王鵬赫, 趙成義, 王丹丹 , 馬曉飛

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氣候變化對葉爾羌河流域極端水文事件的影響

王鵬赫1,2, 趙成義1,*, 王丹丹1,2, 馬曉飛1,2

1. 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所, 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

通過選取葉爾羌河流域4個典型氣象、水文觀測站點的月值數(shù)據(jù), 對比分析了氣候變化背景下葉爾羌河流域氣溫、降水及徑流的演變特征, 并探究了其對極端水文事件響應(yīng)。結(jié)果表明: (1)氣候變化中, 近55?a葉爾羌河流域氣候變化整體呈增暖增濕趨勢, 以1998年變化最為顯著, 且4個典型觀測站中庫魯克欄桿站氣溫及降水變化率最大(0.24 ℃·10a–1, 7.41 mm·10?a–1); (2)徑流變化整體呈線性增加趨勢且年內(nèi)變化顯著, 其中葉爾羌河及提孜那普河年內(nèi)徑流量最大值分布集中于7月和8月; (3)近55?a葉爾羌河流域極端水文事件呈顯著增加趨勢, 且以6月徑流變化最為顯著, 降水增加及冰川加速消融是流域極端水文事件頻發(fā)的主導(dǎo)因子。因此, 加強(qiáng)水文事件對氣候變化的應(yīng)對措施和洪水災(zāi)害的影響評估, 對提高葉爾羌河流域水資源的利用效率, 減少其氣候變化的危害具有重要意義。

氣候變化; 徑流變化; 極端水文事件; 葉爾羌河流域

1 前言

全球氣候變暖可對水資源系統(tǒng)的水文循環(huán)產(chǎn)生重大影響[1–2], 致使山區(qū)流域徑流過程發(fā)生明顯變化, 海拔越高其受氣候變化影響越顯著[3]。在全球增暖大背景下, 氣候變化引起的水資源儲量及時空分布特征可導(dǎo)致流域內(nèi)綠洲-荒漠生態(tài)系統(tǒng)的水資源供需矛盾更加突出。極端水文事件是指在一定時期內(nèi)發(fā)生頻率低且突發(fā)性強(qiáng)且對人類社會有重要影響的災(zāi)害性水文事件[4]。自20世紀(jì)60年代以來, 全球氣候變暖導(dǎo)致的極端天氣、氣候事件和重大自然災(zāi)害頻繁發(fā)生[5], 嚴(yán)重影響著人類生產(chǎn)生活。大量研究表明[6-8], 世界各地因極端水文事件所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失呈指數(shù)上升趨勢。極端降水事件較一般水文事件的成因及預(yù)測都更加復(fù)雜和困難, 對地球下墊面的影響也較一般水文事件更加深遠(yuǎn)。因此, 針對氣候變化與水文水資源響應(yīng)方面的研究, 已成為當(dāng)今關(guān)注的熱點和焦點。

新疆位于中國西北部, 屬干旱荒漠區(qū), 徑流產(chǎn)源以山區(qū)降水和冰川融雪為主, 區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)脆弱, 為氣候變化響應(yīng)最為敏感的區(qū)域[9]。然而, 隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人類活動加劇, 區(qū)域洪水及洪峰造成的災(zāi)害事件頻發(fā)[10]。因此, 對新疆典型流域的治理及供水安全防范方面的研究迫在眉睫[11-12]。在國外, Tank等研究發(fā)現(xiàn)1946—1999年歐洲強(qiáng)降水以正的變化趨勢為主, 對于大多數(shù)站點, 強(qiáng)降水量隨著總降水量的增多而增多, 但并不隨總降水量的減少而減少[13]。IPCC(Intergovermental Panel on Climate change)的研究表明全球變暖將導(dǎo)致全球水文的加強(qiáng), 全球平均降水量及蒸發(fā)量可能趨于增加, 同時降水變率可能發(fā)生變化, 從而可能使未來旱澇等極端水文事件出現(xiàn)頻率增加[14]。在國內(nèi), 統(tǒng)計表明, 新疆全疆區(qū)域洪水呈顯著增加趨勢, 尤其是南疆區(qū)域洪水明顯加劇。孫桂麗等[15]研究新疆極端水文事件的時空分布特征、年際變化及其對氣候變化的響應(yīng), 結(jié)果表明極端水文事件增長趨勢與氣溫、降水變化一致。隨著全球氣候變化, 我國新疆高山冰雪流域水文循環(huán)變化對此反映敏感, 特別是冰川和積雪加速消融和最大徑流引發(fā)的洪水可能危及民生并導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失[16-17]。綜合以上表明, 自20世紀(jì)90年代中期以后新疆大部分山區(qū)河流年極端洪峰量增大, 洪水量增多, 最大洪峰流量的年際間變化幅度呈增大趨勢[18]。葉爾羌河是全國最長內(nèi)流河塔里木河河源流區(qū)最長的河流, 也是塔里木河干流水資源重要的補(bǔ)給來源, 對于整個新疆氣候變化及徑流響應(yīng)尤為敏感[19]。因此, 本文通過選取葉爾羌河流域4個典型氣象、水文觀測站點的月值數(shù)據(jù), 對比分析了氣候變化背景下葉爾羌河流域氣溫、降水及徑流的演變特征, 旨在為葉爾羌流域水資源管理和調(diào)控, 防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急方面提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

葉爾羌河流域位于新疆維吾爾自治區(qū)的西南部, 塔里木盆地的西南邊緣。流域范圍介于東經(jīng)74°28′—80°54′, 北緯34°50′—40°31′之間, 葉爾羌河流域的總面積為8.58萬km2, 其中我國境內(nèi)為8.44萬km2, 境外面積為0.14萬km2。山區(qū)面積占66.9%, 為5.74萬km2; 平原區(qū)面積占33.1%, 為2.84萬km2。葉爾羌河流域地形由南向東北急劇傾斜, 由8000—6000 m的極高山區(qū)降至平原區(qū)的1500—1050 m, 海拔8611 m的世界第二高峰喬戈里峰位于本區(qū)內(nèi), 與現(xiàn)今尾閭上游水庫的海拔高程相比, 兩者高差約達(dá)7570 m。流域位于歐亞大陸中心, 由于南、西、北三面分別受喀喇昆侖山、帕米爾高原和南天山的阻擋, 終年處于極端干旱狀態(tài), 形成了具有典型大陸性氣候的溫帶、暖溫帶干旱區(qū)。平原降水極少, 高山區(qū)的冰雪積累則成了河川徑流幾乎唯一的補(bǔ)給來源, 是典型的雪冰補(bǔ)給河流, 流域多年平均冰川消融量約占出山口卡群站多年平均徑流量的64.0%, 雨雪混合補(bǔ)給占13.4%, 地下水補(bǔ)給占22.6%[20]。

3 資料與方法

本文分析的數(shù)據(jù)主要包括水文數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。其中, 水文數(shù)據(jù)為葉爾羌河流域卡群站、庫魯克欄桿站和玉孜門勒克水文站1960—2015年的月均徑流和流量數(shù)據(jù); 氣象數(shù)據(jù)為中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)1960—2014年的年均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)資料完整、一致, 達(dá)到分析用標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)果

4.1 流域水文特征與洪水災(zāi)害變化

影響葉爾羌河流域降水的主要因素是西風(fēng)環(huán)流所攜帶大西洋水氣, 沿途得到地中海、里海等水氣補(bǔ)充, 經(jīng)中亞入新疆后若遇冷空氣入侵, 在南疆就造成降水天氣。年降水量地區(qū)分布特征呈現(xiàn)明顯的垂直地帶性分布。葉爾羌河流域冰川區(qū)雪線附近年降水量可達(dá)600 mm以上, 向下塔什庫爾干(海拔3000 m)減到69 mm, 庫魯克欄干(海拔1960 m)93 mm, 葉爾羌河山口卡群站(海拔1450 m)和莎車氣象站(海拔1231 m)僅為66 mm和43 mm, 最少是東部麥蓋提30 mm。流域年降水量不但年際變化較大, 如山區(qū)的庫魯克欄干站年最大降水量149.8 mm(1982年), 最小48.3 mm(1961年)。葉爾羌河出山口的卡群站年最大降水量141.2 mm(1974年), 最小26.1 mm (1983年), 最大值與最小值兩者差5倍, 且年內(nèi)分配很不均勻。在海拔低于2000m的地區(qū), 降水量分布具有明顯的遞減特點, 總的分布特點是由北面向南面、由東面向西面逐步增加, 高度每增加100m, 降水就會增加6mm?？ㄈ赫咀畲竽杲邓渴亲钚∧杲邓康?6倍, 平原區(qū)的巴楚站最大年降水量為最小年降水量的8.2倍, 降水量分配主要集中在夏季5—8月[21]。流域年降水量較小, 但也會出現(xiàn)強(qiáng)度較大的暴雨。高強(qiáng)度的暴雨多集中在河流出山口一帶的暴雨中心區(qū)。這樣豐富的降水產(chǎn)流, 形成了葉爾羌河流域巨大的水資源, 但也產(chǎn)生了破壞性巨大的洪水災(zāi)害。

圖1 葉爾羌河流域的河流分布及其主要水文站位置圖

分析1980—1990年和1990—2001年期間的強(qiáng)對流暴雨次數(shù)[22], 新疆大部分地區(qū)1990年代比1980年代對流暴雨明顯增多, 增多幅度為20%—83.3%。隨著氣候變暖, 暴雨型的降水增加, 必然引發(fā)洪水頻率的增加。葉爾羌河突發(fā)性洪水自1800年以來發(fā)生頻率呈顯著上升趨勢, 洪水發(fā)生間隔的年數(shù)也越來越短[23]: 由60 a一遇到30 a、到10 a, 再到現(xiàn)在的幾年一遇。在流域氣溫波動上升的情況下, 葉爾羌河突發(fā)性洪水頻率顯著增加, 且與氣溫變化一致。

4.2 流域氣候變化特征

塔什庫爾干氣象站位于流域上游, 可以代表流域山區(qū)的氣象條件, 莎車氣象站位于流域下游, 可以代表平原的氣象條件。利用新疆葉爾羌河流域1960—2014年塔什庫爾干和巴楚氣象站的年平均氣溫和年際降水資料(圖2—圖5)可知, 近55年來年平均氣溫線性增暖極顯著, 其中庫魯克欄桿站氣溫增溫率為0.24 ℃·10 a–1, 降水量增加量7.41 mm·10 a–1, 莎車站氣溫增溫率為0.22 ℃·10 a–1, 降水量增加量6.48 mm·10 a–1?？傮w來講, 葉爾羌河流域氣候變化和新疆及全國變化趨勢一致[24], 隨全球氣候變暖, 氣溫在不斷上升, 到目前幾乎一直處于上升趨勢, 平均升溫近2.0 ℃多。孫本國等[25]利用葉爾羌河地區(qū)1961—2004的年平均氣溫降水資料指出, 全流域氣溫從20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)初均呈連續(xù)上升趨勢, 降水在60—70年代減少, 之后呈連續(xù)上升趨勢, 驗證了本文的結(jié)論。溫度升高最直接的效應(yīng)是水循環(huán)加快, 平均降水量發(fā)生變化, 水文極端事件發(fā)生頻率增加[26]。

4.3 主要流域洪水變化特征及其對氣候變化的響應(yīng)

4.3.1 徑流分布和變化特征

通過對葉爾羌河流域干流3個典型控制斷面(葉爾羌河流域卡群站、庫魯克欄桿站和玉孜門勒克站)的月均徑流年代際變化分析發(fā)現(xiàn)(圖6—圖7): 自20世紀(jì)50年代以來, 干流年徑流量均隨著氣溫的上升而增加; 年內(nèi)融水徑流量在6月份出現(xiàn)上升趨勢, 且8月份以后明顯下降。葉爾羌河的徑流最大值出現(xiàn)在7月份, 提茲那普河出現(xiàn)在8月份。據(jù)上述可知, 葉爾羌河流域年內(nèi)來水量主要集中在6—9月份, 最大流量發(fā)生在7月和8月份。6月份降雨量最多, 但年最大流量出現(xiàn)在8月份, 造成這個現(xiàn)象的原因是葉爾羌河流域河流徑流主要以雪冰融水補(bǔ)給為主, 屬于融雪水和雨水混合補(bǔ)給型河流, 夏季消融期(6—8月份)河道的冰川融化量增加; 冬季為枯水期, 徑流量較為穩(wěn)定, 無明顯變化。

圖2 1960—2014年塔什庫爾干年平均氣溫變化

圖3 1960—2014年塔什庫爾干年際降水變化

圖4 1960—2014年莎車年平均氣溫變化

圖5 1960—2014年莎車年際降水變化

4.3.2 年極端水文事件

隨著氣候變化, 葉爾羌河流域的徑流過程發(fā)生了很大變化, 不但年徑流量發(fā)生變化, 而且最大洪峰和極端水文事件也呈顯著變化。對天山南坡黃水溝冰川凍土區(qū)域以降水為主要徑流的河流, 極端水文事件主要表現(xiàn)為夏季降水時間提前, 洪峰流量加大, 破壞性加大[27]。而對于葉爾羌河流域降水極少, 高山區(qū)的冰雪積累成了河川徑流幾乎唯一的補(bǔ)給來源, 所以年最大洪水一般和融雪季時段有關(guān)。葉爾羌河流域從1959—2014年, 在溫度升高降水增加的情況下, 洪水最大出現(xiàn)提前的趨勢, 從主要在8月上旬提前到7月中旬(圖8)。

圖6 1960—2015年庫魯克欄桿站、卡群站、玉孜門勒克站年徑流量年代際變化

圖7 1960—2015年庫魯克欄桿站、卡群站、玉孜門勒克站月平均流量變化

圖8 葉爾羌河流域年洪峰出現(xiàn)日期變化

葉爾羌河流域的洪水類型按其成因和災(zāi)害特點可分為4種類型[28]: 冰雪消融型洪水、冰川“潰壩型”洪水、暴雨型洪水和混合型洪水。消融型洪水年際變化相對平緩, 發(fā)生時間集中于6—9月, 過程具有明顯日變化, 洪水歷時較長, 漲落較平緩; 潰壩型洪水峰值年際變化大, 洪水時空分布十分特殊, 不僅在汛期會發(fā)生, 冬季枯水季節(jié)也會發(fā)生, 洪水漲落迅速, 過程較短; 暴雨型洪水發(fā)生時間較集中, 較大的暴雨型洪水幾乎全部發(fā)生于7月中旬至8月上旬, 峰值較低, 場次洪量小, 洪水過程單一, 陡漲陡落, 洪水歷時短; 混合型洪水一種是暴雨型洪水與消融型洪水遭遇形成, 一般洪峰量級較低, 另一種是潰壩型洪水與消融型洪水遭遇形成, 此類型洪水峰高量大、來勢兇猛, 危害極大。

統(tǒng)計葉爾羌河1959—2014年的三類洪水的最大洪峰流量變化可以看出(圖9—圖11): 在20世紀(jì)60年代到70年代是一個洪水流量較低的階段, 80年代后期流量呈現(xiàn)增大的趨勢。葉爾羌河的消融型洪峰流量從1400 m3·s–1(60—70年代)增加到1600 m3·s–1左右(90年代); 潰壩型洪水發(fā)生頻率呈顯著上升趨勢; 暴雨型洪水洪峰流量發(fā)生頻率上升、強(qiáng)度增大。葉爾羌河高、中山區(qū)冰川、永久性和季節(jié)性積雪極為發(fā)育, 這為冰雪消融型洪水提供了豐富的物質(zhì)條件, 消融型洪水是發(fā)生頻次最高、最基本的一類洪水, 也是葉爾羌河徑流的主要構(gòu)成。在春季和汛期, 隨著氣溫上升, 加大了冰雪融化速率, 補(bǔ)給河流, 引起消融洪水發(fā)生并量級加大?？傊? 每次大的升溫過程, 必會伴隨消融洪水的發(fā)生[29]。夏季流域中低山區(qū)局部范圍易發(fā)生暴雨, 形成洪水。暴雨型洪水規(guī)模一般較小, 量級有限, 發(fā)生時間較集中, 較大的幾乎全部發(fā)生在7月中旬—8月上旬, 且主要受中低山和局部降雨的影響。其最大流量略大于消融型洪水, 這是由于大范圍降雨造成洪峰流量大幅度增加。總體而言, 葉爾羌河是以冰雪融雪為主要徑流的內(nèi)陸河流, 其消融型洪水峰值相對于其他類型較穩(wěn)定, 暴雨洪水洪峰流量最小, 但其最大流量略大于消融型洪水。潰壩型洪水洪峰流量最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以上兩者, 反映出潰壩型洪水陡漲陡落, 峰高量大的特點。

4.3.3 極端水文事件對氣候變化的響應(yīng)

統(tǒng)計卡群站的年洪峰流量與年徑流的關(guān)系如圖12所示, 年徑流量隨著年內(nèi)最大洪峰流量的增加而增加, 呈正比例關(guān)系?？ㄈ赫镜脑聫搅髋c洪峰流量統(tǒng)計結(jié)果表明(圖略), 6月份的月徑流是影響最大洪峰流量的主要因子, 也反映了在葉爾羌河流域, 冰川消融是本區(qū)域的主要徑流類型。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明, 主要的洪水事件主要出現(xiàn)在6—8月, 因此關(guān)注6—8月的氣溫變化對于預(yù)防洪水災(zāi)害至關(guān)重要。

5 結(jié)論

(1)新疆葉爾羌河流域氣溫呈緩慢上升的趨勢, 年降水量也是增加的, 其中山區(qū)年平均氣溫從1960年代的3.0 ℃上升到2010年代的4.8 ℃, 平原年平均氣溫從1960年代的11.2 ℃上升到2010年代的12.7 ℃。隨著降水、氣溫的增加, 河流徑流量呈增加趨勢; 最大徑流量出現(xiàn)在6—8月份, 最大徑流與夏季降水關(guān)系密切, 最小徑流與冬春季的氣溫有關(guān)。

圖9 葉爾羌河消融型洪水年最大洪峰流量變化

圖10 葉爾羌河潰壩型洪水年最大洪峰流量變化

圖11 葉爾羌河暴雨型洪水年最大洪峰流量變化

圖12 卡群站洪峰流量與年徑流的關(guān)系

(2)隨著全球氣候變暖, 葉爾羌河流域升溫明顯; 年降水量呈增加趨勢, 降水變化決定著年徑流量增加, 使年最大徑流集中出現(xiàn)在夏季且量級增大, 洪峰流量從1960年代的1400 m3·s–1增加到1990年代的1600 m3·s–1左右。河流主要由融雪徑流補(bǔ)給, 冰川消融量約占出山口多年平均徑流量的64.0%, 氣溫升高和冬、春季積雪的增加, 導(dǎo)致消融洪水增加且洪峰流量增大, 破壞性加大。

(3)夏季極端降水增多, 使得暴雨洪水增多, 極端水文事件引起的自然災(zāi)害已經(jīng)威脅到葉爾羌河流域農(nóng)牧業(yè)、生產(chǎn)、交通安全和水資源供給, 應(yīng)加強(qiáng)氣候背景下的水文水資源安全及應(yīng)對措施研究, 提高水資源安全保障, 減緩氣候變化帶來的可能危害。

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Influence of climate change on hydrological extremes of Yarkant River Basin

WANG Penghe1,2, ZHAO Chengyi1,*, WANG Dandan1,2, MA Xiaofei1,2

1. State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Through selecting four typical weather of Yarkant River basin and the monthly data observed from hydrometric station, this paper makes a contrastive analysis of the evolution characteristics of air temperature, rainfall, and runoff of Yarkant River basin against the background of climate change, and explores the influence of climate change on hydrological extremes. The results are as follows.(1)During climate change, there was an overall trend towards warming and humidification in almost 55 a of Yarkant River basin, among which the climate change in 1998 was the most prominent. As for the four typical observation stations, the station of Kuluklangan witnessed the biggest change in air temperature and rainfall(0.24℃·10 a-1, 7.41mm·10 a-1).(2) The runoff variation was increased linearly on the whole and saw a significant change within the year. Among which the highest runoff volumes of Yarkant river and Tizinafu river were respectively concentrated in July and August.(3)There was a remarkably growing trend in terms of the number of hydrological extremes in almost 55 a of Yarkant River basin, and the runoff change in June witnessed the biggest change. The increasing of precipitation and the accelerating melt of glacier was the leading factors of the frequent occurrences of hydrological extremes. Therefore, we should improve the solutions of hydrological events to climate change and strengthen the impact evaluation over flood damage, which is of great importance to increasing the use efficiency of the water resource of Yarkant River basin and decreasing the negative effect of climate change on it.

climate change; runoff change; extreme hydrological events; Yarkant River Basin

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.001

P467/P337

A

1008-8873(2018)06-001-08

2017-12-03;

2018-01-08

國家自然科學(xué)重點基金項目(U1403281, 41671030); 國家973項目(2013CBA429905)

王鵬赫(1990—), 男, 河南新鄉(xiāng)人, 碩士研究生, 主要從事干旱區(qū)生態(tài)水文方面的研究, E-mail: 1322127617@qq.com

趙成義(1966—), 男, 研究員, 博士生導(dǎo)師, 主要從事干旱區(qū)生態(tài)水文方面的研究, E-mail: zcy@ms.xjb.ac.cn

王鵬赫, 趙成義, 王丹丹, 等. 氣候變化對葉爾羌河流域極端水文事件的影響[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(6): 1-8.

WANG Penghe, ZHAO Chengyi, WANG Dandan, et al. Influence of climate change on hydrological extremes of Yarkant River Basin[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 1-8.