新疆城市化对降雨、径流的影响分析

张亚刚

（和田地区水利局，新疆 和田848000）

0 引言

全球气候的变化使得新疆地区降雨量也呈现出相应的变化，随着我国社会生产建设速度加快，生态环境也随之产生变化。城市化进程加速和降雨量的改变对新疆地区的水资源产生了巨大的影响，尤其对河流内的径流量影响最大。新疆阿勒泰地区处于内陆，地形较为复杂，是水资源严重缺乏的地方。探讨河道径流及降雨的影响，对该地区的水资源研究具有重要意义［1］。

1 研究区概况

阿勒泰市位于亚洲大陆腹地，据史料记载，秦朝时候，就已经有部落生活在阿勒泰地区，阿勒泰市总面积达10800 km2，现住居民都是从河西走廊迁来的。阿勒泰山脉在北部形成了自然的北方地理屏障，曾格盆地接邻南部边缘，因此，阿勒泰市形成了较为特别的天气条件，南方与北方的气候差异巨大。阿勒泰地区拥有三大水系通过境内，水资源储量非常丰富，在新疆排名第2，但可利用水较少。

2 研究方法

2.1 不均匀系数

年内降雨不均匀系数Cut，计算公式为［2］：

式中：Crt为降雨量的年内不均匀系数；Ui为各个月份的平均降雨量；U为年内月均降雨量；Cut数值越大，下一年的月降水量差异越大，年内分布不均。径流的年平均分布也用这个系数来衡量。

2.2 完全调节系数

降雨量调节系数Cru计算公式如下［3］：

2.3 集中度和集中期

使用年降水量分布矢量法决定了降水集中度和集中期。降雨集中度是指以矢量形式累积的每个月的流出量，各成分的合计占年流出量的比例［4］。意义是反映年流出量。降雨集中期是指流出矢量合成后的方向，各个月反映了年间流出集中度的中心出现的月份，用12个月降雨量的比的sin值来表示。集中度是将各个月的降雨量和径流量作为矢量数据，月平均降雨量和平均径流量的大小是矢量的长度，当前月份为矢量的方向。1月～2月的方向从0～360°［5］：

复合矢量的方向指示最大月径流发生的月份，即集中期，集中度反映了集中期径流值与年总径流的比例。

2.4 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法主要是用来研究数据随着时间规律变化趋势和突变的方法。该方法检测范围广，对人体的影响小，定量度高，能准确判断突变年份［6］。本文采用Mann-Kendall试验，分析了阿勒泰市流域降雨径流的年际变化。

2.5 数据来源

收集了阿勒泰地区流域的降雨和流量资料。数据起止时间为1960年～2010年。降雨资料来自阿勒泰地区气象监控站点。数据起止时间为1960年～2010年逐日计量数据。遥感解译采用1960年、1970年、1980年、1990年、2000年、2010年的遥感卫星数据。

3 研究结果

3.1 降雨径流趋势性变化

年均降水量空间插值图是基于阿勒泰地区气象站点日观测数据，通过整理、计算和空间插值处理生成。再利用ARCGIS栅格计算器，计算1960年～2010年平均值［7］，见图1。

图1 阿勒泰地区多年平均降雨量分布图

阿勒泰地区降水呈北高南低的趋势，如图所示，年平均降水量427.8 mm。北部为山区，地势较高，降雨形成的径流容易在南部汇合。降雨径流呈波动减少趋势，且径流减少趋势明显大于降雨，见图1。1960年～1990年，径流变化趋势较为强烈，年平均值41.39 mm，比多年平均径流偏14.5%。1991年～2010年，波动平缓，平均-23.17%。可见，1993年以后，径流迅速减少。使用Mann-Kendall检验法和线性回归方程的方法，对阿勒泰市的降雨量和径流量的变化趋势进行诊断。结果见表1和图2。由表1可知，径流Z值高达-3.79，经99%置信度检验，径流呈极显著的下降趋势。降雨Z值为-2.14，通过90%的置信度检验，降雨量的降低趋势小于径流量降低趋势，说明除了降雨量之外，还有其他因素干扰径流的产生。

图2 降雨径流年际变化趋势图

表1 降雨径流趋势性分析表

3.2 不均匀度与集中度

根据以上公式计算出阿勒泰市流域各特征结果计算结果见表2。

表2 阿勒泰市流域降雨径流特征值

由表2可以看出，集中度与非均匀系数的变化几乎相同，说明集中度与非均匀系数具有一定的相关性，也就是说，降雨量的集中性越高，分布在全年的降雨量越不均匀。比较降雨和径流的集中度，可以看出径流的集中度比降雨的分布更为集中。阿勒泰市流域降雨径流集中期基本相同，集中在4月下中旬。径流的集中期稍有延迟。阿勒泰市流域年降雨径流分布不均，无明显变化趋势。但是总体来看，降雨对径流的影响较大。

从径流年内分配的集中性看，1960年～1970年、1970年～1980年和1999年～2000年RCD较小，而2000年～2010年均较大。从序列（1960年～2010年）RCD的变化来看，年际变化较大，最大值为0.82（2010年），最小值为0.41（1967年），见图3。

图3 降雨、径流不均匀系数变化图

从降雨年内分配的集中度可以看出，1980年～1990年、2000年～2010年集中度均值较小，而1990年～2000年集中度较大。从序列（1960年～2010年）RCD的变化来看，年际变化较大，最大值为0.78（2010年），最小值为0.31（1967年）。且RCD序列整体上存在增大趋势，见图4。

图4 集中度变化趋势图

3.3 城市化影响

人工建设改变了原来的水文学基础面，改变了透水性，减少了地面坡度，破坏了表面原有的自然植被，改变了原有的水文学环境，改变了原有的农地建设的流出模式。大幅减少雨水渗透，提高城镇浸水的概率，综合处理和小流域水土保持，改善土壤结构和地质结构变化，增加表面植被流出。利用遥感影像，使用ENVI软件分别解译出1960年、1970年、1980年、1990年、2000年和2010年土地利用图［8］，见图5。

图5 土地利用变化趋势图

从土地利用变化趋势图5和统计数据可以看出，受自然环境影响，阿勒泰地区城市化进程缓慢。城镇主要集中在中原地区，城镇人口建设面积增长43.2%。草原覆盖广泛，南部平原荒漠化裸露土地是城市化进程缓慢的原因之一。

通过比较累积量的坡度变化率，定量计算了降雨和城市化对径流变化的贡献值。由于流域蒸发量变化较小且显著，径流变化与其他因素相比非常有限，径流减少贡献值约为0。以径流变化位置为分界点，对径流和降雨序列进行了划分。认为该系列的第一部分以城市化为基期，其余为计算期，受城市化影响较小。绘制降雨径流累积量与年的线性关系，得到基期和计算期的斜率（取径流累积量与年的线性关系的斜率为Sr，降雨累积量与年的线性关系的斜率为SP），见图6、图7和表3。

图6 累计径流量图

图7 累计降雨量图

1960年～1989年城市化对径流量降低的贡献率为52.89%；而降雨量对径流量降低的贡献率仅为42.03%，城市化的影响程度更高。1989年～2010年，城市化进程的影响贡献率增长为75.43%，成为影响径流量的主要因素。相对于1960年～1989年的生产建设活动明显加快，减少了降雨量对径流量的影响。

表3 降雨和城镇变化对流域径流量变化的贡献率

4 结论

阿勒泰市流域的降雨具有明显的年际变化规律，但总体变化速度不高，略微降低。径流在受到降雨的影响后，变化较大，但总体上的时间分布差距不大，主要分布在3月～4月，该时段内的径流量占总量的57%。土地利用变化揭示了阿勒泰地区的城镇化有所上升，但上升速率较慢，城镇化对降雨径流的影响贡献率在1989年～2010年达到75.43%。本文在讨论人类活动的时候，并未考虑对土地利用现状进行分析，在今后的研究中，可以在该区域进行降雨、产流试验，研究不同下垫面的降雨-径流相关性。