干旱灾害特征分析_塔河流域干旱预警

时间:2020-01-24  栏目:历史故事  

干旱灾害特征分析_塔河流域干旱预警

3 塔河流域干旱灾害特征及成因

3.1 历史干旱灾害考证

新疆是典型的干旱半干旱地区,“荒漠绿洲,灌溉农业”是其显著特点。受气候和地理环境的影响,生态环境脆弱,各种自然灾害频繁发生,在时空上具有洪旱灾害交替发生的特点。特别是部分地区及小型灌区等易旱区域连年发生持续干旱,严重影响了农牧业生产,给新疆社会经济持续发展造成了严重危害。通过历史干旱资料的分析,了解新疆干旱灾害变化特征及形成的主要原因,为干旱灾害防治及研究提供参考。

3.1.1 历史干旱

通过对《新疆通志(水利志)》、《中国气象灾害大典(新疆卷)》、《新疆50年(1955—2005)》、《新疆维吾尔自治区抗旱规划报告》、《中国历史干旱(1949—2000)》、《新疆灾荒史》、《新疆减灾40年》等大量文献的查阅,以及对新疆防汛抗旱办公室提供的数据资料进行系统地整理、分析,总结出塔河流域历史上发生的干旱灾害记录,见表3.1。

表3.1 塔河流域干旱灾害简表

续表3.1

续表3.1

3.1.2 典型干旱灾害

历史上,新疆曾发生过许多典型的干旱灾害,主要有:

清光绪二年(公元1876年),新疆南路(吐鲁番、托克逊、焉耆、喀什等县)旱蝗为灾,收成歉薄。

民国三十六年(公元1947年)六月,现巴音郭楞自治州和喀什地区干旱。和硕县曲惠村因缺水,八成的小麦枯死。铁里木华“满目疮痍,豁免半数额粮”。

1974年新疆大旱,巴音郭楞自治州兵团农二师30团(库尔勒市郊)受灾面积为8 300亩。和硕县受灾农田面积达17.6万亩,包括小麦5 920亩、水稻1 692亩、油菜2 990亩。阿克苏地区乌什县托什干河河水径流量仅有历年同期的20%。5万亩小麦受不同程度的旱灾;水稻推迟播种,少种1~5万亩;牲畜缺少粮草,加上疫病流行,死亡大畜和幼羔4万余头。

1998年,南疆的和田、喀什、克州、阿克苏一带春季旱情严重。昆仑山以北地区河道来水明显减少,同比减少量最多达77%,该区域春季有14个县市发生旱情,作物受旱面积190万亩(126.7千hm2),其中轻旱111万亩(74千hm2),重旱71.85万亩(47.9千hm2),干枯7.15万亩(4.77千hm2)。草场受旱0.81万km2,有17.9万人、3.7万头(只)牲畜饮水困难。受旱地区中,喀什地区旱情尤为严重。全地区大部分县市均发生旱情,其中有8个县市的大部分乡镇受旱严重,受旱面积达135万亩(90千hm2)。

2009年南疆地区气候异常,平原区气温偏高0.2~1℃,而高空气温远低于历年同期值,零度层高度最高5 003m,未出现长时间有利于积雪融化的高温天气过程。叶尔羌河、盖孜河、提孜那甫河、库山河四条河流5~7月来水量比历年同期减少44.1%,是有水文记载以来同期来水量最少的年份。塔河三源流(阿克苏河、叶尔羌河、和田河)五月份径流量仅为8.91亿m3,比历年同期减少2.15亿m3,为特枯月份。受源流来水减少及上游源流区抗旱灌溉引水的影响,塔河干流控制断面阿拉尔6月上旬来水只有0.06亿m3,比历年同期少89%,6月中旬少92%。受此影响,塔河近年来发生的断流点向上游发展,断流河长较往年有所延长,断流河长达1 100km,对下游农业生产和生态用水造成严重影响。喀什地区受旱410万亩,阿克苏地区133万亩,和田地区56万亩,塔城地区18.6万亩。全区严重干旱草场面积达0.895亿亩,16.5万农牧民和37.8万头(只)牲畜受到严重干旱影响。

3.2 干旱灾害特征分析

3.2.1 干旱灾害特点

(1)区域性强

根据1981—1991年10年中塔河地区发生大面积持续性严重干旱的1983年、1986年、1989年和1991年的旱情分析,干旱的主要区域特征是:“影响范围广,牧区重于农区”。如1989年农业区15个县(市)发生干旱。1990年塔河有17个县(市)发生干旱。

(2)春旱严重

塔河流域农牧区3~5月的春旱比较严重,特别是5月“卡脖子”旱是全年四季干旱中最主要的干旱灾害。

(3)干旱发生频繁

干旱是塔河流域的主要常发性自然灾害,干旱年年有,频次高是其主要特点。新中国成立60年来塔河流域各地、州、市共发生干旱灾害122年次。其中:巴音郭楞蒙古自治州11年次,和田10年次,喀什8年次,阿克苏10年次,克孜勒苏柯尔克孜自治州4年次。塔河中部及昆仑山北坡灌区是发生干旱灾害频次较高(大于25%)的地区。

(4)干旱持续时间长

持续性干旱是塔河流域干旱的一个显著特点。如季节性局地农业干旱,在一次干旱灾害过程中可以连续30~90天不降水,每年3~5月会发生持续性干旱;对发生冬春连旱的年份受旱地区的严重持续性干旱可达7~10个月,塔河西部地区的牧区天然草场及人工打草场,受大尺度灾害性干旱气候影响,可发生持续3天以上的大面积干旱。

3.2.2 干旱灾害时间演变特征

1)干旱灾害历史演变规律及特征

(1)数据来源及处理

资料主要采用文献查阅方法,根据《新疆通志(水利志)》、《中国气象灾害大典(新疆卷)》、《新疆50年(1955—2005)》、《新疆维吾尔自治区抗旱规划报告》、《中国历史干旱(1949—2000)》,以及新疆防汛抗旱办公室提供的数据资料进行系统整理。数据按新疆塔河流域行政区划县市为单位录入,建立数据库,并用Excel进行处理分析。

为方便定量研究干旱灾害发生的规律和强度,根据文献中记载的灾害持续时间、影响范围、灾害强度等将塔河流域干旱灾害划分为4个等级序列,见表3.2。

1级为轻度旱灾。历史文献中只记载了塔河流域局部地区或个别县(区)发生旱灾或少雨或不降雨,但未记载对人们生产、生活产生较大影响,农田受灾面积小于10万亩或者受灾草场面积小于100万亩的旱灾。

2级为中度旱灾。文献中记载有较大范围或较长时间或对人们生产、生活产生较大影响的,农田受灾面积10万~100万之间或者草场受灾面积100万亩以上的旱灾。

3级为重大旱灾。历史文献中记载有较大的区域大旱,粮食严重歉收,农田受灾面积超过100万亩或者草场受灾面积超过1 000万亩的旱灾。

4级为特大旱灾。为持续一年或数年,大区域范围的跨季度、跨年度的严重干旱,农田受灾面积超过300万亩或者草场受灾面积超过1亿亩的大旱灾。

干旱是塔河流域的主要经常性自然灾害,以县为单位统计,可以说干旱年年有。对塔河流域历史干旱资料进行统计分析,如表3.2所示,1949—2010年61年间,塔河流域有记载的干旱灾害共59次,平均每1.04年发生1次。在发生干旱灾害的59次中,特大旱灾、重大旱灾、中度旱灾、轻度旱灾分别为10次、25次、11次和13次,其分别占干旱灾害发生年总数的16.96%、42.37%、18.64%和22.04%,3级以上大旱灾共发生35次,平均每1.75年发生1次,占干旱灾害发生年总数的59.33%。从灾害等级的年代间变化看,以年份为横坐标,旱灾等级为纵坐标,绘出塔河流域旱灾等级逐年变化过程图(见图3.1),在1949—1980年间轻度、中度旱灾发生比较多,重大旱灾与特大旱灾发生较少;在1980—2010年间轻度、中度旱灾发生频次越来越少,重大旱灾与特大旱灾发生频次越来越高,尤其80年代后特大旱灾发生次数显著增多。从以上分析可看出,塔河流域内干旱灾害较为频繁,而且整体上呈增加的趋势,旱情呈发生严重的趋势。

表3.2 塔河流域不同等级历史干旱发生统计表

图3.1 塔河流域1949—2010年不同等级旱灾变化情况

根据1990—2010年以来,塔河流域受灾面积和成灾面积统计资料分析(见表3.3),21年间全流域受旱面积9 247.5万亩(6 165千hm2),超过450万亩(300千hm2)的有10年,2000年以后有9年,分别占58.06%和51.63%;成灾面积超过225万亩(150千hm2)的重旱年有11年,2000年以后有10年,分别占67.88%和62.51%;成灾面积超过300万亩(200千hm2)的大旱年有3年,按成灾面积大小,依次为:2009年、2010年和2002年,占24.50%。21年来塔河流域的发展具有面积增大、频率加快、灾情加重的趋势。每5年时间段平均受旱面积依次为397.11万亩、332.88万亩、484.98万亩、528.78万亩(264.74千hm2、221.92千hm2、323.32千hm2、352.52千hm2);平均成灾面积分别为182.55万亩、157.77万亩、267.09万亩、346.16万亩(121.70千hm2、105.18千hm2、178.06千hm2、230.77千hm2);平均粮食减产量分别为45.61万t、37.79万t、72.48万t、65.60 万t。1990—2007年全流域平均受旱率为23.1%,平均成灾率为11.6%。流域降水和径流的周期波动,引起干旱发生阶段性变化。在1990—2007年的18年中,受旱率超过20%的有14年,最高的1993年达37.5%,成灾率最高的也是1993年为17.3%。受旱率超过25%,同时成灾率超过15%的有3年,分别是1993年、2001年和2002年,平均6年一遇。

表3.3 1990—2010年塔河流域灾情统计表

1980—2010年成灾面积和每5年的成灾面积均值见图3.2、图3.3,从图可见,干旱逐年之间的变化较大,31年来干旱灾情有上升趋势:20世纪80年代前5年成灾面积最小,90年代比80年代有了明显的增加,90年代的后5年增减幅度不大,基本上保持平稳,2000—2004和2005—2010年这两个时间段平均成灾面积分别为267.15万亩(178.1千hm2)和153.87万亩(230.8千hm2),是最高值。由此可以看出,干旱造成的危害有逐步加剧的趋势。

图3.2 1980—2010年塔河流域历年干旱成灾面积

图3.3 塔河流域1980—2010年不同时间段平均成灾面积

2)干旱季节变化规律

塔河流域季节性干旱是相对于在农业灌溉期河道来水不足以满足农业灌溉需求的缺水或相对河道来水而言农业灌溉期需水量大的枯水期。塔河流域大多数河流河道来水最小月发生在2月或1月,春季来水(3~5月)约占全年来水量的10%~25%,秋季来水(9~11月)约占全年来水量的10%~20%,相对于灌溉期(3~11月)而言,干旱季节大多发生在3~5月和9~11月,但对于河道来水四季较为平稳且夏季农作物正值需水高峰期而河道来水相对不足的地区,夏季也是干旱季节。因此全流域在整个农业灌溉阶段均有可能发生干旱。

(1)径流补给来源分类

①高山冰雪融水和雨水混合地区

以高山冰雪融水和雨水混合来补给河流的地区如开都河流域,春季冰雪融水量相对较少,但降雨量相对较多,夏季高山冰雪融水量增大且降雨量大,春末夏初季节正值农作物需水较高时期,春转夏季河道来水量相对于灌溉需水量不足,春夏两季短期之间出现俗称“卡脖子旱”的情况比较明显。

②高山冰雪融水地区

主要以高山冰雪融水补给河流的地区包括帕米尔、喀喇昆仑山山区河流和分布于昆仑山、阿尔金山山区的河流。此类河流主要分布在南疆地区,此类河流的特点是洪水过分集中于夏季的7月或8月份,而且峰高量大,因此农作物在春季苗期和初夏生长期河道来水量明显不足,春旱发生的频次最高。以高山冰雪融水补给河流的地区春旱严重,而冬季蒸发量较低可缓解土壤春季墒情,因此普遍提前在秋季和初冬季进行播前灌,由此造成秋水不足,秋旱时有发生。

③降水地区以降水补给为主的河流包括天山东部和中、西部河源不在冰川分布区的河流,径流汇集区分布在高程较低的低山丘陵且以中小河流为主。此类河流的特点是春、夏河道来水随天气降雨过程变化而变化,规律性差,作物灌溉期受降雨与土壤墒情和一次降雨的强度、持续时间的影响较大,年际之间同样的河道年来水量,因降水时间的不同而干旱情况不同,因此在3~8月作物灌溉期受旱的次数较多,但连旱的情况不多。

④山区泉水补给地区

以泉水形式补给的河流其径流补给源也是以冰雪水和降雨混合型,但由于河道特殊的地质构造,山区形成的径流却以地下水的形式,并经地下水贮水构造调蓄作用滞后一段时间补给河道。因此,以泉水形式补给为主的河流其年内变化相对比较平稳,春秋冬三个季节河道来水量变化不大,只有在夏季因暴雨形成的洪水量较大。夏季是农作物需水的高峰期,因此属此类河流的博尔塔拉河、布谷孜河、柯坪河及其他山区泉水补给为主的小河流夏旱出现的频次较高,春夏连旱也比较常见。

塔河流域大多数地区均有春旱发生,农作物生长需水高峰期的夏旱也较多,只有南疆的阿克苏地区有秋旱现象。以河道来水的补给源出现的季节变化规律分析,塔河流域普遍发生春旱的规律性比较明显,季节性积雪融水地区的额敏河流域、山区泉水补给地区的博乐市是真正意义上因水源不足造成的夏旱;阿勒泰山南麓地区并非来水量相对农业灌溉需水量不足,而是因为缺乏灌溉水利工程造成的夏旱;其他部分地区如乌苏市的夏旱并非缺乏灌溉水利工程而是因为农业灌溉面积规模发展过大。

⑤农业灌溉期旱情划分

分别将3~5月、6~8月和9~11月发生的干旱定义为春旱、夏旱和秋旱。根据1990—2007年统计的各县农业干旱季节发生时间,计算统计不同类型干旱(包括单季旱和连季旱)的发生频次,选择干旱发生频次最高的季节作为该县的易旱季节。对出现两个不相连的季节的频次相同且为最高时,选择作物需水量大或缺水对作物影响程度大的季节作为该县的易旱季节。

(2)易旱季节分析

塔河流域46个县市1990—2007年的18年间,每年的旱情发生时间不全一致。首先根据干旱易发季节划分标准,将各个县市每年农业旱情发生时间划分为相应的干旱易发季节,然后按照旱型、发生次数、发生频率、连季旱发生次数、连季旱发生频率对18年数据进行统计。根据易旱季节统计结果,塔河流域易发生春旱的县市共有19个,易发生春夏连旱的县市共有23个,易发生夏旱的县市共有7个。因此,塔河流域大多数地区均有春旱发生,春季也是塔河流域最普遍的干旱季节,农作物生长需水高峰期的夏旱也较多。以河道来水的补给源出现的季节变化规律分析,塔河流域普遍发生春旱的规律性比较明显。不同径流补给特性分区县级单元干旱季节统计见表3.4,易旱季节分布见图3.4。

表3.4 不同径流补给特性分区县级单元干旱季节统计表

表3.4

根据县级单元干旱季节统计表3.4绘制的易旱季节分布见图3.4。易旱季节分布图是根据塔河县城行政区划中的绿洲范围绘制。由图3.4可以看出,南疆地区的东、西部易发生春夏旱,中部易发生春旱。

图3.4 塔河流域易旱季节分布图

3.2.3 干旱灾害空间分布特征

根据塔河流域历史干旱灾害资料统计,对流域内各县市发生较大干旱灾害的频次进行分析,各县(市)干旱灾害发生频次见图3.5,空间分布见图3.6。从图中可见,发生干旱频次较高的县(市)多在流域内的巴州地区,其中库尔勒市最高9次,其次为和硕县8次;发生5~6次的县(市)有巴州地区的轮台县、若羌县,阿克苏地区的库车县,喀什地区的岳普湖县与和田地区的民丰县。从流域内各县(市)发生干旱频次分布分析,可以看出发生干旱频次较高的县市多为小河灌区或位于塔河流域四大源流区的下游地区,说明小河流域由于水资源易受气候环境的影响,河川径流不稳定,灌区灌溉保证率不高,易受干旱灾害的影响;其次位于塔河流域主要干流下游地区的县(市),干旱年份由于上游地区用水量增大,下游地区来水量受到影响,造成下游地区易受干旱影响。

图3.5 塔河流域各县(市)干旱灾害发生频次

图3.6 塔河流域各县(市)干旱灾害发生频次空间分布

根据不同地区的播种面积、受灾面积与成灾面积统计,计算出不同地区的受旱率与成灾率进行分析,结果表明:和田地区平均受旱率、成灾率均高于其他地区,阿克苏地区、巴州次之,喀什地区、克州相对较低。干旱的成灾面积与受旱面积之比(即成灾率与受旱率之比),巴州最高,一般在0.9以上,和田、克州、阿克苏次之,一般在0.8以下,喀什为最低。流域各地区这种差异,除降水、水资源等自然条件外,是由不同灌溉设施所具有的不同抗旱能力造成的。

图3.7 塔河流域各县(市)干旱灾害发生频次平均分布

3.3 枯水径流演变特征分析

3.3.1 枯水径流演变特征

1)数据及分析方法

分析数据为塔河流域8个主要水文站1962—2008年最小连续7日平均流量(定义为枯水流量)。主要采用非参数Mann-Kendall(以下简称M-K法)趋势突变检验法、线性趋势以及双累积曲线等分析方法。国内外许多文献研究了时间序列的自相关性对M-K检验结果的影响。Storch and Navarra建议在进行M-K检验之前对时间序列进行“预白化”(Prewhiten)处理。所有序列在进行M-K分析之前均需要预白化处理。Sen’s斜率能确定序列趋势变化的程度,Sen’s斜率是一种非参数的计算趋势斜率方法,该方法计算出的线性趋势的斜率不受序列奇异值的影响,能很好地反应序列的变化程度。

M-K法是用来评估水文气候要素时间序列趋势的检验方法,以适用范围广、人为因素少、定量化程度高而著称,其检验统计量公式为:

式中:sign( )为符号函数,当Xi-Xj小于、等于或者大于零时,sign(Xi-Xj)分别为-1、0和1;M-K统计量S大于、等于或小于零时分别为:

Z为正值表示增加趋势,为负值表示减少趋势。Z的绝对值在大于等于1.28、1.96、2.32时分别通过信度90%、95%、99%显著检验。

当采用M-K法来检测径流变化时,其统计量为:设有一时间序列:x1,x2,x3,…,xn,构造一秩序列mi,mi表示xi>xj(1≤j≤i)的样本累积数。定义dk如下:

在时间序列随机独立假定下,定义统计量:

这里UFk为标准正态分布,给定显著性水平a0,由正态分布表可得临界值t0,当UFk>t0时,表明序列存在一个显著的增长或减少趋势,所有UFk将组成一条曲线C1,通过信度检验可知其是否具有趋势。将时间序列x按逆序排列,此方法引用到逆序排列中,再重复上述的计算过程,并使计算值乘以-1,得出UBk,UBk表示为C2,当曲线C1超过信度线,即表示存在明显的变化趋势,若C1和C2的交点位于信度线之间,则此点可能是突变点的开始。

国内外的许多文献研究了时间序列的相关性对M-K检验结果的影响。在对五个水文站的水沙资料进行M-K检验之前,首先检验水沙资料的相关性,计算公式为:

X——检验序列的均值;

Xt+m——滞后m的检验时间序列;-1<ρm<1。若m=0,则ρm=1,对于独立的随机变量,若m≠0,ρm≈0。

检验序列是否为独立的置信区间的计算公式为:

式中:U、L——序列最大值、最小值;

α——置信度,通常采用5%的置信度;

Z——在α置信水平下的正态分布的临界值;

n——被检验的时间序列的长度。

若ρm值落在95%的置信区间内,则说明序列相关性不显著,M-K对序列的检验影响不明显。

序列在进行M-K分析之前均需要预白化处理。“预白化”的方法是:设有时间序列:y1,y2,…,yn,n为样本量,首先计算滞后1的序列自相关系数c,若c<0.1,则此时间序列可以直接应用于M-K分析;若c>0.1,则序列须经“预白化”处理得到新的时间序列,即:y2-cy1,y3-cy2,…,yn-cyn-1,然后将M-K用于处理以后的时间序列趋势分析。8个水文站的极值流量滞后1的自相关系数均大于0.1。

2)分析与结果

(1)同古孜洛克和阿拉尔

用上述方法对同古孜洛克和阿拉尔枯水径流量进行分析计算,见图3.8。由图3.8(a)可见,1965—1975年枯水径流量呈下降趋势,Sen′s斜率表明枯水径流量年均减少1 4721.6m3;1976—2008年枯水径流量呈增加趋势,枯水径流量的增加和减小均超过95%置信度检验,但增加和减小不显著,枯水径流量年均增加11 393.0m3,枯水径流量在1996年发生变异。阿拉尔站在1962—1976年枯水径流量呈减小趋势,年均减小量达40 378.8m3;1976—2008年枯水径流量呈增加趋势,其中1997—2008年增加显著(超过95%的置信度检验),1976—2008年枯水径流量年均增加29 190.9m3,阿拉尔站的枯水径流量在1998年发生变异,如图3.8(c)。从图3.8(b)、(d)中可以看出两站点变异后枯水径流量增长率大于变异前。同古孜洛克枯水径流量出现时间主要集中在1~88天和327~365天(即12月至次年的3月份),阿拉尔枯水流量分布在105~177天、331~365天。因为气温低,冰川积雪不能融化,主要靠冰川积雪融水补给的塔河流域来水达到最低,阿拉尔站80年代初至90年代的最小枯水流量出现时间在150天左右(即5月底),此季节正是农作物生长关键时期,其对农业生产的影响显著。据资料统计,该时期塔河流域发生干旱的次数明显高于其他时期,例如1983年、1989年、1991年等干旱年份。

图3.8 同古孜洛克和阿拉尔连续最小7日平均流量M-K检验的统计值(a)、(c)和趋势、出现天数图(b)、(d)

(2)玉孜门勒克和卡群

用同样方法对玉孜门勒克和卡群枯水径流量进行分析计算,见图3.9。玉孜门勒克枯水径流量在1962—1980年呈下降趋势(下降趋势不显著),年均减小枯水径流量1 135.5m3;枯水径流量在1981—2008年呈增加趋势(2005年以后超过95%的置信度检验,增加显著),年均增加枯水径流量达5 019.2m3,枯水径流量在1995年发生变异,见图3.9(a)。从图3.9(c)知:卡群站枯水径流量在1962—1999年径流量呈增加趋势,其中1991—1999年径流量增加显著(超过95%的置信度检验)。该时段年均增加流量25 426.3m3;2000—2008年枯水径流量呈减小趋势,枯水年均减少103 063m3,枯水流量在1971年发生突变。从图3.9(b)、(d)知,两站点变异后的枯水径流量增加的趋势明显大于变异前的,玉孜门勒克站枯水径流量出现时间主要分布在1~112天和325~364天;卡群站枯水径流量出现时间分布在1~128天,枯水径流量出现的时间逐渐集中到100天左右,特别是从80年代中期以后,枯水发生时间有滞后的趋势。

图3.9 玉孜门勒克和卡群连续最小7日平均流量M-K检验的统计值(a)、(c)和趋势及出现天数图(b)、(d)

(3)沙里桂兰克和协合拉

由图3.10(a)、(c)知:沙里桂兰克站的枯水径流量在1962—1971年和1987—2007年呈增加趋势,1971—1987年的枯水径流量呈减小趋势,增加和减小的趋势并不显著。枯水径流量在2000年左右发生变异,年均增加3 154.3m3和5 142.9m3;协合拉站枯水径流量在1962—1967年和1977—2007年呈增加趋势,1967—1977年枯水径流量呈减小趋势,变化趋势不显著。枯水径流量在1992年发生变异,变异前后枯水径流量年均分别增加5 245.7m3和27 771.4m3。两站变异前和变异后枯水径流量均呈增加趋势,变异后枯水径流量增加趋势大于变异前。由图3.10(b)、(d)知:沙里桂兰克枯水径流量的出现时间大部分分布在30~40天之间,流量最低值出现时间与农业需水高峰并不一致;协合拉站枯水出现时间主要分布在1~126天和354~366天,从1980年开始逐渐趋向60~70天左右,比沙里桂兰克站滞后一个月左右。

图3.10 沙里桂兰克和协合拉连续最小7日平均流量M-K的统计值(a)、(c)和趋势及出现天数图(b)、(d)

(4)黄水沟和大山口

由图3.11(a)、(c)知:黄水沟在1966—1988年枯水径流量呈减小趋势,年均减小枯水径流量达2 581.3m3;1962—1966年和1988—2008年呈增加趋势,其中1988—2008年枯水径流量年均增加5 019.2m3,枯水径流量在1995年左右发生变异;大山口站的枯水径流量变化在1976—1983年和1995—2008年呈增加趋势,1972—1976年和1983—1987年呈减小趋势。枯水径流量在1997年发生变异,变异前的枯水径流量年均减小3 506.0m3,变异后的枯水径流量年均增加4 937.1m3。从图3.11(b)、(d)中可以看到枯水趋势变化在90年代增加明显,枯水径流量出现时间主要分布在1~144天和331~365天,大山口枯水径流量的出现时间在各时间段分布均匀,主要分布于50天左右。根据统计资料分析,开—孔河流域巴音郭楞蒙古自治州旱灾发生的年份最多,而且从1979—1987年都有干旱发生,与图3.11(b)的枯水径流量出现时间吻合。

图3.11 黄水沟和大山口连续最小7日平均流量M-K的统计值(a)、(c)和趋势及出现天数图(b)、(d)

塔河流域的气候有转向暖湿的强劲信号,塔河流域气温在1987年有跳跃性的升高,温度增高趋势显著,加速了山区冰雪资源的消融,加大了冰雪融水对径流量的补给。枯水径流量的趋势变化主要受气候因素的影响,气候变化引起了各站的枯水径流量在70年代中期到2000年呈增加趋势,卡群站的1991—2000年和阿拉尔站1997—2008年的枯水径流量增加非常显著。与此同时,气候的变化引起各站枯水径流量在1987年以后发生变异(卡群站除外),变异后的枯水径流量增加趋势明显大于变异前,这也与新疆在1987年左右由暖干向暖湿转型的趋势相吻合。阿克苏河流域变异后枯水径流量增加大于其他流域,大山口站和黄水沟站在变异前的枯水径流量呈减小趋势,大山口和黄水沟是河流的出山口,其上游的人类活动对枯水径流量的影响可以不计,开都河流域降雨量没有明显趋势变化,但是最高气温呈升高趋势,平均气温在80年代达到最低,随后气温呈升高趋势。冬夏以冰雪融水和地下水补给为主的开都河的径流量在80年代最低,因此变异前枯水径流量呈减小趋势。其余各站变异前后枯水径流量呈增加趋势,但和田河、叶尔羌河、阿克苏河的协合拉以及开都河的最小枯水径流量发生的时间从80年代以后开始趋向3 ~6月份,而塔河流域地区3~6月份是最缺水的时期,也是农作物生长需水量最大的时期。据调查统计,塔河流域主要以春旱为主,春灌用水量占到整个农作物灌溉用水量的40%,而且3~6月份是水资源年内所占比例很低的月份,水资源供需矛盾突出,枯水径流量时间的推迟会造成干旱的发生,本文特别关注在春季枯水出现时间。从图3.12中我们可以看出,80年代以来,特别是2000年以后的旱灾成灾面积都远远大于前期,年均增加0.23万hm3/年。

图3.12 1990—2007年塔河流域旱灾损失

阿拉尔站和卡群站的枯水径流量增加显著,最小枯水径流量出现的时间与其他几个站点不同,主要集中在105~177天,时间更加推迟。由图3.8和表3.5、表3.6可知,阿拉尔上游地区分布着大面积的灌区、水库以及引水拦河枢纽,这些引水工程的建成,拦截了上游的来水量,加剧了春季阿拉尔地区的缺水状况。叶尔羌河流域的水库数量和水库有效灌溉面积是各个支流中最大的,阿克苏河水库数量小于和田河流域,但是水库库容和有效灌溉面积大于和田河流域;渠首现状供水能力与设计供水能力的比值能很好地反映工程的使用效率,叶尔羌河与和田河的使用率最低,其中叶尔羌河的渠首有效灌溉面积远小于设计灌溉面积,各流域中和田河与开—孔河的渠道防渗率最高,其他流域的灌区渠首工程老化,水量损失严重,灌区的水资源利用率很低。

表3.5 塔河流域“四源一干”水库工程统计表

续表3.5

注:本数据来自于调查统计结果,“-”为缺测资料。

表3.6 控制站流域渠首工程基本情况统计

注:a大部分为临时性引水口。

各站的枯水径流量在70年代中期到2000年呈增加趋势,但是最小枯水径流量出现的时间变化却不相同,这主要是因为塔河上游地区的灌溉面积和人口由1950年的34.8万hm2和156万人增加到2000年的125.7万hm2和395万人,耕地增加将近4倍。在以水资源开发利用为核心的人类社会经济活动影响下,用水量翻了一番。例如卡群站上游地区建有叶尔羌河排水枢纽,枯水季节拦截河流用以灌溉,现状供水能力达不到设计供水能力,渠道的防渗率较低也在一定程度上影响抗旱的效果。今后塔河流域日益增加的人类社会经济活动势必加剧春季水资源供需矛盾。

3)结论

(1)塔河流域支流的径流量主要集中在6~8月份,三个月的径流量占到全年径流总量的70%左右,2000—2008年径流量是各年代的最大值;塔河干流径流量的变化大于源流,径流量主要集中在7~9月份,在80年代达到最大。

(2)卡群站枯水径流量在1999年前呈增加趋势,2000年开始呈减小趋势,并在1971年发生变异;其余各站枯水径流量从1962年到70年代中期或80年代呈减小趋势,以后转为增加趋势,枯季径流变异点出现在1987年以后。变异后对应的枯水径流量均大于变异前,其中大山口和黄水沟变异前枯水径流量减少原因主要是由气温变化所引起。

(3)枯季径流出现的时间与干旱发生的年份较吻合,能很好地反映流域的干旱情况。80年代以后枯水径流量的增加并没有改变,并且各水文站最小枯水流量出现的时间趋向3~6月,特别是阿拉尔站、卡群站集中度更高。灌区的扩大,水库和引水拦河枢纽的建设是造成枯水径流量推迟的原因之一。水库库容、现状供水率和渠道防渗率的提高有利于缓解旱情,而人口的增加和耕地面积的扩大将进一步加剧春季水资源的供需矛盾。

3.3.2 枯水流量频率分析

1)数据及方法

选用11种概率分布函数和单参数的二维阿基米得族Copula函数,系统分析了塔河流域8个水文站最小连续7日平均流量(下文通称枯水流量)。概率分布函数的参数以及拟合优度分别由线性矩与Kolmogorov-Smirnov方法(K-S法)检验,选出最适合该区枯水流量的分布函数,同时,对引起该流域枯水流量变化的原因及其影响作了有益地探讨。本节分析的数据为塔河流域8个主要水文站(同前)1962—2008年最小连续7日平均流量,其中沙里桂兰克和协合拉枯水流量起讫时间是1962—2007年,大山口枯水流量起讫时间是1972—2008年。

K-S检验与参数估计。本文选用韦克比分布、威布尔分布、伽玛分布、对数正态分布、对数逻辑分布、广义帕累托分布、广义极值分布、极值分布、B分布、耿贝尔(极大值)分布、耿贝尔(极小值)分布等11种分布,各分布函数表达式及参数意义见表3.7。用上述分布分别拟合8个水文站的极值流量序列,并用K-S D值检验分布拟合优度。利用拟合最好的概率分布函数分析8个水文站水文极值重现期及其对应的流量。由Ana Justel提出的,检验总体的分布函数是否服从某一函数Fn(x)的假设条件为H0:F(x)=Fn(x),H1:F(x)≠Fn(x)。若原假设成立,那么F(x)和Fn(x)的差距就较小。当n足够大时,对于所有的x值,F(x)和Fn(x)之差很小这一事件发生的概率为1,计算公式为:式中:F(x)与Fn(x)分别为理论与经验分布函数。若Dn<Dn,α(显著水平为α,容量为n的K-S检验临界值),则认为理论分布与样本序列的经验分布拟合较好,无显著差异。11种分布函数的参数统一用线性矩来估计。线性矩是目前水文极值频率分析中概率分布函数参数估计最为稳健的方法之一,其最大特点是对水文极值序列中的极大值和极小值反映不是特别敏感。

表3.7 分布函数表达式及参数意义

(1)Copula函数的定义

Copula函数是在[0,1]区间内均匀分布的联合分布函数,Sklar’s定理给出了Copula函数和两变量联合分布的关系。设X,Y为连续的随机变量,其边缘分布函数分别为FX和FY,F(x,y)为变量X和Y的联合分布函数,那么存在唯一的Copula函数C,使得:

式中:Cθ(FX(x),FY(y))为Copula函数;θ为待定参数。

从Sklar’s定理可以看出,Copula函数能独立于随机变量的边缘分布,反映随机变量的相关性结构,从而可将二元联合分布分为两个独立的部分,即变量间的相关性结构和变量的边缘分布来分别进行处理,其中变量间的相关性结构用Copula函数来描述。Copula函数的优点在于不必要求具有相同的边缘分布,任意形式的边缘分布经过Copula函数连接都可构造成联合分布,由于变量的所有信息都包含在边缘分布里,因此在转换过程中不会产生信息失真。本次采用在水文上常用的Kendall秩相关系数τ度量X、Y相应的连接函数Copula变量的相关性,Kendall相关系数τ与Copula函数C(x,y)存在以下关系:

(2)Copula函数的选择及参数估计

分布线型选择和参数估计是水文频率计算中的两个基本问题。联合分布FX,Y的参数估计分为两步:第一步,边缘分布FX和FY的参数估计;第二步,Copula函数Cθ(u,v)的参数θ的估计。边缘分布FX和FY的参数估计通常采用线性矩法,Copula函数的参数估计采用相关性指标法。

Copula函数总体上可以分为椭圆型、阿基米得型和二次型3类,其中生成元为1个参数的阿基米得型Copula函数的应用最为广泛,本次仅列出了在水文及相关领域文献里经常出现的3种阿基米得型Copula,并且利用变量间的Kendall秩相关系数τ与Copula函数参数θ存在确定的解析关系,计算出单参数的二维阿基米得型Copula函数的参数θ,见表3.8。

表3.8 二维阿基米得型Copula函数的3种形式

根据Genest和Rivest提出的一种选择Copula函数的方法,分别计算理论估计值Kc(t)和经验估计值Ke(t)(或称参数估计值和非参数估计值),然后点绘Kc(t)-Ke(t)关系图,若图上的点都落在45°对角线上,那么表明Kc(t)和Ke(t)完全相等,即Copula函数拟合得很好。因此,Kc(t)-Ke(t)关系图可以用来评价和选择Copula。

在水文事件中对于两变量的Copula联合分布,对于枯水主要关注水文变量X 或Y不超过某一特定值,即联合重现期T0;水文事件中X和Y都不超过某一特定值,即同现重现期Ta。上述重现期可以通过以下公式计算:

根据各自边缘分布,变量X和Y分别取T年一遇设计值时,根据两变量联合分布的T0和Ta的定义,该组合(xT,yT)的联合重现期T0对应的事件为xT或yT中有一个被超过,同现重现期Ta对应的事件为xT和yT均被超过。由此可见,联合重现期T0小于或等于边缘重现期,同现重现期Ta大于或等于边缘重现期,即:

2)单频率分布函数结果分析

(1)概率分布函数选择

运用线性矩法估计11个分布函数的参数,并用K-S法进行拟合优度检验,结果见表3.9;表3.10列出了运用线性矩法估计的塔河流域8个水文站极值流量的韦克比分布参数。表明11种分布函数中除卡群站耿贝尔极大值分布未通过K-S检验外,其余分布均通过K-S检验。韦克比分布在玉孜门勒克、沙里桂兰克、协合拉和黄水沟水文站拟合最好,在阿拉尔和大山口拟合次之,因此本次选用韦克比分布作为区域研究的概率分布函数。主要原因是韦克比分布有5个参数,较其他分布函数相比在描述水文极值分布特征方面灵活性更强。其次是伽玛分布、对数正态分布、对数逻辑分布和广义极值分布,见图3.13。国内应用最为广泛的是伽玛分布拟合效果比韦克比分布差,显示韦克比分布较伽玛型分布在描述水文极值变化特征方面更为灵活,适应性更强。另外,研究中比较了几个概率分布函数理论分布曲线与经验分布曲线,见图3.13。从图中可以看出,与其他分布函数相比,韦克比分布在描述水文极值统计特征方面,没有表现出显著的差异性,故采用韦克比分布函数研究塔河流域极值流量变化特征。

表3.9 极值流量11种概率分布的K-S D统计量

注:1.水文站的K-S D的临界值是0.198(n=47,1-α=95%)、0.200(n=46,1-α=95%)、0.224(n=37,1-α=95%),K-S统计的D值越小表示概率分布函数拟合最小7日平均流量越好。

表3.10 枯水流量韦克比分布线性矩参数值

续表3.10

图3.13 协合拉站极值流量理论与分布函数曲线

(2)不同重现期对应枯水流量变化

新疆气候在1987年左右发生突变,随着温度上升,降水量、冰川消融量和径流量连续多年增加,植被有所改善,沙尘暴日数锐减,同时1990年以后,塔河流域在18年间净增耕地面积1 031.25万亩(687.5千hm2),年均递增3.80%。1987年后气候变化和人类活动开始加剧,故将1987年作为枯水流量的分界点,分析研究分界点前后不同重现期对应枯水流量的变化。从表3.11和表3.12知,同古孜洛克、玉孜门勒克、沙里桂兰克、黄水沟和阿拉尔站1987年后对应的枯水流量大于1987年前的枯水流量;协合拉和大山口1987年前重现期小于20年的枯水流量大于1987年后,重现期大于20年的1987年前枯水流量大于1987年后的;卡群站1987年前重现期小于10年的枯水流量大于1987年后,重现期大于10年的1987年前枯水流量大于1987年后;其中阿拉尔站1987年前后枯水流量比最低,1987年后枯水流量的增加大于其他站。同古孜洛克站1987年后70年重现期对应枯水流量与1987年之前2年重现期对应枯水流量相等,同古孜洛克站的变化幅度仅次于阿拉尔站。协合拉站1987年前后重现期对应枯水流量变化最不明显,其次是卡群站,各站变化见图3.14。

表3.11 各水文站1987年之前不同重现期对应极值流量设计值(m3/s)

表3.12 各水文站1987年之后不同重现期对应极值流量设计值(m3/s)

图3.14 各水文站1987年前后重现期(年)对应枯水流量

3)二维联合Copula函数计算结果分析

采用二维阿基米得型Copula函数分别分析塔河流域的枯水流量联合分布,其中分别选取玉孜门勒克与卡群站(1962—2008年资料)、沙里桂兰克与协合拉站(1962—2007年资料)、大山口与黄水沟站(1972—2008年资料)的枯水径流量的概率分布作为边缘分布函数。

(1)Copula函数的确定

由Genest-Rivest检验法,分别对构建各所选Copula函数的理论估计值Kt(t)和经验估计值Kc(t),并点绘Kt-Kc关系图,见图3.15所示。由图可见,G-H Copula函数图上的点较之Frank Copula、Clayton Copula更接近于45°对角线,即表示G-H Copula其拟合效果最好,因此选取G-H Copula函数来拟合塔河流域枯水径流的联合分布。

(2)边缘分布和联合分布的确定

玉孜门勒克与卡群站(叶尔羌河流域)、沙里桂兰克与协合拉站(阿克苏河流域)、大山口与黄水沟站(开都河流域)两边缘分布均采用韦克比分布比较稳健的线性矩法,在目估适线法辅助下确定各边缘分布的参数,参数估计结果见表3.13。

Copula函数参数估计采用非参数估计法,即利用变量间的Kendall秩相关系数τ与参数θ间的解析关系确定,参数估计结果见表3.13。将表3.13中的θ值代入G-H Copula即可建立流量的联合分布函数。由四个站联合分布函数和式(3.14)、式(3.15)计算出枯水联合重现期、同现重现期,其分布图见图3.15~图3.21。由图3.15~图3.18可以看出,叶尔羌河枯水的联合重现期、同现重现期对应流量的差值随着重现期的增加而减小,由图3.18知,较大重现期对应的枯水流量的变化比较明显,而较小重现期对应的流量的大小变化不明显。

(3)Copula枯水流量频率分析

叶尔羌河流域、阿克苏河流域、开都河流域在不同频率下枯水联合分布计算结果见表3.14。由表3.14知,枯水联合重现期小于设计重现期;其同现重现期大于设计重现期;枯水联合重现期与设计重现期差值小于同现重现期与设计重现期的差值。叶尔羌河流域、阿克苏河流域的联合重现期和同现期变化基本一致;相同频率下开都河流域的联合重现期大于叶尔羌河流域和阿克苏河流域的联合重现期,而同现重现期小于叶尔羌河流域和阿克苏河流域的联合重现期。叶尔羌河流域、阿克苏河流域干旱在3年重现期以下同时遭遇的频率大,开都河流域干旱在5年重现期以下同时遭遇的频率大,开都河大重现期对应干旱同时发生的概率要远大于叶尔羌河流域和阿克苏河流域。

图3.15 Genest-Rivest方法检验结果

表3.13 G-H Copula函数参数估计结果表(www.guayunfan.com)

图3.16 叶尔羌河枯水G-H Copula联合分布与等值线

图3.17 叶尔羌河枯水G-H Copula联合重现期与等值线

图3.18 叶尔羌河枯水G-H Copula同现重现期与等值线

图3.19 阿克苏河枯水G-H Copula联合分布与等值线

图3.20 阿克苏河枯水G-H Copula联合重现期与等值线

图3.21 阿克苏河枯水G-H Copula同现重现期与等值线

表3.14 不同频率组合、不同水文站点组合下枯水流量联合重现期和同现重现期

4)分析与结论

同古孜洛克、玉孜门勒克、沙里桂兰克、黄水沟和阿拉尔站1987年后重现期对应的枯水流量大于1987年前重现期对应的枯水流量;卡群站1987年后大于10年重现期对应枯水流量小于1987年前,协合拉、大山口1987年后大于30年重现期对应枯水流量小于1987年前。虽然西北地区由暖干向暖湿转变的争议仍在继续,但是大量研究业已证明从1987年以来塔河流域的气温和降雨呈显著增加趋势;大部分水文站点1987年后重现期对应枯水流量大于1987年前也很好地证明了这一结论,特别是阿拉尔站枯水变化比较明显。但叶尔羌河的卡群站、阿克苏河的协合拉站以及开都河的大山口站枯水流量在1987年前后变化与前面不尽一致。叶尔羌河是典型的雪冰补给河流,流域多年平均冰川消融量约占出山口的卡群站多年平均径流量的64.0%,雨雪混合补给量占13.4%,地下水补给量占22.6%;提兹那甫河冰川融水量占玉孜门勒克站多年平均径流量的29.9%,雨雪补给量占55.3%,地下水补给量占14.8%;卡群站径流量补给主要依靠冰雪融水,玉孜门勒克站径流量主要是雨雪补给。塔河地区气温和降雨整体呈增加趋势,但叶尔羌河流域的帕米尔高原区的秋季升温最明显,春季次之,而冬季最不显著;帕米尔高原区夏季降水的线性增湿最为显著。主要依靠冰雪融水补给的叶尔羌河流域春、冬季的枯水流量增加并不是很明显,只能缓解小于7年一遇的干旱,对于重现期比较大的干旱的缓解作用还不明显。叶尔羌河流域的农业灌溉面积是全疆最大的,农林与人畜的年耗水量达到21.73亿m3,占总地表水来水量的28.4%,耕地面积也呈增加趋势,因此降雨量的增加并不能从根本上解决叶尔羌河的干旱问题。

托什干河的沙里桂兰克站和库玛拉克河的协合拉站同属于阿克苏河流域,但两站1987年前后重现期对应枯水流量变化并不一致。主要原因是托什干河的积水面积,河流长度457km,平均高程比较低,高山冰雪面积较少,冬季积雪多;库玛拉克河水源多冰川永久积雪,两支流的主要补给来源是冰川融水和降雨。1987年后阿克苏河流域春季、冬季的降雨量和冬季的气温呈增加趋势,春季的气温呈减小趋势,库玛拉克河水源补给因为春季气温减小而受影响。阿克苏河流域年际变化较小,水量稳定,大的旱涝灾害一般不会发生。两站重现期对应枯水流量仅次于卡群、大山口站。阿克苏河流域农林与人畜的年耗水量达到14.86亿m3,占总地表水来水量的17.6%,阿克苏河流域耗水量仅次于叶尔羌河。开都河流域主要依靠降雨,冰雪融水补给,春季由于季节性积雪融水的补给,径流量占全年的23.2%,远远地大于其他流域。重现期对应的枯水流量仅次于卡群站,但其流域面积仅为叶尔羌河流域的1/5。开都河流域在12月—次年3月平均气温为-20.4℃,蒸发微弱,降雪不能即时融化补给径流,径流完全靠地下水补给,其夏、秋季节的降雨量变化将直接影响冬季径流量的变化。据统计,巴音郭楞蒙古自治州在1979—1987年连续发生干旱,开都河流域春水干旱连枯期一般是3—4年,开都河流域的干旱年与塔河地区的干旱年比较同步,开都—孔雀河的农林与人畜的年耗水量达到8.73 亿m3,占总地表水来水量的20.7%,这与该区域分布大量灌区有密切关系,因此塔河流域气候变化引起开都河径流量的增加能缓解小干旱发生的频率,但是不能缓解大重现期干旱发生频率。

叶尔羌河流域、阿克苏河流域的联合重现期和同现期变化基本一致;相同频率下开都河流域的联合重现期大于叶尔羌河流域和阿克苏河流域的联合重现期,而同现重现期小于叶尔羌河流域和阿克苏河流域的联合重现期。两个流域同属塔河流域,联合重现期和同现重现期表现却不相同,叶尔羌河流域和阿克苏河流域的重现期基本同步,但却与开都河不同,主要原因是流域面积不同,开都河流域面积小于阿克苏河和叶尔羌河流域面积,而且大山口和黄水沟站的集水面积和径流量相差很大,大流域且两支流流域面积相差不大,其遭遇干旱的频率相对较小。三个流域同时重现期较小的遭遇干旱的几率大,这也与塔河地区“十年九旱”有关系。

虽然塔河流域大部分地区在1987年后重现期对应的枯水流量大于1987年以前的枯水流量,1987年前后塔河流域的和田地区、喀什地区、阿克苏地区、巴音郭楞蒙古自治州在1950—2008年发生灾害的年数分别是8年、13年、12年、17年和8年、7年、4年、10年,1987年后发生干旱的年份小于1987年前。但是3-1-5显示19世纪80年代以来,特别是2000年后旱灾成灾面积都远远大于前期,年均增加0.23万hm2/年。经过近60年水利事业的发展,塔河流域目前大中型水库数量、渠首数量及防渗率等有了长足进步。塔河流域土地增加经历三个时期,1949—1960年、1963—1978年和1990—2008年分别增加44.88万hm2、26.46万hm2和68.75万hm2;塔河上游地区的灌溉面积由1950年的34.8万hm2增加到2007年的164.53万hm2,耕地面积增加将近5倍。在以水资源开发利用为核心的人类社会生产活动影响下,各支流耗水量呈增加趋势,大型水利枢纽并不能满足耕地和人口增长所需水量,这样导致进入塔河干流水量并没有随着支流径流量的增加而增加。尽管塔河流域气候趋向于暖湿,但是由于人类活动的影响,其干旱受灾面积连年增加的趋势并没有从根本上扭转。

5)结论

(1)1987年后气温和降雨量的增加致使重现期对应的枯水流量大于1987年前的枯水流量,降雨量的增加能减小小干旱发生的频率,但大干旱发生的频率仍然很大,并没有从根本上缓解旱情。

(2)叶尔羌河流域、阿克苏河流域的联合重现期和同现期变化基本一致;开都河流域发生干旱的频率小于叶尔羌河流域和阿克苏河流域;而开都河流域同时发生干旱的频率大于叶尔羌河流域和阿克苏河流域;三个流域遭遇较小干旱的频率很大。由于耕地面积、人口的增长,水资源供需矛盾非常尖锐。

3.4 塔河流域干旱成因分析

3.4.1 自然因素

1)水资源短缺,用水水平较低

塔河流域地处内陆干旱区,气候干旱、降雨稀少,多年平均降雨量为116.8mm,而蒸发量高达1 800~2 900mm以上,区域水资源极度短缺。而流域又地处边远地区,经济较为落后,水利工程虽然经过几十年的建设,取得了较大的成绩,但区域用水效率还远远落后于发达地区。水资源短缺而用水水平不高,导致区域干旱灾害频发,严重制约了当地社会经济发展。

(1)塔河流域水资源

从表3.15可以看出,2010年,塔河流域降水总量1 905亿m3,水资源总量437.2亿m3,地表水资源量437.2亿m3,地下水资源量311.6亿m3,流域水资源总量仅占全国水资源总量的1.41%,占西北地区水资源总量的26.55%,占全新疆水资源总量的39.28%。

人均水资源量是指一定区域内人均所占有的水资源数量。2010年塔河流域人均占用水资源量4 089.8m3/人,占全国人均占有量的1.8倍,占西北地区人均占有量的76.00%,为世界人均占用水资源量的46.74%,为全疆人均占有量的79.80%。

表3.15 塔河流域与不同区域水资源量对照表

图3.22 塔河流域与不同区域人均水资源量对比

亩均水资源量是指一定区域内亩均耕地所拥有的水资源量。2010年,塔河流域亩均水资源量1 631.77m3/亩,为全国亩均占有量的1.14倍,为西北地区亩均占有量的92.99%,为全新疆亩均占有量的99.34%,见图3.23。

图3.23 塔河流域与不同区域亩均水资源量对比

产水系数是指一定区域内水资源总量与当地降水量的比值。2010年,塔河流域平均产水系数为0.23,全国为0.47,西北地区为0.24,全疆为0.23;产水模数是指一定区域内水资源总量与计算区域面积的比值(平均单位面积产水量)。塔河流域平均产水模数4.23万m3/km2,全国为32.6万m3/km2,西北地区为4.9万m3/km2,全疆为5.89万m3/km2。由此可见产水系数和产水模数远远小于全国水平,为资源性严重缺水地区。

(2)用水水平

①用水总体效率分析

2010年,全国、西北地区、新疆的人均用水量分别为427m3、487m3、2 318m3,塔河流域人均用水量3 085m3,占全国人均用水量的7.2倍,西北地区的6.3倍,全新疆的1.3倍,见图3.24。

图3.24 塔河流域与不同地区人均用水量对比

由图3.25可知,全国、西北地区、新疆的万元GDP用水量分别为399m3、645m3、3 186m3,塔河流域人均用水量5 020m3,占全国万元GDP用水量的12.6倍,西北地区的7.8倍,全新疆的1.6倍。近些年来,塔河流域各行业通过各种节水措施,取得了显著的节水效果,水的利用效率得到了显著提高。但与其他地区及全国水平相比,塔河流域的总体用水效率和节水水平还很低,与先进地区还有很大差距,见图3.25。

图3.25 塔河流域与不同地区万元GDP用水量对比

2010年,全疆、西北地区、全国的农田实际灌溉亩均用水量分别为673m3、651m3、421m3,塔河流域为857m3,占全国农田实际灌溉亩均用水量的2.04倍,西北地区的1.32倍,全新疆的1.27倍,塔河流域农业用水量高于全疆,西北地区,全国的平均水平。通过分析,认为对于干旱缺水的塔河流域,农田实际灌溉亩均用水量,灌溉定额普遍偏高,若加大节水改造力度,节水潜力很大。不同地区灌溉水平的差异,说明了农业节水水平和用水效率与地区的经济发展有着紧密的关系,经济较发达地区,其节水水平和用水效率远远高于塔河流域,见图3.26。

图3.26 塔河流域与不同地区农田实际灌溉亩均用水量对比

2010年,全疆、西北地区、全国的万元工业增加值用水量分别为52m3、50m3、90m3,塔河流域为124m3,占全国万元工业增加值用水量的1.4倍,西北地区的2.5倍,全疆的2.4倍,塔河流域万元工业增加值用水量高于全疆,西北地区,全国的平均水平。塔河流域的工业用水重复利用率为55%,管网综合漏失率为18%,见图3.27。

图3.27 塔河流域与不同地区工业用水水平对比

(3)结论

通过以上分析可知,塔河流域是干旱区,气候干旱、降雨稀少,蒸发量很大,总的水资源量短缺,人均水资源量与世界,我国,新疆的平均人均水资源量比起来比较大,亩均水资源量很少,产水系数,产水模数不大,而农业、工业、生活等各方面的用水水平低,水资源浪费比较严重更加剧了干旱灾害的发生程度和频率,这是干旱灾害的主要成因之一。

2)水资源时空分布不均

塔河为典型的干旱区内陆河,水资源形成于山区,消耗于平原区,为纯耗散型的内陆河。塔里木盆地四周有天山山脉、帕米尔高原、喀喇昆仑山和昆仑山等高大山体,截获大量空中水汽,在山区形成了丰富的降水,山区是干旱区中的湿岛,低温条件下形成了众多冰川,塔河流域四源流均发源于高山区,因而塔河流域水资源形成于山区。形成于山区的水资源,以地表径流的形式进入平原区,主要消耗于社会经济发展各部门用水、生活用水、生态用水和无效蒸发损失。

(1)水资源空间分布

塔河流域的水资源总量为塔河流域降水形成的地表水和地下产水量,即地表径流量和降水渗漏补给量之和。根据已有的成果,流域水资源总量为370.22亿m3,若加上境外流入量62.23亿m3,流域总水量为432.5亿m3。按流域分区统计塔河流域三级分区各区水资源量,见表3.16。从表可以看出,塔河流域水资源三级分区中与干流有地表水力联系的四个源流区比其他三级区水资源总量还大,四源为塔河流域的主要产水区,水资源量为197.43亿m3,占塔河流域水资源总量的53.3%;叶尔羌河水资源量最大,为75.01亿m3,占塔河流域水资源总量的20.3%;阿克苏河流域水资源总量加上境外水量54.8亿m3,则总水资源量可达87.58亿m3,是塔河流域水资源最丰富的区域。

表3.16 塔河流域水资源三级区水资源统计表

塔河流域产水系数只有0.32,产水模数为3.69万m3/km2,均比新疆产水系数0.327、产水模数5.056万m3/km2小,表明塔河流域从整体上是一个十分干旱的流域,四源中阿克苏河流域的产水模数最大,可达10.07万m3/km2,表明阿克苏流域是四源中水资源最为丰富的地区(见表3.17)。

表3.17 塔河流域四源产水模数及产水系数统计

四源水资源量在空间分配上也呈现出不均衡性,从而影响了各流域水资源开发利用的程度,通过对比分析塔河流域四源亩均水资源量与四源各流域亩均水资源量见图3.28。从图中可以看出,四源中开—孔河流域亩均水资源量最高,为1 436m3/亩,表明该流域水资源开发利用程度相对较低;叶尔羌河流域亩均水资源量最低,为887m3/亩,说明该流域水资源开发利用程度相对较高,开发潜力最小;阿克苏河和和田河流域分别为1 097m3/亩和1 057m3/亩,处于该塔河流域内的中等水平。

图3.28 各流域与四源亩均水资源量对比

(2)水资源时间分布

选取典型水文站的水文资料对塔河四源流径流年际变化特征进行分析,分析结果见表3.18。从表中可见,由于塔河流域四源流冰雪融水比重较大,开都河虽属雨雪混合补给河流,但有大、小尤尔都斯盆地的调节作用,所以四条河流的年径流年纪变化较小,Cv值大多在0.15~0.27之间,最大与最小水年倍比在1.8~3之间,最大模数介于1.4~1.7之间,最小模比系数介于0.5~0.8之间。表明各源流径流量较为稳定,并且河流干旱和多水年并不同步,因而很少出现全流域的干旱缺水年,有利于农业灌溉。

表3.18 塔河四源主要河流水文特征统计表

通过对四源年内径流变化过程分析能够看出,四源除开都河以外的河流径流量年内分配十分不均匀,各源流年径流与连续最大四个月的径流量比较见图3.29。从图中可以看出,塔河流域大多数河流连续最大四个月水量占全年径流量的70%~80%。开—孔河流域内雨、雪、冰川对径流的补给都占一定的比重,流域内有大、小尤尓都斯盆地,有一定的调蓄能力,连续最大四个月的径流量占全年径流量的56%。其余三源流均以冰川融雪和降雨为主要补给来源,高温和降雨多集中在夏季,所以夏季水量占比重较大,年内分配不均匀性显著。阿克苏河连续最大四个月的径流量占全年径流量的77%,叶尔羌河连续最大四个月的径流量占全年径流量的75%,和田河流域连续最大四个月的径流量占全年径流量的85%,并且连续最大四个月多集中在5~9月之间,由此产生了春夏水量相差悬殊,春旱灾害频繁发生的现象。春季是农作物生长的关键时期,但是春季气温较低,高山冰雪不能消融且降水量少,河川径流量处于一年的枯水期,大多数河流3~5月的径流量占年径流量的10%以下,从而导致了该地区农作物基本上依靠天然降水维持的状态。这一现象在帕米尔高原和昆仑山区河流表现尤为严重,玉龙喀什河多年平均春季水量只有夏季水量的1/14,春多夏少的问题非常突出。

图3.29 四源流年内各时段径流量对比图

3)水毁受旱

新疆春夏季洪水常常冲毁(坏)引水灌溉设施,导致有水无法引入灌区,造成农作物受旱即“水毁受旱”,这是新疆灌溉农业特有的干旱类型。

例如2010年和田地区发生洪水,洪水灾害造成灌区蓄水、引水工程受损严重,共有7座水库、7座渠首、113座闸口、513km引水渠不同程度的损坏,灾害损失7 569.52万元。由于缺乏资金,未能得到及时修复,灌区引水困难,致使56万亩农作物遭受不同程度的干旱。2011年和硕曲惠乡发生山洪,曲惠引水龙口严重损毁,曲惠干渠中断供水达20天,农田无法正常灌溉,造成曲惠灌区4 500余亩棉花因干旱绝收,经济损失达1 035万元以上。

3.4.2 社会经济及人类活动对干旱的影响

塔河流域在相当长的历史时期里,人口和经济增长缓慢,水资源开发利用处于相对稳定的阶段。塔河流域较大规模的水资源开发与利用,始于20世纪50年代。

随着社会生产的发展,人类对农产品的需求逐年增加,区域内复种指数的提高和耕地面积增加,尤其是水田增加,导致农业用水量大幅度增加,水资源供需矛盾更趋紧张,直接加剧了旱灾发生的频率和强度。另外,人们不愿用农家有机肥料,大量施用化肥,使土壤有机质减少,蓄水保墒能力降低,土地对灌溉的依赖性增强,这也加重了旱灾的发生。随着工农业生产的进一步发展,城市化进程的加快,城乡居民生活水平的提高,塔河流域资源性缺水问题将更加突出,水的总量短缺对社会经济各方面尤其对农业生产发展的影响将越来越大,经济社会的快速发展加剧了旱情,塔河流域各地区水资源承载能力与区域经济社会发展格局极不协调,由于经济社会发展速度过快,加剧了当地的资源性缺水问题。据《新疆50年(1955— 2005)》提供的从1949—2004年新疆人口和耕地面积资料和工农业经济指标数据绘制出塔河流域内50年间耕地和人口的变化情况,见图3.30、图3.31。

由图3.30可以看出,人口增长带来需水量的大幅增长,塔河流域内人口由1949年的308.55万人,发展到2004年的923.18万人,50年间增加了614.63万人,在1949年的基础上增加了65.58%;同时耕地面积由1949年的671.61万hm2,发展到2004年的1 172.15万hm2,50年间增加了500.54万hm2,在1949年的基础上增加了42.70%。

图3.30 塔河流域人口和耕地面积变化情况

由图3.31可以看出,社会经济发展带来工业需水量的大幅增长,塔河流域内地区生产总产值,农林牧渔业总产值,工业总产值在1949—2004年的50年间分别增加为606.15万元,274.34万元,250.21万元,在1949年的基础上分别增加了99.75%,98.78%,99.97%。因此,社会经济需水量不断增长,农业用水逐年增大,水资源供需矛盾越来越突出,人为加大旱情、旱灾,增大了抗旱任务。由于缺乏经验,许多地区在确定经济布局、产业结构和发展规模时没有考虑水资源承载能力,不停地大规模开荒,未做到因水制宜、量水而行,即使在水资源极度贫乏,开发难度大或不利于环境保护的地区,也兴建高耗水农业,发展高耗水农业,形成人口集中的城市,客观上加剧了水资源的供需紧张,加剧了干旱的程度。

图3.31 塔河流域社会经济变化情况

塔河流域经过50年大规模的水土开发和人为活动的影响,水环境发生巨大变化。自20世纪50年代初开始,塔河干流上游的三源流(阿克苏河、叶尔羌河、和田河),由于人工绿洲规模扩大,引水量增加,特别是农田高定额灌溉,导致进入塔河干流的水量呈逐年递减的趋势,见表3.19。50~60年代汇入塔河的水量约为61 亿m3,而到90年代则减少到44亿m3,40年减少了17亿m3,平均每年以4 250万m3的速度减少。

表3.19 20世纪50~90年代塔河干流径流量变化

进入塔河干流的水量在沿程的分布也是不一致的。塔河龙头站——阿拉尔站,20世纪50~60年代径流量为50亿m3,到90年代为42.5亿m3,40年减少了7.5亿m3,平均以每年近2 000万m3的速率减少;中游来水与上游具有相同的变化趋势,但水量更加减少,只占上游来水量的55%~72%,由于干流长期以来疏于管理,无工程控制手段,擅自开口引水现象严重,加之中游河道弯曲,地势平缓,耗水十分严重,致使到达下游的水量显著减少,来水量仅分别占到上游和中游水量的5%~23%和9%~32%,水资源量由于人为原因在空间上发生新的布局。

3.4.3 气候变化对干旱的影响

1)气候变化特征分析

(1)近50年来塔河流域气候及河流径流总体变化特征

①流域内气候变化特征

本文以塔河流域的26个气象站和8个水文站1961—2005年观测资料为基础。通过大量的文献查阅对塔河流域的温度、降水、径流变化及它们之间的相关关系进行了分析。

a.气温变化特征

以流域内26个气象站气温进行年代季间的分析,塔河流域年平均气温1961—2005年呈逐年代递增趋势,其中2000年以后较45年平均气温增加0.75℃,增幅7.69%,较60年代增加1.27℃,增幅13.75%,见表3.20和图3.32。

将平原区22个气象站和山区阿合奇、塔什库尔干、巴音布鲁克、吐尔尕特等4个气象站气温进行平均,分析山区和平原区气候变化特征,结果见表3.20和图3.32。从图表中可看出,气温逐年增加,2000年以后较45年平均,平原区增加0.74℃,增幅达6.69%;山区增加0.56℃,增幅达17.83%;较60年代,平原区增加1.20℃,增幅达11.32%;山区增加1.10℃,增幅达42.31%,平原区增幅大于山区。

对整个流域按照空间分为塔北、塔南、塔西3个区域,分析不同区域气温变化特征,结果见表3.20和图3.32。由图表可知,塔河流域的年平均气温逐年代呈递增趋势,其中,塔河流域北部增长最为明显,其次为南部、西部的增加幅度相对比较小。60年代温度最低,2000年后温度最高。2000年以后较45年平均,流域北部增加1.22℃,增幅达13.15%;南部增加1.00℃,增幅达10.53%;西部增加0.8℃,增幅达6.67℃。较60年代,流域北部增加1.8℃,增幅达20.60%;南部增加1.7℃,增幅达19.32%;西部增加1.3℃,增幅达11.33℃。塔北区域增幅大于塔南和塔西区域。

表3.20 1961—2005年塔河流域各区气温年代变化

图3.32 塔河流域各区气温年代变化

b.降水变化特征

由表3.21和图3.33可知,塔河流域各区的年平均降水量,1961—2005年整体上呈逐年代递增趋势,其中2000年以后较45年平均,各年代平均降水量增加16.65mm,各年代平均增幅17.89%,较60年代增加29.68mm,增幅达37.08%,60年代偏枯,90年代和2000年后偏丰。

将平原区22个气象站和山区4个气象站降水量进行平均,分析山区和平原区降水变化特征,由表3.21和图3.33可看出降水逐年增加,2000年以后较45年平均,平原区增加16.34mm,增幅达23.06%;山区增加31.04mm,增幅达15.32%;较60年代,平原区增加30.70mm,增幅达51.34%;山区增加41.90mm,增幅达21.85%,山区增幅大于平原区。

对整个流域按照空间分为塔北、塔南、塔西三个区域,分析不同区域降水量变化特征,由表3.21和图3.33可知,塔河流域的年平均降水量呈逐年代递增趋势,其中,塔河流域北部增长最为明显,南部、西部的增加幅度相对比较小。2000年以后较45年平均,流域北部增加16.64mm,增幅达16.18%;南部增加28.94mm,增幅达26.91%;西部增加9.02mm,增幅达24.79%。较60年代,流域北部增加35.10mm,增幅达41.49%;南部增加37.90mm,增幅达38.44%;西部增加14.49mm,增幅达46.45%。塔北地区增幅最大,其次为塔南和塔西地区。

表3.21 1961—2005年塔河流域各区降水量年代变化

图3.33 塔河流域各区降水量年代变化

根据1961—2008年塔河阿拉尔干流区水文站和黄水沟,塔什店,大山口,卡群、玉孜门勒克,同古孜洛克,乌鲁瓦提等1个干流区水文站,7个源流区水文站的资料统计(见表3.22),塔河流域干流径流量逐年减少,各源流的产流区均在山区,出山口径流量变化3个河流均增加,增加幅度不大,2000年以后径流量与60年代相比:和田河同古孜洛克站径流量增加1.43亿m3,增幅达6.29%;乌鲁瓦提站增加2.03亿m3,增幅达9.48%;干流阿拉尔站年经流量减少6.93m3,减幅达13.70%;叶尔羌河卡群站增加8.57亿m3,增幅为13.65%;玉孜门勒克站增加2.73亿m3,增幅为34.42%;开孔河黄水沟站增加0.92亿m3,增幅达34.95%。2000年后平均径流量与多年平均相比:干流阿拉尔站减少1.35亿m3,减幅为3.00%;叶尔羌河玉孜门勒克站增加1.91亿m3,增幅为21.80%;和田河同古孜洛克站径流量增加1.76亿m3,增幅达7.88%;乌鲁瓦提站增加1.75亿m3,增幅达8.06%;开孔河黄水沟站增加0.58亿m3,增幅达19.48%;大山口站增加5.43亿m3,增幅达14.33%。

表3.22 1961—2005年塔河流域各站不同年代径流量变化

新疆山区降水多于平原,年降水量400mm以上的区域大都在山区,山区总面积约占全疆的40%,达66万km2左右,而山区年均总降水量为2 048亿t,占全疆年均总降水量2 429亿t的84.3%。因此,山区的自然降水是新疆河川径流的最主要来源,对此许多学者做过大量研究。

用塔河流域巴音布鲁克(开—孔河)和塔什库尔干(叶尔羌河)源流区1961—2005年出山口径流量和气温、降水资料进行了相关分析,图3.34、图3.35为塔河流域巴音布鲁克地区,图3.36、图3.37为塔什库尔干源流地区近45年(1961—2005)来气温、降水和径流变化趋势。巴音布鲁克和塔什库尔干各年平均径流量与相应各年的平均气温作对比,见图3.34~图3.36,图中60~80年代和80~00(2001—2005)年代趋势线为年平均径流与年平均气温的线性回归,其倾向率都为正,巴音布鲁克80年代以前与80年代以后倾向率分别为0.183 4亿m3/℃,0.347 8亿m3/℃,塔什库尔干分别为2.510 3亿m3/℃,6.017 5亿m3/℃,说明塔河流域气候变化下温度升高对径流增加有较大贡献,而对形成于昆仑山水系的河流与天山水系的河流相比较,其对前者的影响要远大于后者。各年平均径流量与相应各年的平均降水量作对比,见图3.35~图3.37,巴音布鲁克80年代前与80年代后倾向率都为正,分别为0.000 6亿m3/mm,0.001 7亿m3/mm;塔什库尔干分别为-0.017 9亿m3/mm,-0.005 4亿m3/mm,说明塔河流域气候变化下降水增加对年径流的影响较小,尤其对于形成于昆仑山水系的河流。

图3.34 巴音布鲁克年平均径流量与年平均气温的关系

图3.35 巴音布鲁克年平均径流量与年平均降水量的关系

图3.36 塔什库尔干年平均径流量与年平均气温的关系

图3.37 塔什库尔干年平均径流量与年平均降水量的关系

a.近45年以来塔河流域呈变暖增湿趋势,2000年后平均与多年平均相比气温增加0.75℃,增幅7.69%,其中平原区与山区相比,平原区增幅大于山区,空间上塔河流域北部增长最为明显,其次为南部、西部;2000年后平均降水与多年平均相比降水量增加16.65mm,增幅17.89%,其中山区增幅大于平原区。

b.在1961—2008年间塔河流域干流径流量逐年减少,各源流的产流区均在山区,出山口径流量变化,3个河流均增加,但增加幅度不大,2000年后平均径流量与多年平均相比,干流阿拉尔站减少1.35亿m3,减幅为3.00%;叶尔羌河玉孜门勒克站增加1.91亿m3,增幅为21.80%;和田河同古孜洛克站径流量增加1.76亿m3,增幅7.88%;乌鲁瓦提站增加1.75亿m3,增幅达8.06%;开孔河黄水沟站增加0.58亿m3,增幅达19.48%;大山口站增加5.43亿m3,增幅达14.33%。

c.塔河流域年际降雨与气温变化是引起径流变化的根本原因,根据巴音布鲁克(开—孔河)和塔什库尔干(叶尔羌河)源流区1961—2005年出山口径流量和气温、降水资料进行的相关分析,塔河流域气候变化下温度升高对径流增加有较大贡献,而对形成于昆仑山水系的河流与天山水系的河流相比较,对前者的影响要远大于后者;降水增加对年径流的影响较小,尤其对形成于昆仑山水系的河流。

2)气候变化对农业作物需水量的影响

以气候变暖为主要特征的全球变化已成为一个不争的事实,气候变暖不仅影响水资源量及其时空分布的变化,而且也会使农作物蒸散量增加,从而加剧农业水资源供需矛盾。塔河流域属于典型的“荒漠绿洲,灌溉农业”,气候变化将对塔河流域绿洲灌区内作物需水量产生极大的影响,由于气温的升高,从而造成作物需水量的增加,加剧干旱灾害的发生。

(1)资料与方法

利用流域内5个地州的26个气象站1961—2005年的地面气象常规观测资料,流域灌区内作物种植结构及面积采用塔河流域管理局统计数据,不同作物生育阶段及生长特征以流域内的典型灌溉试验站观测记录为依据。

①参考作物ET0计算法

采用FAO—布莱尼—克雷多方法(以下简称温度法),在美国的若干地方以及国际上其他一些地方仅利用气温资料估计作物耗水量的方法得到广泛的使用,詹森等人(1990年)发现,在所有评估的根据温度估算作物ET0的方法中,FAO—布莱尼—克雷多方法是最为精确的一种,可用下式描述:

式中:ET0———参考作物蒸散速率(mm/天);

 Ce——根据海拔确定的调整因子;

 T——计算时期内的平均气温(℃);

 at、bt——分别为根据当地气候状况确定的调整因子;

 p——日平均白昼小时数占全年白昼小时数的百分比(%)。

②作物需水量计算方法

采用FAO推荐的Penman-Monteith公式(FAO-PM)和作物系数Kc,其计算公式为:

(ETcj=∑Kci)(ET0i)    (3.17)

式中:(ETcj——第j种作物全生育期的需水量(mm);

 (Kci)——第j种作物第i月份的作物系数;

 ET0——参考作物蒸散量(mm/天)。

FAO确定了不同作物不同生长阶段的Kc值,其取值见表3.23。在考虑取值时将作物的生长发育期划分为4个阶段相应取值,即生长初期(Kcini),发育期(Kcmid),生长中期(Kcend),生长后期。对于不同作物可以根据其需水规律划分为相应的4个发育阶段。如小麦分为播种—出苗、出苗—开花期、开花—乳熟期、乳熟—成熟期;玉米分为播种—出苗、出苗—抽雄、抽雄—乳熟、乳熟—成熟期。

表3.23 作物不同生育阶段取值

由于自然环境特点的不同,作物系数Kc值会因环境而不同。因此,根据FAO

提供的方法及塔河流域灌区的气象和土壤条件对Kc值进行了修正,修正结果见表3.24。

表3.24 作物不同生育阶段Kc修正值

灌区农田净灌溉需水量是指各种作物净灌溉需水量之和。作物净灌溉需水量是由作物全生育期净灌溉需水量和作物种植面积相乘而确定的,其计算公式为:

式中:W——流域灌区农田净灌溉需水量,亿m3

 Wj——流域灌区第j种作物农田净灌溉需水量;

 Aj——灌区第j种作物的种植面积(万hm2);

(INj——第j种作物全生育期的净灌溉需水量(mm);

 N——作物种类数。

作物耗水量可以根据农田土壤水分平衡方程计算,计算公式为:

IN=ΔW+ETc-Pe-G    (3.19)

式中:ΔW——土体贮水量的变化(增加为正,减少为负)(mm)。

由于塔河流域灌区大多数地区地下水位埋深大于3m,在计算作物净灌溉需水量时,不考虑地下水补给量,即G≈0。另外,灌区土壤水分变化量不明显,可忽略,即ΔW≈0,流域灌区作物全生育期几乎没有降水,也可忽略,即Pe≈0。因此灌区作物生育期内获得高产稳产时净灌溉需水量公式简化为:

(2)结果与分析

①塔河流域气候变化特征

通过对气候的研究表明,全球气候在过去100年中变暖了0.3~0.4℃,近40年中变暖了0.2~0.3℃,在1951—1990年间年平均气温升高了0.3℃。50年来,新疆气温呈上升趋势,塔河流域是一个相对独立的生态环境系统,与全球和新疆气候变化同步,流域内的气温、气象要素近40年来也有变化。

以塔河流域26个气象站气温年代季进行平均,分析整个流域气候变化,见图3.38。可以看出,塔河流域的年平均气温,1961—2005年呈逐年代递增趋势,从90年代开始增加幅度很大,其中2000年以后较45年平均气温增加0.75℃,各年代平均增幅7.69%,较60年代增加1.27℃,平均每10年上升0.28℃度,增幅达13.75%。

图3.38 塔河流域气温变化

塔河流域灌区1961—2005年小麦、果园、棉花、瓜菜和草地生育期需水量年际变化规律见图3.39所示。分析图3.39可知,近45年来,流域灌区作物生育期需水量呈明显上升趋势,气温保持不变的条件下(平均气温9.79℃),塔河流域灌区小麦、果园、棉花、瓜菜和草地的需水量分别为2 425.10mm、5 231.73mm、2 620.10mm、2 136.78mm、3 213.65mm;2000年以后较45年平均气温上升0.75℃时,5种作物的需水量将平均增加到2 495.70mm、5 384.10mm、2 696.40mm、2 199.00mm、3 307.24mm。

气温变化条件下作物需水量在不同种植条件下的变化率和变化量不同。5种种植条件下由于作物生长周期长短差异大,因此作物需水量在气温变化条件下的变率和变化量有一定差异。当温度上升0.75℃时,作物需水量随着气温呈上升趋势,其中塔河流域灌区果园需水量递增速率最快,上升速率为7.30%(152.35mm/年),小麦、棉花和草地需水量递增速率低于果园,上升速率分别为3.39%(70.62mm/年),3.66%(76.30mm/年),4.49%(93.58mm/年),瓜菜的需水量递增速率相对较小,递增速率为2.98%(62.22mm/年)。

图3.39 1961—2005年塔河流域灌区主要作物需水量变化趋势

(3)气温变化条件下灌溉需水量的变化

根据塔河流域气象资料和作物种植面积资料,可计算出各站点在气温变化条件下的净灌溉需水量,在给定温度情景下,灌溉需水量将有不同程度的增加,增加幅度与气温变化条件下作物需水量的增加是一致的。从流域灌区范围上讲,气温平均每升高0.75℃,作物需水量将增加455.0 8mm。气候变暖将使流域作物缺水形式进一步加剧。根据塔河流域目前种植结构,当气温上升0.75℃时,开—孔河灌区小麦、果园、棉花、瓜菜和草地灌溉需水量分别增加0.16亿m3、0.19亿m3、0.40亿m3、0.01亿m3、0.02亿m3,5项合计每年增加灌溉需水量0.78亿m3;叶尔羌河灌区分别增加0.86亿m3、0.44亿m3、1.70亿m3、0.14亿m3、0.01亿m3,全叶尔羌河灌区每年增加灌溉量3.15亿m3;和田河灌区分别增加0.38亿m3、1.44亿m3、0.001亿m3、0.04亿m3、0.28亿m3,全和田河灌区每年增加灌溉量2.15亿m3;阿克苏河灌区分别增加0.35亿m3、0.04亿m3、1.90亿m3、0.02亿m3、0.06亿m3,全阿克苏河灌区每年增加灌溉量2.36亿m3;将使整个塔河流域灌区(即开—孔河流域,叶尔羌河流域,和田河流域、阿克苏河流域)小麦、果园、棉花、瓜菜和草地灌溉需水量分别增加1.76亿m3、2.11亿m3、4.00亿m3、0.21亿m3、0.37亿m3;5项合计每年增加灌溉量8.44亿m3(见表3.25)。因此未来气候变暖将使塔河流域紧张的水资源供需矛盾更加突出,为流域灌区分水方案的实施增加一定的难度。

表3.25 气温变化条件下不同作物净灌溉需水量变化

(4)结论

①近45年来,塔河流域年平均气温显著上升,平均气温变化量与年参考作物蒸散量(ET0)呈正比关系,ET0会随着气温的增高而增加,年平均气温上升0.75℃时,流域灌区作物参考蒸散量(ET0)增加量为24.49mm,增加幅度达到2.83%。

②气温变化情景下流域灌区主要作物小麦、果园、棉花、草地和瓜菜生育期需水量呈明显上升趋势,其中果园需水量递增速率最快,小麦、草地和棉花需水量递增速率低于果园,瓜菜的需水量递增速率相对较小。

综上所述,整个流域5种作物灌溉需水量均随气温的上升而各有不同程度的增加,假如流域灌区作物种植面积多年不变,则农田净灌溉需水量主要受气候因素的影响,随气候的变化而变化。

3.5 本章小结

在对塔河流域历史干旱灾害,典型干旱灾害考证的基础上,分别对干旱灾害特征,枯季径流演变特征,干旱成因进行了分析;在气候变化对塔河流域干旱影响分析的基础上,分析计算了气候变化对农作物需水量的影响和灌溉需水量的变化。

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