试析气候变化在车尔臣河流域的水文效应

2011-05-03琪美格才文华

陕西水利 2011年2期

琪美格才文华

（1.新疆巴州水文水资源勘测局新疆库尔勒 841000；2.新疆巴州水利水电勘测设计院新疆库尔勒 841000）

1 概况

车尔臣河是新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州境内昆仑山、阿尔金山系中最大的河流，发源于昆仑山-阿尔金山北坡，集水面积24692km2，河源分布有6973m的木孜塔格峰，该河流经且末县处设有且末水文站，是新疆巴州南部包括昆仑山～阿尔金山在内的339170km2行政区域唯一水文站。

车尔臣河年径流量达8亿m3，是塔里木盆地东南部径流量最大的河流，历史上每年有2亿m3的水通过若羌县县境内的台特玛湖注入罗布泊，近30年内，车尔臣河仅在冬季和洪水季节才有水流入台特玛湖，现在，且末县和若羌两县每年从车尔臣河的引水量只有3亿m3。由于流沙的堵塞，车尔臣河在历史上曾三次被迫改道，使闻名西域的且末古城两度被风沙吞噬。现在，河东的沙漠仍以每年5m～10m的速度自东向西推进，直接威胁县城的安全。文章选用且末县的水文资料，就气温对河流径流量的变化进行分析。

2 影响年径流量的降水气温因素

2.1 基本资料

选用车尔臣河且末水文站1957年～2006年年径流量、1月～12月月降水量及年降水量、1月～12月月平均气温及年平均气温资料。

2.2 用逐步回归分析法挑选影响年径流量的降水气温因素

逐步回归分析是应用“双重检验”（即引进和剔除因子检验）方法，来研究具有线性关系的一个因变量与一个以上自变量之间的相关关系。

在信度α=0.10时，选用且末水文站1957年～2006年年径流量为自变量、1月～12月月年平均气温及月年降水量等26个序列为因变量进行逐步回归分析，得回归方程：

式中，Y是年径流量，X1是年降水量，X2是4月月平均气温，X3是3月降水量，X4是2月降水量，X5是5月月平均气温。复相关系数R=0.6384。

t检验与F检验：t=5.5＞t(0.001/2)=3.53，F=6.06＞ F(0.001)=5.02，说明回归分析均通过信度α为0.001的t检验与F检验，上述5个因变量可作为影响年径流量的主要降水、气温因素来进行趋势和周期分析。

由于且末水文站1957年～2006年2月、3月别有41个月无降水，且2月、3月多年平均降水量仅占年降水量的1.7%和2.6%，故不宜识别和提取连续性确定函数，本次仅对年降水量及4月、5月月平均气温进行趋势和周期分析。

3 降水气温因素趋势分析

在识别和提取时间序列的趋势函数时，可采用下列关系式作为趋势函数的近似拟合值：

式中，t=1、2、…、n，n 是样本容量。

将上述关系式中 t、t2、t3、t4、t-1、t-2、t-1/2、t1/2、et、lnt等10项按时间t的次序计算排列，可得到样本容量为n的10个时间序列。将这10个时间序列与所分析的时间序列QS(t)建立逐步回归方程，用逐步回归分析法来估计关系式中的参数bi（i=0、1、2、…、10），给出QS(t)的具体形式。若通过一定信度α的t检验与F检验，则QS(t)的具体形式就是时间序列所隐含的趋势函数。

3.1 年降水量趋势分析

在信度α=0.10时，对且末水文站1957年～2006年年降水量进行逐步回归趋势分析，得趋势函数：

t检验与F检验：t=3.03>t(0.01/2)=2.68，F=9.16>F(0.01)=7.16，说明回归分析均通过信度α为0.01的t检验与F检验。

且末水文站1957年～2006年年降水量趋势变化见图1，可见呈递增趋势。

3.2 4月月平均气温趋势分析

在信度α=0.10时，对且末水文站1957年～2006年4月月平均气温进行逐步回归趋势分析，得趋势函数：

t检验与F检验：t=2.19＞t(0.05/2)=2.01，F=4.81＞F(0.05)=4.03，说明回归分析均通过信度α为0.05的t检验与F检验。

且末水文站1957年～2006年4月月平均气温趋势变化见图2，可见，1976年之前无明显的单向增减趋势，1976年（尤其1986年）之后呈递增趋势。

3.3 5月月平均气温趋势分析

在信度α=0.10时，对且末水文站1957年～2006年4月月平均气温进行逐步回归趋势分析，得趋势函数：

t检验与F检验：t=2.24＞t(0.05/2)=2.01，F=5.03＞F(0.05)=4.03，说明回归分析均通过信度α为0.05的t检验与F检验。

且末水文站1957年～2006年5月月平均气温趋势变化见图3，可见呈递增趋势。

4 降水气温因素周期分析

4.1 年降水量周期分析

从样本序列中识别周期时，可用方差分析法进行判断。对且末水文站1957年～2006年年降水量进行方差分析，得5个周期波：

信度α=0.05时，方差比F=1.97＞F(α)=1.92，存在长度为18的第1周期。α=0.05 时，F=2.13＞ F(α)=1.91，存在长度为23的第2周期。α=0.05时，F=2.63＞F(α)=2.56，存在长度为5的第3周期。α=0.1时，F=1.81＞ F(α)=1.71，存在长度为13的第4周期。α=0.1时，F=2.85＞F(α)=2.41，存在长度为3的第5周期。

4.2 4月月平均气温周期分析

对且末水文站1957年～2006年4月月平均气温进行方差分析，得2个周期波：

信度α=0.05时，方差比F=2.02＞F(α)=1.91，存在长度为20的第1周期。α=0.1时，F=2.23 ＞ F(α)=1.73，存在长度为12的第2周期。

4.3 5月月平均气温周期分析

对且末水文站1957年～2006年5月月平均气温进行方差分析，得4个周期波：

信度α=0.025时，方差比F=2.21＞F(α)=2.2，存在长度为17的第1周期。α=0.05 时，F=4.03＞ F(α)=4.03，存在长度为2的第2周期。α=0.1时，F=1.92＞F(α)=1.81，存在长度为9的第3周期。α=0.1时，F=2.39 ＞ F(α)=1.65，存在长度为24的第4周期。

5 年径流量趋势与周期分析

5.1 年径流量趋势分析

在信度α=0.025时，对且末水文站1957年～2006年年降水量进行逐步回归趋势分析，得趋势函数：

t检验与F检验：t=4.07＞t(0.001/2)=3.51，F=8.28＞ F(0.001)=8.03，说明回归分析均通过信度α为0.001的t检验与F检验。

且末水文站1957年～2006年年径流量趋势变化见图4，可见20世纪90年代之前呈递减趋势，之后呈递增趋势。

5.2 年径流量周期分析

对且末水文站1957年～2006年年径流量进行方差分析，当信度α=0.10时，方差比F=1.80＞F(α)=1.75，此时存在唯一的第1周期，周期长度T=12，周期振幅依序为：6.03、5.69、4.90、4.78、4.31、4.70、4.50、6.87、5.87、5.48、5.80 和 4.83。

6 降水气温变化对年径流量的影响

6.1 逐步回归方程的物理成因解释

由2.2建立的降水气温与年径流量之间的逐步回归方程可见，影响车尔臣河年径流量的主要降水气温因素是年降水量、4月月平均气温、3月降水量、2月降水量和5月月平均气温，其中3月降水量、5月月平均气温为负相关，其余为正相关。其统计关系可从物理成因上解释如下：

年降水量与年径流量正相关，说明车尔臣河属于雨水补给型河流。

年降水量与4月月平均气温正相关，4月月平均气温的高低直接影响冬季冰雪融水量，说明车尔臣河又属于冰雪融水补给型河流。

由于且末水文站1957年～2006年2月、3月别有41个月无降水，故不好解释物理成因。

年降水量与5月月平均气温负相关，是因为4月月平均气温直接影响着冬季冰雪融水量，后期气温再高也无足够的冬季冰雪可供融化。

6.2 降水、气温、年径流量趋势变化比较

见图1，车尔臣河且末水文站1957年～2006年年降水量见呈递增趋势。

见图2，4月月平均气温在1976年之前无明显的单向增减趋势，1976年（尤其1986年）之后呈递增趋势。

见图3，5月月平均气温呈递增趋势。

见图4，年径流量在20世纪90年代之前呈递减趋势，之后呈递增趋势，即20世纪90年代初是年径流量趋势变化低值段。

6.3 年径流量趋势变化低值段的物理成因分析

为什么20世纪90年代初是且末水文站年径流量趋势变化低值段？这是由于该时段河流雨水和冰雪融水补给量相对偏小所致。见图1，年降水量在1990年～1994年相对偏小，说明该时期河流雨水补给量也相对偏小；见图2，4月月平均气温在1990年～1992年相对偏低，说明该时期河流冰雪融水补给量也相对偏小。

6.4 降水、气温、年径流量周期变化比较

且末水文站1957年～2006年年降水量、4月及5月月平均气温、年径流量存在不同长度的周期，但经对比分析，降水、气温、年径流量周期振幅之间无明显的同、异步关系。

6.5 1986年以来气候变化呈暖湿和暖冬态势

见图1、图2和图3，且末水文站1957年～2006年年降水量和5月月平均气温呈递增趋势，4月月平均气温在1976年（尤其1986年）之后呈递增趋势，说明1986年以来车尔臣河流域气候变化呈暖湿态势，其中冬季呈暖冬态势（不仅开春的4月月平均气温呈递增趋势，11月的入冬气温也呈递增趋势）。

6.6 暖湿和暖冬趋势对车尔臣河未来径流的可能影响

（1）车尔臣河河源分布有永久冰雪，随着气候变暖，冰雪消融量将会逐步增加，但是永久冰雪储量反而会逐步减少，所以冰雪消融量增加到一定程度后，会达到相对稳定状态并继而逐步减少。反映在河川径流量上，可能会使水源中的冰雪消融补给量呈现增加、稳定、减少的多年变化态势。

（2）车尔臣河流域汛期一场大的降水过程中，中底山带往往以降雨为主，而高山带以降雪为主，所以在暴雨洪水产生不久，由于天气过程的结束和气温的回升，紧接着会产生融雪洪水，使河流洪水过程呈现双峰或多峰的特点。随着气候继续变暖，高山带雪区有可能缩小，流域中底山带雨区有可能向高山带扩移，所以暴雨洪水之后紧接着产生融雪洪水的量级和概率有可能会减少，而暴雨洪水由于降雨产流区的扩移，洪峰以及洪量有可能增大。

（3）暖冬的持续发展将使入冬晚开春早的几率增大，一年四季中可能会呈现冬季时间短的特点，结果会使春汛因开春早而提早发生，春汛水量因冬季降雪期缩短而量级减少，即春旱有可能加剧并提早。

（4）车尔臣河流域由于分布有一定储量和面积的永久冰雪，在干旱少雨年份，会融冰消雪来给河流补给水源，而在多雨年份以雨水方式给河流补给水源，所以径流量往往呈现年际变化小的特点。随着气候变暖，永久冰雪储量会减少，永久冰雪的这种“固态水库”的多年调节作用将会受到削弱，结果有可能不同程度地增大河流径流量的年际变化幅度，尤其在一些干旱少雨的年份，旱情有可能有所加剧。