塔河下游河道生態輸水對氣候變化的影響探討

塔衣爾·艾爾肯

（新疆塔里木河流域干流管理局,新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

從20 世紀50 年代開始,氣候變化及人類對水土資源的過度開采導致塔里木河流域下游河道干涸、地下水位驟降、斷流、沙漠化加劇。包括氣溫升高、蒸散發加劇、水量消耗增加等在內的氣候變化會改變流域水資源總量,使洪水、旱災、內澇等災害性事件發生頻次和強度增大,加重干旱區流域水資源短缺矛盾。對塔河下游所進行的生態輸水,使下游河道水循環過程進一步改善,區域小氣候發生變化。針對塔河下游河道生態輸水的研究大多集中在輸水效益評估、下游河道生態水文過程演變等方面,而對于生態輸水對下游河道氣候變化的影響尚無相關分析探討。本文以塔河下游國家級氣象站氣溫、降水等基礎性資料為依托,進行了生態輸水前后標準化降水蒸散指數、土壤干旱指數等指標變化趨勢特征的對比分析,從而揭示出生態輸水對塔河下游河道氣候變化的影響,以期對塔河下游戰略性生態輸水積極意義進行客觀評價,并為流域水資源管理和可持續利用提供科學指導。

1 塔河下游河道生態輸水概況

1.1 研究區概況

塔河由和田河、葉爾羌河、阿克蘇河等數條源流匯聚而成,全長1321 km,流域生態十分脆弱,近年來隨著流域周圍灌溉農業的大規模發展及水土資源的過度開發,源流匯入水量急劇減少,塔河下游河道一度出現斷流干涸局面。1972 年大西海子水庫建成后塔河下游阿拉干斷面以下徹底斷流,地下水埋深也從此前的3.0 m～5.0 m下降至11.0 m～13.5 m,天然植被大面積衰敗,綠色走廊瀕臨消亡。為此,從2000 年開始,國家啟動塔河綜合治理工程,從大西海子水庫調水向塔河下游進行戰略性生態輸水,到2020 年經過20 次生態輸水后預期輸水目標基本完成,塔河尾閭臺特瑪湖昔日自然景觀得以重現,自然成為國內外干旱區受損生態環境修復的典型范例。

1.2 生態輸水概況

自2000年開始,塔河先后向其下游河道進行了20 次生態輸水,截至目前,從大西海子水庫累計下泄生態水量81.6×108m3,年輸水量均值4.34×108m3,塔河綜合治理規劃所制定的3.5×108m3的下泄水量目標已然實現。由圖1 可以看出,除2008年外的其余年份均有水量下泄,且2003 年、2010年～2013 年、2015 年～2018 年從大西海子水庫下泄的水量均超過3.5×108m3。

圖1 塔河下游河道生態輸水量

2 研究方法

采用Mann-Kendall非參數檢驗進行時間序列趨勢分析和突變檢驗,并通過Pettitt突變檢驗技術進行塔河流域徑流長序列突變分析[1],以便準確確定突變點所在及突變量,同時進行突變點統計意義判斷。Pettitt突變檢驗技術原假設H0序列不存在突變點,如果滿足以下條件：

則 為突變點,并進行統計量計算：

式中：n為序列長度；Ut,n為根據第1個樣本序列大于第2個樣本序列次數統計而成的新序列。如果所得到的統計量p ≤0.05,則突變點 存在顯著統計意義,且為受檢驗序列的一級突變點；以突變點 為分界線將原序列劃分為兩個子序列后,再重復以上過程繼續檢測新突變點,最終得到多級突變點[2]。

本文主要采用溫度植被干旱指數（TVDI）進行植被分布特征分析,并結合降水、氣溫等氣候因子計算塔河下游6 個月及12 個月時間尺度的標準化降水蒸散指數（SPEI）,根據結果進行項目區干旱時空演變分析,SPEI等級標準見表1。

表1 標準化降水蒸散指數（SPEI）等級

為進行極端降水指數小波周期分析,本文還應用了MATLAB軟件的Wavelet分析方法。

3 下游氣候變化分析

3.1 氣溫及降水變化

選取塔河下游尉犁國家級氣象站1960年～2020年的氣溫和降水數據,并進行Mann-Kendall單調趨勢檢驗,根據檢驗結果,1960年～2020年間該氣象站所測平均氣溫為11.21℃,趨勢檢驗值取6.38,高出0.01 檢驗水平下2.56 的檢驗值,表明氣溫以較顯著趨勢升高,增速為0.027℃/a。1960年～2020年間該氣象站所測降水量均值為36.42 mm,趨勢檢驗值1.29,比0.01檢驗水平下1.98 的檢驗值低,表明降水量以不顯著趨勢增大,增速為0.15 mm/a。運用Mann-Kendall單調趨勢檢驗法進行該氣象站氣溫、降水變動趨勢檢驗,結構見圖2和圖3,圖中所示UFk和UBk的交點即為突變點[3]。

圖2 尉犁氣象站氣溫變動趨勢Mann-Kendall檢驗結果

由圖2可知,1960年～2020年間該氣象站氣溫增加趨勢明顯,UFk和UBk的交點（即氣溫突變點）出現在1996年,此前UFk曲線在UBk曲線之下,此后則表現出相反的變動趨勢,突變量為1.06℃。

根據對圖3的分析,1960年～2020年間該氣象站降水量表現為不顯著的增大趨勢,且UFk和UBk曲線變動趨勢一致,在1993年之前UFk在UBk曲線之上,1993 年之后兩曲線表現出多次交叉,但分離趨勢不顯著,表明,該測站降水量在1993年存在不顯著突變,突變量1.48 mm。

3.2 降水蒸散指數變化

研究區標準化降水蒸散指數（SPEI）主要根據氣象站氣溫及降水資料推算,并根據推算結果進行干旱等級劃分及變動趨勢預測,SPEI逐年變化趨勢見圖4。由圖可知,1960 年～2020 年間該氣象站年度SPEI呈整體下降趨勢,說明以該氣象站為代表的項目區趨向干旱化。根據前述分析,該氣象站降水量表現為不顯著的增大趨勢,而氣溫顯著升高,則蒸發持續加速后便造成項目區干旱化趨勢的不斷加劇。根據對圖4中SPEI逐年變化趨勢的分析還可以發現,1993年后SPEI數值由正轉負,變動劇烈,此前僅若干年份（1978 年和1986 年）出現輕旱和中旱,而1993 年以后干旱情勢加劇,僅若干年份無旱,其余年份均為干旱甚至重旱狀態,2001 年出現特旱。

3.3 干旱指數變化

植被干旱指數（TVDI）主要根據光學和熱紅外遙感通道數據反演項目區表層土壤水分變化情況,本文主要以該指標進行塔河下游生態輸水后土壤水分變化情況的評估。

應用ENVI5.0遙感影響處理軟件進行項目區2000年～2020年Modis-EVI及Modis-LST數據分析,并計算得出相應年份塔河下游溫度植被干旱指數（TVDI）逐年平均取值,結果見圖5。由圖可知,進行塔河下游生態輸水后下游河岸帶和湖區TVDI值表現出下降趨勢,且年均減小量為0.008,充分說明塔河下游2000年～2020年間土壤含水量是增長的。根據水量轉化程度,塔河下游河道生態輸水量有至少40%轉化為土壤水,其中河岸帶和湖區TVDI也呈逐年減小趨勢,表明此類區域均呈濕潤化發展。

圖5 河岸帶+湖區溫度植被干旱指數（TVDI）逐年均值

根據塔河下游生態輸水后河道2000年～2020年溫度植被干旱指數（TVDI）的空間分布情況,采用Mann-Kendall趨勢檢驗進行土壤干旱指數逐象元分析計算,并最終得出TVDI空間變化趨勢規律,具體見表2。根據圖中計算結果可以看出,塔河下游河岸帶和湖區土壤干旱指數均呈下降趨勢,即趨勢檢驗值Z＜0,面積為2930 km2,占比84.75%,說明塔河下游生態輸水后整體呈濕潤化發展趨勢。根據實地調查,TVDI呈上升趨勢的區域主要分布在喀爾達依和阿拉干區間。

表2 塔河下游生態輸水后TVDI空間趨勢及占比

4 結論

綜上所述,自2000年對塔河下游進行生態輸水以來其下游河道氣溫增加趨勢明顯,且1996年出現氣溫突變點后氣溫急劇顯著升高；降水量則表現為不顯著的增大趨勢,在氣溫和降水的綜合作用下,河道下游蒸發加劇。根據對降水蒸散指數變化趨勢的分析發現,項目區自1993年以來干旱化趨勢加劇,2001年甚至出現特旱,而生態輸水后這種局面有所逆轉。通過分析塔河下游河道生態輸水后植被干旱指數（TVDI）的變動趨勢發現,除極個別沙漠化區域外,其余河岸帶和湖區土壤均呈濕潤化發展,對于塔河下游水生態系統的恢復較為有利,這也為以后塔河下游河道生態輸水戰略的持續進行提供了依據。