全球變暖背景下干旱區典型內陸河徑流量變化及未來趨勢預估

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）

內陸河是指由內陸山區降雨或高山融雪產生的不能流入海洋、只能流入內陸湖泊或在內陸消失的河流。在我國干旱區分布有一些內陸河,發源于冰川面積大和分布集中的山區。近幾十年來,隨著全球氣候變暖,干旱區氣溫呈上升趨勢,冰雪消融和河道徑流明顯增加,干旱和洪澇災害頻發[1-2]。但以往研究資料陳舊,研究時空范圍都較小,不能系統反映干旱區內陸河水資源年際和年內變化對全球氣候變化的響應,更缺乏對未來10 年水資源變化的科學預估。本文以我國極端干旱的典型內陸河——葉爾羌河為例進行水資源特征研究。

葉爾羌河是我國塔里木河四大源流（阿克蘇河、葉爾羌河、和田河和開都-孔雀河）之一,屬于典型的內陸河,發源于喀喇昆侖山,河流全長1281 km。流域形態是由葉爾羌河干流、塔什庫爾干河、提孜那甫河、上游克勒青河及眾多小的支流形成的一個不規則的“扇”狀水系[3]。提孜那甫河是葉爾羌河的一條較大支流,發源于海拔5000 m 昆侖山北坡的科克阿特達坂現代冰川區,豐富的冰雪融水及大氣降水保證了河水及地下水有較充沛的補給源。地勢西南高東北低,橫貫昆侖山北坡,流經葉城、澤普、莎車、麥蓋提縣,在汗克爾渠首附近匯入葉爾羌河,河流全長335 km。因葉爾羌河流域地處歐亞大陸腹地,遠離海洋,周圍又有高山阻隔,加上沙漠的影響,流域內呈典型的干旱大陸性氣候,空氣干燥,日照長,蒸發強烈,降水小。葉爾羌河徑流組成主要以冰雪消融補給為主,受氣候變化影響大,存在水資源年內分配和地域分布極不均勻的特征,引起春旱、夏洪、鹽堿及風沙等危害,社會經濟用水還嚴重擠占生態用水,水資源利用效率極為低下,難以維持生態系統的穩定性[4]。為了保障葉爾羌河灌區約200 萬人的生產和生活用水及河岸林草植被恢復的生態用水功效,需系統掌握過去65 年（1954 年～2018 年）葉爾羌河徑流量的年際、年內和豐枯變化特征,并科學預測未來10 年葉爾羌河徑流量的變化。

1 數據與方法

1.1 數據來源

葉爾羌河喀群（1954 年～2018 年）水文站和提孜那甫河江卡（1957 年～2018 年）水文站月徑流量數據來源于新疆塔里木河流域喀什管理局。

1.2 方法

1.2.1 徑流量變化分析方法

利用SPSS10.0、Sigmaplot12.0、Excell 等軟件,運用統計學方法分析葉爾羌河出山口及其支流水文站徑流量的年際和年內變化特征。

1.2.2 徑流量預測方法

時間序列分析的ARIMA 建模法也叫Box-Jenkins 法,可分為自回歸模型（AR 模型）、移動平均模型（MA 模型）和自回歸移動平均模型（ARMA 模型）。

ARMA 模型不僅與其前p 個時刻的自身觀測值有關,而且還與其以前時刻進入系統的q 個隨機誤差存在一定的依存關系,即：

在進行ARMA 建模之前,時間序列必須滿足平穩性條件。非平穩的時間序列數據則可以用差分法使之平穩化,并進行檢驗。時間序列經過差分平穩化后,可以建立ARMA 模型來分析,對模型進行參數估計,通過數據變換的可逆性,使模型參數估計結果適應平穩化之前的數據。這整個過程建立的模型稱為ARIMA 模型。如果對原始數據進行了d 次差分,則將建立的差分數據記為ARIMA（p,d,q）。本文運用該方法對葉爾羌河出山口徑流量未來10 年的變化趨勢進行預測。

2 徑流量變化特征

2.1 年際變化

1954 年～2018 年葉爾羌河出山口喀群水文站多年平均徑流量為67.78 億m3。隨著全球氣候變暖,葉爾羌河山區來水量呈輕微增加趨勢,以平均0.71 億m3/10 a 速率增加（圖1（a））。通過計算1957 年～2018 年提孜那甫河出山口江卡水文站多年平均徑流量值（圖1（b））發現,其多年平均徑流量為8.74 億m3。隨著全球氣候變暖,提孜那甫河來水量不斷增加,徑流量也呈現增加趨勢,且以2.74 億m3/10 a 的速度增加。由此可知,過去65 年葉爾羌河徑流量增加不明顯,提孜那甫河主要受葉爾羌河人為輸水的影響,徑流量增加顯著。

圖1 1954 年～2018 年葉爾羌河主要水文站徑流量變化

2.2 年內變化

通過分析葉爾羌河喀群水文站多年月平均徑流量（圖2（a））發現,盛夏徑流量最大,夏初和秋初徑流量次之,春季和冬季徑流量最小。具體來看,6 月份和9 月份平均徑流量超過4 億m3,屬于偏豐期；而7 月份和8 月份平均徑流量超16 億m3,8 月份的平均徑流量最大,達24 億m3,屬于汛期；春季和冬季徑流量均低于3 億m3,屬于非汛期。全年超8 個月屬于非汛期。提孜那甫河江卡水文站各月徑流量的變化見圖2（b）,從圖2（b）可知,江卡水文站從5 月份開始進行汛期,一直持續到9 月底,徑流量超過0.10 億m3,而其他月份徑流均低于0.03 億m3,屬于非汛期。

圖2 葉爾羌河主要水文站多年平均月徑流量變化

2.3 未來10 年葉爾羌河徑流量預估

通過運用時間序列趨勢預測模型對喀群水文站未來10 年（2019 年～2029 年）徑流量時間序列趨勢進行了擬合。在運用時間序列趨勢預測模型對喀群水文站歷年徑流量進行擬合的過程中,選擇了線性回歸模型、二次滑動模型、二次指數平滑、一次平滑模型和三次指數平滑模型分別進行了擬合（見表1）。由表1 可知,喀群和江卡水文站徑流量時間序列的二次指數平滑模型的均方擬合誤差分別為11.97 和1.54,是以上5 個模型中擬合誤差最小的,故選擇該模型為喀群和江卡水文站徑流量的時間序列預測模型。通過對2019 年～2028 年喀群和江卡水文站徑流量進行預測（見圖3）發現,近10 年這兩個斷面徑流量都呈持續緩慢增加趨勢,平均增加率分別為0.24 億m3/a 和0.04 億m3/a。

表1 喀群和江卡水文站歷年徑流量時間序列預測模型擬合參數值

圖3 徑流量實測值、模擬值與預測值

3 結論

在氣候變暖的背景下,以積雪融水為基礎的干旱區水資源系統非常脆弱和敏感,融雪水變化導致的水資源異變,正改變著水資源時空分布和水循環過程,極端水文事件發生頻率和強度不斷上升,水資源供需矛盾日益突出,成為制約干旱區經濟發展的瓶頸。近幾十年來,我國西北地區氣候出現了由暖干向暖濕轉型的事實,氣溫持續攀升、降水量顯著增加、冰川萎縮、河川徑流量增加等,這種趨勢可能在一定時期內存在。本文預測了未來10 年葉爾羌河徑流量的變化趨勢,發現近10 年來葉爾羌河仍處于豐水年,與以往研究結論一致。但西北干旱區氣候的暖濕化趨勢,導致冰川消融退縮,對干旱區水資源和生態環境產生重大影響。據報道,20 世紀60 年代后的約40 年, 西北地區的冰川總面積減少約5%,而1956 年～2010 年祁連山的冰川面積減少21%。有研究指出,21 世紀山地冰凍圈仍將繼續呈退縮狀態,目前的冰雪資源在未來的幾十年間可能會消失。因此,為了保障當地人民對水資源的長期可持續利用,需未雨綢繆,在豐水年采取一定的節水和儲水措施,以便實現枯水年和特枯水年對水資源的利用。