人類活動影響下塔里木河流域氣象干旱向水文干旱傳播的規律

薛聯青，白青月，劉遠洪

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2.皖江工學院水利工程學院，安徽 馬鞍山 243031)

塔里木河是中國境內最長的內陸河，在地理位置、氣候環境、地形條件以及人類活動等多重因素作用下，干旱已成為塔里木河流域最主要、最常見的一種自然災害，對該地區社會經濟和生活產生了極大的危害[1-2]，因此研究塔里木河干旱傳播規律對于加強干旱管理以及水文干旱預警具有重要意義。干旱可分為氣象干旱、水文干旱、農業干旱和社會經濟干旱4種類型，其中，氣象干旱與降水不足有關[3]，而河流徑流量、湖泊和水庫蓄水量的減少則會導致水文干旱的產生[4]。從一種干旱類型轉化到另一種干旱類型時，水分循環與能量轉化伴隨該過程持續進行，水分缺失信號在不同類型干旱之間的轉移稱為干旱傳播[5]。通常，由于缺乏降水而引起的氣象干旱首先出現，在這種情況下，流域地表徑流和地下徑流缺乏降水的補充，同時，蒸發等水分循環和人類活動、社會生產等過程會對水分進行持續消耗，最終導致地表及地下水位低于正常值，水文干旱由此產生[6]。

目前對于氣象干旱向水文干旱傳播的研究主要集中于水文干旱對氣象干旱的響應時間。吳杰峰等[7]利用對數函數構建了干旱特征響應關系的經驗模型，得到晉江流域氣象干旱向水文干旱傳播的臨界條件為氣象歷時1.45月、烈度0.8。李運剛等[8]基于標準化降水蒸散指數(standard precipitation evapotranspiration index，SPEI)和徑流干旱指數(streamflow drought index，SDI)得出流域水文干旱滯后于氣象干旱1～8月，流域氣象干旱是水文干旱的主要驅動力。氣象干旱向水文干旱的傳播時間往往受到氣候變化和人類活動等諸多因素的影響，目前對于干旱傳播時間的驅動因子研究較少。Zhou等[9]基于時滯相關分析方法探究了水文干旱對氣象干旱的反應延遲時間，結果表明氣候和土地利用變化是影響氣象干旱向水文干旱傳播的主要因素。以上研究初步探討了氣象干旱向水文干旱傳播時間的影響因素，但人類活動對干旱傳播的驅動作用研究較少，在人類活動干擾強烈的地區，揭示干旱傳播的機理具有更加重要的意義。

本文基于標準化降水指數(standardized precipitation index,SPI)和SDI對塔里木河流域氣象、水文干旱的時空演變規律進行分析，探究氣象干旱向水文干旱傳播的規律，進一步揭示人類活動對干旱傳播規律的影響，以期為塔里木河流域干旱管理提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況與數據來源

塔里木河流域(圖1)位于塔里木盆地北部，地處天山、昆侖山和阿爾金山之間，是世界上最大的內陸河流域之一，地理坐標為73°10′E～94°5′E、34°55′N～43°8′N。塔里木河流域地域遼闊，地勢落差較大，作為溫帶干旱大陸性氣候的典型代表區域，降水少，蒸發強，早晚溫差較大，同時植被覆蓋度低，生態環境較為脆弱[10]。隨著社會的發展，人類活動對于塔里木河流域的影響日益顯著。人口的迅速增長以及社會經濟的快速發展使得水資源的需求量不斷增加，城市擴張、農田開墾、灌溉引水、水利工程建設等人類活動持續影響著流域的水文過程。

圖1 塔里木河流域示意圖Fig.1 Sketch map of Tarim River Basin

基于源流區阿克蘇河的沙里桂蘭克水文站、和田河的同古孜洛克水文站和葉爾羌河的卡群水文站3個出山口控制站以及干流控制站阿拉爾水文站共4個主要水文控制站的徑流數據計算徑流SDI，4個水文站1960—2017年的月徑流量資料來源于塔里木河流域管理局，阿克蘇河的阿克蘇氣象站、葉爾羌河的莎車氣象站、和田河的和田氣象站以及干流的阿拉爾氣象站同期的月降水量數據來源于中國氣象科學數據共享服務網，用于計算氣象干旱指數。

1.2 研究方法

1.2.1干旱指數計算

SPI僅以降水量數據為輸入，不需要其他數據，且計算原理簡單，因而廣泛應用于氣象干旱的評價，多個時間尺度的SPI值能夠表征不同時期的干旱情況[11]。SDI的計算原理[12]與SPI相似，SPI與SDI的干旱等級劃分標準[13]如表1所示。

表1 干旱等級劃分標準Table 1 Classification standard of drought grade

1.2.2干旱傳播規律分析方法

基于流量數據的SDI能夠表征流域的水文過程，與SPI比較可以得到降水減少導致的水分虧缺通過水文循環轉移到徑流所需的時間。利用Pearson相關系數對1～24月時間尺度SPI(SPI-n，n=1，2，…，24)與1月時間尺度SDI(SDI-1)的時間序列進行交叉相關計算，比較分析計算得到的相關系數大小，從而得到氣象干旱向水文干旱的傳播時間，具體步驟如下：①計算流域某月SPI-n和SDI-1序列值，得到25個干旱指數序列；②分別計算SPI-n與SDI-1對應序列的Pearson相關系數(由于不同時間尺度干旱指數的序列長度不同，SPI-n的序列長度總是小于或等于SDI-1的序列長度)，得到24個Pearson相關系數；③24個Pearson相關系數中最大的相關系數所對應的SPI時間尺度即為從氣象干旱到水文干旱最可能的傳播時間；④定義某季節的干旱傳播時間為該季節對應3個月份干旱傳播時間的均值，年干旱傳播時間為12個月份干旱傳播時間的均值。

根據塔里木河流域已有研究成果[14-15]，將1993年作為塔里木河流域徑流突變發生的年份，據此將研究時段劃分為人類活動干擾前(1960—1993年)、后(1994—2017年)兩個時段，人類活動干擾前流域自然條件對干旱傳播影響較大，人類活動干擾后的干旱傳播是自然條件和人類活動共同作用的結果。兩個時段干旱傳播的差異可以反映人類活動對干旱傳播的影響。

2 結果與分析

2.1 氣象干旱和水文干旱的時空演變特征

對阿克蘇河、和田河、葉爾羌河和干流的年尺度干旱指數序列進行Mann-Kendall趨勢檢驗，結果見表 2。由表2可見，置信區間均超過95%(|Z|≥1.64)，三源流的SPI和SDI值均呈增大趨勢，干流的SPI值呈顯著增大趨勢，而SDI值呈顯著減小趨勢。

表2 干旱指數Mann-Kendall趨勢檢驗Table 2 Mann-Kendall trend test of drought index

對1960—2017年4個水文站多時間尺度(1～12月)的SPI和SDI值進行計算，結果見圖2。不同時間尺度干旱指數可表征短期及長期的干旱演變特征，時間尺度較短時，干濕交替頻繁，隨著時間尺度增大，SPI和SDI能夠識別到較為連續的干旱和濕潤時段，干旱歷時出現延長的現象。以和田河為例，SPI在1980年和1985年、SDI在1990年和1995年左右識別到了連續的干旱時段，SPI在1988年、SDI在1995年左右識別到了連續的濕潤時段。三源流的SPI變化較為一致，表明1960—2017年源流區氣象干旱的空間異質性較小，但干流在1980—1990年和2010年左右與源流的干旱情況不同，表現出區域差異。SDI反映了4條河流的水文干旱具有明顯的區域差異，與Mann-Kendall趨勢檢驗結果一致，源流區水文干旱呈現減弱趨勢，而干流區呈現增強趨勢，與馮怡等[16]和孫鵬等[17]的研究結果相近，說明SPI和SDI能夠對塔里木河流域干旱情況進行有效識別。通過對多時間尺度SPI和SDI比較發現，氣象干旱和水文干旱雖然密切相關，但并不同步，二者在時間尺度上存在一定的關聯性。

(a) SPI(阿克蘇河)

(b) SDI(阿克蘇河)

(c) SPI(和田河)

(d) SDI(和田河)

(e) SPI(葉爾羌河)

(f) SDI(葉爾羌河)

(g) SPI(干流)

(h) SDI(干流)圖2 不同時間尺度的SPI和SDI變化過程Fig.2 Variation of SPI and SDI at different time scales

塔里木河流域在人類活動干擾前后(即1993年前后)不同干旱指數的干旱頻率如表3所示。塔里木河流域氣象干旱和水文干旱均以輕旱和中旱為主，重旱和特旱的發生頻率較低。源流區在1993年后氣象干旱和水文干旱的發生頻率均降低，僅阿克蘇河流域水文干旱的特旱事件發生頻率出現升高的現象；而干流在1993年后氣象干旱事件的頻率降低，水文干旱事件的頻率升高。

表3 人類活動干擾前后各流域的干旱頻率Table 3 Drought frequency of different regions before and after being affected by human activities

2.2 氣象干旱向水文干旱傳播的規律

塔里木河流域在人類活動干擾前后SPI-n與對應SDI-1的相關關系如圖3和圖4所示(圖中黑點表示各月氣象干旱向水文干旱的傳播時間，各點對應的相關系數已經過置信水平為90%的置信度檢驗)。人類活動干擾前后(圖3)源流區氣象干旱向水文干旱的年傳播時間比干流長1～3月，發源于天山山脈的阿克蘇河流域干旱的年傳播時間為7～8月，發源于昆侖山脈的葉爾羌河與和田河流域干旱的年傳播時間為10～11月。塔里木河流域氣象干旱向水文干旱的傳播具有明顯的季節特征，源流區氣象干旱向水文干旱的傳播時間為夏季最短(1～6月)，其次是秋季(5～13月)，冬季較長(11～16月)，春季最長(12～16月)，干流的干旱傳播規律與之相似，夏、秋、冬、春季傳播時間分別為5月、6月、9月和11月。氣象干旱向水文干旱的傳播與氣候類型密切相關，干旱地區干旱傳播較慢，冬季傳播較夏季慢[18]。塔里木河流域夏季降水多、溫度高，能夠加快徑流對降水的響應時間，而冬季河道凍結，水循環減緩，徑流對降水的響應時間變長，春季氣溫上升后，山區冰川積雪融化形成地表徑流[19]，能夠緩解水文干旱，延長干旱傳播時間。在源流區，阿克蘇河流域夏秋季水文干旱對氣象干旱的響應比其他流域快3～4月，春冬季的干旱傳播時間與其他流域相近。干流氣象干旱向水文干旱的傳播時間除夏季長于源流區1～4月外，其余季節干旱傳播均比源流區短1～6月。

(a) 阿克蘇河

(b) 和田河

(c) 葉爾羌河

(d) 干流圖3 人類活動干擾前SPI-n與SDI-1的相關系數Fig.3 The correlation coefficient between SPI-n and SDI-1 before being affected by human activities

(a) 阿克蘇河

(b) 和田河

(c) 葉爾羌河

(d) 干流圖4 人類活動干擾后SPI-n與SDI-1的相關系數Fig.4 The correlation coefficient between SPI-n and SDI-1 after being affected by human activities

塔里木河流域在人類活動干擾后(圖 4)源流區氣象干旱向水文干旱的年傳播時間(11～14月)變長，干流干旱的年傳播時間縮短。與人類活動干擾前相似，氣象干旱向水文干旱的傳播依然表現出季節性變化：源流區氣象干旱向水文干旱的傳播時間為夏季最短(6～11月)，其次是秋季(10～14月)，冬季較長(12～17月)，春季最長(12～20月)，干流的干旱傳播時間在夏、秋、冬、春季分別為1月、2月、7月和11月。源流區的干旱傳播時間在夏、秋、冬、春季分別延長了6月、4月、2月和4月，其中阿克蘇河流域夏秋季水文干旱對氣象干旱的響應仍然表現出比其他流域快3～4月的特點，春冬季的干旱傳播時間與其他流域相近；干流干旱傳播時間與源流區表現出不同的變化規律，在夏、秋、冬季分別縮短4月、4月和2月，在春季延長4月，其干旱傳播時間在各個季節均短于源流區。

2.3 人類活動對干旱傳播時間的影響

氣象干旱向水文干旱的傳播過程受許多因素的影響[20]，其中氣候變化能夠直接影響干旱的發展，進而影響氣象干旱向水文干旱的傳播[9]。1994—2013年塔里木河源流出山口地表徑流量年均增加18.44億m3，氣候變化對徑流的正影響可達到62.7%[21]，且呈增大趨勢。隨著氣候變暖，源流區山地冰川積雪呈加速消融之勢[19]，對徑流補充作用增強，降低了水文干旱的發生頻率，源流區各個季節和干流春季的氣象干旱向水文干旱的傳播時間整體變長。在三源流中，阿克蘇河流域的降水量最大[21]，阿克蘇河流域降水不足導致的水分短缺狀態更易影響徑流，從而導致水文干旱，因此阿克蘇河流域氣象干旱向水文干旱的傳播時間比其他兩條源流更短。

在西北干旱區氣候整體暖濕化的背景下，干流氣象干旱向水文干旱的傳播時間與源流區表現出不同的變化，這主要是由于土地利用和耗用水等人類活動的影響[22]。研究表明，人類活動是干流阿拉爾水文站流量減小的主要影響因素，多年來人類活動對塔里木河干流徑流量減小的貢獻率一直維持在60%以上，且氣候暖濕化造成的徑流增加量被逐年加劇的人類活動所消耗[23]。源流區出山口至阿拉爾水文站的區間耗用水量以0.98億m3/a的速率呈顯著增加的趨勢，一般認為主要是流域內人類大規模的水土資源開發所致，如耕地面積的擴張[24]。山前平原區隨著開墾活動的增加，耕地面積從1970年的9 055.42 km2增加到2015年的17 125.53 km2，通過河道引水和地下水開采的灌溉引水量持續增加，使得河道的徑流量減小[25]，在發生氣象干旱時，河道無法維持正常蓄水量，水分不足狀態更易影響徑流而發生水文干旱，縮短了氣象干旱到水文干旱的傳播時間，源流區出山口至阿拉爾水文站的農業活動縮短了6～11月的干旱傳播時間，傳播時間為4～6月。同時，城市建設用地面積擴大，使得不透水層面積增加，阻礙了水分下滲等對徑流的補充作用，改變了研究區徑流的水文過程，縮短了干旱的傳播時間。GDP和人口與耗用水量有直接的關系[26]，1990年后，塔里木河流域人口以每年77萬人的速度不斷增加，GDP以年均65億元的速度迅速增長，工業用水量和生活用水量增加，源流區區間耗用水量明顯上升，人類活動對水資源的消耗量增加，干旱的發展加快。

此外，水利工程的建設和運行對流域的水文循環過程也有一定的影響[27]。水庫在雨季攔截洪峰進行蓄水，在旱季泄水用于灌溉等，會改變枯水期降水與徑流的關系。水利工程對徑流的調節作用能夠明顯緩解水文干旱，延長干旱傳播時間。但是，由于人類活動的不確定性，人類活動對干旱傳播的影響和干旱傳播的機理仍有待進一步研究。

3 結 論

a.塔里木河流域源流區氣象、水文干旱均呈減弱趨勢，干流氣象干旱呈減弱趨勢，水文干旱與之相反；時間尺度較短時，干濕交替頻繁，隨時間尺度增大，SPI和SDI能夠識別到較為連續的干旱和濕潤時段，干旱歷時出現延長的現象。

b.塔里木河流域氣象干旱和水文干旱均以輕旱和中旱為主，重旱和特旱的發生頻率較低。源流區在1993年后氣象干旱和水文干旱的發生頻率均降低，干流在1993年后氣象干旱發生頻率降低，水文干旱發生頻率升高。

c.塔里木河流域氣象干旱向水文干旱的傳播具有明顯的季節特征。受人類活動干擾后，源流區氣象干旱向水文干旱的傳播時間夏季最短(6～11月)，其次是秋季(10～14月)，冬季較長(12～17月)，春季最長(12～20月)；干流干旱傳播規律與之相似，夏、秋、冬、春季傳播時間分別為1月、2月、7月和11月。

d.受人類活動干擾后，源流區氣象干旱向水文干旱的傳播時間受氣候變化影響較大，隨著氣溫升高、降水增多，冰川積雪的消融速度變快，氣象干旱向水文干旱的傳播時間在各個季節均變長，在夏、秋、冬、春季分別延長了6月、4月、2月和4月。

e.受人類活動干擾后，干流夏、秋、冬季的氣象干旱向水文干旱的傳播時間縮短，春季變長。干流干旱傳播時間主要受人類活動的影響，同時城市建設面積的擴大和耗用水的增加也會縮短干旱傳播時間。