新疆塔里木河流域阿克苏河流域近50a来径流变化分析

新疆塔里木河流域阿克苏河流域近50a来径流变化分析

0阿克苏河流域径流动态变化原因分析对人类来说，水是不可或缺的。世界上一半以上的饮用水来自河流和水库。气候变化影响了水文过程，改变了多年来河流直径的分配。随着世界的变化，水循环变得越来越激烈，在高纬度和高山地区尤为明显。在中国，23%的人生活在西部干旱地区。河流的蓄水是他们干旱地区的主要水源。1986年至1987年，由于中国中部广大地区的气候变化，冰川逐渐减少，物质严重短缺。塔里木盆位于新疆南部，是中国最大的内陆盆地。塔里木河主要用于蓄水和雪佛兰。小川集水区约占总流量的47.9%。随着世界的变化，由于山川干旱地区的“固体水塔”，如果它们在干旱地区消失，就无法替代它。在与塔里木河流量交换的三个源中，库苏河是塔里木河干流量的主要补充来源，补贴比例为73.2%，田河为23.2%，叶尔羌河仅为3.6%。库苏河是塔里木河最大的水源，也是塔里木河全年供水的唯一方式。库苏河在塔里木河的形成、发展和演化中发挥着重要作用。因此，对库苏河流域的径向变化特征和趋势进行了分析，并对合理配置塔里木河流域水资源，促进流域经济协调发展具有极其重要的现实意义。1苏河流域、阿克苏河流域概况阿克苏河是天山南坡径流量最大的河流,位于塔里木盆地西北边缘,在75°35′～82°00′E,40°17′～42°27′N之间,流域面积5.14×104km2(图1).地势从北向南,从西向东逐渐降低,地貌分带较为明显,从高到低,依次为中低山丘陵、山前洪积扇群、冲洪积倾斜平原及河流域冲积平原,冲积平原海拔在1000～1500m左右.由于地理位置深居内陆,远离海洋,使它具有干旱少雨,蒸发强烈,日、年温差大等气候特点,属温带大陆性干旱气候.流域多年平均气温9.2～11.5℃,多年平均降水量为64mm,多年平均蒸发量1890mm,年极端最高气温40.2℃,年极端最低气温-27.6℃,多年平均日照时数2850h.昆马力克河和托什干河是阿克苏河上游两大主要支流,汇集于乌什谷地和温宿盆地,在喀拉都维汇合后流入阿克苏河,是阿克苏河的主要水源.阿克苏河从两支流汇合口至入塔里木河处的肖夹克,长132km.北支昆马力克河集水面积12816km2,从河源至两河汇合处全长293km;西支托什干河,集水面积18400km2,河源至汇合口处长457km.山区是阿克苏河的产流区,平原绿洲为农业灌溉及生态耗用水区.台兰河是在阿克苏河中游汇入的一条较小支流.2流量变化分析2.1径流组成中托什干河与昆马力克河的雨水补给量比较阿克苏河水系昆马力克河、托什干河以及台兰河的径流量与径流组成见表1,其中昆马力克河与台兰河都是以冰川融水补给为主的河流,年径流量分别为46.04×108m3和7.35×108m3,冰川融水分别占到其总径流的52.4%和69.7%.托什干河是以雨雪混合补给为主的河流,年径流量为25.76×108m3,小于昆马力克河44%,,雨雪水约占其总径流的45.1%.在径流组成中,昆马力克河与托什干河的地下水补给量相当,分别为7.92×108m3与7.78×108m3;昆马力克河的雨雪混合补给量仅大于托什干河2.38×108m3;但昆马力克河的冰川融水径流量远远大于托什干河17.76×108m3,原因是昆马力克河流域的冰川覆盖面积较大,比托什干河大2212.39km2,说明夏季强烈消融时,冰川融水所占的比例与流域冰川覆盖面积的大小密切相关.2.2径流变化特征阿克苏河流域1956-2006年的近50a来年径流量变化十分显著(图2和图3),年径流量在1993年之前呈波浪式下降趋势,1993年之后则表现为较快的上升趋势.径流距平累积过程线表明,1993年是径流变化的转折点,1994-2006年径流量发生了增多的跃变,这与徐海量等研究塔里木河径流变化的结论一致.阿克苏河1994-2006年的年平均径流量比1952-1993年增加了19.94%,昆马力克河增加了23.87%,托什干河增加了33.91%.托什干河径流增加幅度最大,说明以雨雪混合补给为主的河流,径流增加更为显著.台兰河径流变化过程则表现为“V”字型(图3),1986年之前呈快速下降趋势,而1986年之后则为快速的上升趋势,1987-2006年的年平均径流量比1957-1986年增加了24.31%,径流变化转折点较其它河流提前了7a,原因可能是台兰河流域冰川面积较小,年径流量不大,但其冰川融水所占比例最大,达到69.7%,因而对气候变化的响应更加敏感.所以,台兰河的径流变化能够很好地反映冰川融水径流对气候变暖的响应程度.2.3径流动态变化近10多年来,阿克苏河流域主要水系5-9月的径流量增加显著(图4).以冰川融水补给为主的昆马力克河与台兰河径流年内变化虽然转折的时间点不同,但趋势相似,径流增加主要都在汛期的7月和8月,昆马力克河协合拉站1994-2006年7、8月平均径流分别比1956-1993年增加了约30%和24%,而台兰河台兰站1987-2006年7、8月平均径流分别比1956-1986年增加了约25%和29%;非汛期的1-4月和11-12月径流年内变化微弱.昆马力克河协合拉站与台兰河台兰站径流大幅增加都在7月和8月,原因可能是7、8月是冰川的主要消融期,而冰川融水是昆马力克河与台兰河径流的主要补给,分别占到52.4%和69.7%,说明气温升高使冰川融水径流增加显著.托什干河沙里桂兰克站1994-2006年5-9月平均径流比1957-1993年分别增加了约49%、48%、26%、21%和38%,5、6月平均径流增加幅度最大.阿克苏河西大桥站径流主要由昆马力克河与托什干河径流合成,所以其径流年内变化形态体现了两条河流的径流变化特征,表现为5、6月和9月径流增加显著,这与托什干河变化趋势一致,1994-2006年5、6月和9月平均径流分别比1952-1993年增加了约57%、50%、26%;7、8月平均径流分别增加了约30%和20%,变化特征类似于昆马力克河.由此可见,阿克苏河5、6月径流增加幅度最大,原因可能是气温升高导致降水和积雪融水增加,汛期径流有提前增大的趋势,这与沈永平等研究的阿勒泰山以融雪水补给为主的克兰河最大径流的变化趋势一致.3径向流和夏季0.高度层的变化趋势3.1径流动态变化的季节和季节动态昆马力克河协合拉站7、8月径流增加最快,倾向率分别达到了3.43m3·s-1·a-1和3.62m3·s-1·a-1,其它各月径流略有增加趋势或者保持不变;台兰河台兰站除7-9月径流增加较快外,其它月份径流量变化基本稳定.昆马力克河与台兰河的月径流变化趋势说明,此类河流主要是冰川融水在增加,降水和地下水补给相对稳定.托什干河沙里桂兰克站4-10月径流增加较大,尤其5-7月倾向率分别达到了1.55m3·s-1·a-1、1.70m3·s-1·a-1和1.52m3·s-1·a-1,说明春、夏季径流增加趋势显著.阿克苏河西大桥站1-4月与11-12月平均径流变化速率呈减少趋势,可能是由于人为因素的影响,而5-10月平均径流增加,其中7月最大,倾向率达2.83m3·s-1·a-1(图5).由以上分析可知,阿克苏河流域西大桥站、协合拉站以及台兰站径流增加的主要月份都在6-8月份,而以雨雪水补给为主的托什干河沙里桂兰克站径流从4月开始就明显增加,尤以5-7月增加显著.3.2高空气温变化趋势由于阿克苏河流域径流显著增加都在夏季月,所以分析区域夏季高空气温变化对其影响.阿克苏气象台从1986年7月份才开始有探空观测,但其变化趋势与其东部的库车气象站相同,故应用库车1961-2004年夏季0℃高度层资料来分析阿克苏河流域高空气温变化状况.库车气象站0℃高度层变化表明(图6),1961-2004年0℃高度层变化的总趋势呈下降,倾向率为-0.86m·a-1.1966年和1996年分别是0℃高度层下降和上升的转折点:1961-1966年,0℃高度层上升明显,平均为海拔4528.7m,高于多年平均93.8m,说明气温升高;1967-1995年,0℃高度层呈波动下降趋势,平均为海拔4407.4m,低于多年平均-27.5m说明高空气温在波动下降;1997-2004年,0℃高度层又转为上升趋势,平均为海拔4467.5m,低于1961-1966年的水平,但高于多年平均32.6m,说明夏季高空气温从1990s中后期开始处于升高趋势.3.3阿克苏河流域冰流速区域面系数在阿克苏河水系中,近50a来以融雪径流补给为主的托什干河径流量的增加最大,而以冰川融水径流补给为主的昆马力克河和台兰河的增加幅度比托什干河小了约10%.原因可能是昆马力克河年径流量较大,大于托什干河约20.28×108m3,虽然径流增加幅度小于托什干河,但其径流增量大于托什干河1.75×108m3,而且上游覆盖许多大冰川,流域冰川覆盖面积达3195.41km2,而托什干河流域冰川面积仅为983.02km2.但对台兰河来说,可能是由于气候变暖导致冰川物质平衡严重亏损、面积显著减少,从而冰川融水在河流出山口径流的贡献比例有所减少所致.西大桥、协合拉、沙里桂兰克和台兰河夏季径流与库车夏季0℃高度层的相关分析表明,协合拉径流与库车0℃高度层的相关性最好,相关系数为0.4603;其次是西大桥和沙里桂兰克,相关系数分别为0.3460、0.1274;而与台兰河负相关,相关系数为-0.0255,原因是温度升高,冰川面积减少,冰川融水在河流出山口径流的贡献比例有所减少.可见,高空气温的变化对以冰川融水补给为主的河流影响较大,且对冰川面积覆盖相差较大的流域影响有所不同.将某一区域的所有冰川看作是一个冰川系统,有助于研究冰川与地形、气候等之间的相互作用.冰川系统是指某冰川作用区冰川的总体,它有着统一的冰川发育条件、内部结构和变化规律,并可按地区、山脉或河流分成若干等级.冰川雪线是指冰川上积累量等于消融量的地方,亦称平衡线、粒雪线.阿克苏河流域共计有冰川2740条,其中1735条分布在国外,1005条在国内;冰川面积共计4918.26km2,其中2506.7km2分布在国外,2411.56km2在国内;冰体积共计679.9751km3,其中在国外分布242.988km3,国内分布436.987km3.阿克苏河水系冰川系统雪线海拔为4360m,1961-2004年夏季平均0℃高度层为海拔4434.9m,高于冰川雪线75m,所以高空气温有利于雪线以下冰川的消融,但夏季0℃高度层长期下降的趋势有利于雪线以上冰川的发育.由冰川面积分布图(图7)可以看出,冰川面积最大分布在海拔4450m处,占流域冰川总面积的8.4%,雪线以下冰川面积占31.7%,积累区比率(AAR)即冰川积累区面积SC与冰川总面积S之比为0.72.夏季平均0℃高度层低于冰川面积最大分布处海拔高度15.1m,高于雪线90m,如果气温持续上升,超过冰川面积最大分布处海拔高度,就会引起冰川系统雪线高度重新调整分布,消融面积快速增加,积累区比例下降,加之地表温度的显著上升,导致冰川融水径流大幅增加,给下游带来冰川洪水灾害.气候变化国家评估报告表明,近百年来西北地区地表气温变化的强度高于全国平均值,降水也有增加的趋势.西北地区128个气象水文观测站1987-2000年平均气温较1961-1986年升高了0.7℃.预测未来50a中国西北地区气温可能上升1.9～2.3℃,由此导致冰川面积较目前可能减少27%.研究认为中国新疆21世纪末,可能变暖2.0～8.5℃;刘时银等研究表明,气温升高1℃可使1号冰川平衡线高度上升81m,降水增加20%,只能使其平衡线高度下降31m.1号冰川是天山北坡面积小于2km2的小冰川,对气温变化相对敏感,阿克苏河水系虽然冰川较大,但2℃左右的升温也足以使雪线上升到一定高度.因此未来50～100a阿克苏河上游径流还将处于增加趋势,径流变化会不会出现由多到少的反转主要取决于冰川系统雪线对气候变化的响应程度.4流量变化对水资源安全的影响4.1克苏河流域水资源的开发利用建议如前所述,阿克苏河流域径流在近10多年显著增加,其中5、6月份径流增加幅度最大,表现为汛期径流有提前增大的趋势.阿克苏河流域以及下游的塔里木河流域都是以农业种植为主的区域,春末夏初正值用水高峰,素有“春旱夏洪”之说,所以5、6月份河流径流的增加在一定程度上缓解了旱情.但是随着大面积的开荒垦田以及水资源的不合理利用,径流的这点增量不过是“杯水车薪”.为了保持区域生态经济的稳定发展,加强水资源的保护和管理,合理开发利用土地、发展节水灌溉农业以及优化调整种植结构是当务之急.4.2托什干河最大径流变化趋势近50a来,阿克苏河流域最大径流量的变化趋势是上升的(图8),阿克苏河、昆马力克河、托什干河与台兰河最大径流变化的倾向率分别为17.28,13.98,6.79和4.48m3·s-1·a-1.阿克苏河与昆马力克河最大径流变化趋势基本吻合,年平均最大径流分别为1423m3·s-1和1381m3·s-1.1965-2006年昆马力克河的最大径流量大于阿克苏河的原因可能是气候变暖导致冰川消融强烈所致.1956-1977年阿克苏河与昆马力克河最大径流量呈快速下降趋势,分别减少了22.3%和18%;1978-1982年最大径流变化相对稳定,平均分别为1470m3·s-1和1362m3·s-1;1983-2006年最大径流呈上升趋势,分别增加了19.8%和16.8%