天山巴音布鲁克盆地汛期水资源变化趋势及其影响因素分析

刁 鹏，李 刚，张玮煊

（巴音郭楞蒙古自治州气象局，新疆 库尔勒 841000）

水资源是人类生存和发展的基础，不仅在农渔工方面有重要作用，还在调节陆地水文、生态环境方面有重要意义[1]。随着全球气候变暖，全球水循环过程加快[2]，导致不同区域降水和蒸发显著改变，引发区域水资源产生变化[3-4]，一定程度上影响了区域农业系统、社会发展及生态环境等安全[5]。作为全球气候变化敏感区的高寒山区，其水资源变化更易受气候系统变化的影响[6]，这对山地降水量占降水总量84.3%的新疆来说[7]，其农业生产和社会经济的发展与水资源变化息息相关。水资源变化特征作为目前国内外研究热点之一[8]，学者们已得出气候变化和人类活动是影响其显著变化的两大因素[9]，在众多研究中发现，当气候变化对水资源变化的影响呈一定规律时，人类活动对水资源变化的作用会更为突出。吴彬等[10]通过分析新疆平原区地下水资源量变化及其影响因素，得出人类活动对地下水资源的影响大于气候变化。袁瑞强等[11]基于典型区域对光谱指数的性能和稳定性的评估方法，得出内蒙古地表水整体呈先减后增的趋势，而人类活动是地表水面积减少、湖泊萎缩的主要影响因素。盛昱凤等[12]分析了1960—2018年太湖水位变化特征及影响因素，得到2000年前太湖水位对降水的响应十分敏感，而2000年后太湖水位受人为调控而趋于稳定。由此说明，人类活动虽易对水资源变化造成负面影响，但人为选择性活动却能对水资源变化形成正面影响。

巴音布鲁克盆地位于海拔2 400～2 600 m的天山中段南麓，是新疆地区受气候变化影响最典型的高山高寒盆地[13]，其年均降水量为279.65 mm，年均气温为-4.6℃，积雪日数多达139.3 d，有一定面积的永久性冰川，冬长夏短，其不仅是开都河的发源地和水资源储蓄地，还在水量调节、储水、维持地区水平衡方面发挥着巨大作用。为促进区域内社会经济发展，改善流域生态环境，自1994年以来，巴音布鲁克盆地一直作为人工增水重点区域，致力开发山区云水资源，增加区域径流量。有关学者研究发现，人工增水作业对关系密切的水资源地如河流、湖泊等具有一定程度的影响[14-15]。高子毅等[16]利用新疆天山中段北坡人工影响作业区内乌鲁木齐河与头屯河的河流径流量进行人工增雨效果研究，验证出人工增水作业对关系密切的河流径流量有一定程度增加。唐林等[17]通过对湖南省夏季大型水库开展的人工增雨蓄水实验，得出人工增雨作业不仅能增加水库水资源，还是一项投入少、回报明显的技术方式。因此巴音布鲁克盆地在开展人工增水作业的时期，其水资源的变化不仅受气候因素影响，在一定程度上也受人工增水作业影响。

研究表明，气候变化是影响巴音布鲁克盆地地表径流量变化的主要因素[18]，而夏季是年径流量的主要分布时段[19]。然而对于人工增水作业对该盆地水资源变化的影响则鲜有研究，这主要是由于以前开展人工增水作业的时间序列较短，其次科学评估人工增水作业效果的条件难以满足。为此，本文基于对径流受气候变化影响估算准确性较高、结论较为切合实际的气候敏感法[20-21]，定量估算出巴音布鲁克盆地地表径流量受气候因素及人工增水作业因素的影响程度，从而为当地水文效应研究、人工增水开展和水资源合理利用提供参考。

1 数据和方法

1.1 数据选取

由于巴音布鲁克盆地开展人工增水作业的时段为每5—9月，因此选取时间序列为1982—2018年的5—9月，日气象数据来源于巴音布鲁克气象站，包括日降水量、日平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、日照时数和风速等资料，水文资料主要来自于开都河流域出山口控制站——大山口水文站的实测月径流量数据，人工增水作业相关数据来源于新疆巴州人工影响天气办公室。根据巴音布鲁克盆地人工增水作业的开展时间，将未实施人工播云作业的1982—1993年命名为历史期，将开展人工播云作业的1994—2018年命名为人工增水期，并根据表1将人工增水期划分为2个阶段：即高炮作业的1994—2006年为前期阶段，火箭作业的2007—2018年为后期阶段。所有数据都已经过严格的人工检验，确保控制数据质量。

表1 巴音布鲁克盆地人工增水作业发展历程

1.2 研究方法

1.2.1 气候敏感法与水量平衡法

根据姚俊强等[21]对巴音布鲁克盆地地表水资源变化分析的方法，通过将水量平衡方程与傅抱璞公式两者结合，经微分、求导后，可得出降水量和潜在蒸散发量对径流量的影响率，表达式如下：

1.2.2 潜在蒸散发量计算方法

FA056—PM公式是世界粮农组织推荐的潜在蒸散发量通用计算公式[22]，该公式基于能量平衡和空气动力学原理，在不同环境和气候背景下具有较强的广泛适用性，能避免根据气候条件进行参数校正，因此本文中的蒸散发量均由此公式计算得出。

1.2.3 数理统计方法

Mann-Kendall（M-K）秩次相关检验法是一种非参数检验法，是目前比较常用的趋势诊断和突变检验方法[23]。利用M-K检验方法可以判断径流量、降水、气温及蒸散发量变化的拐点年份，并判别各因素的变化趋势及显著性检验。

1.2.4 Morlet小波分析方法

由于地表径流变化趋势还易受到其他随机因素的影响，而Morlet小波分析方法不仅在时间与频率的局部化之间具有较好的平衡，而且能有效滤去随机因素对参数的影响，并将水文时间系列的频率特征在时间域上直观展现出来[24]。为此本文通过MATLAB软件对盆地径流量的变化规律开展Morlet小波分析，并通过Surfer等软件制作小波分析图。

1.2.5 时间序列分析方法

根据高子毅等[16]对天山中段北坡人工增雨试验效果的评价方法，通过柯尔哥洛夫配合适度检验法（K-S）与F—检验法对任意两个统计变量进行正态分布检验与方差相等性检验。当样本符合正太分布条件，且不存在方差显著差异时，采用t检验法计算径流量的增值置信区间；如果样本在显著性水平下存在方差显著差异，将采用Welch检验法计算径流量增值置信区间。在检验中，置信水平通常取0.90。

2 结果与分析

2.1 径流量变化的特征分析

2.1.1 趋势分析

由图1可知，1982—2018年巴音布鲁克盆地汛期径流量有增加趋势，增加速率为0.87（m3/s）·a-1，其中在1994—2018年人工增水期内径流量呈减小趋势，速率为-1.16（m3/s）·a-1，在1982—1993年历史期内径流量呈增加趋势，速率为1.82（m3/s）·a-1。对比分析人工增水期与历史时期的汛期月累计平均径流量，发现1994—2018年比1982—1993年增加了21.6%。由9 a滑动平均发现，2002年之前呈快速增长趋势，之后呈缓慢减小趋势，这可能与2002年出现最高值，而2013年出现最低值有关。综上可知，1982—1993年历史期是巴音布鲁克盆地汛期径流量快速增长时期，而1994—2018年人工增水期的径流量虽然大幅度减小，但较1982—1993年历史期依然有一定幅度的增加。

图1 巴音布鲁克盆地汛期径流量实测值及距平

2.1.2 周期分析

根据小波系数实部图（图2a）可知，盆地径流量存在3个明显的特征时间尺度，分别为4～8 a的年际尺度和11～16 a，17～27 a的年代际尺度，其中11～16 a的时间尺度在20世纪90年代之后震荡较为频繁，4～8 a的时间尺度在1993年左右出现明显的短周期特征。从小波系数模等值线图（图2b）发现，17～27 a的时间尺度具有全域性，11～16 a的时间尺度是变化最明显周期，4～8 a的时间尺度在1982—1993年强度较为稳定，在1994—2018年呈增加趋势。由图2c和2d可知，开都河径流量具有14、22、7、4 a的周期，且平均变化周期为5 a左右。综上可知，在1994—2018年人工增水期内，盆地径流量明显增加的年份较多，且增幅显著，同时在各主周期的径流量变化上，除第1主周期外，剩余主周期的小波系数均呈下降趋势，反映出目前汛期平均径流量较之前有所减少。

图2 巴音布鲁克盆地汛期径流量Morlet小波分析

2.2 径流量变化的影响因素分析

降水和气温是影响汛期径流量变化的主要气候因素[18-19]，而蒸散发量不仅与气温密切相关，还是径流量的主要消耗量，因此为更科学分析人工增水期内径流量变化受各气候影响因素的影响程度，由各气候影响因素与径流量的相关性（表2）可知，1982—2018年降水量与径流量呈显著正相关，气温与径流量呈正相关，蒸散发量与径流量呈负相关，说明降水量是影响径流量变化的主要因素，且气温对径流量的增加也具有一定促进作用，而蒸散发量是水资源的消耗项。降水是各时期径流量增加的主要因素之一，蒸散发量对径流量呈“正负正”的影响变化，气温对径流量变化的影响在1994—2006年作业前期处于由负相关变为正相关的临界时期，并在2007—2018年作业后期与径流量呈正相关。

表2 各时期径流量与降水量、气温、蒸散发量的偏相关系数

由图3可知，巴音布鲁克盆地汛期径流量及各气候影响因素在各时期变化存在明显差异。1982—1993年，各因素的汛期月累计均值分别为：径流量为155.3 m3/s，降水量为43.5 mm，气温为8.1℃，蒸散发量为163.5 mm，均普遍低于多年均值。对比1994—2006年与1982—1993年，蒸散发量平均距平百分率增加了4.1%，气温增加了7.2%，降水量增加了14.1%，径流量增加了23.8%；对比2006—2018年与1994—2006年，只有降水量和气温持续增加，增加率分别为5.7%、2.6%。由此说明，在1994—2006年作业前期各因素均有较大增长，而在2006—2018年作业后期只有降水与温度依然呈增加趋势，且该时期径流量平均距平百分率接近于0，表明径流量在2006—2018年作业后期较1994—2006年作业前期有减少，但较1982—1993年历史期有增加，这与图1和图2d的分析结论相符合。

图3 巴音布鲁克盆地径流量及各气候影响因素各时期平均距平百分率

2.3 径流量及影响因素的趋势检验分析

由图4可知，径流量于1989年发生突变，并在1998—2013年呈上升趋势；降水从2005年呈持续增长趋势，1991年发生突变；气温发生突变年份为1995年，且自1998年起持续增长趋势；而蒸散发量变化趋势不明显。综上可知，盆地降水在1994—2018年人工增水期呈持续增加趋势，且2007—2018年作业后期比1994—2006年作业前期更显著；气温自1995年开始一直升高，而径流量在1998—2013年出现明显增加，考虑到巴音布鲁克盆地气温的增加将导致冰雪融水量增加，对径流量有促进作用[25-26]，径流量增加除受降水增加影响外，冰川融水量增加也是影响径流量增加的另一主要因素。而蒸散发量虽然与气温密切相关，但整体没有明显变化，这可能与巴音布鲁克盆地高寒气候显著有关[21]。结合表2与图3可知，2007—2018年作业后期降水量与气温均增加的趋势下，径流量却减少，说明2007—2018年作业后期冰雪融水量并未大幅度增加，巴音布鲁克盆地内现有冰川等存量可能有缩减。

图4 巴音布鲁克盆地汛期径流量及气候影响因素M-K检验

2.4 气候因素对径流量变化的定量分析

巴音布鲁克盆地地表径流量除了受降水和潜在蒸发量的波动影响外，影响径流量变化的因素还有冰雪融水量引起的变化，因此径流量的总体变化假设可以表示为：

式中，ΔR为实测径流量变化量，ΔRp为降水量变化引起的径流量变化量，ΔRET0为蒸散发量变化引起的径流量变化量，ΔRmelt为冰雪融水量变化引起的径流量变化量，ΔRhuman为人类活动引起的径流量变化量。

根据气候敏感法公式得出的巴音布鲁克盆地各时期各因素对径流量变化的定量分析（表3）可知，各因素在不同时期对径流量的影响存在差异。1994—2006年冰雪融水量与人为活动对径流量的共同影响量最大，达到30 m3/s；降水量次之，为15.6 m3/s；潜在蒸散发起到消耗作用，造成径流量减少了3.4 m3/s。2007—2018年，降水量对径流量的影响量比1994—2006年的影响最大；冰雪融水量与人为活动对径流量的共同影响量大幅减少，对径流量呈减少作用；而潜在蒸散发对径流量起到增加作用。1994—2006年作业前期，冰雪融水量与人为活动对径流量的共同增加作用大于降水量。2007—2018年作业后期，径流量增加的方式主要以降水为主，而潜在蒸散发对径流量的影响作用发生了从减少到增加的转变，这与表2结论相符。同时，高强度的人为活动会对水资源造成减少影响[27]，在21世纪初，巴音布鲁克盆地开展了较大规模的土地和旅游开发，因此2007—2018年作业后期径流量的减少不仅受冰雪融水量减少影响，还与高强度人为活动影响有关。

表3 不同时期的气候变化对径流的定量分析

根据各时期降水量、潜在蒸散发量对径流量的影响率，可以得到1982—2018年降水量对径流量的平均影响率为73.1%，潜在蒸散发量的影响率为-3.5%，冰雪融水量及人为活动共同对径流量的影响率为30.4%。按照陈亚宁[28]研究得出的冰雪融水量在20世纪90年代之后增加了21.28%，可以得出人为活动对地表径流量的平均影响率为9.12%，这与Chen等[20]得出的9.5%的影响率基本一致。

2.5 人工增水因素对径流量变化的定量分析

2.5.1 参数检验分析

通过对1982—2018年的降水量P、实测径流量R以及受降水量影响的径流量Rp正态分布检验（表4），发现各种统计变量的D值均小于给定显著性水平α=0.05的检验统计量D0.05值，且显著性水平P0＞0.05。由此说明，所有统计变量都符合正态分布。

表4 不同统计变量的正态分布性检验

由各种统计变量方差齐性F检验表（表5）可知，各种统计变量能采用的统计检验方式各不相同，其中受降水量影响的径流量Rp可采用t检验法；降水量P可采用Welch检验法；而实测径流量R在1982—1993年与1994—2006年的对比分析中，适合用t检验法；在1994—2006年与2007—2018年的对比分析中，适合用Welch检验法。

表5 不同时期的各种统计变量方差齐性F检验

2.5.2 Welch检验与t检验

由表6可知，不同时期的显著性检验结果具有一定差异性。对比1994—2006年与1982—1993年，发现各种统计变量均显著增加，其中实测径流量R不仅显著性检验水平最高，达到了α=0.004，且增率最大，为18.28%；而受降水量影响的径流量Rp与降水量P的增率基本一致，分别为3.82%、4.48%，由此可知受其余因素影响的径流量增率为14.46%。对比2007—2018年与1994—2006年，发现只有受降水量影响的径流量Rp能在显著性α=0.053水平上，检验出径流量的增量为16.7 m3·s-1，增率为12.04%。1994—2006年作业前期，径流量增加受其余因素影响最大，而2007—2018年作业后期，径流量增加主要以降水影响为主，这与表3的结论一致，因此用气候敏感法定量分析各气候因素对径流量的影响结果比较符合实际，而巴音布鲁克盆地开展人工增水作业有助于汛期径流量增加，且火箭作业的后期比高炮作业的前期增水效果更高。

表6 巴音布鲁克盆地不同时期人工增水效果序列分析表

3 讨论

由于能反映流域下垫面特征的唯一参数w计算繁琐复杂，因此利用Python软件根据水量平衡方程与傅抱璞公式的结合式，计算出巴音布鲁克盆地流域各时期的参数w。对比其他学者对该参数的研究结果，发现其取值范围在1.0～4.9[29-31]，尤其姚俊强等[21]计算出巴音布鲁克盆地径流的参数值为1.21，这与本文得出的参数值相差不大，说明各时期参数选取较为合理。

由于人工增水作业的影响，盆地降水量在人工增水时期可分为自然降水与人工催化降水，根据人工增水时期降水量对地表径流量的平均影响率为74.85%，人工增水对径流量的平均影响率为7.93%，该时期自然降水对径流量的平均影响率为66.92%。1982—2018年，气候性降水对径流量的影响率为68.21%，这与姚俊强等[21]得出盆地降水量对径流影响率为62.67%的结论相差不大。

对比气候因素定量分析与人工增水因素定量分析的结果，发现1994—2006年作业前期，冰雪融水量等因素对径流量的影响量比降水对径流量的影响量多14.4 m3/s，此时期受冰雪融水量等因素影响的径流量增率比受降水影响的径流量增率高10.64%；2007—2018年作业后期，降水不仅对径流量的影响量增多了14 m3/s，且受降水影响的径流量Rp增率也增加了8.22%，而该时期冰雪融水量等因素不仅对径流量呈减流影响，还无法有效检验出对径流量的增加程度。降水对巴音布鲁克盆地径流量的影响程度逐渐增加，而在全球变暖背景下，冰雪融水量等因素对径流量的影响程度正逐渐减小，山区盆地的冰川储量可能正缓慢减少，长期如此流域将面临水资源危机[25]。

人工增水作为水资源安全保障、生态保护修复的重要措施之一，一直受到广泛关注，尤其国办发〔2020〕47号文件的出台，更是体现出国家对人工增水业务的重视与认可，因此积极开展人工增水作业不仅能有效缓解当地水资源短缺的问题，也能进一步满足当地生态文明建设、经济社会发展等需求。

4 结论

（1）近37年来巴音布鲁克盆地汛期径流量呈增加趋势，并具有多时间尺度下的枯位交替变化，其周期为14、22、7、4 a。目前除14 a时间尺度的径流量呈上升趋势外，其余均呈下降趋势，表明目前径流量较前期呈减少趋势。

（2）巴音布鲁克盆地汛期降水量对径流量的平均影响率为73.1%，其中自然降水的影响率为68.21%，人工催化降水的影响率为7.93%，潜在蒸散发量对径流量的影响率为-3.5%，受温度升高导致冰雪融水量的增加对径流量的影响率为21.28%，人为活动对径流量的影响率为9.12%，说明径流量变化主要受气候降水的影响。

（3）1994—2006年作业前期比1982—1993年历史期的盆地汛期径流量增加了27.2%，这主要是由降水量增加和气温升高导致冰雪融水量增加的共同影响，而2007—2018年作业后期比1994—2006年作业前期径流量减少了9.1%，这主要与冰雪融水量的减少以及高强度人为活动的增加有关。

（4）1994—2006年作业前期与2007—2018年作业后期有90%的概率能检验出受降水量影响的径流量分别增加了4.6与16.7 m3/s，增率为3.82%、12.04%，说明在巴音布鲁克盆地汛期开展人工增水作业能有效增加径流量，而火箭作业模式的人工增水作业效率更好。