氣候變化下的塔里木盆地西南部內(nèi)陸河流域徑流組分特征分析

孫從建， 陳 偉， 王詩語

（山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030000）

水資源作為人類生產(chǎn)生活必需的重要資源，對整個(gè)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有顯著影響［1］。干旱內(nèi)陸地區(qū)環(huán)境惡劣，水資源量匱乏，加之氣候干旱、降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致這一地區(qū)水資源的供需矛盾尤為突出［2-3］。過去的一個(gè)世紀(jì)以來，全球氣候變化給中亞內(nèi)陸河流域帶來了顯著的影響［3］。研究發(fā)現(xiàn)中國西北干旱內(nèi)陸河流域?qū)夂蜃兓毡轫憫?yīng)明顯，氣候因子變化與徑流變化表現(xiàn)出較為明顯的相關(guān)性［3-5］。前人的研究指出，從20 世紀(jì)80 年代后期，整個(gè)干旱內(nèi)陸地區(qū)氣溫上升明顯［2］，伴隨著氣溫的升高，以高山冰雪融水為重要補(bǔ)給來源的內(nèi)陸河徑流波動(dòng)顯著［3］，而降水的波動(dòng)也進(jìn)一步加劇了內(nèi)陸河流域年徑流的復(fù)雜化［2-6］，這些變化增加了區(qū)域水資源管理的難度。因此，系統(tǒng)的認(rèn)識氣候變化背景下干旱內(nèi)陸河流域徑流及其組分特征的變化已經(jīng)成為國內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點(diǎn)［7-8］。

解讀河川徑流對于氣候因素的響應(yīng)過程需要深入了解河川徑流組分的特征，徑流分割方法是研究徑流中多種水體的混合組成比例的有效方法［5-12］，應(yīng)用徑流分割方法可以定量的計(jì)算河水的主要水源補(bǔ)給比例，從而研究流域徑流過程。傳統(tǒng)徑流分割的方法包括圖形法、時(shí)間步長法、電子濾波法、水文模型法、水量平衡法等，每種方法雖然各具優(yōu)點(diǎn)，但由于無法通過實(shí)驗(yàn)對于徑流分割和水源劃分的結(jié)果進(jìn)行科學(xué)論證，傳統(tǒng)徑流分割和水源劃分的理論和方法之間仍存在較大的爭議［6-8］。環(huán)境同位素技術(shù)作為一種新興的水文學(xué)研究工具被廣泛的應(yīng)用于水文過程及氣候方面的研究，應(yīng)用環(huán)境同位素技術(shù)可以獲取不同水體水力聯(lián)系、混合比以及水汽來源等水循環(huán)信息［13-23］。自1970年以來同位素技術(shù)與徑流分割方法首次結(jié)合之后，因其具備物理機(jī)制，可以有效的避免圖形法等方法的主觀性，獲得了廣泛的應(yīng)用［22-27］。近年來，同位素徑流分割方法與其他水文學(xué)研究方法相結(jié)合，形成了較完整的多水源的徑流分割模型，同時(shí)開展了誤差控制方面的研究［4］。然而，現(xiàn)有的同位素徑流分割研究在西北地區(qū)開展較為緩慢［5-8］，已有的研究多集中在天山山區(qū)、河西走廊區(qū)的典型內(nèi)陸河流域，而針對塔里木盆地西南部的研究涉及較少［12-14,28-30］。該區(qū)為我國兩大地貌單元的交匯處，氣候復(fù)雜多變，多條內(nèi)陸河發(fā)源于此；同時(shí)該區(qū)域民族聚居，綠洲農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)，水資源需求量較大，水資源供需矛盾顯著，因此亟需開展關(guān)于該區(qū)域內(nèi)陸河徑流組分特征的研究。

選取塔里木盆地西南部提孜納甫河流域作為典型研究區(qū)，基于過去60 a氣溫、降水等氣象資料，分析區(qū)域氣候變化的趨勢；基于不同水體的穩(wěn)定同位素觀測數(shù)據(jù)，應(yīng)用同位素徑流分割模型分析了平水年徑流的組成成分，探討了氣候變化影響下塔里木河西南部地區(qū)徑流過程的響應(yīng)機(jī)制，從而為整個(gè)區(qū)域水資源的利用及中亞水循環(huán)機(jī)理的研究提供重要的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

提孜納甫河流域位于塔里木盆地的西南部，地理位置為36°31′～38°54′N，76°27′～79°04′E之間（圖1），該河流發(fā)源于海拔5518 m的喀喇昆侖山北坡地區(qū)卡克拉克達(dá)坂，于喀什地區(qū)葉城縣境內(nèi)江卡水文站出山，流經(jīng)葉城、莎車、麥蓋提等縣，最終匯入葉爾羌河，是塔里木河盆地南緣綠洲重要的水源［3］。提孜納甫河流域平均海拔在3605 m，山區(qū)部分河流比降明顯。流域落差較大，造就了差異明顯的垂直氣候；山區(qū)氣溫較低且降水較多（多年平均值為186.9 mm），屬于典型的高山氣候。而下游平原地區(qū)降水稀少（53.1 mm），干旱炎熱，屬于典型溫帶大陸性氣候。提孜納甫河全長335 km，其中出山口站——江卡站以上河段長約190 km，流域徑流深度為165.2 mm［30］。

圖1 提孜納甫河流域位置及主要采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Terrain and sampling location of the Tizinafu River Basin in China

2 采樣及測試分析

2.1 數(shù)據(jù)收集及樣品的采集分析

氣象水文數(shù)據(jù)：氣象信息來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，水文數(shù)據(jù)來自于當(dāng)?shù)厮恼荆ū?）。不同水體的水樣均采自2016年（該年為平水年能較好的反映該河流的平均水平），具體樣品采集信息如下：

表1 研究區(qū)氣象站及水文站基本參數(shù)Tab.1 Locations and data periods of the meteorological and hydrological stations

降水樣品：在江卡水文站開展，以次降水事件為單位，開展2016 年全年降水的樣品采集，共采集樣品32份。其中雨水樣品的采集要注意防止蒸發(fā)、避開污染源、避免陽光直接照射在采樣器上、采樣口離地面的距離不應(yīng)小于1 m，同時(shí)要測量降水量。雪樣的采集用桶式容器，常溫下融化儲(chǔ)存。

冰川及融雪水樣品：冰川樣品采集自喀喇昆侖山區(qū)的慕士塔格峰，采樣時(shí)應(yīng)避免只采集上層冰體，先用冰鑿采取深層冰體，放入棕色玻璃瓶中融化保存。樣品瓶用封口膠密封放入冰箱中，同時(shí)將冰箱調(diào)節(jié)到-4 ℃。融雪水樣品采集自秋季及春季融雪期，在流域內(nèi)部融雪發(fā)生地區(qū)采集。研究期共收集冰川及融雪水樣品共計(jì)18份。

河水的采集：于2016年3—11月開展每5 d 1次的河水樣品采集，共采集樣品54份。選用的是垂直式取樣器。水體采集后迅速的以封口膜密封放入保溫箱中，同時(shí)記錄當(dāng)時(shí)的氣溫、濕度及地理坐標(biāo)等要素。

地下水采集：選取位于流域內(nèi)部江卡及庫地的民用井，每月分別在2處民用井各采集1次樣品，共采集地下水樣品18份。

水體的氫氧穩(wěn)定同位素的測試在中國科學(xué)院荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，分析測試的儀器選用Los Gatos Research Inc 激光光譜儀（簡稱LGR DLT-100），其δD 和δ18O 的測試精度分別達(dá)到0.3‰和0.1‰。測定結(jié)果用V-SMOW表示。

2.2 徑流分割

同位素徑流分割經(jīng)常用于二水源、三水源乃至多水源過程線分割。根據(jù)質(zhì)量平衡方程和濃度平衡方程，可以將多水源同位素徑流分割方法用下面公式表示［4,22-26］：

式中：Q代表多種水源補(bǔ)給形成的總徑流量；Qm代表第m種徑流；表示徑流m的示蹤劑b，其中需要指出的是參數(shù)需要注意兩點(diǎn)：第一，在觀測期內(nèi)應(yīng)為一個(gè)穩(wěn)定的常量；第二，需要選用2 種不同的示蹤劑才能夠避免誤差。因此，在本項(xiàng)研究中我們選取δ18O和TDS作為2種不同的示蹤劑。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫的變化

提孜納甫河流域過去60 a來氣溫呈現(xiàn)較為明顯的上升趨勢，增長趨勢為0.30°C·(10a)-1（圖2）。2個(gè)區(qū)域表現(xiàn)出不盡相同的變化趨勢，山區(qū)氣溫上升較快，約為0.31°C·(10a)-1，而平原區(qū)氣溫的增長速率略小于山區(qū)，約為0.29°C·(10a)-1。本項(xiàng)研究的趨勢顯著性檢測采用Mann-Kendall(M-K 檢驗(yàn))非參數(shù)檢測［5］。Mann-Kendall 檢驗(yàn)結(jié)果顯示無論平原還是山區(qū)，其年平均氣溫都表現(xiàn)出顯著的增長趨勢（P＜0.01），山區(qū)年平均氣溫在1987年發(fā)生突變，此后快速上升，這與整個(gè)新疆地區(qū)的氣溫突變點(diǎn)相吻合［2,5］。而平原區(qū)的年平均氣溫突變點(diǎn)出現(xiàn)在1996年（表2）。對比平原區(qū)氣溫與山區(qū)氣溫的變化發(fā)現(xiàn)，平原區(qū)的年均氣溫變化率要低于山區(qū)的年均氣溫變化，表明提孜納甫河流域平原區(qū)的氣溫波動(dòng)較大。

圖2 過去50 a內(nèi)平原區(qū)（莎車站）及山區(qū)（塔什庫爾干站）不同季節(jié)氣溫距平變化Fig.2 Time series of temperature anomalies at plain(Shache)and mountain(Taxkorgan)stations in different seasons in the past 50 years

對比不同的季節(jié)，流域內(nèi)山區(qū)的秋季氣溫增溫最快，增長速度為0.44°C·(10a)-1。過去60 a 中，平原區(qū)冬、春季的氣溫增速要明顯的高于山區(qū)冬季的氣溫增速，而在夏季和秋季這一趨勢是相反的，山區(qū)氣溫表現(xiàn)出更為顯著的增速。盡管整個(gè)流域中春季的氣溫增速最為顯著，但是其溫度的波動(dòng)也最大（Cv為2.29），而夏季氣溫的年際波動(dòng)最為平緩（Cv為0.03）（表2）。自2010年以來流域氣溫上升顯著，其中2010—2016 年間的平均氣溫較之多年平均上升1.10°C，山區(qū)上升1.35°C，這一增溫趨勢對于以冰雪融水為重要補(bǔ)給的干旱內(nèi)陸河流具有重要影響。

3.2 降水量變化

Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果顯示山區(qū)降水表現(xiàn)出顯著的增加趨勢（P＜0.05），增長率為7.30 mm·(10a)-1［6.23%·(10a)-1］，山區(qū)降水從1997 年開始出現(xiàn)快速增長趨勢（表2）。對比山區(qū)和平原區(qū)降水，發(fā)現(xiàn)平原區(qū)降水的波動(dòng)性較大。

表2 提孜納甫河流域過去50 a氣溫降水變化率及突變點(diǎn)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Temperature and precipitation change rates and step change points in the past 50 years

對比流域過去60 a 不同季節(jié)的降水變化，山區(qū)夏季降水表現(xiàn)出最明顯的增加趨勢（圖3），增長率為4.95 mm·(10a)-1，其次是平原區(qū)夏季降水，增長率為3.72 mm·(10a)-1。而山區(qū)的春季降水表現(xiàn)出最緩慢的增加趨勢，增加趨勢僅為0.06 mm·(10a)-1。自2010 年以來，流域整體降水增加趨勢較為明顯，其中2010—2016 年間其降水平均值較過去40 多年年平均值增加了20 mm,山區(qū)增加趨勢更為顯著（增加了23.27 mm）。降水的增加很可能導(dǎo)致河川徑流中降水補(bǔ)給來源的上升。

圖3 過去50 a內(nèi)平原區(qū)（莎車站）及山區(qū)（塔什庫爾干站）不同季節(jié)降水量距平變化Fig.3 Time series of precipitation anomalies at plain(Shache)and mountain(Taxkorgan)stations in four seasons in the past 50 years

3.3 徑流量變化

基于多年提孜納甫河的出山口徑流量，分析了該流域的徑流變化特征，Mann-Kendall 檢驗(yàn)結(jié)果顯示該區(qū)域徑流在過去45 a 來呈現(xiàn)出顯著的增長趨勢，其在1998年發(fā)生突變并快速的增加。這與整個(gè)新疆地區(qū)的河流徑流量的突變點(diǎn)（1993 年）相對滯后［5］，表明該流域所在的昆侖山北坡徑流對于氣候變化的響應(yīng)要相對滯后于整個(gè)新疆地區(qū)。

對比不同季節(jié)徑流的變化（圖4），過去45 a 以來，夏季徑流的增長速度最快，為0.045×109m3·(10a)-1［0.55%·(10a)-1］。比較不同季節(jié)徑流的年際變化發(fā)現(xiàn)，夏季徑流的變差最小，而秋季徑流的變差最大，其Cv值為0.34（表3）。

表3 提孜納甫河流域過去30 a徑流變化特征統(tǒng)計(jì)Tab.3 Runoff change rates and step change points in the past 30 years

圖4 過去30 a提孜納甫河流域不同季節(jié)出山口徑流量距平變化Fig.4 Time series of annual and seasonal runoff anomalies in the past 30 years

3.4 徑流組分特征分析

3.4.1 不同水體的穩(wěn)定同位素及水化學(xué)特征 水化學(xué)分析的結(jié)果顯示，提孜納甫河流域降水的礦化度相對較低，其TDS（礦化度）的取值范圍為70～130 mg·L-（1表4）。是主要的陰離子，而Ca2+是主要的陽離子。地下水的TDS 取值范圍為715～740 mg·L-（1表4）；和Cl-是主要的陰離子，而Ca2+和Na+是主要的陽離子。融冰雪水的TDS 取值范圍為150～174 mg·L-（1表4）；和Cl-是主要的陰離子，而Ca2+和K+是主要的陽離子。河水的TDS 取值范圍為370～410 mg·L-（1表4）；和Cl-是主要的陰離子，而Ca2+和Na+是主要的陽離子。

不同水體穩(wěn)定同位素的監(jiān)測結(jié)果表明，江卡站降水δ18O 的取值范圍為-27.00‰～7.00‰，其加權(quán)平均值為-13.33‰，季節(jié)變化可以清楚的在該流域顯示，其降水的δ18O表現(xiàn)為7、8月較為富集，而冬季較為貧化（表4）。從表4結(jié)果可以看出，提孜納甫河流域春秋季（3月和10月）的融冰雪水的穩(wěn)定同位素含量高于夏季（7、8月）。地下水的δ18O和δD在春季表現(xiàn)出富集，這可能是季節(jié)融雪及凍土融水下滲導(dǎo)致。與大多數(shù)內(nèi)陸河流一樣，提孜納甫河河水的氫氧穩(wěn)定同位素表現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化，其中δ18O 的取值范圍為-9.15‰～-6.88‰而δD 的取值范圍為-56.00‰～-37.77‰。其δ18O 的最低值出現(xiàn)在4 月，最高值出現(xiàn)在春季的3月，而從9月開始δ18O表現(xiàn)出一種增加的趨勢（圖5）。

圖5 提孜納甫河流域研究期內(nèi)（2016年3—12月）河水δ18O與徑流關(guān)系Fig.5 River water δ18O and runoff discharge measured at the Jiangka station from March to December in 2016

表4 提孜納甫河流域不同水體氫氧穩(wěn)定同位素及總礦化度參數(shù)Tab.4 Water samples and their monthly mean isotope and chemical measurements

3.4.2 徑流組分特征 近年來，塔里木盆地西南部呈現(xiàn)出顯著的增溫增濕趨勢，這勢必會(huì)引起高寒內(nèi)陸河流徑流組分的變化，為了解徑流量對于氣候變化的響應(yīng)程度，該研究基于流域內(nèi)的多種水體穩(wěn)定同位素及水化學(xué)參數(shù)，利用同位素徑流分割的方法，詳細(xì)的解析了提孜納甫河流域的徑流組分特征。研究結(jié)果表明［6-8,22-25］，中國西北干旱內(nèi)陸河流域徑流主要是由山區(qū)降水、冰雪融水以及包含裂隙基巖水在內(nèi)的地下水構(gòu)成，不同的流域由于地質(zhì)地貌類型以及所處的緯度不同，其徑流組分特征不盡相同?；谕凰貜搅鞣指畹慕Y(jié)果，本研究詳細(xì)計(jì)算了提孜納甫河流域在研究期內(nèi)（3—11 月）降水、冰雪融水以及包含裂隙基巖水在內(nèi)的地下水等對于流域徑流的貢獻(xiàn)補(bǔ)給量。由圖6 可知，提孜納甫河流域徑流中降水和地下水的貢獻(xiàn)量從3—7 月呈現(xiàn)出1 個(gè)明顯的上升趨勢，隨后貢獻(xiàn)量開始下降。冰雪融水的貢獻(xiàn)量在觀測月份中呈現(xiàn)出雙峰模式即：7月和10月均表現(xiàn)出峰值，7月的冰雪融水量峰值主要是由于夏季大量的高山冰雪融水匯入導(dǎo)致，而10月則可能由于季節(jié)降雪融化（地表溫度此時(shí)仍不利于雪的積累）匯入引起。比較發(fā)現(xiàn)，6—9 月該流域河川徑流中降水的貢獻(xiàn)流量高于同時(shí)期的地下水貢獻(xiàn)流量。而4—5月，地下水徑流的貢獻(xiàn)流量高于降水和融冰雪水。融冰雪水徑流貢獻(xiàn)流量在3月、10月及11月為同時(shí)期最高。分析結(jié)果顯示該流域年內(nèi)徑流組分變化較為復(fù)雜，對氣溫及降水的波動(dòng)變化較為敏感。

圖6 提孜納甫河流域徑流地下水、降水、融雪水貢獻(xiàn)流量逐月變化Fig.6 Monthly contributions of groundwater,precipitation,and meltwater to stream discharge in the Tizinafu River

利用同位素徑流分割的結(jié)果，結(jié)合每個(gè)季度的徑流量我們計(jì)算了不同季度徑流的組分特征，圖7中顯示了3種主要的水源不同季節(jié)對于提孜納甫河徑流的貢獻(xiàn)率。在春季（3—5 月）提孜納甫河流域徑流中冰雪融水的貢獻(xiàn)率達(dá)到38%，而秋季融雪期（9—11 月）這一比重更大，其貢獻(xiàn)率高達(dá)54%。在夏季（6—8月），有47%的夏季徑流來自于降水，這一時(shí)期降水成為河流的主要水源；包含裂隙基巖水在內(nèi)的地下水對于夏季河流亦有較大的貢獻(xiàn)率（40%）。結(jié)合全年的徑流量，加權(quán)徑流量的貢獻(xiàn)率結(jié)果可知，該流域年內(nèi)徑流中降水的比重最大達(dá)到43%；其次是地下水，為40%。冰雪融水作為一個(gè)重要的水源對于整個(gè)提孜納甫河徑流的貢獻(xiàn)率為17%。

圖7 提孜納甫河流域不同季節(jié)地下水、降水及融冰雪水對河水的貢獻(xiàn)Fig.7 Annual and seasonal contributions of groundwater,precipitation,and meltwater to stream discharge in the Tizinafu River

4 討論

根據(jù)研究結(jié)果，提孜納甫河徑流受融冰雪水、地下水及降水聯(lián)合控制，夏季為降水的主要發(fā)生期，降水的年際波動(dòng)是造成流域徑流年變化的主要原因。如果按照當(dāng)前的氣候變化趨勢，到2100 年，該流域年降水量將增加40.5 mm，氣溫上升2°C，與之對應(yīng)的徑流量將增加0.63×109m3。李蘭海等［20］采用Delta 方法對24 個(gè)GCMs 模型月數(shù)據(jù)降尺度分析了A1B、A2 和B1 三個(gè)情景下新疆區(qū)域未來氣候變化格局，結(jié)果顯示提孜納甫河流域在未來3 種氣候情景下氣溫將分別增加3.23°C、4.58°C、2.68°C，降水將減少7.30%、7.02%、7.25%。過去幾十年，提孜納甫河流域山區(qū)降水增加了52%，氣溫增加了0.9°C，這一變化導(dǎo)致徑流增加了30%。徑流分割的結(jié)果顯示，提孜納甫河徑流中降水和冰雪融水（受控溫度）的比重為42%和17%。假定徑流組分不變，該流域氣溫上升1°C 徑流將增加5.7%；降水增加1%徑流將增加0.24%。假定這種徑流對氣候響應(yīng)模式不變，提孜納甫河流域未來3種氣候情景下到2100年徑流量將會(huì)增加16.66%、24.42%、13.54%。

提孜納甫河流域作為塔里木河流域重要的支流，其水資源是塔里木盆地西南緣綠洲農(nóng)業(yè)及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要資源保證，其水資源的安全調(diào)配是維系整個(gè)塔里木盆地西南緣綠洲穩(wěn)定的重要保證。徑流組分研究顯示，該流域年徑流中降水的比重較大，占到43%。流域徑流對于降水的變化響應(yīng)更為顯著。在流域水資源管理和使用過程中應(yīng)該充分考慮未來降水的變化對于整個(gè)流域徑流量的影響，對于未來氣候變化尤其是區(qū)域降水可能變化應(yīng)及時(shí)制定應(yīng)對政策；加強(qiáng)流域灌溉及生活用水的合理調(diào)配以及相應(yīng)的保障性水利設(shè)施的建設(shè)等，從而更好的應(yīng)對區(qū)域氣候變化對流域水資源安全可能帶來的影響。

5 結(jié)論

（1）過去60 a，提孜納甫河流域氣溫顯著升高，降水在山區(qū)增加明顯，受此影響，徑流量表現(xiàn)出增長的趨勢，其中夏季徑流增加最為顯著。

（2）徑流組分的結(jié)果顯示，提孜納甫河流域冰雪融水、地下水及降水對于年徑流的貢獻(xiàn)率分別為17%，40%及43%。

（3）徑流組分特征季節(jié)差異顯著，其中夏季徑流中降水所占比重較大，年徑流變化對降水的變化響應(yīng)顯著，未來氣候變化尤其是降水的波動(dòng)可能會(huì)對該區(qū)域徑流產(chǎn)生顯著影響。