王啟猛，張捷斌，付意成

(1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆烏魯木齊830011;2.中國科學(xué)院 研究生院，北京100049;3.中國水科院 水資源研究所，北京100044)

流域水文過程變化是環(huán)境變化的結(jié)果，環(huán)境變化主要受氣候變化和流域內(nèi)人類活動的影響[1]。以氣溫、降水變化等為主要特征的氣候變化和以水土資源開發(fā)等為標志的人類活動的加劇越來越深刻地改變著流域環(huán)境，在此影響下流域水循環(huán)及水量平衡發(fā)生了極大改變，并產(chǎn)生一系列的水資源、水災(zāi)害和水環(huán)境問題，表現(xiàn)為徑流時空變化，洪水過程改變，地下水位下降，生態(tài)系統(tǒng)退化等[1-2]。目前環(huán)境變化對流域水文過程的影響已成為國內(nèi)外研究的重要課題。塔里木河流域(以下簡稱塔河流域)地處我國西北干旱區(qū)，為我國最大的內(nèi)陸河流域，是典型的生態(tài)脆弱帶和環(huán)境危機帶，其特殊的自然地理條件決定了水在其社會經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的重要地位[3-4]。研究變化環(huán)境下流域水文過程演變，并探討各環(huán)境因子對于流域水文循環(huán)的可能影響，對流域水資源評價、管理、規(guī)劃等方面工作的開展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況及資料來源

1.1 研究區(qū)概況

塔河流域是環(huán)塔里木盆地9大水系114條河流的總稱，流域面積1.02×106km2，多年平均地表水天然徑流量3.98×1010m3，主要由高山區(qū)冰雪融水和降水補給。塔河干流全長1 321 km，自身不產(chǎn)流，歷史上匯入干流的9大水系中車爾臣河、克里亞河、迪納河、喀什噶爾河、開都—孔雀河、渭干河等相繼與其失去地表水力聯(lián)系。和田河只在每年的7—9月洪水期才有水量進入塔河;葉爾羌河在1986—2003年這18 a中，僅有1994年在洪水期有水補給塔河，其余17 a均無地表水輸入塔河干流。目前，阿克蘇河是匯入干流水量的主要補給來源，補給量占到73.2%，而和田河、葉爾羌河僅占23.2%和3.6%[5]。

1.2 資料來源

本研究中塔河流域源流及干流年徑流數(shù)據(jù)均為各水文站實測徑流數(shù)據(jù);氣溫和降水數(shù)據(jù)來源于《中國塔里木河治水理論與實踐》;耕地變化數(shù)據(jù)等來源于《中國干旱區(qū)土地利用與土地覆被變化》。其它數(shù)據(jù)來源于相關(guān)文獻，在文中均做了標注。

2 徑流變化分析

近50 a來塔河源流出山口年徑流量總體上呈增長趨勢，三源流(阿拉爾站以上的阿克蘇河、和田河和葉爾羌河)的年匯總徑流量線性趨勢系數(shù)為0.67，四源流(包括三源流及開都河)趨勢系數(shù)達0.81(圖1)。特別是20世紀90年代以后，各源流普遍進入豐水期[5]，除和田河在1990s年徑流量與多年均值相比有小幅下降外，其余各源流年徑流量在1990s和2000s以后均有不同程度的增加，其中阿克蘇河和開都—孔雀河年徑流量的變化趨勢最為顯著，2000—2005年年徑流量與多年平均相比增幅分別達18.9%和25.2%。

圖1 塔里木河源流 1957—2005年徑流量(合計)變化趨勢

表1 塔里木河源流出山口徑流量及匯入干流水量統(tǒng)計 108m3

但是，河流在出山口后，年徑流量減少的趨勢卻特別明顯，且沿程遞減幅度加大。

由表1分析可知，各源流匯入干流的水量總體上呈下降趨勢，即使在1990s以后出山口徑流量增加情況下，匯入干流的水量增加也不明顯，甚至還有一定幅度的下降。例如，三源流匯入干流水量由1950s的5.03×109m3下降到2000s的4.21×109m3。同時，干流各水文站實測年徑流量同樣呈顯著下降趨勢，阿拉爾站線性趨勢系數(shù)為-0.16，英巴扎站為-0.36，恰拉站為-0.23(圖2)。2000—2005年在三源流來水比多年平均偏多2.34×109m3情況下，阿拉爾站年徑流量卻比多年平均來水量減少了1.25×108m3，英巴扎站減少更是達6.39×109m3。

圖2 塔里木河干流水文站1957—2005年徑流量變化

3 徑流變化影響因素分析

在氣候變化和人類活動的影響下，流域徑流情勢發(fā)生了顯著變化，但兩者對水資源系統(tǒng)影響的相關(guān)性較強，氣候變化下自然條件的改變會影響人類對水資源的利用，同時土地利用變化等人類活動也會不同程度的對氣候系統(tǒng)產(chǎn)生影響，兩者的影響很難明確區(qū)分。本研究分因子從兩者的直接影響出發(fā)，暫不考慮其間的耦合關(guān)系。

3.1 氣候變化影響

氣候系統(tǒng)通過降水、氣溫等因子直接或間接地影響著流域水循環(huán)過程[6]。在干旱地區(qū)，水資源系統(tǒng)尤其容易受到氣候變化影響，全球變暖及大氣環(huán)流的改變影響著高山區(qū)冰川消融和降水形態(tài)，同時改變了流域的總蒸發(fā)量[7-9]。塔河流域以高山冰川和山區(qū)降水為主要補給來源，因此山區(qū)氣溫和降水是影響流域徑流變化最重要的環(huán)境因素[5]。

3.1.1 氣溫 氣溫變化對流域蒸散發(fā)、高山區(qū)冰川消融影響較大。相關(guān)研究表明[7，10-11]，近 50 a來塔河流域年平均氣溫變化具有明顯的增加趨勢，且階段轉(zhuǎn)換特征顯著，在20世紀80年代末到90年代初發(fā)生跳躍。其中，流域源流山區(qū)氣溫增加的趨勢表現(xiàn)更為顯著，圖3反映的是流域主要站點年平均氣溫的年際變化情況。從圖中可以看出，各站點年均氣溫總體上呈增長趨勢，1990年代和2001—2005年的平均值大都高于多年平均氣溫0.4℃～1.5℃。

蒸發(fā)是反映氣候變化影響地區(qū)水資源的重要因素。目前氣候變化對流域蒸發(fā)量的影響存在爭議。蘇宏超[13]等研究認為氣溫上升背景下新疆蒸發(fā)量大體上呈下降趨勢，其中塔河流域所在的南疆地區(qū)下降幅度為13.4 mm/a。蔣艷等[9]則認為在氣溫上升情境下源流區(qū)內(nèi)蒸發(fā)量呈增加趨勢，且徑流對氣溫和蒸發(fā)量變化較為敏感。但蒸發(fā)量變化對徑流的影響相對較小。

圖3 塔里木河流域時段平均氣溫變化統(tǒng)計[17]

高山冰雪融水在塔河流域徑流補給中占較大比重。從源流產(chǎn)流角度看，氣溫升高會使冰川退縮和物質(zhì)負平衡持續(xù)，河流冰川融水徑流補給增長[14]。近期氣候暖濕變化在冰川徑流變化中得到了很好體現(xiàn)。在1981年以來的兩個10 a中冰川徑流深高出多年平均14.9 mm(4.5%)和 22.6 mm(6.9%)。1990年代冰川徑流增加占出山徑流增加的1/3，而1980s出山徑流表現(xiàn)偏少情況下，冰川徑流卻處于增加趨勢，說明冰川退縮對河川徑流增加的影響不斷加強[16]。但從長期看由于大部分冰川面積較小且分布在低海拔的山坡，易于融化退縮，甚至消失，會使冰川融水量突然減少，減弱對河川徑流的調(diào)節(jié)，且使河流水量明顯減少[15]。

3.1.2 降水 降水是徑流產(chǎn)生的重要因素。以往研究通過分析流域近50 a的平均降水變化，認為降水具有與氣溫相似的變化趨勢，同樣在20世紀80年代中后期到90年代初發(fā)生跳躍，之后呈現(xiàn)顯著的增加態(tài)勢[7，10-11]。圖4反映的是塔河流域主要站點年平均降水的年際變化情況?？傮w上看，各站點在1980s以前年均降水量呈下降趨勢，在1980年代以后降水量增長顯著，其中塔什庫爾干站和沙里桂蘭克站在2001—2005

年的年均降水量的距平比達30.3%和42.7%。

圖4 塔里木河流域時段平均降雨量變化統(tǒng)計

但是，降水增加對塔河流域徑流變化效應(yīng)的研究目前還存在爭議。吳素芬等[16]利用投影回歸模型分析認為當降水量增加時，徑流量會因降水增加導(dǎo)致溫度降低而出現(xiàn)下降。徐海量等[17]對源流區(qū)降水和徑流變化的趨勢進行長序列分析，認為降水和徑流變化呈現(xiàn)一定的關(guān)聯(lián)性，其中阿克蘇河、開都河的徑流增加與降水變化趨勢一致性顯著，但和田河、葉爾羌河在同樣檢驗水平上變化趨勢不一致。本研究認為顯著性的差異可能與河流補給類型有關(guān)。前者以降水補給為主，而和田河和葉爾羌河補給來源中冰川融水占有更大比重(表2)?？梢?，與以冰川融水補給為主的河流相比，降水補給為主河流的降水與徑流變化趨勢的關(guān)系顯著性要更強些。

表2 塔里木河主要源流徑流組成統(tǒng)計

3.2 人類活動影響

3.2.1 水資源利用量 塔河流域以綠洲農(nóng)業(yè)經(jīng)濟為主，農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的97%以上。自1960年以來流域各區(qū)域耕地面積均有不同程度的增長，其中源流區(qū)的阿克蘇河、開—孔河流域以及干流區(qū)耕地面積增長最為顯著，增幅分別達 57.48%，95.16%，62.26%[18]。在一定條件下，徑流的河道自然損耗量是相對穩(wěn)定的。圖5反映干流上游區(qū)間耗水量從1956—2005年呈上升趨勢，表明隨著耕地面積的增加，水資源利用量相應(yīng)增長。但是，由于灌溉基礎(chǔ)設(shè)施的完善和灌溉管理制度的改革(自主管理灌區(qū)制度實施等)，流域水資源利用效率逐步提高，大體經(jīng)歷3個階段:大規(guī)模開發(fā)利用階段，開發(fā)利用穩(wěn)定增加階段，高效協(xié)調(diào)利用階段[19]。其中，源流灌區(qū)的灌溉面積從1950年的2.32×104hm2增加到 2000年的8.38×104hm2，增長了2.6倍，而灌區(qū)相應(yīng)用水量從5.00×109m3增加到1.55×1010m3，增長了2.1倍。水資源量利用量增幅低于耕地面積的增幅[3]。

3.2.2 水利工程 塔里木河流域水利工程設(shè)施主要有引水渠首、水庫工程、渠系工程等。據(jù)統(tǒng)計，目前流域已修建各類平原水庫76座，總庫容2.81×109m3，有效灌溉面積3.65×105hm2;已建成各類引水渠首286處，總設(shè)計引水能力882 m3/s，現(xiàn)狀供水能力765 m3/s;干、支、斗三級渠道總長度4.85 km[20]。目前流域水利工程存在的問題比較突出，水利工程組合結(jié)構(gòu)和總體布局不完善，主要表現(xiàn)為:水利工程數(shù)量少，規(guī)模小，絕大多數(shù)河流尚缺乏調(diào)蓄控制工程;現(xiàn)有水庫中除烏魯瓦提水庫外，均為平原水庫，水庫水量損失大、周邊鹽堿化嚴重、調(diào)蓄能力有限;現(xiàn)有水利工程老化失修，臨時性工程多，建設(shè)標準低，配套不完善，等。各種水利工程對流域河流徑流過程產(chǎn)生了不同程度的影響。以平原水庫為例，水庫修建后各河流的引水率達75.0%以上，遠超過國際上河流引水率低于50%的要求[21]。同時，平原水庫由于其水深淺，水面面積大，且建設(shè)標準低，蒸發(fā)滲漏損失水量較大，僅干流現(xiàn)有的8座平原水庫每年水庫損失水量就達4.16×108m3。

圖5 塔里木河干流上段區(qū)間耗水量變化統(tǒng)計

3.2.3 流域綜合治理工程 塔河流域綜合治理工程是通過源流灌區(qū)工程改造、干流河道治理、流域水資源統(tǒng)一管理和調(diào)度等措施的實施，增加了各源流匯入塔里木河的水量，使干流上中游林草植被得到有效保護和恢復(fù)，下游生態(tài)環(huán)境得到初步改善[22]。工程的實施在緩解流域生態(tài)用水需求的同時，也改變了原有地表水資源的時空分布特征。以其中的“流域水權(quán)管理制度”建立和“下游生態(tài)應(yīng)急輸水工程”實施進行實例說明。

塔河流域水權(quán)管理制度的建立合理界定了源流與干流的水權(quán)分配方案，對源流嚴格采取總量控制和定額用水管理制度，確保干流來水的量和質(zhì)[23]。依據(jù)塔里木河流域《近期綜合治理規(guī)劃》和《“四源一干”地表水水量分配方案》，漸近初始水權(quán)，取得了初步成效，但距規(guī)劃目標尚有一定距離，源流來水仍偏離初始水權(quán)，均不同程度的擠占了干流水量(表3)。

塔河下游生態(tài)應(yīng)急輸水工程是利用開都河來水連續(xù)偏豐的有利時機，從博斯騰湖向下游應(yīng)急生態(tài)調(diào)水。該工程自2000—2006年共完成了8次生態(tài)應(yīng)急輸水，從大西海子水庫向下游河道輸水達2.28×109m3，輸水至臺特瑪湖[25]。但該工程之所以能實施主要是由于開都河長期處于豐水期，博斯騰湖處于高水位。在平枯水期，特別是長時段枯水期，能否實現(xiàn)持續(xù)輸水值得關(guān)注。根據(jù)現(xiàn)狀來水和用水條件計算，博斯騰湖向塔河下游輸水4.50×108m3的風(fēng)險率達到91.72%，因此維持現(xiàn)行生態(tài)輸水方式的可能性很小[24-25]。

4 結(jié)論

(1)變化環(huán)境下塔河流域的徑流過程發(fā)生了顯著變化。近50 a來源流出山口年徑流量總體上呈增加的趨勢，特別是1990s以后各源流普遍進入豐水期。但在出山口以后年徑流量卻呈顯著下降趨勢，且沿程遞減幅度加大。各源流匯入干流水量總體上呈下降趨勢，同時，塔河干流各水文站實測年徑流量同樣呈顯著下降趨勢。

(2)塔河源流出山口徑流量增加是氣溫和降水變化共同作用的結(jié)果。氣溫變化對流域蒸發(fā)的影響并不顯著，但氣溫升高使河流冰川融水徑流補給增長明顯;降水增加對各源流徑流變化的影響有差異，可能與徑流的補給類型有關(guān)，以冰川消融和永久積雪補給為主的河流徑流變化與氣溫變化關(guān)系密切，以降水補給為主的河流徑流則與降水變化的關(guān)系更為顯著。

(3)人類活動是影響流域徑流變化的主導(dǎo)性因素。水利工程建設(shè)和水資源取用量增加使流域徑流量不斷減少，甚至造成下游長時間斷流。為拯救干流下游瀕臨毀滅的生態(tài)系統(tǒng)，實施了塔河綜合治理工程，工程的實施一定程度上改變了地表徑流的時空分布，增加了下游的徑流量，但未從根本上解決問題。

(4)塔河流域徑流變化是一個多層次、多因素的復(fù)雜性系統(tǒng)問題，探討變化環(huán)境下氣候變化和人類活動對流域徑流過程的影響，并區(qū)分兩者各因子的影響程度是相當困難的。本研究分因子僅從其對徑流過程的可能直接影響進行了分析，要全面評估氣候變化和人類活動對流域水文水資源的影響，并研究其對源流(產(chǎn)流區(qū))和干流(耗散區(qū))徑流的不同作用效果還有待進一步的深入研究。

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