气候变化对准噶尔盆地河流径流量的影响研究

外力·阿合买提

(新疆维吾尔自治区水文局水文实验站，新疆 乌鲁木齐 830049)

新疆地区属于温带大陆性气候，气温温差大，日照时间长，降水量少。空间分布上，降水量西部和北部多、东部和南部少；时间分布上，夏季降水量占全年70%以上，春、秋、冬三季降水量占比不足30%，因降水量时空分布不均匀，影响当地的农业生产活动[1]。从目前研究来看，多是气候变化对水资源环境造成的影响，对于冻土、积雪等要素的变化和响应研究较少。本次研究选取新疆准噶尔盆地以及区域内的代表性河流，一方面分析气候变化对径流量的影响，另一方面分析径流量对气候变化的响应，为当地水资源合理开发利用提供数据支持。

1 气候变化对径流系统的影响

1.1 气候变暖对径流的影响

随着经济社会发展，新疆地区的工业步伐加快，再加上人为活动、自然因素的干扰，气候变暖问题日益严重。近二三十年，新疆地区气温总体上呈现升高趋势，每年平均升温0.02℃。新疆地区海拔高，含有大量积雪冰川，是重要的水源存储地。随着气候变暖，会导致积雪冰川融化速度加快，进入河流水系中就会增大径流量。以叶尔羌河、昆马力克河为例，积雪和冰川是主要补给方式，径流量受到气候变暖的影响更加明显。

此外，气候变暖还会导致蒸发量增加，进而改变径流量。尤其是在气候干旱地区，随着河流增发量变大，径流量就会减小。以绿洲地区为例，气候极其干旱，降水量小、蒸发量大，后者达到前者的50倍。在气候变暖的影响下，当地干旱缺水程度进一步加剧。

1.2 降水量对径流的影响

宏观上看，新疆地区和我国西部地区，年降水量变化特征基本相同，呈现出持续增加的趋势[2]。在北疆地区，尤其是伊犁河谷区、环准噶尔盆地周边，降水量增多非常明显，其次是玛纳斯河流域。在南疆地区，近二三十年的降水量也明显增多，缓解了当地干旱现状，有助于抑制环境进一步恶化。在东疆地区，虽然降水量绝对值低于北疆和南疆，但自身和历史数据比较降水量增长也很明显，10 a间线性增长率达到9%左右。降水量增多，无疑会增加径流量，作为地表水系的一种补给方式。

1.3 气候灾害对径流的影响

以洪水为代表的自然灾害，和气候变化具有密切关联，是径流量短时间、大幅度增加造成的极端情况。20世纪80年代中期以来，因气温升高、降水量增加，新疆地区多条河流爆发了洪水灾害，如昆马力克河、布尔津河等。进一步监测各河流的径流量，可见洪峰流量几乎都在增加。我们以叶尔羌河为例，冰雪融水是主要补给，气候变暖导致冰雪融水速度加快，注入河流后导致水量急剧增多，因破坏了水文平衡，从而诱发洪水灾害[3]。

2 新疆准噶尔盆地的气候和水文特征

2.1 气候特征

该地区位于新疆北部，在天山山脉、阿尔泰山脉及西部诸山间，总面积约38万平方千米，海拔在500～1 000 m之间，地势东高西低。属于中温带气候，西部和北部年平均气温为3℃～5℃，南部为5℃～7.5℃，东部是寒潮通道，富蕴1月平均气温达到-28℃。该地区自然灾害主要是大风和冻害，每年8级以上的大风天数北部约33～77 d，西部在70 d以上。

2.2 水文特征

该地区水汽来自西风气流，降水量西多东少，边缘多中心少。冬季有积雪，冬、春两季降水量占全年30%～45%。河流补给主要来自山区，少数是平原上的冰雪融水，共计年度径流量210亿 m3。该区域内的水系主要有4个：分别是乌伦古湖、艾比湖、玛纳斯湖、天山北坡独立水系。

3 气候变化对该地区河流径流量影响的研究

该地区的玛纳斯河，源出天山北麓，向北注入玛纳斯湖，长度约450 km，流域总面积约34 000 km2。河流贯穿了山地-绿洲-荒漠系统，地表过程复杂，年平均气温在-3.5℃～-0.1℃之间，年径流量变异系数为0.37。有研究选择玛纳斯河流域的绿洲区为对象，利用气象站数据分析气候变化特征。结果显示：绿洲区年平均气温和四季气温均升高，尤其冬、春两季升温更明显；降水量呈现显著增加趋势，冬、夏两季更明显[4]。

3.1 数据来源

数据主要来源于国家气象局、新疆维吾尔族自治区水利厅、新疆维吾尔自治区水文信息中心等，时间段为1969-2019年。

3.2 研究方法

结合现有研究成果，分析气候变化对径流量的影响，以及水资源对气候变化的响应，主要利用峰值指数和干湿指数，采用灰色关联分析法，简要介绍如下。

3.2.1 峰值指数和干湿指数

峰值指数α和干湿指数β，均是研究年内径流量变化的常用指标，前者反映出最大径流量特征，后者反映出干旱度特征。计算公式是：

(1)

(2)

式中：α代表季节性融雪水与山地融雪和降水产生的总径流量的比值；β代表汛期径流量与非汛期径流量比值，或地下水补给和年径流量比值；W代表月径流量。

3.2.2 M-K检验

M-K检验是一种气候诊断与预测技术，通过检验可以判断气候序列中是否存在气候突变；如果存在，还能确定突变发生的时间[5]。随着M-K检验的应用范围扩大，目前也用于气候变化影响下的降水、干旱频次趋势检测。综合来看，进行M-K检验，能掌握径流量时间序列的变化趋势和突变性。M-K检验法的应用，是基于时间序列的排列和时间顺序，对这两者的相关性进行分析。

对于时间序列X={x1,x2,…,xn}，统计量计算方法是：

(3)

(4)

式中：Ri、Rj代表时间序列观测值xi、xj的排列。统计量S的平均值E(S)和方差Var(S)，计算方法是：

E(S)=0

(5)

(6)

式中：n代表观察次数。如果时间序列中出现了相同数据，计算方差时采用以下公式：

(7)

式中：m代表时间序列中捆绑数据的数量。当观测次数增加，S的分布也会变化，逐渐趋向于正态分布。这种变化是否显著，可利用标准化变量u和期望显著性水平α下的标准正态变量进行比较，计算方法是：

(8)

3.2.3 灰色关联分析法

灰色关联分析法，是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，来衡量因素之间的关联程度。该方法目前在多个领域应用，基本计算分为三个步骤：第一步，确定参考序列：X0={x0(1),x0(2)…,x0(n)},j=1,2,…,m；第二步，确定比较序列：Xj={xj(1),xj(2)…,xj(n)},j=1,2,…,m；第三步，分析两者的关联度，通常建立一个关联度系数离散函数，计算方法是：

(9)

式中：l=1,2,…,n；Δmin代表最小接近度；Δmax代表最大接近度；ρ∈(0,1〗，是区分、接近度的系数。

3.3 结果分析

3.3.1 径流量月度变化

1)月径流量变化。对1-12月每月径流量进行统计，结果见表1。分析可知：(1)径流量集中在每年7、8、9三月，占比为49.9%；1、2、12三月径流量很小，占比为6.2%。(2)径流量最大值在7月，占比为18.0%；最小值在2月，占比为1.7%，相差10.6倍。本地区水源主要来源于降水和融雪，年度径流量分布较稳定，但月度径流量波动明显，7月和9月是两个高峰。地下水补给主要是降水、融雪和融化冻土水，季节性冻土在整个研究区均有分布，融化季节是每年5-9月，寒冷气候下是10月-次年4月，冻结时间持续6、7个月。

表1 每月径流量统计结果

2)峰值指数和干湿指数变化。由图1、图2分析可知：(1)峰值指数α曲线呈上升趋势，但是变化不显著，这说明季节性融雪水在高山冰雪融水和雨水的年径流总量中占比较大。(2)干湿指数β曲线几乎持平，没有明显变化，说明汛期和非汛期径流量比值基本没有变化，地下水补给和年径流量比例是稳定的。进一步对峰值指数序列进行M-K检验，发现有显著性水平的突变点，出现在1995年和2013年。基于以上结果，可以得出结论：1995年后，该地区季节性融水供给在水资源总量中小幅度增加，并且对年内、年际径流量产生一定影响。

图1 月径流量的峰值指数α曲线图 图2 月径流量干湿指数β曲线图

3.3.2 径流量对气候变化的响应

冻结期温度和最大冻土深度的关系。结果显示：1993-2004年，冻土深度明显减小；2010-2014年，冻土深度再次明显减小。说明变暖年份的径流量受地下水补给、永久冻土融水、季节性冰雪融水的贡献更大。

温度、降水量和径流量的关系。日照时间长短和温度高低变化，会影响区域水分蒸发量，继而影响径流量。结果显示：径流量与年平均气温以及年度降水量正相关。但是这种线性关系在1987年之后，与年度降水量的变弱，与气温的变强。

积雪和降水对年径流量的影响。积雪融水也是径流量的一个补给来源，本地区积雪最大值一般出现在5月，和径流量呈正相关性。从近几年的数据看，2015年、2018年和2019年，流域内积雪覆盖率分别是99%、76.9%和77.2%。原因在于：观测数据显示2018年的冬季降雪少，导致2019年的总径流量减少。绘制积雪、降水和年径流量之间的曲线图，结果显示：(1)年径流量和降水量正相关，和积雪面积负相关。(2)2012年-2016年，不论是降水量、还是积雪面积均比较大，因此径流量也在增加。(3)2018年，年径流中的积雪融化量占比减小，而降水量占比较大。

4 结语

综上所述，气候变化对径流系统的影响，体现在三个方面：气候变暖对径流的影响，气候变暖会增加径流量；降水量对径流的影响，降水量增多也会增加径流量；气候灾害对径流的影响，以洪水为代表的灾害会增加径流量。本次研究以新疆准噶尔盆地为例，采用峰值指数、干湿指数、M-K检验、灰色关联分析等，分析气候变化对当地径流量的影响，得出结论如下：

(1)径流量月度变化方面：径流量集中在每年7、8、9三月，占比为49.9%；1、2、12三月径流量很小，占比为6.2%。(2)径流量年度变化方面：1995年后，该地区季节性融水供给在水资源总量中小幅度增加，并且对年内、年际径流量产生一定影响。(3)径流量对气候变化的响应方面：变暖年份的径流量在地下水补给、永久冻土融水、季节性冰雪融水获得贡献更大。1987年之后，该地区径流量和年度降水量的线性关系变弱，而径流量和气温的线性关系变强。2018年，由于积雪面积减小，降水量高于平均值，因此年径流中的积雪融化量占比减小，而降水量占比较大。

综上，温度变化影响该地区的冻土退化和降雪情况，继而改变河流径流量，冬季降雪减少会对来年农业生产和自然生态带来不利影响。