塔里木河流域枯水流量变化特征及其成因分析

塔里木河流域枯水流量变化特征及其成因分析

塔里木河流域（以下简称塔河）位于欧亚大陆腹地，远离水源。此外，高山上的降水非常少。这是典型的干旱半干旱地区。流域内农业是典型的灌溉农业区,“荒漠绿洲、灌溉农业”是该区域的显著特点。干旱是塔河农业最普遍、最主要的一种自然灾害。据统计1990-2007年塔河流域旱灾平均受灾面积、旱灾平均成灾面积和旱灾平均绝收面积分别是22.4万hm2,14.5万hm2,2.5万hm2,而2000-2007年的旱灾平均受灾面积、旱灾平均成灾面积和旱灾平均绝收面积分别是27.2万hm2,18.4万hm2和3.5万hm2,旱灾发生的范围和成灾面积呈逐年增加的趋势。塔河流域是我国长绒棉的主产区,是我国最大的植棉基地,是我国具有强烈地域特色的重要特种果品的生产基地,是国家重要的能源基地,也是我国灌溉面积比重最大省份。塔河流域是新疆水资源量最少的地区,塔河流域灌溉农业最大限度的利用河川径流和地下淡水资源,枯水流量的变化直接影响塔河农业的发展成为一个重要的研究课题。国内外很多的学者从气候变化和人类活动等方面探讨了对塔河流域水资源的时空分布、趋势变化的影响。ZHANG等从降雨和气温角度研究气候变化对塔河流域径流趋势变化;叶民权等对新疆的自然灾害进行综合区划。这些成果对于塔河流域的水资源管理以及生态保护提供一定的科学依据。需要提及的是,塔河流域枯水流量的研究不多,更无有关塔河流域枯水径流演变特征及成因的成果,而枯水径流的研究对于流域水资源配置、合理安排区域农业生产等具有重要意义。基于此,本文通过对该区域长序列枯水流量数据,在系统搜集水库和灌区资料等数据的基础上,揭示流域气候变化和人类活动对枯水流量的影响机制,并分析枯水流量对流域的社会经济的影响。该项研究对于科学理解在当前气候变化与人类活动双重影响下,塔河流域的抗旱、水资源规划和生态环境演变有重要科学与现实意义。1年最小连续7d平均流量本文所分析数据为塔里木河流域8个主要水文站1962-2008年最小连续7d平均流量。数据均来自塔里木河流域管理局,部分缺失数据通过与相邻水文站水文序列建立回归关系进行插补(R2>0.8)。图1中标注的大中型水库和灌区等资料来源于新疆通志。2时间序列的自相关性研究本文主要采用非参数Mann-Kendall(以下简称M-K法)趋势突变检验法、线性趋势等分析方法。国内外许多文献研究了时间序列的自相关性对M-K检验结果的影响。Storch等建议在进行M-K检验之前对时间序列进行“预白化”(Prewhiten)处理。所有序列在进行M-K分析之前均需要预白化处理。斜率能确定序列趋势变化的程度,是一种非参数的计算趋势斜率方法,该方法计算出的线性趋势的斜率不受序列奇异值的影响,能很好的反应序列的变化程度。3结果分析3.1年生时期流量特征由表1可以看出,沙里桂兰克和大山口径流量主要集中在5-8月,塔河其他水文站的径流量主要集中在6-8月份,5-8月的径流量占到全年径流总量的70%左右,塔河干流阿拉尔站,径流量主要集中在7-9月份,阿拉尔站径流量比重大于10%出现的月份比其他几个站点滞后一个月;相对其他站点,大山口、黄水沟站在9月至次年5月所占的比重低于其他区域,这主要是黄水沟水文站上游是山区,人类活动影响较小,途径地区水量消耗小。而作为春播最为关键的4-5月份各站点(除沙里桂兰克和大山口)径流量仅占不到10%,其中阿拉尔流量只占到3.22%,严重制约当地农业生产。表2中可以看出各年代的径流量变化不大,塔河源流在21世纪以来的径流量是各年代的最大值,阿拉尔站在20世纪60年代达到最大,然后逐渐减小。3.2干流量趋势的变化3.2.1枯水流量检测图2(a)显示,同古孜洛克站在1965-1975年枯水流量呈下降趋势,斜率表明枯水流量年均减少14721.6m3;1976-2008年枯水流量呈增加趋势,枯水的增加和减小均为超过95%置信度检验,增加和减小不显著。枯水流量年均增加11393.0m3,枯水流量在1996发生变异。枯水流量出现时间主要集中在1年中的第1-88天和第327-365天(即12月至次年的3月份,表中的“出现时间”表示离年初的天数),这主要因为和田河流域主要以冰川积雪融水和雨水补给为主,该时间段气温低,冰川积雪不能融化,和田河径流量补给不足造成的。3.2.2阿拉尔站枯水流量的生长情况表1阿拉尔站在1962-1976年枯水流量呈减小趋势,年均减小量达40378.8m3;1976-2008年枯水流量呈增加趋势,其中1997-2008年增加显著(超过95%的置信度检验),1976-2008年枯水年均增加29190.9m3,阿拉尔站枯水流量在1988年发生变异(图2(c))。从图2(b),(d)中可以看到两站点变异后的枯水流量增长率大于变异前。阿拉尔站枯水流量分布在1年中的第105-177天和第331-365天,最枯季节晚于同古孜洛克站。阿拉尔站20世纪80年代初至90年代的最小枯水流量出现时间在第150天左右浮动(即5月底),该季节正是农作生长的关键时期,其对于农业生产的影响是显著的。据统计,该时期南疆的塔河流域发生干旱的次数明显高于其他时期,比如1983,1989,1991等干旱年份。3.2.3枯水流量检测玉孜门勒克站枯水流量在1962-1980年呈下降趋势(下降趋势不显著),年均枯水减少流量达到1135.5m3;枯水流量在1981-2008年呈增加趋势(2005年以后超过95%的置信度检验,增加显著),年均增加枯水流量达5019.2m3,枯水流量在1995年发生变异(图3(a))。由图3(c)知:卡群站的枯水流量在1962-1999年径流量呈增加趋势,其中1991-1999年径流增加显著(超过95%的置信度检验)。该时段年均增加流量是25426.3m3;2000-2008年枯水流量呈减小趋势,枯水年均减少103063m3,枯水流量在1971年发生突变。由图3(b),(d)知:两站点变异后的枯水流量增加的趋势明显的大于变异前的,玉孜门勒克站枯水流量出现时间主要分布在1年中的第1-112天和第325-364天;卡群站枯水流量出现时间分布在1年中的第1-128天,枯水流量出现的主要分布在第100天左右,从20世纪80年代中期以后,枯水发生时间有推迟的趋势。3.2.4枯水流量变化由图4(a),(c)知:沙里桂兰克站的枯水流量在1962-1971年和1987-2007年呈增加趋势的,1971-1987年的枯水流量呈减小趋势,增加和减小的趋势不显著。枯水流量在2000年左右发生变异,年均增加3154.3m3和5142.9m3;协合拉站枯水流量在1962-1967年和1977-2007年呈增加趋势,1967-1977年枯水流量是减小趋势,变化趋势不显著。枯水流量在1992年发生变异,变异前后枯水流量年均分别增加5245.7m3和27771.4m3。两站变异前和变异后枯水流量均呈增加趋势,变异后枯水流量增加趋势大于变异前。图4(b),(d)沙里桂兰克站枯水流量的出现时间主要分布在1年中的第30-40天之间,流量最低值出现时间与农业需水高峰并不一致;协合拉枯水出现时间主要分布在1年中的第1-126天和第354-366天,从1980开始逐渐趋向1年中的第60-70天左右,比沙里桂兰克滞后一个月左右。3.2.5枯水流量检测图5((a),(c))知:黄水沟站在1966-1988年枯水流量呈减小趋势,年均枯水减少量达2581.3m3;1962-1966年、1988-2008年呈增加趋势,其中1988-2008年枯水流量年均增加5019.2m3,枯水流量在1995年左右发生变异;大山口站的枯水流量变化在1976-1983年和1995-2008年呈增加趋势,1972-1976年和1983-1987年呈减小趋势。枯水流量在1997年发生变异,变异前的枯水流量年均减小3506.0m3,变异后的枯水流量年均增加4937.1m3。从图5((b),(d))中可以看到枯水趋势变化在20世纪90年代增加明显,枯水流量出现时间主要分布在1年中的第1-144天和第331-365天,大山口枯水流量的出现时间在各时间段分布均匀,主要分布于第50天左右。根据统计资料分析,开孔河流域巴音郭楞蒙古自治的旱灾发生的年份最多,而且从1979-1987年都有干旱发生,与图5(b)的枯水流量出现时间吻合。4不同流域枯水流量的日变化新疆塔河流域的气候有转向暖湿的强劲信号,塔河流域气温在1987年跳跃性的增长,温度增加趋势显著,加速了山区冰雪资源的消融,加大了冰雪融水对径流量的补给。枯水流量的趋势变化主要受气候因素的影响,气候变化引起了各站的枯水流量在20世纪70年代中期到2000年呈增加趋势,卡群站和阿拉尔站分别在1991-2000和1997-2008年的枯水流量增加非常显著。与此同时,气候的变化引起各站枯水流量在1987年以后发生变异(卡群站除外),变异后的枯水流量增加趋势明显大于变异前,这也与新疆在1987左右由暖干向暖湿转型的趋势相吻合。阿克苏河流域变异后枯水流量增加大于其他流域,大山口站和黄水沟站在变异前得枯水流量呈减小趋势,大山口站和黄水沟站是河流的出山口,其上游的人类活动对枯水流量的影响可以不计,开都河流域降雨量没有明显趋势变化,但是最高气温呈增加趋势,平均气温在20世纪80年代达到最低,随后气温呈增加趋势。冬夏以冰雪融水和地下水补给为主的开都河的径流量在20世纪80年最低,因此变异前的枯水流量呈减小趋势。其余各站变异前后枯水流量呈增加趋势,但是和田河、叶尔羌河、开都河以及阿克苏河的协合拉站的最小枯水流量发生的时间从20世纪80年代以后开始趋向3-6月,而塔河流域3-6月是最缺水的时期,也是农作物生长需水量最大的时期。据调查统计,塔河流域主要以春旱为主,春灌用水量占到整个作物灌溉用水量的40%,水资源供需矛盾严重,枯水流量时间的推迟会引起干旱的发生或加剧干旱,本文特别关注在春季枯水出现时间。从图6是塔河水文站点所在的4个地级市的干旱受灾面积、成灾面积占播种面积的比重,图中数字是各地级市干旱受灾面积和成灾面积比重最大的年份。图6中我们可以看到20世纪90年代以来,特别是2000以后的旱灾受灾、成灾面积都呈增加趋势。巴州地区没有统计且末县和若羌县的旱灾面积,主要考虑开孔河并没有经过该地区。和田河流经的和田地区旱灾受灾、成灾面积所占的播种面积比例是4个地区最高(图6(d)),其1994年的受灾、成灾面积占播种面积的比率达到55.3%和49.3%。阿克苏地区受灾、成灾面积占耕地面积比率最小(图6),巴音郭楞蒙古自治州的成灾率(成灾面积与受灾面积比值)是塔河地区最高的。阿拉尔站和卡群站的枯水流量增加显著,最小枯水流量出现的时间与其他几个站点不同,主要集中在1年中的第105-177天,时间更加的推迟。由图1和表3、表4知:阿拉尔上游地区分布着大面积的灌区、水库以及引水拦河枢纽,这些引水工程的建成,拦截了上游的来水量,加剧春季阿拉尔地区的缺水状况。叶尔羌河流域的水库数量和水库有效灌溉面积是各个支流中最大的,阿克苏河水库数量小于和田河流域,但是水库库容和有效灌溉面积大于和田河流域;渠首现状供水能力与设计供水能力的比值能很好的反应工程的使用效率,叶尔羌河与和田河的使用率最低,其中叶尔羌河的渠首有效灌溉面积远小于设计灌溉面积,各流域中和田河与开孔河的渠道防渗率最高,其他流域的灌区的水资源利用率很低。各站的枯水流量在20世纪70年代中期到2000年呈增加趋势,但是最小枯水流量出现的时间变化却不相同,这主要是因为塔里木河上游地区的灌溉面积和人口由1950的34.8万hm2和156万人增加到2000年的125.7万hm2和395万人,耕地增加将近4倍。在以水资源开发利用为核心的人类社会生产活动影响下,用水量翻了一番。总之,今后塔河流域日益增加的人类社会、生产活动将加剧春季水资源供需矛盾。通过对塔河流域的8个水文站的枯水流量的趋势以及最小枯水流量出现时间的分析,得到一下有意义的结论:(1)塔河流域支流的径流量主要集中在6-8月份,6-8月的径流量占到全年径流总量的70%左右,2000-2008年径流量是各年代的最大值;塔河干流径流量变化大于源流,径流量主要集中在7-9月,在20世纪80年代达到最大。(2)卡群站枯水流量在1999年前呈增加趋势,2000年开始呈减小趋势,并在1971年发生变异;其余各站枯水流量从1962年到20世纪70年代中期或80年代呈减小趋势,