气候变化对叶尔羌河年径流总量的影响评估

2021-11-10阿孜古力斯买提

地下水 2021年5期

阿孜古力·斯买提

(喀什水文勘测局，新疆喀什 844000)

水循环在全球气候变化背景下径流量的变化是其最为重要的表征[1]。有研究结果表明，新疆地区在近50年以来气候变化总体呈现明显的增湿和变暖变化趋势，尤其是1986年以来出现明显的暖湿变化[2]。受到气候变化影响，新疆北部气候变暖的增幅明显高于南部地区，冬季为主要的变暖季节[3]。近50年以来，新疆南部降水增幅多于北疆地区，夏季和冬季为降水量偏多的两个季节，总体具有显著的变湿变化趋势，但在秋季降水量有所减少[4]。近10年以来，我国已开展了大量的气候变化对区域水资源影响的研究[5-10]，但对于叶尔羌流域气候变化下水资源研究还较少，主要集中在对生态环境、洪水变化特征的研究。叶尔羌河流域是我国重要的石油和棉花生产基地，在国家西部大开发战略中具有重要的地位[11]。水资源是区域生态环境保护和经济可持续发展的核心所在，区域水循环的各个过程都受到水资源变化的影响。叶尔羌河是塔里木河的重要水源之一，近些年来，受到气候变化的影响，叶尔羌河流域的年径流总量有所减少，为探讨气候变化对叶尔羌河流域年径流总量的影响，本文结合叶尔羌河流域内7个气象站、2个水文站实测气温和降水数据，建立径流与气温、降水的二元回归方程，定量探讨气候变化对流域年径流总量的影响。研究成果对于流域生态、经济以及水资源可持续利用具有重要的意义。

1 流域概况及资料选取

1.1 流域概况

叶尔羌河全长为1 097 km是塔里木河长度最大的源头水流。流域地处东经74°28′～80°54′，北纬在35°40′～40°31′之间。流域山区和平原面积比例分别为61.5%和38.5%。叶尔羌多年径流均值为64.5亿 m3，水量较为充沛，最大和最小径流分别为88亿 m3和44.7亿 m3，最丰水年份径流为最枯水年份径流的倍数高达1.97倍。叶尔羌河流域径流年际变化幅度较高，夏季是径流年内分布最为集中的季节，径流量占全年径流量的比例达到80.3%。流域多年平均气温为3.9℃，降水量多年平均值为72.1 mm。

1.2 资料选取及处理

本文选用叶尔羌流域内6个气象站、2个水文站作为研究代表站点，各站点信息见表1所示。

表1 选取的代表站点概况

叶尔羌流域上游选用塔什库尔干气象站作为代表站点，资料序列为1961-2017年的月降水和月气温资料。中游以叶城、泽普以及莎车作为代表站，基于各站点1961-2017年的月降水和月气温资料采用算术平均方法得到中游段月平均气温和月平均降水数据系列。下游段以麦盖提、巴楚两个气象站以及阿拉尔水文站为代表站点，基于以上三个站点1961-2017年的月降水和月气温资料采用算术平均方法得到叶尔羌河下游段月平均气温和月平均降水数据系列。出山口径流资料选用卡群水文站1961-2017年的水文资料，下游径流资料选用阿拉尔水文站的实测径流数据，以两个站点的多年径流资料作为基准。用标准平均值对年平均气温缺测数据进行插补处理。采用趋势预测方法对降水缺测数据进行插补订正。具体处理方法为：首先将数据系列分为1961-1968年以及1970-2017年两个时间段，并对各时间度计算5年滑动均值，采用线性趋势方法建立降水和时间的一元回归方程，回归方程两个系数采用最小二乘法进行估计。结合线性变化趋势将1969年对应的时间变量代入回归方程计算得到5年滑动平均的预测降水量。最后二个站对应1969年的年降水量可通过滑动平均预测值进行计算得到。通过对各插补订正站点的降水量进行三性检验，均符合代表性、可靠性、一致性的要求，资料可用于分析气候变化影响下的径流影响。

2 研究方法

为研究气温和降水对流域年径流总量的影响，主要通过建立气温、降雨时间序列值和水文站实测年径流总量序列的二元回归方程来进行趋势预测，定量分析气候变化如气温、降水的变化对年径流总量的影响，回归方程的主要表现形式为：

y=β0+β1x1+β2x2+ε

(1)

y=xβ+ε

(2)

回归方程的系数可采用最小二乘法进行估计。

3 成果分析及讨论

3.1 径流与气温相关分析结果

为分析出山口卡群水文站气温和径流的影响程度，分别建立卡群水文站1961-2017年的年径流量数据，采用相关分析软件对卡群水文站年径流量和其上游塔什库尔干气象站季节气温均值、年气温均值、最低以及最高气温均值的相关系数进行分析，结果如表2所示。

表2 卡群水文站不同时间尺度气温与年径流总量的相关系数分析结果

河川径流量的重要影响因素为气候变化，叶尔羌河流域径流受到气候影响主要体现在以下方面，(1)受气温变化积雪和冰川融化影响，(2)流域蒸发总量的影响，(3)高山地区降水量的改变，(4)近地表空气与流域下垫面之间的气温差异而产生的小气候流域。结合叶尔羌上游塔什库尔干气象站点气温数据以及出山口卡群水文站1961-2017年年径流总量数据，分析了不同时间尺度下气温和径流量相关系数，从分析结果可看出，夏季平均气温和年径流总量的相关系数最高，为0.84，其次为7-8月以及6-9月的相关系数，表明夏季气温的递增可以提高叶尔羌河流域的年径流总量。年径流总量与冬季气温均值相关系数为负值，说明冬季径流量和气温相关性较小。这主要因为叶尔羌河河川径流与高山区冰雪积累有较大相关性，出山口卡群年径流总量中冰川消融量多年均值的比重约为64.0%。此外，气温对径流的影响在时间上存在一定的滞后性，通过对卡群水文站年径流量序列和塔什库尔干气温进行相关性排序分析，上一年6-8月气温均值和次年年径流总量的相关系数均可在0.5以上，且可通过0.001的显著性检验水平。

3.2 径流与降水相关分析结果

为分析出山口卡群水文站降水和径流的影响程度，分别建立卡群水文站1961-2017年的年径流量数据，采用相关分析软件对卡群水文站年径流量和其上游塔什库尔干气象站季节降水均值、年降水均值、最小以及最大降水均值的相关系数进行分析，结果如表2所示。

表3 卡群水文站不同时间尺度降水与年径流总量的相关系数分析结果

从相关系数分析结果可看出，对于年径流总量和降水总体呈现正相关性，但不同时间尺度降水量和年径流总量的相关系数都要小于气温和年径流总量的相关系数，因此气温是叶尔羌河流域年径流总量变化的主因。冬季降水和径流呈负相关性，这主要是因为冬季降水主要转换为积雪，随着春季气温升高后，积雪消融增加叶尔羌河径流量。和气温影响相似，降水和叶尔羌河流域年径流量影响也具有一定的滞后性。

3.3 回归方程的建立

结合卡群水文站1961-2017年径流实测数据和气象站7-8月降水量以及夏季气温均值，采用前述的回归方程建立方法，建立降水、气温与径流的回归方程，其中回归方程基于建立各站点降水、气温时间序列采用最小二乘法进行估算，建立的回归方程为：

y=9.054 3xt+0.043xp-69.53

(3)

在方程中xt表示为夏季气温均值(℃)；xp表示为7-8月的降水量均值(mm)。对建立的径流和气温、降水的相关方程进行了F检验，该回归方程可通过信度为0.001的显著性经验，建立的二元回归方程可用来探讨夏季气候变化对叶尔羌流域径流量影响的评估。

3.4 不同气候变化下的径流变化幅度

结合建立的回归方程，探讨夏季不同气温、降水变化幅度下的径流量的变化幅度，如表4所示。

表4 夏季气温和降水不同变化比例下的径流量变化幅度

结合建立的叶尔羌河流域径流和夏季气温、7～8月降水量不同变化比例下的径流量变化幅度进行了探讨，夏季气温和降水量的增加，可使得叶尔羌河流域径流量得到显著提高，提高的径流量变化幅度均在60%以上。在相同气温条件下，降水量递增5%，径流增相应增加的幅度为0.6%，而相同降水条件下，气温递增0.5℃，则径流量增加的比例为9.5%，反之相同气温和降水条件下，气温和降水递减，径流呈现相同的递减幅度。

3.5 主要原因探讨

为了减少降水和气温变差对径流的影响，采用归一化指数的分析方法对降水、气温、径流进行处理，通过分析塔什库尔气温在夏季和径流变化具有一致性，其吻合度可达到78%。夏季的气温极值变化和径流丰枯变化重合期为10 a，这主要是因为叶尔羌河流域高山冰川和积雪受气温升高影响其消融量增加，而融雪量是叶尔羌河流域主要的径流补给，因此使得流域径流增加。但不同气象组合和蒸发的综合影响，在个别年份气温升高而径流确有所减少。叶尔羌河流域在60-70年代降水量有所减少，但径流总量确有所增加，但总体变化是降水量对径流影响度较小。综合以上原因分析，气温变化是叶尔羌河径流班花的主要因素，冬季降水量的变化，使得流域冬季积雪量有所增加，而夏季气温升高后，冰川融化量对河流径流量进行了条件，通过对温度变化的影响，叶尔羌河流域降水对径流总体为间接影响。