哈萨克斯坦北部伊希姆河径流对气候变化和人类活动的响应

赵晓恩，李 璐，张合理，3，陈 峰，3，Zulfiyor Bakhtiyorov，4

（1.云南大学国际河流与生态安全研究院，云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室，云南 昆明 650500；2.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；3.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，中国气象树木年轮理化研究重点开放实验室，新疆树木年轮生态实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；4.塔吉克斯坦共和国科学院胡占德科学中心，塔吉克斯坦 胡占德735712）

水资源是人类赖以生存和发展的基础，气候变化在不同程度上影响着水循环[1]。自1850年以来，全球地表平均气温上升幅度超1℃[2]。在全球变暖背景下，冰川消融加速、洪涝和干旱等极端气候事件频发，对中亚地区生态系统和社会经济产生的影响尤为突出[3]。中亚地处亚洲内陆干旱半干旱区，区域水资源供需不平衡，空间分布不均，发源于山地的河川径流是重要水源之一。随着社会经济快速发展，该地区水资源承载力面临巨大的压力，严重制约着区域可持续性发展[4-5]。此外，中亚地区是我国开展丝绸之路经济带建设的重要合作区域，水资源安全是建设经济带过程中高度关注的问题。

近年来，基于器测气象水文数据，相关学者对于中亚地区河流流量时空变化及其气候驱动因子进行了大量的研究[6-8]。近80年以来，额尔齐斯河年均流量呈下降趋势，但趋势不显著[6]；1881年以来，锡尔河流域年均降水量与年均温呈波动式上升，流量受气温和降水共同影响，呈上升趋势[7]；自1970年以来，乌拉尔河受气候变化和人类活动影响显著[8]。目前，伊希姆河源区的水文研究大多集中于水资源保护[5，9]、生态水文[10]等方面，而在全球气候变化背景下，利用水文资料分析流域水文变化十分鲜见，尤其缺乏气候变化和人类活动对径流变化贡献率定量分析方面的研究。

以伊希姆河自1933年以来月均流量观测数据和流域内平均气温与降水量数据为基础，采用线性趋势法、Mann-Kendall突变检验法和累积量斜率变化率比较法，研究流域内气温、降水量和流量变化特征。定量分析气候因子和人类活动对径流变化的贡献率，探讨伊希姆河流量变化的气候驱动因子。以期为丝绸之路经济带沿线地区水资源合理规划提供科学依据，为更好地促进中哈两国跨境水资源与工农业合作发展提供科学参考。

1 材料与研究方法

1.1 研究区概况

伊希姆河全长2 450 km，流域面积约为14.4×104km2，发源于哈萨克斯坦北部尼亚兹山，流经哈萨克斯坦和俄罗斯，河道自东向西流经哈萨克斯坦首都努尔苏丹，在杰儿札温斯克北上，经彼得罗巴甫洛斯克出至俄罗斯境内，流经伊希姆平原，在乌斯季伊希姆注入额尔齐斯河。河流主要补给来源为降水和积雪融水[11-12]。流域内水资源量占哈萨克斯坦水资源总量的1.86%，供应着230多万人（600多个村庄和8个城市）的用水需求，自然和人为因素使其水资源利用复杂化[13]。

研究区地处哈萨克丘陵及其北部，乌拉尔山脉东部，地势南高北低，地理位置为50°～58 °N，64°～76 °E（图1）。流域北部、中部海拔在-2～200 m，南部海拔在200～903 m，属于典型的温带大陆性气候，多年平均气温为1.89℃，多年平均降水量为350.44 mm。流域内夏季降水多，易发生洪水灾害，冬春季节寒冷，降水多以积雪的形式存储[14-15]。

图1 哈萨克斯坦伊希姆河流域示意

1.2 数据资料

1933—2016年伊希姆河器测月平均流量资料来源于哈萨克斯坦境内彼得罗巴甫洛斯克水文站（54.87 °N，69.14 °E）。流量观测期间，水文站位置未发生改变。上游有谢尔盖耶夫斯基大型水库（1969年投入使用），出库流量最高达693 m3/min。由于伊希姆河流域内气象站较少，观测年份数据缺失较多，可利用率较低。为此本文所用气象数据为英国东英吉利大学气候研究中心（CRU）提供的1933—2016年CRU-TS4.03气象格点数据集，空间分辨率为0.5°×0.5°，选取范围为50°～58 °N，64°～76 °E，要素为月均气温、月降水量和月均潜在蒸发量（Potential Evapotranspiration，PET）。相关学者[10，16]已经利用CRU格点数据对中亚不同区域的降水、气温、蒸发等气象要素进行相关研究，结果表明中亚地区CRU格点数据揭示气候要素变化特征具有较高的可靠性和适用性。

1.3 研究方法

本文采用线性趋势法[17]和不均匀系数法分析气候水文要素演变趋势及特征。使用Mann-Kendall突变检验法[18-19]和滑动T检验法[20]探究气候水文要素的突变现象；使用相关普查法[21-22]分析年内气候水文要素之间关系和气候变化对径流的影响；利用滑动相关分析方法[23]探讨在年际尺度上气候因子如何影响流量变化，选取时间窗口为21 a，滑动步长为1。

气候变化和人类活动对径流变化的贡献率定量分析是采用王随继[24]等2012年提出的累积量斜率变化率比较法实现的。假设流量—时间曲线的斜率在某一年发生了改变，则改变前后分为两个时期，即SRb和SRa；假设降水量—时间曲线的斜率在某一年发生了改变，则改变前后分为两个时期，即SPb和SPa，累积流量斜率变化率RSR（%）为：

累积降水量斜率变化率RSR（%）为：

式中，RSR和RSP为正（负）时，代表斜率增大（减小）。

降水量对径流变化的贡献率CP（%）为：

同理，可以求出流域内气温或蒸发量对径流变化的贡献率，即CT（%）和CET（%）。气温是通过蒸发来影响径流变化，可以用CET代表CT，则人类活动对径流变化的贡献率C（H%）为：

2 结果与分析

2.1 气候变化特征

伊希姆河流域1933—2016年平均气温在-0.48～3.97℃，7月月平均气温为19.88℃，1月月平均气温为-17.28℃（图2a）。自1933年以来，伊希姆河流域气温总体上呈显著上升趋势，其线性趋势为0.30℃/10 a（P＜0.01，图3a）。年际平均气温波动较大，20世纪30—50年代平均气温较其他年代低，距平值为-0.77℃；20世纪80—90年代平均气温达时段最高值，距平值为0.42℃。从Mann-Kendall突变检验（图3b）分析得出，自1962年起，伊希姆河流域年均温序列呈上升趋势，年平均气温在1980年发生突变，整体升温趋势呈现从低上升到高上升的变化。

伊希姆河流域1933—2016年平均降水量为350.44 mm，最大年降水量出现在2013年（443.93 mm）；最小年降水量出现在1950年（253.28 mm）。年内降水量分布不均，主要集中在夏季，占全年降水量的42.82%（图2b）。从年降水量变化（图3c）可知，1933—2016年流域降水量总体呈上升趋势，线性趋势为4.70 mm/10 a（P＜0.05）。年际降水量波动较大，其中，20世纪50年代为最低阶段，21世纪初达到峰值。1953年以来伊希姆河流域年降水量呈上升趋势（图3d），1969年以后呈显著增加趋势（P＜0.05），1963年年降水量发生了突变。

图2 1933—2016年伊希姆河流域月平均气温（a）和月平均降水量（b）

伊希姆河流域1933—2016年年平均潜在蒸发量为708.91 mm。夏季年均潜在蒸发量为388.49 mm，冬季年均潜在蒸发量仅为8.41 mm。其中，1月潜在蒸发量自1933年呈下降趋势，其他月份保持上升趋势。潜在蒸发量与年均气温在年内变化上保持同步增长趋势，两序列间年际相关性达0.60（1933—2016年，P＜0.01）。器测时期内，流域潜在蒸发量总体呈上升趋势，线性趋势为7.5 mm/10 a（P＜0.01，图3e）。伊希姆河流域年均潜在蒸发量自1953年以来呈增加趋势，在1973、1993年发生突变（图3f）。

图3 1933—2016年伊希姆河流域年平均气温、年降水量和年潜在蒸发量变化及Mann-Kendall突变检验

2.2 流量变化特征

2.2.1流量年内变化

伊希姆河流量年内分配不均，各个年代的年内流量呈现“单峰型”特征。年内4月流量开始增加，到5月流量达峰值。流量主要集中在4—6月，占全年流量的85.46%；年内其他月份处于平水期，占全年流量的14.54%。这可能是由于河流主要补给类型为冰雪融水导致，初春时节，气温回升，上游冰雪融化；夏季，降水量增多，两者共同影响河流的补给。此外，水库建成后的调节作用使得伊希姆河在平水期保持稳定的流量变化，未出现断流现象。通过计算不均匀系数，发现20世纪40—60年代值最大，分别为1.98、1.74和1.66，相对于其他年代各月间流量波动大。

2.2.2流量年际变化

伊希姆河年际流量变化大，多年平均流量为54.91 m3/s。年均流量总体呈下降趋势（图4a），线性趋势为-0.50（m3/s）/10 a，未能通过显著性检验。流量总体上波动趋势明显，20世纪40—50年代流量上升趋势显著（P＜0.05），1948年达到最高值，为227.42 m3/s（P＜0.05）；20世纪60—80年代流量为最低阶段，原因可能是受到上游水库和气候变化影响。利用Mann-Kendall突变检验方法（图4b）分析UF和UB的交点位置，采用滑动T检验法，选取时间窗口为5、10和15 a（滑动步长为1），确定了伊希姆河年均流量分别在1969、1997年前后发生了突变。

图4 伊希姆河年平均流量与气候因素相关系数（a）和滑动相关分析（b）

图4 1933—2016年伊希姆河年内分配、年际流量变化（a）及Mann-Kendall突变检验（b）

3 讨论

3.1 气候变化对径流的影响

流域内气候的变化会直接或间接影响河流流量的大小[25]。将上年7月—当年12月降水量和气温数据对伊希姆河年均流量进行相关普查分析（图5a）。结果表明，年径流量与流域内上年7月—当年5月降水量相关性最大，相关系数为0.51（P＜0.01）；年径流量与流域当年4—8月气温相关性最大，相关系数为-0.22（P＜0.05）。伊希姆河流量主要集中在春季和夏季，占全年流量的85.46%，流域内冬季、春季和夏季降水量占全年降水量的76.42%。结合伊希姆河流量年内分配特征分析，年均流量与上年7月—当年5月降水量呈显著正相关性（P＜0.01），可能是因为流域内降水量在直接或间接转化为流量过程中具有明显的滞后性。上年7月—当年5月降水量对当年流量一直有积极的影响，冬季降水主要以冰雪等固体形式存在，春季气温回暖时开始融化，伴随着降水量的增多，通过地表径流和地下径流补给伊希姆河。4—8月气温与年均流量相关性最大，该时期流域内气温开始升高并达到峰值，春夏高温导致了流域内蒸散能力的提高。尽管春季气温的升高导致积雪融水进入河流补给，但在这一过程中并不能完全弥补由蒸散带来的水分损耗。因此，4—8月气温会对伊希姆河产生负面影响，导致流量减少。值得注意的是，1月气温与年均流量呈显著正相关（P＜0.01），可能是因为1月气温的升高增加了积雪融化量，而1月又为全年最低蒸发量时期，所以二者保持呈正相关且同步增加趋势。Deng等[26]研究表明，近年来中亚夏季降水有所增加，冬季气温升高对流域内河流流量影响不容小觑。

采用年际滑动相关分析法进一步分析可知（图5b），年降水量对年均流量变化具有促进作用，整个时期呈现波动式正相关趋势。年均气温可能受到由全球变暖造成的驱动水循环加快影响，1981年后，与年均流量保持同步上升趋势。如果未来全球变暖趋势未停滞，气温很可能在伊希姆河流量变化上占据主导地位。龙爱华等[27]同样认为中亚干旱半干旱气候区变化态势，由“暖干”向“暖湿”的趋势发展，该地区气温上升幅度要明显高于全球平均水平。同时，中亚地区气温和降水对水循环过程有叠加作用。近年来，虽然降水趋势不断的上升，但对水循环过程的影响在逐步缩小[23，28]。因此，研究中亚地区水文循环对气候变化的响应具有重要意义。

3.2 人类活动对径流变化的影响

气候变化和人类活动是影响径流量大小的两大主要因子[29-30]。气候变化主要包括降水量和气温变化，人类活动因素包括人为改变下垫面、流域环境和水资源的开发及利用等[31-32]。研究区位于哈萨克斯坦境内，由于其特殊的历史、战争、社会制度和经济原因，自1933年以来，受人为活动影响强烈，伊希姆河累积年平均流量不同时期拟合度也有所不同。因此，将伊希姆河累积年平均流量与Mann-Kendall突变检验结合，划分为1933—1968年（T时段）、1969—1996年（T1时段）和1997—2016年（T2时段）3个阶段，并对累积年平均流量、累积年降水量和累积年蒸发量进行分析（图6）。

人口数量的增加是流域内河流流量变化的重要原因之一[33]。20世纪30年代前苏联开展了“消灭富农运动”，驱逐26.6万人到哈萨克斯坦北部地区长期定居，从事农业劳动或手工行业[31]。第二次世界大战期间（1939—1945年），哈萨克斯坦地区作为大后方基地接纳疏散人口达150万之多[34-36]。自1960年开始，境内人口开始进入稳步发展时期，截至2016年，人口数量翻了一番，达到了1 700万[37]。人口数量的增多带来城市化进程的加快，人为改变下垫面条件，导致地下水汇集减少，地表径流也相应减少。另外，人口数量的增加导致了区域用水紧张，水资源量减少，生活用水大幅提高，1989年伊希姆河流域用水结构中家庭用水只占15%，而到2016年底，这个比率上升到了59%[5]。自1933年以来，伊希姆河流量的减少与地区人口数量的增加密切相关。

人口数量的增加带来土地利用类型的改变，在恶劣和干旱的地方种植农业作物，使得国内农业用地极速增加。由于特殊的干旱半干旱气候，大量的农业用水会显著减少地表径流量。经历了“垦荒运动”（1954—1960年）后，哈萨克斯坦总计开荒2.30×107 hm2，建立了573个国营农场，总播种面积达2.55×107hm2，成为了一个大粮仓[36]。截至1989年底，伊希姆河流域农业用水占用水结构比为61%。其中，灌溉水占农业用水的54%[5]。农业用水的增加与伊希姆河84 a以来呈减少趋势密切相关。

从前苏联第二个五年计划（1933—1937年）开始，哈萨克斯坦主要精力放在了大型水利设施建设方面，依托这些大型水利工程修建新的灌溉系统[36，38]。截至1958年，哈萨克斯坦灌溉面积达到1.45×107hm2，牧场面积为8.10×107hm2。在第八个五年计划（1966—1970年）和第九个五年计划（1971—1975年），哈萨克斯坦水利建设总投资比第六个五年计划（1956—1960年）和第七个五年计划（1961—1965年）增加了6倍，建造了大量的灌溉工程系统，包括水渠、水坝、堤坝等水利基础设施[36，38]。1966—1976年又修建了5.17×105hm2的灌溉系统，对3.78×105hm2灌溉地进行了灌溉系统改造[38]。其中，上游地区谢尔盖耶夫斯基水库的投入使用（1969年）导致伊希姆河下游年均流量大幅减少，从年平均值58.75 m3/s（1933—1968年）减少到年平均值51.81 m3/s（1969—2016年），两者相差6.94 m3/s；水库建成前最大月流量为2 080 m3/s，而水库建成后则为1 048 m3/s，它显著地调节了洪峰值的大小。因此，1969，伊希姆河流量发生突变很可能是因为上游水库的作用。

结合气候因子分析，T时段、T1时段和T2时段累积流量斜率趋势逐时段呈下降趋势，而累积降水量斜率和累积蒸发量斜率趋势呈上升趋势（表1）。T时段受人类活动因素影响较小，加之年降水量在1963年发生突变呈上升趋势，流量显示出大幅波动状变化且距平值为最高（图6d）。T1时段由于上游水库的调节、土地利用类型的改变、农业人口和农业用水的增加等人类活动因素，流域用水量急剧增加。1980年年均气温发生突变，使得流域内蒸散发能力增强，地下水和降水补给无法弥补这一缺口，流量呈下降趋势。T2时段为受人类活动和气候变化影响强烈时期，地表水资源的使用增加及非生产性损失加剧和气候变化共同影响了伊希姆河流量的减少。根据以上分析和累积量斜率变化率比较法得出，T1时段和T2时段与T时段相比，气候变化对流量减少的贡献率分别为16.09%和44.83%，而人类活动对流量减少的贡献率为83.91%和55.17%。

图6 伊希姆河累积流量（a）、降水量（b）和潜在蒸发量（c）年变化与距平值分析（d）

表1 伊希姆河累积流量、累积降水量和累积蒸发量斜率及其变化率

4 结论

通过分析伊希姆河流量的特征以及流域气候因素，研究了流域水文过程对气候变化和人类活动响应，主要结论如下：

（1）84 a来，伊希姆河流域气温总体呈上升趋势，1962年以后增温趋势明显。降水量也呈增加趋势，尤其在20世纪70年代以后，由于全球气候变暖，驱动水循环的过程加快，导致降水量的增加尤为明显。

（2）伊希姆河地处中亚干旱半干旱气候区，河流流量年内分配不均匀。流域内降水量在冬春季节以冰雪固态的形式存在，随着温度的升高而融化，4—6月月均流量占全年流量的85.46%。流量年际变化总体呈下降趋势，但趋势不显著。

（3）伊希姆河流量受流域内气候因子和人类活动的共同影响。降水对流量的贡献最大，且相关性最大。气温与当年4—8月径流量相关性最大，而降水的变化对径流补给具有滞后性。利用累积量斜率变化率比较法计算出T1时段和T2时段与T时段相比，气候变化对流量减少的贡献率分别为16.09%和44.83%，而人类活动对流量减少的贡献率为83.91%和55.17%。流域内下垫面基础、生态环境的改变和水资源的开发及利用等人类活动在很大程度上影响了伊希姆河流量。