水文和水资源变化及其对于新疆地区气候变化的影响外文翻译资料

 2022-11-22 16:10:33

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水文和水资源变化及其对于新疆地区气候变化的影响

徐长春1,2 ，陈亚宁1 ，杨玉辉1 ， 郝兴明1 ，沈永平3

1. 中国科学院绿洲生态与荒漠环境重点实验室, 中国科学院新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐830011;

2. 新疆大学 资源与环境科学学院绿洲生态重点实验室, 乌鲁木齐830046;

3. 中国科学院寒区与旱区环境与工程研究所, 兰州730000

摘要：基于过去50年从新疆8条代表性流域获得的地表径流，温度和降水数据，使用Mann-Kendall趋势分析及突变检测方法，本文调查了地表径流，年平均气温和年平均降雨的长期趋势及时间序列的突变点。与此同时，本文分析了径流与温度和降水之间的关系及洪水频率与洪峰流量。结果表明，从20世纪80年代中期开始。新疆全域的气温和降水都在增加：北疆最为明显，南疆和东疆次之。河水径流受气温和降水分布影响，在年际和年内都有明显变化。大部分河流的地表径流在90年代初期都有显著增长，有春汛提前，夏汛推迟以及洪峰增长的现象。其变化特征与河流补给类型密切相关。新疆全域的洪水频率和洪峰流量都在增长。气候变暖同样影响着该地区的水文循环。

关键词：水文和水资源；气候变化；新疆

1 简介

水资源是战略生态资源和重要环境资源所依赖的基础自然资源。它不仅影响和制约着现代社会的发展，并且已经成为21世纪资源和环境领域的全球性首要问题。在过去的一个世纪中，世界温度升高，并因此产生了许多环境问题，造成了许多自然灾害，例如冰川融化，冻土解冻，海平面升高，干旱，暴风雨，洪水，热浪和冷害。研究者认为气温升高导致的全球水循环加速与一些环境问题之间有重要的联系。（Menzal and burger，2002）。水文水资源循环和它们对于气候变化的反应现在正在成为国内外的热点话题并受到更多的关注。

新疆，坐落在西北内陆干旱地区，水气主要来源于三个方向，西方，西北方及北方。特殊的地理环境决定了其降水时空分布和地表水资源分布的不均匀。空间上，北部和西部比东部和南部拥有更多的水资源。北疆地区水资源主要分布在伊犁地区，阿特赖地区和塔城地区，分别是170.9亿立方米，129亿立方米，61.6亿立方米。北疆地区的地表径流总量为435.7亿立方米。南疆水资源分布相对平均，水量在阿克苏，和田，喀什和巴州，克州分别为98.6亿立方米，86.2亿立方米，84.4亿立方米，83.2亿立方米和78.3亿立方米，地表水资源总量为446.7亿立方米。一年内径流的时间分布也是极度不平衡，50%-70%在夏季，10%-20%在春季和秋季，在冬季的不到10%。不平均的水资源时空分布和干旱的气候条件决定了绿洲农业活动完全依赖于水资源。土地的扩张应该与水资源的可利用性联系起来。但是，伴随着绿洲急剧增加的人口和土地面积，新疆的总灌溉面积已经从121万hm2增加到420万hm2。灌溉用水的大幅增加不仅占用了生态水的利用，并且使得自然植被因缺水而死亡，例如土地沙漠化，土壤次生盐渍化，河道断流，湖泊萎缩等，严重危害了当地社会经济和生态安全。天山北坡经济带，吐哈盆地和南疆塔里木盆地尤为明显。伴随着全球持续变暖，水循环的加剧也在影响着水供给和当地社会和经济的可持续发展和生态安全的维护。研究气候变化及其对于水文水资源的影响是具有重大意义的。现在的研究是基于全疆8个代表性流域地表径流和相应的温度降水数据分析年内径流变化和年际降水温度的变化以及径流对气候变化的响应。本文旨在找到水文水资源的长期变化趋势和对气候变化响应的区域差异，并为未来新疆水资源合理调配和使用提供科学理论支持。

2 资料和方法

2.1数据

本文使用的数据来自于新疆8条代表性河流的数据，包括近50年地表径流及其相应的温度和降水资料。对比分析北疆 ，南疆和东疆的数据。这里的北疆指天山以北的地区，包括阿勒泰，塔城，伊犁三个地区以及博尔塔拉蒙古自治州，乌鲁木齐和昌吉回族自治州。被选中的代表性河流和观测站是布尔津河群库勒站，特克斯河卡夫奇海站和玛纳斯河肯斯瓦特站，分别代表北疆北部，北疆西部和天山北坡区域。南疆指天山以南的广大区域和塔里木盆地附近区域包括阿克苏，喀什，和田三个地区以及克孜勒苏克尔克孜自治州和巴音郭楞蒙古族自治州。选择的代表性河流及测站分别为开都河大山口站，昆马利克河协拉和站，叶尔羌河卡群站和喀拉喀什河乌鲁瓦提站。东疆指吐鲁番，哈密地区。该地区因为水资源短缺，河流很少，并且缺乏数据资料，所以只有二道沟河被选为代表河流来分析。

图1 新疆河流水系分布图

2.2方法

Mann-Kendall非参数检验被用作本文分析温度，降水和径流突变及其长期趋势的主要方法。

  1. Mann-Kendall突变检验（Wei，2007）

对于具有n个样本的时间序列，构建一个序列，

（1）

其中

（2）

所以sk序列是第i时刻数值大于j时刻数值的累计量。

假设时间序列随机独立，数据定义如下：

（3）

其中UF1=0,E(sk)和Var（sK）是累计数sk的均值和方差，在x1，x2，hellip;，xn相互独立，并且具有相同连续分布时，可以通过下列方程算出：

（4）

（5）

UFi为标准正态分布。它是按时间序列x以x1，x2，hellip;，xn计算出的。给定显著性水平并且检查正态分布表，如果UFigt;Un，那么说明在时间序列x中有明显的变化趋势。

根据时间序列逆序xn，xn-1,hellip;，x1，再重复以上过程，同时让UFk=-UBk（k=n，n-1，hellip;，1），UB1=0。

  1. Mann-Kendall单调趋势检验（Burn,2001）

（6）

其中xk和xi为连续的数据值，n是数据的长度，并且

（7）

对于样本容量大于10的，数据S接近正态分布，例如以下数据值

（8）

是一个标准正态分布。在方程中，数据S的平均值和方差是如下

E(S) = 0 （9）

（10）

其中t是给出的任意结的宽度，sum;表示所有结的总和。

在Mann-Kendall检验中，另外一个非常有用的参数是Kendall斜率，它是单调趋势的大小，公式如下

（11）

其中1lt;jlt;ilt;n。估计值beta;是所有记录对的中位数，从而可以减少极端值的影响。beta;是正值代表上升的趋势，例如值随时间增加，是负值代表下降的趋势，例如值随时间下降。

3.新疆水资源时空变化的特征

3.1径流年际变化

气候变化对于水资源最直接的影响在于径流量的改变和空间分布的改变。从近50年新疆代表性河流的表面水变化过程中可以看到，在北疆，南疆和东疆水资源变化有一些相似之处，但是地区性差异依然存在。

在北疆布尔津河，特克斯河和玛纳斯河的径流变化在近50年经历了3个阶段，即50年代到70年代的丰水阶段，70年代末到80年代末的下降阶段，及90年代中期到21世纪初期的上升阶段，整体呈现上升趋势。Mann-Kendall检验表明在近50年北疆的径流有明显的增长。年代际变化分析表明布尔津河，特克斯河和玛纳斯河70年代和80年代是枯水期。水文状况在90年代及21世纪初持续增长并超过了60年代。与60年代相比，90年代和21世纪初布尔津河径流量增长了3.15亿立方米和10.46亿立方米，特克斯河径流量增长了2.30亿立方米和9.45亿立方米，玛纳斯河增长了1.71亿立方米和3.09亿立方米。

图2 新疆典型河流1957-2006 年径流变化过程及趋势(黑色实线为5 年滑动平均曲线)

南疆河流径流变化有明显的区域差异。分布在东部和天山南坡西部的开都河和昆马力克河，都在径流变化上分为两个阶段。第一阶段，从50年代末到90年代初变化小。两条河的变差系数分别是0.105和0.143，平均年径流分别为32.7亿立方米和45.8亿立方米。第二阶段，从90年代初期开始有一个持续且明显的增长趋势。二者的变差系数分别为0.259和0.178，它们的平均年径流分别为48.2亿立方米和67.4亿立方米，相比第一阶段增幅分别为47.4%和47.2%。这表明在南疆北部的河流受气候影响造成的变化比较平均。对于分布在南疆西部和南部的叶尔羌河和喀拉喀什河，径流变化的长期趋势较为平缓，但是波动比较频繁。它们的变差系数分别为0.177和0.204。径流从90年代至今增长不明显。径流年代际变化分析表明水量在21世纪初期的增幅相较于60年代，70年代，80年代和90年代分别是37.4%，33.5%，35.8%和24.9%。这表明南疆水量从90年代以来有明显的增长。Mann-Kendall检验指出南疆水量的增长要比北疆和东疆都要显著。在东疆二道沟河径流在近50年有一个不太明显的增长。其中比较明显的增长时期是60年代中期到70年代末。在80年代，径流有一定程度的减少但90年代以来没有太大变化。年代际径流变化分析表明水量在21世纪初相较于60年代，70年代分别增长了32.5%，1.92%，相较于80年代和90年代则下降了3.64%和5.36%。

表1 全疆地表径流时间序列的M-K趋势检验

表2 全疆代表性河流径流年代际变化(108 m3)

3.2径流年内分布

内陆干旱河流的年内分配十分不均匀，这与河流的补给形式紧密相关。在北疆，阿泰勒山克兰河是靠冰雪融化和降水联合补给的河流。它由季节性雪融水决定。夏季靠降水补给，冬季靠地下水补给。克兰河的特点是大部分水量集中于5-6月的春汛。最大流量发生于5月末或6月。冬天流量小且稳定。从分类上讲，克兰河属于阿泰勒类型河流。在漫长寒冷的冬天（11月-3月）降水以季节性降雪的形式出现并且在春天开始融化。特别是在5-6月，大量由雪融化产生的水进入河流，使其有明显的春汛特点。在冬季冰封时，河流由冻土以下的地下水补给。从径流年际分布的年代际变化来看，它随着气候变化而改变。在90年代前，河水径流在6月达到最大值；但是，在90年代后，最大值由6月变到5月。流量峰值也呈上升趋势。也就是说，全球变暖已经影响了这一地区的季节性降雪分布，春汛变得更早而且流量峰值也变得更大。

位于天山南坡东部和西部的开都河和昆马力克河分别由降水和积雪冰盖融化补给。它们的年内分布有很大差异。对于开都河而言，流量从三月份开始增加，紧接着四月份有一次小的汛期，并且在7-8月迎来夏汛，其水量是冬季的4-5倍。在10月-11月（a）阿勒泰（b）大山口 （c）协合拉

图3 新疆典型水文台站1956-2006年径流年代际年内变化

水量开始减少。3-11月的水量占了全年水量的80%，其中7-8月的水量占了30.2%。径流量年内分布年代际变化表明，从90年代起开都河的冰雪融化提前，径流变大，峰值出现时间推迟大概半个月，这一现象在21世纪后变得更加明显。相对而言，昆马力克河水量从5月开始增长，在7-8月达到峰值，

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