气候变化对塔里木盆地水文水资源的影响研究

艾再孜江·帕合提

(新疆维吾尔自治区水文局水文实验站，新疆 乌鲁木齐 830049)

同全世界一样，中国的气候和环境已经发生并将继续发生重大变化。水资源的极度短缺成为影响我国经济社会发展最重要的瓶颈。由气候变暖带来的强烈蒸发是导致水资源大面积减少的直接原因。一般来讲，气候变化通过大气环流的变化、蒸发量的增加、冰雪条件的变化，引起降雨、蒸发、入渗等一系列变化，进而改变全球水文循环的现状，引起全球水文循环在时间和空间的重新分布[1]。气候变化给人类带来的影响不可估计，自1950年以来，我国6大江河的径流量减少，未来中国水资源供需矛盾可能会加剧。因此亟需研究由气候变化对地区水文水资源的科学影响，为未来水资源的合理配置提供一定的研究意义。

1 区域概况

塔里木盆地位于新疆南部，处在天山和昆仑山、阿尔金山之间。盆地地势西高东低。由于远离海洋，四面环山，且中部为塔克拉玛干沙漠，形成了典型的干旱大陆性气候[2]。塔里木河流域总面积102万 km2，流域多年平均天然径流量398.3×108m3，以冰川融雪补给为主，流域水资源总量为429×108m3。一年四季温差悬殊大，同时日照时间长，降水量远远小于蒸发量，风沙、浮尘天气居多，由于人类活动与气候变化等影响，使得该盆地水资源极度缺乏。

2 研究方法

由于气候变化对地域水文要素产生一定的影响，且不同区域对气候变化的响应不同，因此应将研究区划分为水文区域。采用模糊聚类方法以地区内水文站为单位进行聚类，采用循环迭代模型对水资源展开研究。模糊聚类循环迭代模型原理及计算步骤如下[3]：

设有对模糊概念A聚类的n个样本组成的集合：

X={x1，x2，x3，…，xn}

(1)

用m个指标特征值向量：

(2)

对样本进行聚类，则待聚类的样本集可用m×n阶指标特征值矩阵表示：

Xm×n=(xij)m×n

(3)

式中xj为样本j指标i的特征值； i=1，2，3，…m； j=1，2，3…n。设n个样本依据m个指标特征值按照C个类别进行聚类，其类别隶属度矩阵为：

Uc×n=(uhj)c×n

(4)

其中h=1，2，…C，uhj表示样本j对类别h的相对隶属度。C个类别的聚类中心可以表示为：

Sm×c=(sih)m×c

(5)

动态模糊聚类方法是在“迭代自组织数据分析技术”的基础上引入模糊数学理论而形成的。它是在粗略的初始分类基础上，遵循择优原则经过反复修改分类直至分类比较合理为止。聚类准则为“最佳分类的目标函数J(U，S)小”，即：

(6)

式(6)的含义是：依n个样本将其分为K类，最终达到类内差异与隶属权重之积的总和最小。

聚类的计算可以分以下几步：

1)指标特征值的标准化：由于m个指标特征物理量纲不同，在进行聚类之前先消除量纲差异，本文采用“标准差标准化”处理，原始数据标准成均值为0，标准标为1的标准化数据。公式如下：

(7)

(8)

(9)

2)确定分区数K的取值范围及迭代精度e：分类数的选择根据经验及原水系分区定为4～10。迭代精度为e=0.001。

3)初始分类矩阵生成：根据每次循环取定的K值，由计算机生成初始分类矩阵U。初始分类矩阵U要满足以下三个要求：(1)每元素uij都在[0,1]区间取值；(2)每一列隶属函数之和等于1；(3)每一行隶属函数值之和大于0。

4)计算类中心值Sih：

(10)

式中：Sih为以第i个要素为准归入h类的类中心值。

5)重新计算分类矩阵U：

(11)

式中Sej为以第d个要素为准归为第e类的类中心值。

7)进行“0，1”化处理：将最终分类矩阵U中每列元素的最大值者变为1，其余变为0，至此得一普通分类矩阵。

8)求出K取不同值时的分类结果：代入不同K值重复(2)-(7)各步骤。

9)分析确定分类数K：最终选定K值要从以下三方面考虑：(1)对于分类矩阵U(t)，较理想的情况是：每行元素中隶属样本的隶属度和非隶属样本的隶属度之间有较明显的界限。每列元素中样本对其隶属类的的隶属度应远大于其对非隶属类的隶属度。(2)与传统分类及实际情况相结照分析K取值的合理性。(3)其它因素。

3 研究应用

选取塔里木河流域33个站的年平均径流深等4项指标，指标值见表1。计算结果见表2。

表1 分区水文站点及指标

分类计算结果如表2。

表2 分区计算结果

通过对计算结果的比较分析，认为分区数取4较合适。H1类站，径流深为150～300 mm，冰川覆盖率10%～20%，6-9月径流贡献0.7 以上，包括卡木鲁、沙曼、维它克、库鲁克栏干、同克孜勒克、桑株。分入H2类站的站点最多，主要特征为径流深在150 mm 以下，冰川覆盖率低于10%，径流受冰川影响小，6-9月径流贡献小于0.5。H3类站点特点是水量较丰富，冰川覆盖率在3%～10%，6-9月径流贡献率0.7左右，冰川覆盖率低于H1类。分入H4站点仅三个站，特点是径流深大，冰川覆盖率超过30%，冰川补给丰富。

根据以上计算结果，结合河流的地理位置，本文将盆地分为四个水资源区，其中一区为开都河流域区，包括开都河、黄水河和清水河；二区为渭干河区，主要有库车河、卡拉苏河、黑孜河、木扎特河、卡木斯浪河；三区为阿克苏河区，主要河流包括台兰河、昆马力克河、托什干河、卡浪古吕克河、盖孜河、库山河；四区叶尔羌-和田河区，主要河流为叶尔羌河、提兹拉甫河、皮山、喀拉喀什河、玉龙喀什河、策勒河、克里雅河。

4 气候变化对区域水资源的影响

设气象要素时间序列为y，y…yn，它可用一个多项式来表示：

yn(t)=a0+a1t+…+amtn(m

(13)

式中：t表示时间，单位为年。一般讲，气温和降水的气候趋势可用一次直线方程来描述，即：

yn(t)=a0+a1t

(14)

其中方程系数可用最小二乘法确定。

4.1 气候年际变化特征

将塔里木盆地年平均气温序列代入式(13)，得到1959-2004年盆地年平均气温的变化趋势，气温倾向率值为0.194℃/10a，说明呈上升趋势。塔里木盆地年平均气温序列变化趋势如图1所示，最高气温出现在1979年为8.1℃，最低气温出现在1967年为5.52℃。此外90年代以前增温不明显，而90年代后期增温较显著。各年代平均气温1960-1969年为6.35℃，1970-1979年为6.65℃，1980-1989年为6.69℃，1990-1999年为6.95℃，2000-2004年为7.24℃，90年代平均气温比多年平均气温高出0.22℃，而2000年后平均气温比多年平均气温高出0.51℃。虽然60、70、80年代平均气温较多年平均气温低，但90年代后的增温使得总体趋势上依然为上升。

图1 塔里木盆地年平均气温变化及多年平均值

图2 塔里木盆地年降水量变化及多年平均值

4.2 降水量年际变化特征

将塔里木盆地年降水序列代入式(13)，得到1959-2004年盆地年降水量变化趋势，降水倾向率值为0.531 mm/10a，说明呈增加趋势。塔里木盆地年降水量序列变化趋势如图2所示，1987年最高为117.1 mm，1985年最低为47.85 mm。从各年代看，70年代以前降水增加不明显，而80年代后期开始降水增加较显著。盆地内多年平均降水为 83 mm，各年代平均降水1960-1969为74.13 mm，1970-1979 为77.58 mm，1980-1989为82.3 mm，1990-1999为92.26 mm，2000-2004年为94.21 mm，90年代平均降水量比多年平均多出9.26 mm，而2000年后平均降水量比多年平均多出11.21 mm。虽然60、70、80年代平均降水量较多年平均值低，但90年代后的增水使得总体趋势上依然是上升的。

5 结语

气候变化对西北干旱区水文水资源的影响具有重要意义。因此，研究气候变化对塔里木盆地水资源的影响，对新疆水资源的高效利用和合理配置具有重要影响。本文根据盆地内25个站点近46年来的气象资料，采用模糊聚类法划分了水文分区，分析了盆地气候变化的特征，结果显示塔里木盆地气候存在着变暖的趋势，降水也有增加的趋势，90年代以后增温、增湿都较显著。塔里木盆地气候变化存在明显的区域性，各测站气候倾向率变化幅度不同。研究结果为其他水文研究提供一定的参考。