基于雪岭云杉树轮的阿克苏河干流冬季径流重建

李紫群，孙慧兰，周洪华，周 玲

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011)

树轮水文学(dendrohydrology)是一门根据树木年轮生长指标重建过去长期水文现象的科学，它注重理解树木生长过程中对水文变量(降水、径流、地下水等)的响应[1]。近年来，随着日益严峻的气候变化带来的水资源不确定性问题，利用树轮资料重建历史水文信息、评估未来水资源安全得到越来越多人的重视。最早利用树轮宽度重建径流的是美国Woodhouse等[2]，他们在1936年利用树轮宽度对美国内华达州Truckeer河流进行了水文重建，延长了当地的水文记录；Bonin等[3]还将重建的径流资料用于流域的干旱评价；Lara等[4]则探讨了热带雨林树轮资料重建历史径流的潜力。我国学者利用树轮宽度对新疆伊犁河[5]、额尔齐斯河[6]、乌鲁木齐河[7]、玛纳斯河[8]等河流的不同时段、不同季节径流进行了重建，并对地下水水位变化历史、径流量与湖泊水位关系进行了探讨[9]。

阿克苏河由托什干河和库玛拉克河组成，是中亚地区典型的国际河流，同时也是维系阿克苏流域社会经济发展的重要母亲河，它还承担着常年给塔里木河供水、确保塔里木河流域生态安全的重要任务。然而，阿克苏河径流连续的监测资料历史较短，仅能追溯到1958年。长期历史数据的缺失对于阿克苏河水资源评价和流域水资源评估与管理造成了很大的困难。为此，本文在解析阿克苏河源流区雪岭云杉的长期生长过程与阿克苏河干流径流关系的基础上，利用树轮宽度年表重建了阿克苏河干流1813—2015年冬季径流序列，并对重建的阿克苏河干流冬季径流进行了周期性变化分析，以期为阿克苏河流域水资源安全评估与未来变化预估提供数据基础。

1 研究区概况

阿克苏河流域位于天山中段南麓西部地区、塔里木盆地西北边缘(40°17′N～42°27′N、75°35′E～80°59′E)，北起天山山脉，中部为低山，再往南为山前倾斜平原、冲积平原直至沙漠，流域面积约 5.0万km2[10-11]。阿克苏河流域北部处于天山山脉，南部为广阔的平原，流域总体地势从北向南、从西向东逐渐降低，地貌分带较为明显[11-12]。托什干河与库玛拉克河两大支流在喀拉都维汇合后称阿克苏河，全长530 km，其尾端在肖夹克与叶尔羌河和田河汇合后汇入塔里木河[13]。

阿克苏河流域属暖温带大陆性荒漠气候，夏季炎热，冬季寒冷，昼夜温差大，降水稀少且主要集中在东部和山区，蒸发强烈，河流的补给主要为高山融冰、融雪和中山区降水等。多年平均气温 10.6 ℃，多年平均降水量63 mm，降水主要集中在5—9月，多年平均蒸发量1 632 mm[13-14]。植被主要以耐旱、耐碱的荒漠类植物为主，种类较单一。主要天然植物为雪岭云杉、红柳、芦苇、芨芨草、骆驼刺、胡杨和梭梭等[12]。

2 研究方法

2.1 雪岭云杉样品采集

雪岭云杉是阿克苏河流域中山带森林的典型建群种。为确保树轮样本中保存的水文气候信息不被外界干扰，在采样时充分考虑了影响树木生长的各种限制因子，基于限制因子定律，将采样区确定在受人类活动干扰少、森林郁闭度较小以及对气候变化反应敏感的阿克苏河源流区海拔1 500～2 800 m的中高山雪岭云杉林。采样于2018年4月在塔格拉克(41°41′N～41°43′N、80°21′E～80°23′E)和博孜墩(41°48′N～41°49′N、80°37′E～80°38′E)两处进行，共布设8个采样点，采样时选择在离树干基部 1～1.5 m处钻取树芯，每棵树一般钻取2个树芯，避开树结、分叉及虫蛀点。共采集了59棵树、合计118个树芯样本。

2.2 雪岭云杉树轮宽度年表构建

将钻取的树芯带回实验室进行干燥、固定、打磨处理，直至树芯表面光滑、树轮清晰。采用骨架法对树芯进行交叉定年，并用树木年轮测定仪(Lintab TM6，德国)测定轮宽。为确保定年准确，用Cofecha交叉定年质量控制程序对定年结果进行验证。用Arstan软件完成年表构建，为保留更多的环境信息，采用负指数函数消除树木的生长趋势，对负指数函数处理后还不太理想的树芯再次采用Hugershoff生长曲线进行二次去生长趋势分析。

2.3 径流数据及处理

阿克苏河径流资料从阿克苏水文局和阿克苏河流域水资源管理局获取，包括托什干河和库玛拉克河以及汇流后的阿克苏河干流1958—2015年的月径流量，其中阿克苏河干流径流数据取自西大桥水文站。基于月径流，分别计算了干流1958—2015年历年年均(1—12月)径流和历年春季(2—4月)、夏季(5—7月)、秋季(8—10月)、冬季(11月至次年 1月)径流。采用Pearson相关分析和回归分析解析树轮宽度年表与径流关系，周期分析采用Matlab软件。

3 结果与分析

3.1 雪岭云杉树轮宽度年表特征分析

平均敏感度是判断树轮宽度年表质量的指标之一，反映气候信息的敏感程度，其值越大，表明树木生长受气候影响越大，一般年表的平均敏感度介于0.15～0.80之间[15-16]；阿克苏河源流区雪岭云杉树轮宽度年表的平均敏感度为0.167，表明年表具有一定的气候信息。根据树木年轮学定理，树轮宽度年表标准差与气候信息量的多少成正比[17]，阿克苏河源流区雪岭云杉树轮宽度年表标准差为0.275，信噪比为20.42。年表的自相关系数可反映气候条件对树木生长的持续性作用，一阶自相关系数则反映上一年的气候对次年树木生长的持续性影响[16-18]，阿克苏河源区雪岭云杉树轮宽度年表的一阶自相关系数为0.807，表明雪岭云杉的生长可能受气候环境的滞后影响。以上统计特征表明，本文构建的树轮宽度年表所包含的环境信息较为丰富。

3.2 雪岭云杉树轮宽度年表对径流的响应

Pearson相关分析显示，雪岭云杉树轮宽度年表(1959—2015年)与阿克苏河干流春季、夏季径流的相关性并不显著(r=-0.143、-0.182，P>0.05)，但与秋季径流相关性达到了显著水平(r=-0.327，P<0.05)，与冬季径流相关性达极显著水平(r=0.580,P<0.01)，这表明前一年的冬季径流对次年雪岭云杉的生长有着重要作用。近年来，我国西部绝大部分地区温度都呈上升趋势，其中冬季增温速度最快，新疆干旱区冬季降水量也趋于增加[19-20]，因此河流冬季径流也发生着相应变化。4—8月是雪岭云杉主要生长季，冬季为次年生长的准备时期。雪岭云杉树轮宽度年表与冬季径流正相关，表明如果前一年冬季降水比较丰富，气温较为温和，有利于植物次年储存营养物质，因而有助于次年雪岭云杉的生长，这与Schulman[21]对美国干旱区针叶树的研究结果相同。

3.3 基于雪岭云杉树轮宽度年表的阿克苏河干流冬季径流重建

因阿克苏河干流冬季径流与雪岭云杉树轮宽度年表相关性最为显著，为此采用SPSS软件进一步分析了雪岭云杉树轮宽度年表与冬季径流的线性回归关系，并据此构建了雪岭云杉树轮宽度年表与阿克苏河干流1959—2015年冬季径流的回归模型：

Q=49.991+31.899t

(1)

式中：Q为冬季径流模拟值；t为雪岭云杉树轮宽度年表值。模型的统计分析特征结果显示，重建模型的相关系数为0.58(P<0.01)，方差解释量为63.7%，调整方差解释量为62.5%，F值为27.94，且模型的模拟值与实测值吻合度较高(图1)，具有统计学意义。为进一步检验该模型的稳定性、可靠性和精确性，采用交叉相关系数、误差缩减值对模型进行了检验，结果显示：交叉相关系数为0.661，通过了99%的极显著检验；误差缩减值为0.66，表明模拟值和实测值差异不大，可见重建模型具有较高的可信度。因此，利用该模型重建了阿克苏河干流1813—2015年冬季径流序列如图2所示。

图1 阿克苏河干流冬季径流模拟值与实测值Fig.1 Simulated and measured data of winter runoffof Aksu River

3.4 阿克苏河干流冬季径流变化特征分析

3.4.1径流丰枯年份分析

阿克苏河干流1813—2015年冬季多年平均流量为82.19 m3/s，最大为105.46 m3/s，最小为 60.10 m3/s，变幅很大。变差系数的大小可判别河流的主要补给方式[22]，阿克苏河干流冬季径流的变差系数为0.126，表明其以冰川融水和地下水补给为主。丰水、平水和枯水年的划分通常按照模比系数(某一年的年径流量与多年平均径流量的比值)来划分[23]。根据阿克苏河干流1813—2015年冬季径流模比系数，1813—2015年冬季径流平水年出现的年份最多，共出现了80年，占总年数的39.41%；丰水年共出现了59年，占总年数的29.06%，其中特丰水年出现的年份最少，出现了15年，仅占总年数的7.39%；枯水年共出现了64年，占总年数的31.53%，其中特枯水年出现了20年，占总年数的9.85%。偏丰水年与偏枯水年出现的年份相同，各出现了44年，分别占总年数的21.67%。进一步以5年或5年以上连续出现偏丰水年(或者偏枯水年)为标准，计算丰水、枯水年出现的频次，结果显示，阿克苏河干流1813—2015年冬季径流出现了3次持续枯水期(1815—1822年、1926—1935年、1943—1959年)，共计35年，最长的枯水期持续17年(1943—1959年)；出现了5次持续丰水期(1833—1839年、1848—1854年、1896—1906年、1972—1978年、1981—1985年)，共计37年，最长丰水期持续11年(1896—1906年)。

图2 阿克苏干流1813—2015年冬季径流重建序列Fig.2 Reconstructed winter runoff of Aksu Riverfrom 1813 to 2015

3.4.2径流周期变化规律分析

径流受自然因素与人为因素的双重影响，其变化规律和变化趋势因时间尺度的差异具有很大的不确定性，因此，用一般的数理统计方法分析径流周期变化规律有一定的难度[24]。小波分析具有多时间尺度特性，能客观地反映径流在不同时间尺度的变化规律，较为准确地判断径流时间序列变化周期及其强弱[24]。因此，本文利用小波分析探寻阿克苏河干流1813—2015年冬季径流的周期性及其变化规律。

小波变换系数实部等值线图能够表现径流不同时间尺度的周期变化[25-26]。由图3可见，1813—2015年冬季径流存在40～60 a、21～37 a、5～20 a这3种时间尺度周期变化。其中，40～60 a尺度在整个分析时段分布比较稳定，丰枯段分布比较均匀； 21～37 a 尺度的周期在1950年之前变化比较活跃，在1950年之后径流变化比较稳定，周期特征表现不明；5～21 a尺度在整个时间段均有分布，突变点较多。如对21～37 a尺度而言，冬季径流出现丰枯交替5次振荡，表现出明显突变特征：1822年以前偏枯，1822—1834年偏丰，1835—1849年偏枯，1850—1872年偏丰，1873—1893年偏枯，1894—1912年偏丰，1913—1922年偏枯，1923—1947年偏丰，1948—1962年偏枯，1963—1976年偏丰，1977—1997年偏枯，1998—2015年偏丰，但从2015年后进入偏枯阶段，等值线仍未闭合，表明2015年以后一段时间还将处于偏枯期。

图3 阿克苏河干流冬季径流小波变换系数实部等值线Fig.3 Isoline of wavelet coefficients ofwinter runoff of the Aksu River

随着全球气候变暖和干旱区暖湿化加剧，阿克苏河年径流自20世纪50年代以来有明显的增加趋势。但本文研究表明20世纪80年代中期开始，阿克苏河干流冬季径流整体上呈减少趋势，并在1988年达到最低值，这可能是由于阿克苏河流域灌溉面积增加导致库玛拉克河入干流流量减少造成的。库玛拉克河是阿克苏河主要水源河，它分东支(分配水量30%)和西支(分配水量70%)，西大桥水文站只测量托什干河和库玛拉克河西支汇合口的水量。由于西支流经区域的灌溉面积逐年增加，沿线的灌溉用水量逐年增大，造成西支河道径流量锐减，平水期、枯水期及冬季西支河道经常出现断流，造成西大桥电站引水流量不足，从而导致阿克苏河干流冬季径流逐渐较少[27]。

采用小波方差图可以确定径流序列的主周期变化，由图4可以看出，1813—2015年存在3个较为明显的峰值，依次为51 a、29 a和16 a，表明冬季径流变化存在着51 a、29 a和16 a的振荡周期。其中，51 a 尺度的小波方差值远高于29 a和16 a尺度所对应的峰值，表明51 a的时间尺度所对应的周期变化最强烈，是阿克苏河干流冬季径流变化的第一主周期；29 a时间尺度对应的第二峰值为冬季径流变化的第二主周期；16 a时间尺度对应的第三峰值为冬季径流变化的第三主周期。从小波方差峰值大小来看，控制阿克苏河干流冬季径流时间域内变化特征的周期主要是51 a，这与张瑞波等[14，28]对阿克苏河径流变化周期和阿克苏河流域降雨量变化周期的分析结果一致。这也证实本文重建的径流序列是可信的。

图4 阿克苏河干流1813—2015年冬季径流小波方差Fig.4 Wavelet variance of winter runoffof the Aksu River from 1813 to 2015

4 结 论

a. 阿克苏河源流区的雪岭云杉树轮宽度年表与阿克苏河干流冬季径流极显著正相关，采用雪岭云杉树轮宽度年表重建了阿克苏河干流1813—2015年冬季径流序列。经统计学分析验证，重建模型方差解释量为63.7%，调整方差解释量为62.5%，F值为27.94，且模型模拟值与实测值吻合度较高，重建径流序列稳定可靠。

b. 1813—2015年阿克苏河干流冬季多年平均流量为82.19 m3/s，最大为105.46 m3/s，最小为60.10 m3/s；共出现了5次持续丰水期(1833—1839年、1848—1854年、1896—1906年、1972—1978年、1981—1985年)，3次持续枯水期(1815—1822年、1926—1935年、1943—1959年)，最长枯水期持续17年。

c. 1813—2015年阿克苏河干流冬季径流存在40～60 a、21～37 a、5～20 a 3种时间尺度的变化规律，振荡周期分别为51 a、29 a和16 a，其中冬季径流变化的第一主周期为51 a。