乌鲁木齐河上游水沙变化及其对气候变化的响应

2020-11-26乔丽潘古丽吐尔洪汪鑫刘友存焦克勤韩添丁邹杰平

江西理工大学学报 2020年5期

乔丽潘古丽·吐尔洪，汪鑫，刘友存，焦克勤，韩添丁，邹杰平

（1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州341000；2.中国矿业大学地球科学与测绘工程学院，北京100083；3.中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州730000）

0 引言

气候变化及其引起的水资源水环境问题已经成为全球关注的焦点[1]。气候变化从根本上改变了降水和气温这两个基本要素[2]，进而影响河流的径流过程和输沙过程[3-4]。其中降水是影响输沙的主要因素，而径流是影响输沙的直接因素[5]。

近年来，流域水沙过程引起的水环境问题受到了国内外学者的广泛关注，并取得了较好的研究成果。例如，Gusarov A V等研究了当代气候变化和土地利用/覆盖对俄罗斯西南部顿河流域东北部水流趋势、悬沙产量和侵蚀强度的影响[6];Potemkina T等对贝加尔湖河流输沙量变化的自然和人为原因(俄罗斯)进行了研究[7]。新中国成立以后，随着水沙相关研究兴起以及水沙学科体系逐步得到完善，我国在水沙过程及其对全球气候变化的响应方面取得了一批重要成果。胡春宏等研究了中国江河水沙变化趋势与主要影响因素，得到影响中国河流水沙变化的主要因素有流域降雨量变化、流域下垫面条件、水土保持措施、水库工程、流域调水调沙及引水引沙、河道采砂等的结论[8]；倪晋仁等对基于土地利用结构变化的水土流失动态进行了评估，结果表明不同子流域在整个生态环境演变过程中具有不同的变化特征[9]；王光谦等对流域泥沙过程机理进行了分析，得出流域泥沙过程概化为坡面产流产沙过程、沟坡重力侵蚀过程和沟道高含沙水流过程，再考虑干流河道的水沙演进过程，则构成了完整描述和模拟流域泥沙运动的全部4个过程[10]；丁倩倩等对赣江上游典型流域水沙过程对全球气候变化的响应进行了研究，得出7个全球气候因子与各水文要素的相关性有所不同[11]；李朝月等研究了泰国蒙河流域水沙变化趋势及影响因素，得出海-气作用和人类活动是流域水沙变化的重要影响因素，厄尔尼诺和拉尼娜直接影响流域水沙变化[12]。然而，针对区域气候以及全球气候变化对水沙变化的影响研究仍然较少。

1 研究区域概况

乌鲁木齐河发源于新疆中天山，流域南北长200 km，东西宽 25～50 km，介于东经 86°45′至87°56′和北纬 43°00′至 44°07′之间（如图 1 所示）。其中上游（英雄桥以上流域）流域面积约924 km2，长度约 62 km，平均海拔 2600 多 m[10]。该流域地处欧亚大陆腹地，属于典型的西北内陆干旱气候，具有昼夜温差大，日变化十分强烈等特点。降雨时空分布特征：呈南部多北部少，西部多东部少的情形，年均气温5.7℃，1月份平均温度-15.4℃，7月份平均气温23.5℃，全年降水277.6 mm。流域主要补给来源为冰川融水、降水、地下水三部分，分别约占总量的29%、58%、13%[25]。

图1 乌鲁木齐河上游水系及水文、气象站分布

2 资料来源与分析方法

2.1 资料来源

本文选用了2002年1月1日—2006年12月31日期间乌鲁木齐河上游流域的英雄桥水文站、大西沟气象站的气象水文实测数据，和4种常见的全球气候指数AO（北极涛动）、AAO（南极涛动）、NAO（大西洋涛动）、PNA（太平洋-北美涛动）逐日数据，资料来源于国家气候中心网站、新疆气象局和美国气候预测中心（website ：www.cpc.noaa.gov）。

2.2 分析方法

1）双累积曲线法

双累积曲线法是检验两个参数间关系一致性及其变化的常用方法。若两个变量累积值之间直线斜率发生改变，那么斜率发生突变点所对应的年份就是两个变量累积关系出现突变的时间。

2）皮尔逊相关性分析

运用皮尔逊法分别对气温、降水与径流量、输沙量、气候指数进行相关分析。皮尔逊相关系数的计算公式[26]为：

水污染防治方面，深入实施水污染防治行动计划，扎实推进河长制湖长制，坚持污染减排和生态扩容两手发力，加快工业、农业、生活污染源和水生态系统整治，保障饮用水安全，消除城市黑臭水体，减少污染严重水体和不达标水体。

其中，r为要素x与y之间的相关系数;xi、yi分别为第i年的降水和气候指数;x¯、y¯分别为研究时段多年降水和气候指数的平均值。

3 结果与分析

3.1 区域气候及水沙变化

3.1.1 气候变化

乌鲁木齐河流域属于西北内陆干旱气候，降水量少，降水时空分布不均匀，结合流域上游2002—2006年月平均降水量距平过程（图2（a））可知，乌鲁木齐河上游月平均降水量随季节变化明显，最大月降水量出现在6月、7月、8月，分别占全年降水的21.35%、25.75%、19.31%；最小月降水量出现在12月至翌年1月，约占全年的0.9%、1%；丰水期（4—9月）降水量占全年90.06%，远远大于枯水期（10月至翌年3月）的降水量。降水主要集中在夏季和丰水期，且呈现1—4月减少、5—9月增加、10—12月减少的规律。

图2 乌鲁木齐河气候、水沙距平图

乌鲁木齐河流域气温年差大，日变化十分剧烈，结合流域上游2002—2006年月平均气温距平过程（图2（b））可知，高于平均值的月份有7个月，其中4月、10月在平均气温左右，低于平均值的月份有5个月；可以看出以4月、10月为界，距平值有着明显的由负到正、由正到负的变化规律，4月份以前的气温都是负距平，4—10月气温为正距平，10月份以后为负距平。从累积距平曲线可以看出，气温在1年之间出现2个下降期和1个上升期。

3.1.2 水沙变化

图3（a）是乌鲁木齐河上游2002—2006年月平均径流距平过程图。从图3（a）中可发现，高于平均径流量的月份有4个月，低于平均径流量的月份有8个月；以6月、9月为界，距平值有着明显的由负到正，再由正到负的变化规律，其中5月、6月之间径流量相差巨大，9月略高于平均径流量。从累积距平曲线来看，径流可分为枯水期、丰水期和枯水期3个阶段：6—9月是径流量的一个丰水期，7月月均径流量达到峰值，为756.44 m3/s；其余月份处于枯水期，其中2月份出现最低值，为47.13 m3/s。

图3（b）是乌鲁木齐河上游 2002—2006年月平均输沙距平过程图。从图3（b）中可以看出一年中高于平均月输沙量的月份就3个月，分别为6月、7月、8月，其中在7月达到峰值。以6月、9月为界，距平值呈现由负到正，再由正到负的变化规律。从累积距平曲线来看，输沙量可以分为3个时期：1—5月累积距平曲线呈下降趋势，是输沙量减少的时期；6—8月是输沙量增加的时期，且增长速率较快；9—12月，输沙量再次开始减少，直至翌年1月。

3.1.3 气候、水沙变化周期分析

图3 乌鲁木齐河气候、水沙距平图

图4 乌鲁木齐河上游气候、水沙连续小波变化能量谱

图4 为乌鲁木齐河上游流域气候、水沙连续小波变换能量谱图，图4中细实线表示影响椎，在该曲线以外的能量谱由于受到边界效应的影响而不予考虑，粗实线表示通过95%置信度区间显著性检验。气温在2003—2005年间存在288 d到480 d的主周期（图4（a））。降水量在2002年6—12月存在120 d到240 d的周期，2003年到2006年6月间存在160 d到240 d的周期，2003—2005年间还存在一个288 d到480 d的变化周期（图4（b））。径流量（图 4（c））在 2002 年 6—8 月、2003年 6—9月、2004年 7—9月、2005年 6—9月分别存在 20 d、28 d、15 d、30 d的周期，2006年 6—8月存在 7 d和12 d到20 d的周期；在2002年8月到2003年6月存在一个192 d到240 d的周期，沿着时间序列周期长度逐渐减小；2005年5—10月期间存在192 d到208 d的周期；2003年2月到2005年12月间存在一个320 d到544 d的主周期。输沙量在2004年3月到2006年3月间存在一个480 d长度的周期，该周期长度从2005年7月节点向两边逐渐减小（图 4（d））。

3.2 水沙对气候变化的响应

表1是气候、水沙因子相关性系数，其中p判断是否通过显著性检验，r为相关性系数。通过表1可以看出，降水、气温和径流、输沙均通过了99%置信度区间检验，证明它们之间在时间上具有同步变化的特性。其中降水和气温对径流的影响都大于输沙；对于径流而言，主要受到气温的影响比较大；对于输沙，降水影响更为明显。

表1 气候、水沙因子相关系数

3.2.1 径流对气候的响应

图5（a）为乌鲁木齐河上游径流量时间序列单累积图。单累积曲线呈现阶梯式增长，出现明显的5个循环周期，每个周期径流量变化都是“稀少-丰沛—稀少”的变化，年内变化明显。

图5（b）为乌鲁木齐河上游降水量和径流量时间序列双累积图。双累积曲线在2006年6月6日发生突变，可将曲线分为2个阶段。第一阶段（2002.1.1—2006.6.5）的线性拟合方程为 y=-262.0583+0.4725x，拟合优度 R2为 0.9983，第二阶段（2006.6.6—2006.12.31）的线性拟合方程为y=1605.1275+0.3875x，拟合优度R2为0.9934。第二阶段的日均降雨量（23.13 mm）较第一阶段日均降雨量（15.71 mm）有所增加，同时日均径流量也从 7.11 m3/s增加到8.7 m3/s；第二阶段（2006.6.6—2006.12.31）由于降水量减少的影响，致使径流量减少1228.70 m3/s。

图5 气温、降水量、径流量和输沙量的单累积和双累积图

图5 （c）是乌鲁木齐河上游气温和径流量时间序列双累积图。由于流域内年平均气温为负值，故沿时间序列气温累积值逐渐减小，绝对值逐渐增大。双累积曲线整体呈现阶梯式下降的变化，曲线出现5个循环周期，拟合优度为0.8573。

3.2.2 输沙对气候的响应

图6（a）是乌鲁木齐河上游输沙量时间序列单累积图。由6（a）可知，单累积曲线发生两次明显的跃升变化，两次跃升变化的时间为2003年6月5日、2005年7月5日，当日的输沙量分别是593 kg/m3、2750 kg/m3，占当年全年输沙量的33.65%、58.85%，说明近五年流域内输沙量年际、年内变化极不均匀。

图6（b）为乌鲁木齐河上游降水量和输沙量的时间序列双累积图。从图6（b）中可以看出，双累积曲线发生了两次非常明显的跃升变化，两次跃升的时间分别是2003年6月27日和2005年7月15日，输沙量的累积数据分别从1670.70 kg/m3增长为 2004.70 kg/m3、3306.43 kg/m3增长为6056.43 kg/m3，其差值为 334、2750 kg/m3。在这两个时间节点，由于降水量的变化，导致输沙量增加309.35、2641.68 kg/m3。

图6（c）为乌鲁木齐河上游气温和输沙量的时间序列双累积图。从图6（c）中可以看出，双累积曲线发生两次非常明显的骤降，两次骤降的时间分别是2003年6月5日和2005年7月15日，由于气温的变化，致使输沙量增加了607.03、2826.41 kg/m3。通过和图6（a）输沙量单累积图进行对比，发现两条曲线发生了明显的变化，单累积曲线呈现上升的变化趋势，双累积曲线呈现下降的变化趋势，证明随着气温的变化，输沙量也会随之变化。3.2.3 气温、降水、径流和输沙对全球气候变化的响应

图6 气温、降水量、径流量和输沙量的单累积和双累积图

表2是气候、水沙因子与全球气候指数的相关性系数表。通过表2可以看出乌鲁木齐河上游流域气温变化与AO、NAO通过了置信度检验，说明二者之间具有一定的同步性。其中AO与气温具有显著的正相关性，相关系数为p=0.002、r=0.071，属于弱正相关，说明随着全球气候指数AO的增加，气温也呈现上升的变化趋势；NAO与气温具有显著的负相关性，相关系数为p=0、r=-0.101，属于弱负相关，说明随着全球气候指数NAO的增加，气温呈现下降的变化规律。