異前的,玉孜門勒克站枯水流量出現(xiàn)時間主要分布在1年中的第1-112天和第325-364天;卡群站枯水流量出現(xiàn)時間分布在1年中的第1-128天,枯水流量出現(xiàn)的主要分布在第100天左右,從20世紀80年代中期以后,枯水發(fā)生時間有推遲的趨勢。3.2.4枯水流量變化由圖4(a),(c)知:沙里桂蘭克站的枯水流量在1962-1971年和1987-2007年呈增加趨勢的,1971-1987年的枯水流量呈減小趨勢,增加和減小的趨勢不顯著?？菟髁吭?000年左右發(fā)生變異,年均增加3154.3m3和5142.9m3;協(xié)合拉站枯水流量在1962-1967年和1977-2007年呈增加趨勢,1967-1977年枯水流量是減小趨勢,變化趨勢不顯著?？菟髁吭?992年發(fā)生變異,變異前后枯水流量年均分別增加5245.7m3和27771.4m3。兩站變異前和變異后枯水流量均呈增加趨勢,變異后枯水流量增加趨勢大于變異前。圖4(b),(d)沙里桂蘭克站枯水流量的出現(xiàn)時間主要分布在1年中的第30-40天之間,流量最低值出現(xiàn)時間與農(nóng)業(yè)需水高峰并不一致;協(xié)合拉枯水出現(xiàn)時間主要分布在1年中的第1-126天和第354-366天,從1980開始逐漸趨向1年中的第60-70天左右,比沙里桂蘭克滯后一個月左右。3.2.5枯水流量檢測圖5((a),(c))知:黃水溝站在1966-1988年枯水流量呈減小趨勢,年均枯水減少量達2581.3m3;1962-1966年、1988-2008年呈增加趨勢,其中1988-2008年枯水流量年均增加5019.2m3,枯水流量在1995年左右發(fā)生變異;大山口站的枯水流量變化在1976-1983年和1995-2008年呈增加趨勢,1972-1976年和1983-1987年呈減小趨勢。枯水流量在1997年發(fā)生變異,變異前的枯水流量年均減小3506.0m3,變異后的枯水流量年均增加4937.1m3。從圖5((b),(d))中可以看到枯水趨勢變化在20世紀90年代增加明顯,枯水流量出現(xiàn)時間主要分布在1年中的第1-144天和第331-365天,大山口枯水流量的出現(xiàn)時間在各時間段分布均勻,主要分布于第50天左右。根據(jù)統(tǒng)計資料分析,開孔河流域巴音郭楞蒙古自治的旱災發(fā)生的年份最多,而且從1979-1987年都有干旱發(fā)生,與圖5(b)的枯水流量出現(xiàn)時間吻合。4不同流域枯水流量的日變化新疆塔河流域的氣候有轉(zhuǎn)向暖濕的強勁信號,塔河流域氣溫在1987年跳躍性的增長,溫度增加趨勢顯著,加速了山區(qū)冰雪資源的消融,加大了冰雪融水對徑流量的補給?？菟髁康内厔葑兓饕軞夂蛞蛩氐挠绊?氣候變化引起了各站的枯水流量在20世紀70年代中期到2000年呈增加趨勢,卡群站和阿拉爾站分別在1991-2000和1997-2008年的枯水流量增加非常顯著。與此同時,氣候的變化引起各站枯水流量在1987年以后發(fā)生變異(卡群站除外),變異后的枯水流量增加趨勢明顯大于變異前,這也與新疆在1987左右由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的趨勢相吻合。阿克蘇河流域變異后枯水流量增加大于其他流域,大山口站和黃水溝站在變異前得枯水流量呈減小趨勢,大山口站和黃水溝站是河流的出山口,其上游的人類活動對枯水流量的影響可以不計,開都河流域降雨量沒有明顯趨勢變化,但是最高氣溫呈增加趨勢,平均氣溫在20世紀80年代達到最低,隨后氣溫呈增加趨勢。冬夏以冰雪融水和地下水補給為主的開都河的徑流量在20世紀80年最低,因此變異前的枯水流量呈減小趨勢。其余各站變異前后枯水流量呈增加趨勢,但是和田河、葉爾羌河、開都河以及阿克蘇河的協(xié)合拉站的最小枯水流量發(fā)生的時間從20世紀80年代以后開始趨向3-6月,而塔河流域3-6月是最缺水的時期,也是農(nóng)作物生長需水量最大的時期。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,塔河流域主要以春旱為主,春灌用水量占到整個作物灌溉用水量的40%,水資源供需矛盾嚴重,枯水流量時間的推遲會引起干旱的發(fā)生或加劇干旱,本文特別關(guān)注在春季枯水出現(xiàn)時間。從圖6是塔河水文站點所在的4個地級市的干旱受災面積、成災面積占播種面積的比重,圖中數(shù)字是各地級市干旱受災面積和成災面積比重最大的年份。圖6中我們可以看到20世紀90年代以來,特別是2000以后的旱災受災、成災面積都呈增加趨勢。巴州地區(qū)沒有統(tǒng)計且末縣和若羌縣的旱災面積,主要考慮開孔河并沒有經(jīng)過該地區(qū)。和田河流經(jīng)的和田地區(qū)旱災受災、成災面積所占的播種面積比例是4個地區(qū)最高(圖6(d)),其1994年的受災、成災面積占播種面積的比率達到55.3%和49.3%。阿克蘇地區(qū)受災、成災面積占耕地面積比率最小(圖6),巴音郭楞蒙古自治州的成災率(成災面積與受災面積比值)是塔河地區(qū)最高的。阿拉爾站和卡群站的枯水流量增加顯著,最小枯水流量出現(xiàn)的時間與其他幾個站點不同,主要集中在1年中的第105-177天,時間更加的推遲。由圖1和表3、表4知:阿拉爾上游地區(qū)分布著大面積的灌區(qū)、水庫以及引水攔河樞紐,這些引水工程的建成,攔截了上游的來水量,加劇春季阿拉爾地區(qū)的缺水狀況。葉爾羌河流域的水庫數(shù)量和水庫有效灌溉面積是各個支流中最大的,阿克蘇河水庫數(shù)量小于和田河流域,但是水庫庫容和有效灌溉面積大于和田河流域;渠首現(xiàn)狀供水能力與設(shè)計供水能力的比值能很好的反應工程的使用效率,葉爾羌河與和田河的使用率最低,其中葉爾羌河的渠首有效灌溉面積遠小于設(shè)計灌溉面積,各流域中和田河與開孔河的渠道防滲率最高,其他流域的灌區(qū)的水資源利用率很低。各站的枯水流量在20世紀70年代中期到2000年呈增加趨勢,但是最小枯水流量出現(xiàn)的時間變化卻不相同,這主要是因為塔里木河上游地區(qū)的灌溉面積和人口由1950的34.8萬hm2和156萬人增加到2000年的125.7萬hm2和395萬人,耕地增加將近4倍。在以水資源開發(fā)利用為核心的人類社會生產(chǎn)活動影響下,用水量翻了一番。總之,今后塔河流域日益增加的人類社會、生產(chǎn)活動將加劇春季水資源供需矛盾。通過對塔河流域的8個水文站的枯水流量的趨勢以及最小枯水流量出現(xiàn)時間的分析,得到一下有意義的結(jié)論:(1)塔河流域支流的徑流量主要集中在6-8月份,6-8月的徑流量占到全年徑流總量的70%左右,2000-2008年徑流量是各年代的最大值;塔河干流徑流量變化大于源流,徑流量主要集中在7-9月,在20世紀80年代達到最大。(2)卡群站枯水流量在1999年前呈增加趨勢,2000年開始呈減小趨勢,并在1971年發(fā)生變異;其余各站枯水流量從1962年到20世紀70年代中期或80年代呈減小趨勢,