達 偉， 王書峰， 沈永平， 陳安安， 毛煒嶧， 張 偉

（1.新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞水文勘測局，新疆庫爾勒 841000； 2.新疆維吾爾自治區(qū)和田水文勘測局，新疆和田 848000；3.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室可可托海積雪站，甘肅蘭州 730000； 4.西北大學城市與環(huán)境學院，陜西西安 710127； 5.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 836500）

0 引言

水資源是我國西北干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關鍵控制因子，特殊的地形和氣候背景塑造了西北內(nèi)流區(qū)典型的水資源供需模式，即上游水資源供給區(qū)、中游綠洲水資源消耗區(qū)以及下游水資源生態(tài)維持區(qū)。以新疆為例，主要河流的水資源量約80%以上來自于盆地周圍高山區(qū)[1］。和南方降雨補給型河流不同，西北干旱區(qū)的河流同時受降雨和冰雪融水補給，例如在融雪徑流補給為主的北疆額爾齊斯河流域，積雪融水對徑流的貢獻率超過了40%，而在南疆的葉爾羌河流域，冰雪融水對流域徑流的貢獻率更是超過了70%[2-3］。由于冰凍圈水文的復雜性，在評估氣候變化對水文過程的影響時，不僅需要考慮降水變化對水文過程改變的直接影響，還需關注氣溫變化對水文過程的間接影響（氣溫變化不僅可以影響雨雪比，還會改變冰雪的積累-消融過程）[4-5］。

氣候變暖背景下冰凍圈水文的變化特征因不同的主導冰凍圈要素而存在巨大的差異：在融雪徑流主導的流域，由于積雪減少、春季消融提前和秋季積雪消融增加，將導致全年融雪徑流量減少、春季徑流提前和秋季徑流量增加；在冰川徑流主導的流域，冰川徑流將呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢；在多年凍土主導的流域，多年凍土的退化導致其作為“隔水層”的功能逐漸喪失，更多的地表水補給地下水，致使地表徑流減少[6］。例如，發(fā)源于天山山區(qū)的烏魯木齊河，由于冰川的快速退縮，徑流量呈現(xiàn)出快速減少的變化趨勢[7-8］。然而，降雪、冰川大小和冰雪融水對徑流的貢獻不同也可能導致冰凍圈水文表現(xiàn)出“異常”的變化趨勢。在北疆的額爾齊斯河流域，冬季降雪增加導致流域的年徑流量呈現(xiàn)出增加的變化趨勢，但升高的氣溫導致最大流量出現(xiàn)時間從6 月份逐漸前移至5 月[9-10］；在南疆的葉爾羌河流域，由于冰川處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)（簡稱“喀喇昆侖異常”），致使年徑流量呈現(xiàn)微弱的增加趨勢[11］。在多種冰凍圈要素共同影響的流域，冰凍圈和氣候變化的共同作用將導致不同區(qū)域冰凍圈水文過程的變化表現(xiàn)出顯著的差異，在中國西部受冰凍圈要素控制的流域，徑流增加和減少趨勢的流域具有明顯的分區(qū)[12］。然而，高山冰凍圈一般都處于高海拔的偏遠山區(qū)，氣象、冰凍圈和水文觀測資料有限且時間序列較短，很難直接分析冰凍圈對水文過程的影響。因此，針對特定冰凍圈流域，利用出山口以下中游綠洲區(qū)有限的水文、氣象資料，探討氣候變化背景下冰凍圈水文的變化特征成為探索上述地區(qū)水文情勢的重要途徑，相關認識也將為中下游區(qū)的水資源利用和生態(tài)環(huán)境保護提供重要依據(jù)。

青藏高原西北緣的昆侖山-阿爾金山北麓是我國古絲綢之路的重要通道，沿途有若羌、且末、民豐等古絲綢之路重鎮(zhèn)，目前也是庫（爾勒）格（爾木）鐵路、和（田）若（羌）鐵路和G315 等重要的交通大通道，上游穩(wěn)定的水源供給是確保阿爾金山國家自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境和中游綠洲區(qū)社會經(jīng)濟穩(wěn)定以及下游尾閭湖生態(tài)環(huán)境向好和絲綢之路經(jīng)濟帶持續(xù)繁榮的基石。因此，本研究擬選擇上述區(qū)域內(nèi)年徑流量最大且有長期觀測資料的車爾臣河流域，分析1957—2019 年水文過程的變化特征，揭示其對氣候變化的響應機制，以期為絲綢之路經(jīng)濟帶的綠色可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)概況

車爾臣河是昆侖山北麓諸小河中最大的一條河流，該區(qū)域的河流還包括瓦石峽河、若羌河、米蘭河等。該地區(qū)的河流均發(fā)源于青藏高原西北緣的昆侖山和阿爾金山山區(qū)，終于塔克拉瑪干沙漠南部邊緣區(qū)[13］。其中，車爾臣河發(fā)源于昆侖山北坡的木孜塔格峰，終于塔克拉瑪干沙漠邊緣的臺特瑪湖（塔里木河和車爾臣河共同的尾閭湖），河長超過800 km。昆侖山北麓諸小河的流域總面積約14.6×104km2，地勢南高北低，海拔范圍介于800~7 100 m。流域內(nèi)共發(fā)育有現(xiàn)代冰川1 330 條，冰川面積約為1 081.37 km2。多年凍土主要分布在海拔3 000 m以上的南部高原區(qū)，面積約為4.7×104km2（圖1）。

圖1 車爾臣河流域水系、冰川、多年凍土和綠洲空間分布以及氣象、水文站點位置Fig.1 Spatial distribution of river network，glacier，permafrost and oases and location of meteorological and hydrological stations in the Qarqan River basin

該區(qū)屬典型的大陸性氣候，降水稀少且降水存在顯著的海拔地帶性，產(chǎn)流區(qū)主要位于海拔5 000 m以上的高原山區(qū)，且末和若羌氣象站的1957—2019年多年平均降水量僅為25.3 mm 和29.4 mm，年平均氣溫分別為10.7 ℃和11.8 ℃。且末和若羌綠洲是流域內(nèi)較大的綠洲，綠洲總面積約2 800 km2，其中，車爾臣河冰凍圈融水資源是且末綠洲和人工生態(tài)系統(tǒng)賴以為系的重要水源。

1.2 數(shù)據(jù)資料

青藏高原西北部高山區(qū)人類活動相對較弱，水文、氣象觀測資料也相對匱乏。在研究區(qū)內(nèi)，具有長期觀測資料的水文站點只有車爾臣河的且末水文站。且末水文站于1956 年12 月開始水文監(jiān)測，是省級重要水文站，中央報汛站。該水文站位于新疆維吾爾自治區(qū)且末縣且末鎮(zhèn)，地理坐標85°32′E、38°08′N，是內(nèi)陸河湖流域昆侖山北坡諸河水系車爾臣河上的大河重要控制站（圖1）。且末水文站控制斷面以上的集水面積約26 822 km2，歷史實測最大流量為553.0 m3·s-1（1999 年8 月4 日），多年平均徑流量5.85×108m3，最大年徑流量為11.85×108m3（2016 年），歷史實測最大含沙量為151.0 kg·m-3（1998 年8 月4 日），多年平均輸沙量為159.0×104t。本研究用到的水文數(shù)據(jù)包括月徑流、年最大流量和1 日、3 日、7 日洪水總量，時間范圍為1957 年1 月至2019 年12 月（說明：且末水文站控制斷面之上僅有一個取水口，用于引水灌溉，且末水文站同期對上述兩個斷面進行了流量監(jiān)測，本文用到的數(shù)據(jù)是上述兩個控制斷面的合成流量，故而基本可以排出人類活動對水文過程的影響）。鑒于且末水文站氣溫、降水數(shù)據(jù)與徑流數(shù)據(jù)不同步，因此利用流域內(nèi)同期的國家基準氣象站（且末、若羌）的數(shù)據(jù)（月平均氣溫和降水）作為背景氣象數(shù)據(jù)來分析氣候變化對水文過程的影響。

2 結果

2.1 車爾臣河流域水文特征

基于1957—2019 年且末水文站的月平均徑流數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，車爾臣河流域的多年平均年徑流量為5.85×108m3，水資源的年內(nèi)分配存在夏季高、其他季節(jié)相對較低的分布特征（圖2），其中夏季6—8 月的水資源量為2.67×108m3，約占全年水資源的45.64%，春季3—5 月、秋季9—11 月和冬季12 月—次年2 月的徑流占比分別為25.77%、20.09%和8.50%。就單月徑流而言，最大流量出現(xiàn)在7 月，月平均流量為40.32 m3·s-1，月均徑流量為1.08×108m3，約占全年徑流量的18.45%；最小流量出現(xiàn)在1 月，月平均流量僅為4.46 m3·s-1，月均徑流量為0.12×108m3，約占全年徑流量的2.04%。

圖2 車爾臣河流域月均降水、徑流及水資源年內(nèi)分布Fig.2 Monthly precipitation，discharge variations and annual distribution of monthly water resources in Qarqan River basin based on observed hydrological data by Qieme hydrological station during 1957—2019

然而，徑流量和降水的年內(nèi)分布并不完全一致。降水的年內(nèi)變化顯示，該地區(qū)的降水集中在夏季，多年平均夏季降水量為18.77 mm，約占全年降水量的70.44%，遠高于夏季徑流占年徑流的比例。盡管春季降水有微弱的增加趨勢（從3 月的0.6 mm增加到了2.6 mm），但不足以導致月平均流量從3月的12.66 m3·s-1增加到5 月的22.43 m3·s-1，春季山區(qū)積雪消融可能是引起徑流快速增加的主要因素。另外，4—5 月降水呈現(xiàn)增加的趨勢，但是徑流保持穩(wěn)定，推斷降水增加、積雪消融量減少共同導致徑流量維持在穩(wěn)定的狀態(tài)。同時，青藏高原的多年凍土活動層在每年的4 月下旬開始融化，導致更多的降水和積雪融水下滲并貯藏在土壤層中，也可能是導致地表徑流保持穩(wěn)定的重要因素。

2.2 1957—2019年車爾臣河流域徑流變化特征

1957—2019 年車爾臣河流域的年徑流量呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢[圖3（a）］：1950s 至1990s中期，年地表徑流量呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢（線性變化速率約為-2.38×106m3·a-1，R2=0.07），1957—1997 年 的 年 徑 流 量 介 于3.07×108~8.42×108m3，最大最小徑流比為2.77，多年平均徑流量為5.03×108m3；自1998 年開始，地表徑流量呈現(xiàn)快速波動上升的變化趨勢（線性變化速率約為24.31×106m3·a-1，R2=0.47），1998—2019 年的年徑流量介于3.62×108~11.85×108m3，最 大 最 小 徑 流 比 達3.27，多年平均的年徑流量約為7.78×108m3，較1957—1997 年間平均增加了54.67%。然而，不同季節(jié)的徑流表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：春季的徑流變化與年徑流的變化趨勢基本一致，也表現(xiàn)為1997年以前微弱的減少、其后快速增加的變化趨勢[圖3（b）］；夏季和冬季的徑流變化趨勢基本一致，基本表現(xiàn)為1950s—1990s 基本穩(wěn)定、其后快速增加的變化過程[圖3（c）和3（e）］；而秋季的徑流在整個研究期均呈現(xiàn)增加的變化趨勢，1957—2019 年間的平均增加速率為2.13×106m3·a-1[圖3（d）］。

圖3 1957—2019年車爾臣河流域年徑流量和各季節(jié)平均流量變化特征Fig.3 Variation characteristics of annual discharge and seasonal average discharge in the Qarqan River basin during 1957—2019

基于SPSS 中斯皮爾曼相關性分析結果表明，在99%的置信區(qū)間內(nèi)，春、夏、秋、冬四季的徑流量均與年徑流存在顯著的相關關系，相關系數(shù)分別為0.661、0.851、0.731 和0.651。這表明四季的徑流變化共同導致了1957—2019 年間車爾臣河年徑流的變化，且夏季、秋季、春季、冬季徑流對年徑流的變化影響程度逐漸減弱。各個季節(jié)徑流對氣候變化的不同響應及對年徑流貢獻的差異共同決定了不同季節(jié)徑流對年徑流變化的影響程度。

2.3 車爾臣河流域洪水變化分析

水量作為水的資源屬性，是評價水資源服務功能的重要指標，而年最大流量、洪水總量則在很大程度上反映水的災害屬性，即致害的重要評價指標。為此，我們也系統(tǒng)評估了車爾臣河流域的洪峰過程，主要包括年最大流量、1 日、3 日和7 日洪水總量，相關的結果如圖4 所示。車爾臣河流域年最大流量介于79.0 m3·s-1（1974年）和553.0 m3·s-1（1999年和2011 年）之間，多年平均的年最大徑流量為206.9 m3·s-1，1957—2019年間年最大徑流量呈現(xiàn)不顯著的增加趨勢。從1990s 后期開始，極端洪峰流量發(fā)生的頻率和強度均呈現(xiàn)顯著的增加趨勢[圖4（a）］，例如，1999 年和2011 年的年最大徑流量均達到了533 m3·s-1，約為多年平均值的2.58 倍。1日、3日和7日洪水總量也表現(xiàn)出了類似的變化規(guī)律[圖4（b）］，其中最大的1 日、3 日和7 日洪水總量分別為28.43×106m3（2005 年）、69.36×106m3（2000 年）和150.00×106m3（2000 年），分 別 占 年 徑 流 量 的3.42%、10.64% 和23.01%。上述結果表明，從1990s 后期開始，流域的年最大流量和洪水總量均有增加的變化趨勢，這在很大程度上增加了車爾臣河流域洪水災害發(fā)生的風險。

圖4 1957—2019年車爾臣河流域年最大流量和1日、3日、5日洪水總量變化特征Fig.4 Variation characteristics of annual maximum discharge and 1-day，3-day and 5-day flood volume in the Qarqan River basin during 1957—2019

2.4 氣候變化對水文過程的影響

昆侖山和阿爾金山地區(qū)是我國重要的無人區(qū)，野外觀測較少，僅在阿爾金山國家自然保護區(qū)有短暫的氣象觀測資料[14］，不足以滿足長時間序列水文過程對氣候變化的響應分析。同時，由于青藏高原地形的復雜性和有限的觀測資料，目前仍缺少較為準確的降水遙感產(chǎn)品或者再分析資料。因此，我們收集了流域內(nèi)若羌、且末氣象站同期的氣溫和降水數(shù)據(jù)，并將若羌和且末兩站的平均值作為車爾臣河流域變化背景，來分析氣候變化分析車爾臣河流域水文過程的影響。年徑流量及四季的流量與對應時段的氣溫降水相互關系如圖5、表1所示。

圖5 車爾臣河流域年徑流量[（a），（b）］及春[（c），（d）］、夏[（e），（f）］、秋[（g），（h）］、冬[（i），（j）］四季徑流量與對應時間氣溫[（a），（c），（e），（g），（i）］、降水[（b），（d），（f），（h），（j）］的相關關系Fig.5 The relationship between annual[（a），b）］，spring[（c），（d）］，summer[（e），（f）］，autumn[（g），（h）］and winter[（i），（j）］runoff and temperature[（a），（c），（e），（g），（i）］and precipitation[（b），（d），（f），（h），（j）］in the Qarqan River basin during 1957—2019

斯皮爾曼相關性分析結果顯示氣溫和降水共同控制著車爾臣河流域水文過程的變化，年徑流與氣溫和年降水均在99%的置信區(qū)間顯著相關，但降水的相關系數(shù)（0.384）略高于氣溫（0.335），表明降水的增加和氣溫的升高分別是年徑流增加的第一和第二主控因素。具體到不同的季節(jié)，控制徑流變化的因素又存在差異：春季的徑流主要受控于冬季和春節(jié)的降水；夏季的徑流受降水和氣溫共同控制，但是降水的作用要略高于氣溫；秋季的徑流主要受控于夏季和秋季的氣溫（由表1可知，盡管秋季的徑流與春季的氣溫相關系數(shù)最高，但從理論上講，春季的氣溫不足以影響秋季的徑流，而夏季氣溫升高導致冰川徑流增加會因冰川徑流的滯后匯流導致9月徑流的增加）而受降水的影響較小；而冬季的徑流增加是由冬季氣溫升高和降水增加共同引起的。

表1 1957—2019年車爾臣河流域徑流與氣溫和降水的相關關系Table1 Correlation coefficients between runoff and temperature and precipitation in the Qarqan River basin during 1957—2019

3 討論

3.1 冰凍圈對車爾臣河流域水文過程的潛在影響

冰凍圈不同要素對水文過程的影響存在顯著的季節(jié)性差異：積雪的影響主要發(fā)生在春季和秋季[15-17］；冰川的影響主要發(fā)生在夏季[18-20］；而多年凍土的影響主要發(fā)生在多年凍土融化期[15，21］。季節(jié)尺度的水文變化難以體現(xiàn)冰凍圈要素的影響，為此，根據(jù)水文過程的變化特征（圖2），將水文過程變化前后分為兩個階段（1957—1997 年和1998—2019年）來分析冰凍圈對水文過程的潛在影響。

車爾臣河流域冰凍圈對水文過程的影響顯著，不同季節(jié)冰凍圈對水文過程影響的差異（特別是徑流組分）引起水文過程對氣溫、降水變化的響應顯著不同（圖6）。盡管2、3 月的降水出現(xiàn)了略微的減少趨勢，徑流卻出現(xiàn)了快速的增加，特別是2 月，1998—2019 年的平均徑流量約為1957—1997 年的2 倍，冬季降雪的增加（特別是12 月）和春季氣溫升高引起的積雪提前融化可能是導致2、3月徑流增加的主要原因。同時，4、5 月的降水有所增加（5 月的降水增加在全年各月份中最大），但是徑流并未發(fā)生太大變化，積雪的提前融化導致4、5 月融雪徑流減少可能是徑流并未出現(xiàn)較大波動的主要原因。另外，青藏高原多年凍土在4 月下旬至5 月上旬融化導致更多的降雨和積雪融水儲存在活動層中甚至補給地下水也可能是導致地表徑流穩(wěn)定的重要原因。相反，盡管7月的降水有所減少，但是其月徑流卻增加了34.08%，增加量達到16.77 m3·s-1，此時的月平均氣溫也升高了1.7 ℃，由此推斷升高的氣溫導致冰川融化增強，車爾臣河源區(qū)木孜塔格冰川的加速消融研究也佐證了上述推斷[22］。而秋季徑流的顯著增加則可能是降水增加、多年凍土凍結過程延遲、冰川融化時間延長和秋季積雪融化增加共同造成的。

圖6 車爾臣河流域水文過程變化前后（1957—1997、1998—2019）徑流的變化（a）及對應時段氣溫和降水的變化（b）Fig.6 Comparison of runoff（a）and air temperature and precipitation in corresponding period（b）before and after the change of hydrological process（1957—1997，1998—2019）in the Qarqan River basin

3.2 車爾臣河流域水文過程變化的潛在影響及應對

水是干旱區(qū)社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境賴以維系的最關鍵資源。車爾臣河的徑流量決定了中游且末綠洲的城鎮(zhèn)規(guī)模和下游尾閭湖臺特瑪湖的生態(tài)環(huán)境。在氣候變暖的背景下，車爾臣河流域的徑流量呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，短期內(nèi)有利于社會經(jīng)濟的發(fā)展。但是，當冰川退縮達到臨界變化狀態(tài)后，冰川融水量將開始下降[12］，此時的水資源可以支撐多大規(guī)模的社會經(jīng)濟體量仍有待于進一步評估。另外，1988—2017 年間臺特瑪湖的地區(qū)的水域面積呈現(xiàn)波動增長的變化趨勢，且水域面積變化的拐點發(fā)生在2000 年左右，即2000 年以前水域面積保持穩(wěn)定且較小，2000 年開始臺特瑪湖區(qū)域的水域面積顯著擴張[14，23］，這與車爾臣河流域的水文過程變化基本一致，1997 年后車爾臣河流域徑流的增加導致更多的下泄水資源補給臺特瑪湖可能是臺特瑪湖短期內(nèi)生態(tài)環(huán)境向好的重要原因。隨著后期社會經(jīng)濟的持續(xù)擴張，特別是當冰川融水的開始減少，這將極大加劇中游社會經(jīng)濟用水和下游生態(tài)用水的矛盾。因此，地方政府不能因為短期內(nèi)徑流量的增加而盲目制定經(jīng)濟發(fā)展策略，而要合理權衡社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護的關系，合理評估冰川融水資源減少后可以支撐的社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模。

氣候變暖將導致冰凍圈災害發(fā)生的頻率增加和破壞程度增強[24］。車爾臣河流域的洪水發(fā)生頻率和強度都呈現(xiàn)出了增加的變化趨勢；徑流量年變幅的增加可能導致水文干旱事件發(fā)生的頻率增加。洪水兼具災害和資源效應，在車爾臣河流域出山口附近修筑控制性的水利樞紐工程，實現(xiàn)洪水的資源化利用可能是應對車爾臣河流域水資源短缺和洪水的重要途徑。

4 結論

基于昆侖山北麓車爾臣河流域內(nèi)長期的水文、氣象觀測資料，系統(tǒng)分析了1957—2019年徑流的變化特征、主要控制因素及其潛在影響。主要結論如下：

（1）車爾臣河的徑流顯著變化發(fā)生在1990s 后期，前期徑流呈現(xiàn)微弱的減小趨勢，后期徑流出現(xiàn)了快速的增加?？傮w上，1998—2019 年的平均年地表徑流比1957—1997 年增加了54.67%，增加量為2.75×108m3。夏季徑流增加對年徑流的變化影響最大，秋季、春季和冬季的影響逐漸減弱。徑流量的年際變幅呈現(xiàn)增大的變化趨勢，這將在一定程度上引起水文洪澇和干旱發(fā)生頻率的增加?？紤]洪水資源化利用和災害防治，修建控制性的水利樞紐工程可能是車爾臣河流域應對氣候變化下水文過程改變的重要舉措。

（2）氣溫和降水共同造成了車爾臣河流域水文過程的變化?？傮w上，降水和氣溫分別是年徑流變化的第一和第二主控因素，在99%的置信區(qū)間內(nèi)其與年徑流的相關系數(shù)分別為0.384 和0.335。具體到不同的季節(jié)，氣溫和降水對徑流的影響又存在差異：春季的徑流主要受控于冬春季節(jié)降水的增加，夏季的徑流同時受控于夏季降水的增加和氣溫的升高，而秋冬季的徑流主要受控于氣溫的升高。冰凍圈變化，特別是木孜塔格冰川的加速消融，可能引起車爾臣河流域徑流增加的重要原因。