基于时间序列的哈密市水资源面积分布和气候变化特征
2020-04-13高国文
高国文
(新疆哈密东天山水务集团有限公司，新疆哈密839000)
水资源是指在特定行政区域内目前或者近期可以被人类直接或间接利用的水，是自然资源的重要组成部分，对区域发展具有重要的意义[1]。水资源主要包括河川径流、地下水、积雪和冰川、湖泊水、沼泽水、海水。随着全球气候条件变化和人类活动影响，各类水资源的时空分布不均，天然水资源量也不等于可利用量[2]。因此，往往采用修筑水库和地下水库来调蓄水源。与其他自然资源不同，水资源是可再生的资源，可以重复多次使用，具有一定的周期和规律；储存形式和运动过程受自然地理因素和人类活动所影响[3-4]。
哈密市位于新疆东部，是新疆通向内地的主要通道。自古以来，就是丝绸之路的咽喉，有“西域襟喉，中华拱卫”和“新疆门户”之称[5]。北与蒙古国接壤，设有国家一类季节性开放口岸——老爷庙口岸，是新疆与蒙古国发展边贸的重要开放口岸之一，是新疆重要的经济枢纽，具有战略意义[5-6]。哈密地势为北高南低、东西倾斜的盆地，属于温带大陆性干旱气候，天山南北气候分明，春季多大风，气候干燥，年降雨量稀少。生活用水、灌溉水等主要依靠天山雪水，因此，水资源是哈密市经济发展的战略性资源和限制性资源[6-8]。
本文利用2000年、2005年、2010年和2015年四期土地利用数据，分析哈密水资源类型和分布面积，同时探讨2000年～2015年期间气候因子(年平均温度、≥0℃年积温和年降雨量)的变化特征，以期在全球气候变化的大背景下为哈密市水资源的利用和长期规划提供参考和理论依据。
1 研究方法
1.1 研究区域
哈密市位于新疆维吾尔自治区东部，东天山南麓。地理坐标见图1，面积为8.5万km2，东西长约404 km，南北宽约322 km，约占全疆总面积的5.2%。哈密地势为北高南低、东西倾斜的盆地。北部为天山余脉，南部为低山剥蚀丘陵，中西部为南湖戈壁，中上部为冲积平原，中下部为库木塔格大沙漠。境内最高峰喀尔里克山，海拔4888 m。哈密属于温带大陆性干旱气候，春季多大风，气候干燥，年平均气温9.8℃，极端最高气温43℃，极端最低气温-32℃。年平均无霜期182 d。
图1 研究区示意图
1.2 数据来源
2000年～2015年哈密市年平均温度、积温和降水量数据来源于中国气象科学数据共享服务网(https://data. cma.cn/site/index.html)，选取伊州区、巴里坤和伊吾三个国家级气象站。高程数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，分辨率为90 m，处理为空间分辨率为1 km栅格数据。哈密市行政区划数据数据来源于中国科学院资源与环境数据中心(http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=282)，2000年、2005年、2010年和2015年四期土地利用数据来源于中国科学院资源与环境数据中心(http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=282)，空间分辨率为1 km栅格数据。将以上数据统一投影坐标为UTM-WGS-N48，空间分辨率为1 km。
1.3 研究方法
应用GIS软件，先将哈密市土地利用数据裁剪，然后分析2000年～2015年期间哈密市水资源类型和分布面积，统计分析2000年～2015年期间哈密市年均温、积温和降雨变化趋势。确定气候变化过程中，哈密市水资源的变化趋势。
2 结果与分析
2.1 哈密市水资源面积分布特征
哈密市2000年～2015年水资源面积空间分布特征见图2，哈密市水资源分布类型主要为湖泊、水库、永久性冰川和滩地，除水库外，湖泊、永久性冰川和滩地主要分布在天山山脉两侧。从2000年～2015年哈密市湖泊面积呈现先下降后升高趋势，总体呈下降趋势2000年湖泊面积为136 km2，2015年湖泊面积为131 km2，湖泊面积最低值发生在2005年，面积为103 km2。水库面积从2000年到2015年呈上升趋势，2000年水库面积为8 km2，2015年水库面积为11 km2，2000年～2010年这10 a间上升趋势缓慢，2010年～2015年期间水库面积上升显著。2000年～2015年期间，永久性冰川面积基本无变化面积维持在143 km2。哈密市滩地面积呈现总体下降趋势，主要下降时间分布在2000年～2005年。哈密市2000年～2015年水资源总面积变化趋势与湖泊变化趋势类似，呈现先降低后升高，水资源面积的变化主要是湖泊面积引起的。
表1 2000年～2015年哈密不同类型水资源面积统计 单位：km2
图2 2000年～2015年哈密不同类型水资源面积分布特征
2.2 哈密市2000年～2015年年均温和≥0℃积温变化特征
在2000年～2015年期间，哈密市三个县区年平均温度由高到低依次为伊州区、巴里坤和伊吾(图3)。在2000年～2015年期间，伊州区年平均温度处于9.50℃～11.46℃之间，最大值和最小值分别出现在2015年和2003年，总体呈现上升趋势；在2000年～2015年期间，巴里坤年平均温度处于3.53℃～5.53℃之间，最大值和最小值分别出现在2013年和2003年，总体呈现上升趋势；在2000年～2015年期间，伊吾年平均温度处于2.05℃～4.52℃之间，最大值和最小值分别出现在2013年和2003年，总体呈现上升趋势。就三个县区的平均温度而言，总体呈现上升趋势，年平均温度处于5.03℃～6.95℃之间，最大值和最小值分别出现在2013年和2003年，线性方程为y=0.0512x-96.476(R2=0.227)，即哈密市温度每10 a上升0.46℃。
图3 2000年～2015年哈密市各县区年平均温度、积温和降雨量变化特征
在2000年～2015年期间，哈密市各个县区≥0℃年积温变化趋势与年平均温度基本类似，总体呈现上升趋势，≥0℃年积温处于3207℃～3763℃之间，线性方程为y=2.0868x-702.95(R2=0.0064)，即≥0℃年积温每10 a上升18.78℃。
2.3 哈密市2000年～2015年降雨量特征
在2000年～2015年期间，哈密市三个县区年降雨量由低到高依次为伊州区、巴里坤和伊吾(图3)。在2000年～2015年期间，伊州区年降雨量处于19.3 mm～78.8 mm之间，最大值和最小值分别出现在2013年和2015年，总体呈现上升趋势；在2000年～2015年期间，巴里坤年降雨量处于52.6 mm～175.8 mm之间，最大值和最小值分别出现在2006年和2003年，总体呈现上升趋势；在2000年～2015年期间，伊吾年降雨量处于168.2 mm～364 mm之间，最大值和最小值分别出现在2002年和2015年，总体呈现上升趋势；就三个县区的年平均降雨而言，总体呈现上升趋势，年平均降雨处于98.77 mm～196.2 mm之间，最大值和最小值分别出现在2006年和2015年，线性方程为y=2.1796x-4242(R2=0.11)，即哈密市降雨量每10 a上升19.62 mm。
图4 2000年～2015年哈密市各县区降雨量变化特征
3 讨论
水资源是制约干旱区经济发展的“瓶颈”，是人类赖以生存和繁衍的不可或缺的物质基础[9]。50多年来的水文气象观测记录显示[10]，受全球气候变暖的影响，哈密地区气温显著上升，降水波动增加，直接引起各类水资源的变化[11-13]。水资源的波动性变化对哈密及周边地区人民的生产生活产生重大影响，对区域经济可持续发展规划和城市发展模式的确定起到举足轻重的作用。本研究发现，哈密市水资源分布类型主要为湖泊、水库、永久性冰川和滩地，从2000年～2015年哈密市湖泊面积呈先下降后上升，总体下降趋势，水库面积呈上升趋势，永久性冰川面积基本无变化，滩地面积呈现总体下降趋势，水资源面积的变化主要是湖泊面积引起的。而王璞玉[9]研究发现，1972年～2011年，榆树沟6号冰川厚度平均减薄20 m，减薄速率约为0.51 m/a，冰川末端退缩254 m，年均退缩约6.5 m，与研究结果冰川面积无变化不一致，主要是由于本研究采用的土地利用数据分辨率为1 km，精度低。
气候变化是影响水资源分布的主要因素，对区域分布具有主导性作用[14-15]。相关研究表明，在过去的15 a中，新疆降水量和气温整体呈增加趋势，呈现暖湿现象[16-17]。本研究发现，在2000年～2015年期间，哈密市三个县区年平均温度和年积温由高到低依次为伊州区、巴里坤和伊吾，降雨量与年平均温度变化相反；哈密市平均温度每10 a上升0.46℃，≥0℃年积温每10 a上升18.78℃，降雨量每10 a上升19.62 mm。与上述研究结果类似，哈密市气温呈上升趋势，降雨呈增多趋势，这在一定程度上有利于植被的生长和恢复，对促进区域生态良性发展具有导向性。
综上所述，在2000年～2005年期间的水资源生态处于退化状态，2005年～2015年期间的水资源生态处于恢复状态，整体气候呈暖湿现象，有利于水资源生态的良性发展。
4 结论
哈密市水资源分布类型主要为湖泊、水库、永久性冰川和滩地，从2000年～2015年哈密市湖泊面积呈先下降后上升，总体下降趋势，水库面积呈上升趋势，永久性冰川面积基本无变化，滩地面积呈现总体下降趋势，水资源面积的变化主要是湖泊面积引起的。在2000年～2015年期间，哈密市三个县区年平均温度和年积温由高到低依次为伊州区、巴里坤和伊吾，降雨量与年平均温度变化相反；哈密市平均温度每10 a上升0.46℃，≥0℃年积温每10 a上升18.78℃，降雨量每10 a上升19.62 mm。综上所述，在2000年～2005年期间的水资源生态处于退化状态，2005年～2015年期间的水资源生态处于恢复状态，整体气候呈暖湿现象，有利于水资源生态的良性发展。
