全球变暖背景下干旱区典型内陆河径流量变化及未来趋势预估

阿迪力江·吾拉木

（新疆塔里木河流域喀什管理局,新疆 喀什 844700）

内陆河是指由内陆山区降雨或高山融雪产生的不能流入海洋、只能流入内陆湖泊或在内陆消失的河流。在我国干旱区分布有一些内陆河,发源于冰川面积大和分布集中的山区。近几十年来,随着全球气候变暖,干旱区气温呈上升趋势,冰雪消融和河道径流明显增加,干旱和洪涝灾害频发[1-2]。但以往研究资料陈旧,研究时空范围都较小,不能系统反映干旱区内陆河水资源年际和年内变化对全球气候变化的响应,更缺乏对未来10 年水资源变化的科学预估。本文以我国极端干旱的典型内陆河——叶尔羌河为例进行水资源特征研究。

叶尔羌河是我国塔里木河四大源流（阿克苏河、叶尔羌河、和田河和开都-孔雀河）之一,属于典型的内陆河,发源于喀喇昆仑山,河流全长1281 km。流域形态是由叶尔羌河干流、塔什库尔干河、提孜那甫河、上游克勒青河及众多小的支流形成的一个不规则的“扇”状水系[3]。提孜那甫河是叶尔羌河的一条较大支流,发源于海拔5000 m 昆仑山北坡的科克阿特达坂现代冰川区,丰富的冰雪融水及大气降水保证了河水及地下水有较充沛的补给源。地势西南高东北低,横贯昆仑山北坡,流经叶城、泽普、莎车、麦盖提县,在汗克尔渠首附近汇入叶尔羌河,河流全长335 km。因叶尔羌河流域地处欧亚大陆腹地,远离海洋,周围又有高山阻隔,加上沙漠的影响,流域内呈典型的干旱大陆性气候,空气干燥,日照长,蒸发强烈,降水小。叶尔羌河径流组成主要以冰雪消融补给为主,受气候变化影响大,存在水资源年内分配和地域分布极不均匀的特征,引起春旱、夏洪、盐碱及风沙等危害,社会经济用水还严重挤占生态用水,水资源利用效率极为低下,难以维持生态系统的稳定性[4]。为了保障叶尔羌河灌区约200 万人的生产和生活用水及河岸林草植被恢复的生态用水功效,需系统掌握过去65 年（1954 年～2018 年）叶尔羌河径流量的年际、年内和丰枯变化特征,并科学预测未来10 年叶尔羌河径流量的变化。

1 数据与方法

1.1 数据来源

叶尔羌河喀群（1954 年～2018 年）水文站和提孜那甫河江卡（1957 年～2018 年）水文站月径流量数据来源于新疆塔里木河流域喀什管理局。

1.2 方法

1.2.1 径流量变化分析方法

利用SPSS10.0、Sigmaplot12.0、Excell 等软件,运用统计学方法分析叶尔羌河出山口及其支流水文站径流量的年际和年内变化特征。

1.2.2 径流量预测方法

时间序列分析的ARIMA 建模法也叫Box-Jenkins 法,可分为自回归模型（AR 模型）、移动平均模型（MA 模型）和自回归移动平均模型（ARMA 模型）。

ARMA 模型不仅与其前p 个时刻的自身观测值有关,而且还与其以前时刻进入系统的q 个随机误差存在一定的依存关系,即：

在进行ARMA 建模之前,时间序列必须满足平稳性条件。非平稳的时间序列数据则可以用差分法使之平稳化,并进行检验。时间序列经过差分平稳化后,可以建立ARMA 模型来分析,对模型进行参数估计,通过数据变换的可逆性,使模型参数估计结果适应平稳化之前的数据。这整个过程建立的模型称为ARIMA 模型。如果对原始数据进行了d 次差分,则将建立的差分数据记为ARIMA（p,d,q）。本文运用该方法对叶尔羌河出山口径流量未来10 年的变化趋势进行预测。

2 径流量变化特征

2.1 年际变化

1954 年～2018 年叶尔羌河出山口喀群水文站多年平均径流量为67.78 亿m3。随着全球气候变暖,叶尔羌河山区来水量呈轻微增加趋势,以平均0.71 亿m3/10 a 速率增加（图1（a））。通过计算1957 年～2018 年提孜那甫河出山口江卡水文站多年平均径流量值（图1（b））发现,其多年平均径流量为8.74 亿m3。随着全球气候变暖,提孜那甫河来水量不断增加,径流量也呈现增加趋势,且以2.74 亿m3/10 a 的速度增加。由此可知,过去65 年叶尔羌河径流量增加不明显,提孜那甫河主要受叶尔羌河人为输水的影响,径流量增加显著。

图1 1954 年～2018 年叶尔羌河主要水文站径流量变化

2.2 年内变化

通过分析叶尔羌河喀群水文站多年月平均径流量（图2（a））发现,盛夏径流量最大,夏初和秋初径流量次之,春季和冬季径流量最小。具体来看,6 月份和9 月份平均径流量超过4 亿m3,属于偏丰期；而7 月份和8 月份平均径流量超16 亿m3,8 月份的平均径流量最大,达24 亿m3,属于汛期；春季和冬季径流量均低于3 亿m3,属于非汛期。全年超8 个月属于非汛期。提孜那甫河江卡水文站各月径流量的变化见图2（b）,从图2（b）可知,江卡水文站从5 月份开始进行汛期,一直持续到9 月底,径流量超过0.10 亿m3,而其他月份径流均低于0.03 亿m3,属于非汛期。

图2 叶尔羌河主要水文站多年平均月径流量变化

2.3 未来10 年叶尔羌河径流量预估

通过运用时间序列趋势预测模型对喀群水文站未来10 年（2019 年～2029 年）径流量时间序列趋势进行了拟合。在运用时间序列趋势预测模型对喀群水文站历年径流量进行拟合的过程中,选择了线性回归模型、二次滑动模型、二次指数平滑、一次平滑模型和三次指数平滑模型分别进行了拟合（见表1）。由表1 可知,喀群和江卡水文站径流量时间序列的二次指数平滑模型的均方拟合误差分别为11.97 和1.54,是以上5 个模型中拟合误差最小的,故选择该模型为喀群和江卡水文站径流量的时间序列预测模型。通过对2019 年～2028 年喀群和江卡水文站径流量进行预测（见图3）发现,近10 年这两个断面径流量都呈持续缓慢增加趋势,平均增加率分别为0.24 亿m3/a 和0.04 亿m3/a。

表1 喀群和江卡水文站历年径流量时间序列预测模型拟合参数值

图3 径流量实测值、模拟值与预测值

3 结论

在气候变暖的背景下,以积雪融水为基础的干旱区水资源系统非常脆弱和敏感,融雪水变化导致的水资源异变,正改变着水资源时空分布和水循环过程,极端水文事件发生频率和强度不断上升,水资源供需矛盾日益突出,成为制约干旱区经济发展的瓶颈。近几十年来,我国西北地区气候出现了由暖干向暖湿转型的事实,气温持续攀升、降水量显著增加、冰川萎缩、河川径流量增加等,这种趋势可能在一定时期内存在。本文预测了未来10 年叶尔羌河径流量的变化趋势,发现近10 年来叶尔羌河仍处于丰水年,与以往研究结论一致。但西北干旱区气候的暖湿化趋势,导致冰川消融退缩,对干旱区水资源和生态环境产生重大影响。据报道,20 世纪60 年代后的约40 年, 西北地区的冰川总面积减少约5%,而1956 年～2010 年祁连山的冰川面积减少21%。有研究指出,21 世纪山地冰冻圈仍将继续呈退缩状态,目前的冰雪资源在未来的几十年间可能会消失。因此,为了保障当地人民对水资源的长期可持续利用,需未雨绸缪,在丰水年采取一定的节水和储水措施,以便实现枯水年和特枯水年对水资源的利用。