气候变化和人类活动对玛纳斯河流域径流及干旱的影响

2022-07-31肖森元仇泽豪罗雅洁黄晶晶

人民珠江 2022年7期

肖森元，苏军，杨广*，刘兵，张迪，仇泽豪，罗雅洁，黄晶晶

(1.石河子大学水利建筑工程学院/寒旱区生态水利工程兵团重点实验室，新疆石河子 832000;2.第八师石河子市水利工程管理服务中心，新疆石河子 832000)

气候变化和人类活动改变了陆地水文循环的过程，影响了水文和水资源系统的结构和功能，并对水资源的开发和利用构成重大挑战[1-2]。近几十年来，气温变暖加速了全球水文循环，从而影响了水循环过程并改变了盆地降水量与水循环之间的时空格局[3-4]。人类活动则进一步促进了降水和径流的变化，导致流域水资源的时空分布发生了变化[5-6]，水资源供需平衡遭到破坏，干旱问题日益突出[7]。因此揭示气候变化和人类活动影响下流域径流和干旱演变特征成为当前亟待解决的重要问题[8]。

目前，国内外学者在气候变化和人类活动对径流和干旱的影响方面做了大量研究，并取得丰硕的成果。目前应用较为广泛的主要有数理统计法、弹性系数法及水文模型法。数理统计法以径流和气候因子间的线性关系为基础，分离气候变化和人类活动对径流影响。刘可群等[9]对洪湖春季干旱分析，指出洪湖春旱增多加重主要受气候变化和人类活动影响，而人类活动产生的影响更显著。Alifujiang Y[10]等采用双累积曲线对伊塞克湖盆地径流量变化进行等量分析，发现气候变化和人类活动对径流减少的贡献率分别为64.7%和35.3%，气候变化是导致伊塞克湖盆地径流减少的主要原因。弹性系数法主要基于水热耦合平衡方程，其中基于Budyko假设的分析方法应用最为广泛。薛联青等[11]基于Budyko 假设，对塔里木河流域径流变化对气候变化和人类活动的响应进行了敏感性分析。Zheng等[12]基于Budyko假设的互补关系方法探讨气候变化和人类活动对黄河流域径流变化的贡献率，结果表明黄河流域径流减少主要是由于气候变化，其贡献为60%～70%。水文模型是分析流域水文过程的工具，可实现不同气候情景下的径流模拟。 Seguis等[13]应用分布式水文模型对尼日尔的萨赫勒小流域径流进行模拟研究发现,人类活动对径流的影响比气候因素对径流的影响重要。Lehner等[14]通过采用WaterGAP模型模拟未来水流不同流态认为，未来欧洲北部到东北部在全球变化的影响下易发生洪水，而欧洲南部和东南部则易发生干旱。

玛纳斯河流域是典型内陆河流域，地处中国西北干旱区，水文生态平衡更加脆弱敏感。近年来，随着水资源的日益消耗，水问题变得非常尖锐，出现了严重的生态环境问题，如地下水位下降、农田次生盐渍化、植被大面积退化等。目前，在玛纳斯河流域展开的气候变化和人类活动研究主要集中在对水文水资源产生的影响进行定量区分方面[15]，并未涉及水文干旱演变，而如何加强人类活动对玛纳斯河流域水文变化的正向引导作用，实现区域水资源可持续发展，亟待对流域水文及干旱演变规律进行研究。基于此，本研究通过Mann-Kendall非参数检验法、双积累曲线法和SRI指数法对气候变化和人类活动影响下玛纳斯河流域径流和水文干旱进行分析，并对比分析了气候变化和人类活动影响下流域干旱状况，为流域水土资源合理利用提供基础依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域与数据来源

玛纳斯河流域位于新疆天山北麓、准噶尔盆地南缘，地理位置为43°27′～45°21′N，85°01′～86°32′E(图1)。流域地势东南高西北低，自东向西分布有塔西河、玛纳斯河、宁家河、金沟河以及巴音沟河，其中玛纳斯河是流域内流量最大的河流，年均径流量为12.9×108m3，流域年均降雨量为115～200 mm，属于冰雪融水和降雨混合补给型河流。由于流域地处新疆腹地，形成气温差异大，蒸发量大的温带荒漠气候，流域年均气温为4.7～5.7℃，年均蒸发量为1 500～2 100 mm。

本研究数据来源于玛纳斯河流域肯斯瓦特水文站与石河子和乌兰乌苏气象站提供的1956—2020年实测的逐月径流和逐月降雨数据。

图1 研究区位置

1.2 研究方法

a)径流变化趋势及变异分析。Mann-Kendall是基于秩的非参数检验，它对异常值不敏感，并且不要求数据呈正态分布，因此广泛应用于降水、温度及径流等气象水文序列的变化趋势检验[16]。在分析时间序列的趋势和突变点时，首先计算样本统计量UF与UB，确定时间序列的变化趋势。当UF超过显著性置信度临界线(±1.96)时，该序列在统计上存在显著的增加/减少趋势，反之则不表现出显著的趋势。若UF和UB 2条曲线的交点在临界线内，则交点对应的时刻被视为时间序列的突变点。具体步骤见文献[17-18]。

b)径流变化归因分析。双累积曲线法是研究2个序列间变化关系和判别其是否具有一致性的方法，由于该方法简单、直观、有效而在水文气象要素分析中得到广泛应用。首先，将2个相同长度的序列进行累加，并在直角坐标系中绘制关系线，依据关系线的斜率是否发生变化出现拐点，判断其是否发生异常，而出现的拐点对应的时间则为发生异常的年份。以异常年份为时间点，对长度序列进行比较，若相对于变化前，变化后序列出现偏离，则表示变化后序列可能受外界影响出现显著性变化，否则表示两序列一致性较好，未出现显著性变化。而后，将第一个突变点之前有实测资料的时段作为自然期，之后作为变化期，根据自然期内降水-径流累积关系，反推变化期受气候变化影响径流量，实现气候变化和人类活动对径流影响的分离，从而探究人类活动和气候变化对突变期相对于基准期径流量变化的贡献率，对径流量变化进行归因分析。具体步骤见文献[19-21]。

c)水文干旱分析。标准化径流指数(SRI)是持续时间内累积的水文径流百分比的单位标准正态偏差，流域内不同时间尺度下的径流情况和干旱程度可以通过SRI的大小反映[22-23]。其计算方法如下。

首先获取径流的时间序列，并对时间序列所代表的样本进行概率分布拟合：

(1)

然后对其进行累加，得到累积概率计算公式见式(2)：

(2)

最后将累积概率分布函数转换为标准正态分布函数：

(3)

由于标准化径流指数(SRI)的计算方法与标准化降水指数(SPI)类似，故可参照国家气候中心颁布的气象干旱等级分类标准[24]确定SRI指数的干旱等级。具体等级划分见表1。

表1 标准化径流指数干旱等级划分

2 结果与分析

2.1 径流变化趋势和变异分析

根据1956—2020年实测径流和降水资料对玛纳斯河流域年径流变化进行分析可知，从整体上看，研究时段内玛纳斯河流域年径流深呈不规则周期波动(图2a)，其中1999年径流深为历年最大值，达到了435.46 mm，而1992年仅有201.78 mm，为历年最小值。年降水量在1955—1965 年波动幅度较大且有先增加后减少的趋势,1966—1977 年呈先波动增加后减少，在1977 年达到最小值，从1978 年起降水量呈波动增加的变化趋势。从年际上看，65 a来玛纳斯河流域年径流深呈现出比较明显的线性增加趋势，尤其是1995年以后递增幅度最大。从年代上来看(图2b)，流域年径流深呈现出“先增后减再增”的变化趋势。除20世纪60年代到70年代径流深呈现出减少趋势外，其他年代径流深均呈现出不同程度递增状态，尤其是20世纪80年代到90年代增加最为明显，变化幅度高达17.27%。进入21世纪后，流域年径流变化趋势有所减缓，10 a变化幅度约为2%。在这一时期，降雨量则呈现“先减后增再平稳”的变化趋势。

a)流域径流

b)降雨量

利用Mann-Kendall非参数统计检验法对玛纳斯河流域年径流分析可知(图3)，在0.05显著性水平下，流域年径流在1956—2004年均未出现显著性变化，在2005—2020年统计检验指标超过临界线，表明在此时间段内年径流呈显著性增加趋势。UF和UB 2条曲线相交的时间节点是1995年，且交点位于显著性置信度临界线内，表明流域年径流发生突变的时间是1995年。1995年恰是玛纳斯河流域推行节水灌溉技术的时期，流域规模化节水措施作为重要的人类活动，在迅速推动绿洲化进程的同时，加剧了流域径流的年际变化趋势。

图3 年径流量Mann-Kendall检验

2.2 径流变化影响因素分析

2.2.1气候变化和人类活动对径流的影响

气候变化和人类活动是影响地表径流的2个重要因素，为识别不同驱动因素的贡献，本研究利用降水-径流双累积曲线来分析量化气候变化和人类活动对玛纳斯河流域径流的贡献比例(图4)。

图4 玛纳斯河流域年降水-径流双累积曲线

由图4可知，降水-径流双累积曲线在1995年出现拐点，说明1995年为其确定的突变年份，这与利用Mann-Kendall非参数统计检验结论相一致。因此，依据判定的突变年份，以1995年为时间节点，将年径流序列划分为1956—1995年和1996—2014年2个子序列。选取1956—1995年作为自然期，认为在该时期径流受自然环境变化影响较大，受到人类活动影响较小，选取1996—2020年作为变化期，认为在该时期径流受气候变化和人类活动的双重影响。经计算基准期和变化期2个子序列的年径流均值可知，基准期流域年径流均值为250.93 mm，变化期流域年径流均值较基准期增加62.43 mm，约增加24.88%，可见，流域径流在变化期增加较为明显。

2.2.2气候变化和人类活动对径流的贡献

为定量分析气候变化和人类活动对流域径流的影响程度，以自然期月累积降水-径流为原始数据，构建月降水-径流双累积关系模型(∑R=0.77633·∑p-264.62,R2=0.99)，反推变化期受气候变化影响径流量，实现气候变化和人类活动对径流影响的分离，而后通过计算实测值和拟合值差值占变化值的百分比，确定其贡献率，结果见表2。

由表2可知，气候变化对月径流量变化的影响量为2.95 mm，贡献率为56.73%，人类活动对月径流量变化的影响量为2.25 mm，贡献率为43.37%，表明气候变化是导致玛纳斯河流域径流量变化的主要因素。

表2 气候变化和人类活动对径流变化的贡献率

2.3 水文干旱演变特征分析

在进行水文干旱分析时，采用与SPI指数相类似的方法，所以SRI指数和SPI指数一样具有多时间尺度特征，可进行不同时间尺度下的干旱特征分析。考虑到研究区主要发展绿洲农业，干旱事件的发生又多以季节性干旱为主，因此，在上述径流分析的基础上，利用3个月尺度SRI指数对气候变化和人类活动影响下流域水文干旱演变进行分析。

为了便于进行不同影响条件下季节性干旱变化分析，根据研究区地理和气候特征将12个月依次划分为春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至次年2月)[25]。并绘制不同影响条件下不同季节SRI变化过程，见图5。

a)春季 b)夏季

c)夏季 d)夏季

春季，实测SRI和受气候变化影响下的SRI在春季的变化趋势存在较大差异，实测SRI主要呈现出轻度干旱化趋势，受气候变化影响下的SRI则呈现出无旱化趋势。比较春季SRI值可知，前者共出现轻旱事件23次，在1996—2007年和2009—2020年出现连续春旱，后者仅2012年出现1次轻旱。说明在人类活动影响下，流域春季出现持续干旱化趋势。这主要是由于玛纳斯河属季节性河流，春季上游来水量少，而农田播种又需要消耗大量的水资源，故使得流域春季呈现出干旱化趋势。

夏季，实测SRI和受气候变化影响下的SRI在夏季的变化趋势大致相同，总体上均呈下降趋势。比较夏季SRI值可以发现，在所取的研究时段内，两者均无干旱事件发生，但后者SRI值波动幅度明显大于前者。分析原因可知，膜下滴灌技术的实施降低了作物的棵间蒸发，增加了土壤的湿度，使得流域夏季干旱化趋势得到有效控制。

秋季，实测SRI和受气候变化影响下的SRI变化趋势大致相似，主要呈现出无旱化趋势。比较秋季SRI值可以发现，前者在所取的研究时段内，无干旱事件发生；后者处于轻旱以上共出现8次，分别在1996—1998年、2005—2006年、2008年、2013年以及2019年出现秋旱，说明人类活动减少了流域干旱事件的发生。这主要得益于流域绿洲区人工绿洲面积的增长，改善了流域的生态环境，从而使得秋季无旱化趋势更加稳定。

冬季，实测SRI和受气候变化影响下的SRI值均在-0.5以下，干旱程度明显。进一步分析比较冬季SRI值可知，前者处于中旱以上共出现3次，是在1996—1997年和2014年；后者处于中旱以上共出现18次，其中在1996—1997年、2001年、2011年和2019年出现了重度干旱。经分析可知，冰川融雪水对玛纳斯河径流有着重要的补给作用，而人类活动加速了冰川消融，提高了玛纳斯河冬季的径流量，从而在短期内改善了流域冬季的干旱程度。

对发生的季节性干旱事件进行频次和频率统计可知(图6)，春季实测SRI以轻旱为主，无旱以及轻旱发生的频次和频率分别为2次、23次和8%和92%；春季气候变化影响下SRI仅发生1次轻旱，其余均为无旱，发生轻旱和无旱的频率分别为4%和96%。夏季实测SRI和气候变化影响下SRI均无干旱事件发生，统计的25次均处于无旱。秋季实测SRI无干旱事件发生；秋季气候变化影响下SRI无重旱事件发生，无旱、轻旱和中旱发生的频次和频率分别为17次、7次、1次和68%、28%、4%。冬季实测SRI发生3次中旱和21次轻旱，发生中旱和轻旱的频率为12.5%和87.5%；冬季气候变化影响下SRI发生6次轻旱、13次中旱和5次重旱，发生的频率为25%、54.2%和20.8%。

对比分析可知，实测SRI易在春季发生轻度干旱事件，而气候变化影响下SRI则更易在冬季发生中旱及其以上干旱事件。可见人类活动一方面使流域春季出现干旱化趋势，需要人类警惕；另一方面缓解了流域冬季的干旱程度，对于改善季节性干旱起到推动作用。

a)实测

b)受气候变化影响

3 讨论

流域径流的形成和变化不仅与降水的变化有关，而且还与人类活动引起的地表条件的变化以及人类活动的直接影响有关[26]。本研究从气候变化和人类活动的角度出发，定量分析了这2种影响因素对流域径流的影响程度，并通过对比分析探讨了在这2种影响因素下流域水文干旱演变情况。流域径流量的增加受气候变化和人类活动的双重影响，相对于人类活动所产生的影响，气候变化对流域流量变化的影响量为2.95 mm，贡献率为56.73%，而人类活动对径流量变化的影响量为2.24 mm，贡献率为43.37%，可见，气候变化对流域流量变化的影响更加显著。这与陈伏龙等[15]、高培等[27]的研究结果保持一致。同时需要指出的是，虽然降水-径流双累积关系模型引入了累积量以减少年际波动对测量数据的影响且年与累积之间的线性拟合具有较高的相关系数(R2=0.99)，但本研究仅将降水视为气候因素，实际上应包括日照，温度，风速和其他因素[28]，因此对气候因素和人类活动的分解缺乏彻底性，定量研究仍存在不确定性。

Mann-Kendall非参数统计检验和降水-径流双累积曲线表明玛纳斯河流域的径流量在1995年发生突变，这与流域实行节水灌溉的时间相符，流域内人口和耕地面积大幅增加(图7)，人类活动对径流的影响加剧。另外玛纳斯河属冰川融雪及降雨混合补给型河流，由于人类对自然资源不合理的开发利用，导致全球气温持续升高，山区冰川消融加剧。研究[29]发现玛纳斯河流域已有 32.5%的冰川面积消失，虽然短期内冰川融雪水对径流补给量的增加能够降低流域干旱事件的发生，但从长远来看冰川融水量先增后减的拐点一旦出现，以降水和冰川融水为主要补给的玛纳斯河径流量会出现陡降，在枯水季节或年份可能出现区域性缺水危机。同时由于人类活动的影响，现阶段玛纳斯河流域春季呈现出持续干旱化趋势，针对这一现象，玛纳斯河流域应合理控制开垦面积，结合研究区实际情况建议调整农作物种植结构，减少高耗水农作物种植面积，发展低耗水农作物。更为重要的是，应大力培养高效农业技术管理人员，尽管研究区高效节水技术已经发展的相当成熟，但相应的技术管理水平还有待进一步提高，因此，培养高效农业技术管理人员是接下来发展的首要任务。