流域水文过程与生态变化分析

2　流域水文过程与生态变化分析

2.1　水文水资源变化分析

本文通过对各水文站年径流量按时间序列绘制差积曲线图的方法，来直观表现流域径流量受人类活动的影响。差积曲线是分析定点水量丰枯变化的常用方法，当差积曲线的坡度向下时，表示为枯水期；向上时表示为丰水期；水平时则表示接近于平均值的平水年。若差积曲线呈长时期连续下降，就表示长时期的连续干旱或缺水；反之则表示连续多水，坡度愈大表示程度愈剧烈。在未受人类活动影响之前差积曲线应该是呈周期性的波动。

为了阐明径流量是否受人类活动的影响，首先对源流各水文站逐年实测资料进行汇总，并做出源流总径流量(源流各支流的径流量之和)年变化曲线和差积曲线图。从源流总径流量1957～2003年的变化趋势来看，源流总来水量实际上并未减少，甚至还有一定程度的增加(图1-5-2)；通过对源流总径流量差积曲线的进一步分析，表明源流年总径流量差积曲线呈周期性的波动，且有继续向上波动的趋势，说明源流总来水量在过去的几十年中实际上是呈递增的趋势，即源流总来水量并未减少，反而是增加了(图1-5-3)。那么，在这种情况下，干流各水文站的来水量呈一种什么变化趋势是我们所关心的。因此，我们同样做出了塔里木河干流4个水文站(阿拉尔、新渠满、英巴扎和卡拉)的径流量差积曲线图(图1-5-4)。

图1-5-2　源流年总径流量变化趋势

图1-5-3　源流差积曲线

很明显，通过对塔里木河干流4个水文站年径流量资料的分析，可以清楚看出，干流地表径流量的差积曲线都为单峰形式。随着从上游至中下游的顺序，各水文站年径流量差积曲线先上升，而后呈长时期连续下降的趋势，而且顺河流方向越往下，曲线的坡度越明显，即径流量减少的趋势越明显。从前面对源流径流量的年变化曲线和差积曲线的分析，可以得出结论：造成干流径流量减少的原因并非自然因素，而是流域人类的工、农业生产活动造成的。

从阿拉尔、新渠满、英巴扎、卡拉各水文站1957年到2003年的径流差积曲线变化趋势可以看出，在1970年以前，径流量差积曲线基本上呈上升的趋势，而在1970年以后却呈一种明显的下降趋势，说明1970年是干流径流变化的转折点，在1970年以前人类活动对阿拉尔站、新渠满站以上流域径流影响不大，但从1970年开始，人类活动对该区域径流产生较大影响，尤其卡拉站在1970年以后呈一种极其明显的下降趋势，说明越往下游人类活动对径流产生的影响越强烈。

图1-5-4　不同水文站年径流量差积曲线图

利用径流未受人类活动显著影响前的时段，即1957～1970年，分别建立上述4个水文站年径流量(y)与源流总年径流量(x)之间的线性回归模型：

阿拉尔相关方程：y=0.272x+2.417(R=0.843)

新渠满相关方程：y=0.277x-4.785(R=0.896)

英巴扎相关方程：y=0.224x-3.392(R=0.843)

卡拉相关方程：y=0.071x-1.605(R=0.952)

根据上述线性回归方程，利用源流年总径流量值来估算干流不同水文站，用不同年代的径流量值，然后与实测值进行对比分析，求出人类活动对径流的影响量。从表1-5-2的估算结果可以看出，在同一时段中，自阿拉尔至卡拉各水文站人类活动影响量累积值占天然径流累积值的百分比是依次增大的，这反映了下游受人类活动影响的作用最大，中游次之，而上游最小。而且，随着估算时段的后延，这种趋势是逐渐加强的，这说明随着时间的推移，人类活动对径流量的影响也在不断得到强化(图1-5-5)。

根据塔里木河下游“绿色走廊”自1957年以来的水情变化分析(表1-5-3)，再一次验证了人类活动自20世纪70年代开始明显的影响径流量，而且对下游的影响是最强烈的。随着塔里木河干流来水量的减少，致使下游部分河道开始断流，塔里木河的尾闾湖台特玛湖也最终于1974年彻底干涸。下游河道断流直接导致地下水位下降，水质恶化，并引起下游荒漠植被的迅速衰退，从而导致下游沙漠化土地面积的增加(宋郁东等，2000)。

表1-5-2　塔里木河干流各水文站年径流量变化

图1-5-5　人类活动对塔里木河干流地表径流量的影响

2.2　水质变化

塔里木河在1958年以前是一条淡水河，干流河水矿化度均未超过1.0　g·L^-1。随着塔里木河流域人口的增长以及人们对提高生活水平的迫切要求，对流域水土开发的强度和规模也越来越大。人们开发利用水资源建设人工绿洲，在河道上筑坝拦水、修建水库，在两岸开渠引水，以致形成现今中游地区的河道渠化，改变了水流与河道、积水湖泊的关系，改变了地表水和地下水的转化路径，也改变了原有的地下水所赋有的环境。这在流域内天然水循环的框架下，形成了取水—输水—用水—排水—回归等环节构成的地表水流侧支循环。而且这种取水—用水—排水过程一方面增加了人工供水量；另一方面使天然状态下的地表径流量和地下径流量不断减少，水质受到人类活动的影响。目前塔里木河仅在洪水期的水质为淡水，至洪水末期，水质已变为弱矿化水，而枯水期全为较高的矿化水(图1-5-6)。

表1-5-3　20世纪塔里木河下游河段来水变化

图1-5-6　塔里木河干流逐月河水矿化度变化

2.2.1　河流水质季节变化

根据塔里木河各站月平均矿化度监测数据可以看出，在每年7～9月的汛期，河水矿化度最低，其中在8月份矿化度<1；枯水期矿化度均很高，尤其以4～6月为最高，可达6.326　g·L^-1。枯水期4～6月，河水矿化度异常偏高的现象除了与水量有直接的关系外，还主要决定于这段时间正好是流域内所种植各种作物灌溉的一个高峰期，由于灌溉回归水将化肥残留带入河流水体，因此造成了矿化度的偏高。

2.2.2　河流水质空间变化

河水水质矿化度的空间变化规律为(图1-5-7)：沿着干流自上游至下游河水矿化度依次升高。而且，越往下游矿化度升高的趋势越大，这是由于河流水量急剧减少和农田化肥残留在下游聚积二者叠加造成的。通过对可能影响河水矿化度的地表径流量进行相关分析，发现河水矿化度与地表径流量高度相关。因此，利用多年以来阿拉尔、新渠满、英巴扎和卡拉水量与河水矿化度的实测数据，得出塔里木河河水矿化度(y)与地表径流量(x)的相关方程为：y=-0.048x+2.541，R=0.996

图1-5-7　塔里木河干流沿程矿化度变化

虽然缺乏河水矿化度变化的长时期的逐年累积资料，但通过对有化肥使用量记录的1983～2003年的数据进行分析，发现在这有记录的20年中，流域平均化肥使用量以每年12.93%的速率增长。所以，我们认为河水矿化度的变化与地表径流量和流域农业生产化肥使用量之间有密切的相关关系。而更多的时候，则表现为二者的累加效应。

2.2.3　灌区水质变化

灌区大量灌溉引水，促进了流域绿洲化过程的进展，使灌区内部地下水位逐年升高，地下水矿化度降低，这是人类活动所产生的正效应(表1-5-4)；但由于地表径流的减少，非灌区地下水失去最有效的补给，从而使塔里木河干流非灌区地下水位不断下降，中游20世纪90年代比60～70年代下降约0.5～1.5　m，使大量湿地消失。下游在大西海子以下下降更为强烈，20世纪50～60年代英苏至阿尔干地下水埋深约为3～5　m，1973年为6～7　m，1989年8.0～10.4　m，1997年为9.44～12.56　m(表1-5-5)。随着地下水位下降，地下水矿化度也升高，阿拉干井水1984矿化度年为1.25　g·L^-1，1998年达4.5　g·L^-1。

表1-5-4　阿拉干12团地下水埋深和矿化度变化

表1-5-5　塔里木河下游地下水埋深变化(非灌区)

注：文献记载数据1)1973年和1989年为地矿局水文地质大队数值。2)1997、2000年考察实测数据。

很明显，地下水矿化度变化与地下水水位的变化有着某种必然的联系。为了进一步探讨二者之间的相互关系，取平均地下水埋深和平均矿化度两组指标，并作出地下水矿化度变化与地下水位变化的散点图，分析得出灌溉区地下水矿化度与水位之间呈显著多项式相关，相关系数R²=0.8375(图1-5-8a)。

2.2.4　非灌区水质变化

非灌区地下水矿化度与水位之间是否也存在类似的相关关系?　为了阐明这一问题，选取塔里木河中游英巴扎断面近河岸和河间平原地下水矿化度和水位实测数据，主要探讨矿化度与地下水位和距离河道距离之间存在的关系。通过相关分析，发现地下水矿化度与距河道距离没有相关关系，而与地下水位存在相关关系。对矿化度和地下水位数据进行曲线估计，发现二者之间也呈较好的多项式相关，相关系数R²=0.5723(图1-5-8b)。

图1-5-8　灌区(a)与非灌区(b)地下水矿化度与地下水位关系

从分析结果可以看出，无论是灌区还是非灌区，地下水矿化度与地下水位之间均未表现出明显的线性关系，这说明影响水质的因素是多方面的，包括地质构造、土壤盐分、土壤结构、土壤质地等其他因子。同时，灌区与非灌区相关系数的差异较大，这可能是由于地下水补给方式的差异造成的。灌区地下水主要以灌溉用水的垂直渗漏补给为主，而非灌区则以河道流水的侧漏补给为主。

2.3　植被衰败与土地沙漠化

1958年前干流区胡杨林面积46.0×10⁴　hm²，蓄积量383.9×10⁴　hm²，到1978年面积减少为17.5×10⁴　hm²，蓄积量减少为239.7×10⁴　hm²，主要是滥垦、滥伐造成的。从1978年以后由于加强了管护，林地面积有一定程度恢复，1984年为24.0×10⁴　hm²，1990年达到29×10⁴　hm²，但还没有达到20世纪50年代的面积和蓄积量。草场面积减少和退化也十分严重，拉依河断流使13.0×10⁴　hm²的草地干枯，由于干旱，产草量也大幅下降，可利用鲜草产量由1100　kg·hm^-2下降到105～210　kg·hm^-2。过度利用草场，还使有毒的醉马草成分增加。

研究表明，从1959年到1983年的24年期间，塔里木河干流土地沙漠化面积从66.23%上升到81.23%，上升了15.60%，其中以流动沙漠为主体的严重沙漠化土地面积上升了9%，中度及轻度分别上升2.91%和3.70%。上游段沙漠化土地面积从63.85%上升到75.10%，上升了11.25%；中游段沙漠化土地面积从69.23%上升到80.68%，上升了11.45%，上升量高于上游段5.58%；下游沙漠化土地面积从63.52%上升到85.57%，上升了22.05%。随着沙漠化土地面积的扩大，风沙尘埃天气显著增加。以尉犁县为例，20世纪70年代平均每年风沙日数108　d，扬沙日数49　d，浮尘日数44.7　d，比20世纪60年代的平均值增加两倍。20世纪80年代和90年代又显著增加。塔里木河下游垦区的风沙日数现在有130多天，浮尘日高达180　d。

2.4　生态变化的相关因子分析与环境解释

水是内陆干旱区诸生态因子中最主要的限制因子之一。塔里木河流域的生态问题主要是由地表径流减少和由此所带来的水质劣变、地下水位下降等因素造成的。通过以上分析，我们明确了地表径流减少的根本原因是人类活动，并对人类活动的影响量进行了定性与定量的分析。那么，对于人类活动，我们感兴趣的是人类活动诸因子与地表径流之间的作用关系或造成径流减少的人类驱动因子是什么。

为此，本文选取塔里木河流域干流上中游为典型研究区，收集了典型研究区1957～2003年的社会经济发展指标，结合英巴扎水文站相应时段的水文观测资料，对人类活动诸因子进行主成分分析。首先对数据进行标准化处理，以消除不同量纲的影响。数据反映出主要社会经济指标，在过去的近半个世纪中均表现出稳步上升的趋势。通过相关分析表明，主要社会经济指标与英巴扎水文站径流量都具有很好的相关性。

选取研究区1957～2003年英巴扎水文站地表径流变化作为分析对象。主成分分析(principal component analysis)的方法，适用于探讨研究区地表径流量变化与影响因子的相互关系。根据PCA方法以及研究区现有资料，应用SPSS软件包，选取9个分析因子：x₁为总人口(万人)；x₂农业人口(万人)；x₃耕地总面积(10³　hm²)；x₄为粮食作物种植面积(10³ hm²)；x₅为经济作物种植面积(10³　hm²)；x₆为牲畜年末存栏量(10⁴头、只)；x₇为国内生产总值(10⁴元)；x₈为第一产业国内生产总值(10⁴元)；x₉为第二产业国内生产总值(10⁴元)；x₁₀为农机总动力(10⁴元)；Y为英巴扎水文站年径流量(10⁸　m³)。对以上因子进行主成分分析，KMO检验值为0.744；Bartlett球形检验值为0.000，因此对以上因子进行主成分分析是非常适合的。主成分分析结果表明，第一、第二主成分的累计贡献率83.885%(表1-5-6)，符合分析要求，得出提取2个主因子可以解释大部分的变异，由此进一步得出主成分载荷矩阵(表1-5-7)。主成分载荷是主成分与变量之间的相关系数。可以看出，第一主成分与观测变量x₁、x₅、x₆、x₇、x₈、x₉、x₁₀有较大的正相关，相关性高达0.836以上；第二主成分与x₂、x₃、x₄有较大的正相关。因此，参考各变量所代表的意义，可以明确判断出，研究区地表径流量年变化的驱动因素可以归纳为与绿洲开发规模紧密联系的经济因素和人口因素两大类。构成第一主成分的因子是与绿洲开发规模紧密联系的经济因素，包括总人口、经济作物种植面积、牲畜年末存栏数量、国内生产总值、第一及第二产业国内生产总值和农机总动力。可以看出研究区属于典型的农耕地区，其经济的发展主要依靠第一产业，而且为了追求经济效益，流域大面积种植以棉花为代表的经济作物。这种种植结构从一定程度上也就决定了流域总体的用水结构。而且随着绿洲化的扩大，农业生产集约化程度提高，各种人工渠道、水利设施改变了流域的地表水循环，从而直接影响了流域的地表径流的年变化。从构成第二主成分的三个主要因子农业人口、耕地总面积、粮食作物面积来看，人口作为社会活动的主体，作为一个独特的因素，通过对农田变化的影响，对流域用水量也起着重要作用。

由于塔里木河地处世界典型的极端干旱区，生态环境十分脆弱，长期以来人类对水资源利用的不合理，出现了干流水量骤减、地下水位下降、水质恶化等问题，并由此直接导致土地退化、林草地缩小等诸多问题，使荒漠化迅速扩展，下游“绿色走廊”急剧萎缩。

表1-5-6　特征值及主成分贡献率

表1-5-7　主成分载荷矩阵