干旱影响要素

干旱影响要素_塔河流域干旱预警

2　研究区概况

2．1　地理位置

塔河流域位于我国新疆维吾尔自治区南部的塔里木盆地内，处于东经73°10′～94°05′，北纬34°55′～43°08′之间，流域面积为102．04万km2，其中国内面积为99．68万km2，国外面积为2．36万km2。塔河流域与印度、吉尔吉斯斯坦、阿富汗、巴基斯坦等中亚、西亚诸国接壤。

塔河流域地处塔里木盆地，盆地南部、西部和北部为阿尔金山、昆仑山和天山环抱，地貌呈环状结构，地势为西高东低、北高南低，平均海拔为1　000m左右。各山系海拔均在4　000m以上，盆地和平原地势起伏和缓，盆地边缘绿洲海拔为1　200m，盆地中心海拔900m左右，最低处为罗布泊，海拔为762m。地理位置见图2．1。

图2．1　塔河流域地理位置示意图

塔河流域水系由环塔里木盆地的阿克苏河、喀什噶尔河、叶尔羌河、和田河、开都河—孔雀河、迪那河、渭干河与库车河、克里雅河和车尔臣河等九大水系144条河流组成，流域面积102万km2，其中山地占47%，平原区占20%，沙漠面积占33%。流域内有5个地（州）的42个县（市）和生产建设兵团4个师的55个团场。塔河干流全长1　321km，自身不产流，历史上塔河流域的九大水系均有水汇入塔河干流。由于人类活动与气候变化等影响，目前与塔河干流有地表水力联系的只有和田河、叶尔羌河和阿克苏河三条源流，孔雀河通过扬水站从博斯腾湖抽水经库塔干渠向塔河下游灌区输水，形成“四源一干”的格局。由于“四源一干”流域面积占流域总面积的25．4%，多年平均年径流量占流域年径流总量的64．4%，对塔河的形成、发展与演变起着决定性的作用。

2．2　地形地貌

塔河流域远离海洋，地处中纬度欧亚大陆腹地，四周高山环绕，东部是塔克拉玛干大沙漠，形成了干旱环境中典型的大陆性气候。阿克苏河流域中的库玛拉克河长298km，国内段105km，在库玛拉克河以东的河漫滩，既有河渠灌溉水的入渗，又有东侧来自高台地的径流，使温宿县托乎拉一带泉流、沼泽广布。托什干河长457km，国内段长317km，由西向东穿过乌什谷地。河谷阶地发育，在各级阶地上，渠网纵横密布，大量渠系灌溉水入渗补给地下水，又在河漫滩与低阶地溢出。库玛拉克河与托什干河在阿克苏市西大桥西北15km处汇合后称阿克苏河。阿克苏河南流13km至艾里西谷口被河床中的一条带状沙洲分为两支，西支叫老大河，东支叫新大河。新、老大河在阿瓦提县以下重新汇合，向东南流与叶尔羌河相汇成塔河。阿克苏河干流至肖夹克汇入塔河，全长132km。新大河为汛期泄洪主要河道，全长113km；老大河是阿克苏市、农一师沙井子垦区和阿瓦提县灌溉引水天然河道，全长104km。阿克苏河流域河道内水量损失计算较为复杂，库玛拉克河和托什干河，普遍存在河漫滩与低阶地处的地下水溢出，阿克苏河进入平原区后，汊河较多，水系复杂，新大河和老大河两岸灌溉对河道的水量回归补给也比较明显。

和田河是目前唯一穿越塔克拉玛干沙漠的河流，是南北贯通的绿色通道，也是目前塔里木盆地三条绿色走廊（塔河干流、叶尔羌河下游、和田河下游）中保存最好的一条自然生态体系，和田河下游绿色走廊的重要性不亚于塔河下游绿色走廊。根据和田河流域来水和用水情况分析，正常年份和田河流域的水量在非汛期全部通过两渠首引至灌区，只有在汛期2～3个月有洪水下泄至和田河下游和塔河干流，因此洪水对于维持和田河流域绿色走廊的生态平衡和向下游输水起到了决定性的作用。

开都河全长560km，河流出山口至博斯腾湖河段长139km，河段内水量损失率为6%。孔雀河是无支流水系，唯一源头来自博斯腾湖，其原来终点为罗布湖，后因灌溉农业发展，下游来水量急剧衰竭，河道断流，罗布湖于1972年完全干涸。孔雀河作为塔河一条重要的源流，被誉为巴州人民的“母亲河”，其下游绿色走廊与塔河下游绿色走廊共同组成塔里木盆地东北缘的天然绿色屏障。由于孔雀河下游远离交通干线、人迹罕至，该区又处于核试验禁区，再加上水资源极度匮乏，因此人们无力顾及这一地区的生态环境保护问题。

流域北倚天山，西临帕米尔高原，南凭昆仑山、阿尔金山，三面高山耸立，地势西高东低。来自昆仑山、天山的河流搬运大量泥沙，堆积在山麓和平原区，形成广阔的冲、洪积平原及三角洲平原，以塔河干流最大。根据其成因和物质组成，山区以下分为下面三种地貌带。

山麓砾漠带：为河流出山口形成的冲洪积扇，主要为卵砾质沉积物，在昆仑山北麓分布高度2　000～1　000m，宽30～40km；天山南麓高度1　300～1　000m，宽10～15km。地下水位较深，地面干燥，植被稀疏。

冲洪积平原绿洲带：位于山麓砾漠带与沙漠之间，由冲洪积扇下部及扇缘溢出带，河流中、下游及三角洲组成。因受水源的制约，绿洲呈不连续分布。昆仑山北麓分布在1　500～2　000m，宽5～120km不等；天山南麓分布在1　200～920m，宽度较大；坡降平缓，水源充足，引水便利，是流域的农牧业分布区。

塔克拉玛干沙漠区：以流动沙丘为主，沙丘高大，形态复杂，主要有沙垄、新月型沙丘链、金字塔沙山等。

塔河流域从上游到下游依次为高山、平原和荒漠。联系高山和沙漠的是一些大、中、小河流，以高山的降水与冰川积雪的融水为主要水源，流经山坡下的洪积平原，最终流入沙漠中的湖泊湿地或消失于沙漠中。水资源的形成、运移及转化大致可分为3个区：Ⅰ区——山区，是塔河的产水区；Ⅱ区——绿洲和绿洲荒漠交错带，是水的耗散区；Ⅲ区——荒漠区，是水的消失区，见图2．2。

图2．2　塔河流域水分转化及分区示意图

2．3　气候特征

塔河流域远离海洋，地处中纬度欧亚大陆腹地，西、南、北三面高山环绕，形成了干旱环境中典型的大陆性气候。其特点是：降水稀少、蒸发强烈，四季气候悬殊，温差大，多风沙、浮尘天气，日照时间长，光热资源丰富。气温年较差（年内最高气温与最低气温差）和日较差（日内最高气温与最低气温差）都很大，年平均日较差为14～16℃，年最大日较差一般在25℃以上。年平均气温除高寒山区外多在3．3～12℃之间。夏热冬寒是大陆性气候的显著特征，夏季7月平均气温为20～30℃，冬季1月平均气温为－10～－20℃。

冲洪积平原及塔里木盆地，≥10℃积温多在4　000℃以上，持续180～200天；在山区，≥10℃积温少于2　000℃；一般纬度北移一度，≥10℃积温约减少100℃，持续天数缩短4天。按热量划分，塔河流域属于干旱暖温带。年日照时数在2　550～3　500h左右，无霜期190～220天。

在高山环列和远离海洋的地形地貌、水文气象等因素综合影响下，全流域降水稀少，降水量地区分布差异很大。广大平原一般无降水径流发生，盆地中部存在大面积荒漠无流区。降水量的地区分布，总的趋势是北部多于南部，西部多于东部；山地多于平原；山地一般为200～500mm，盆地边缘50～80mm，东南缘20～30mm，盆地中心约10mm左右。全流域多年平均年降水量为116．8mm，受水汽条件和地理位置的影响，“四源一干”多年平均年降水量为236．7mm，是降水量较多的区域。而蒸散发量很大，以E－601型蒸发皿的蒸发量计，一般山区为800～1　200mm，平原盆地1　600～2　200mm。

2．4　水文特征

2．4．1　水文循环

与西北干旱区众多内陆河流一样，塔河流域的上游山区径流形成于人烟稀少的高海拔地区，河道承接了大量冰雪融水和天然降雨；径流出山口后以地表水与地下水两种形式相互转化，大量径流滋养了绿洲生态系统，创造了富有生气和活力的绿洲农业，为水资源主要的开发利用区和消耗区；其后径流流入荒漠平原区，地表水转化为地下水和土壤水养育了面积广阔的天然植被，并随着水分的不断蒸发和渗漏，最终消失或形成湖泊。塔河流域研究区的水文循环基本过程见图2．3。水文循环被描述为山区水文过程、绿洲水文过程与荒漠水文过程，山区水文过程主要以出山口径流及少量地下水潜流形式转化为绿洲水文过程，绿洲水文过程受人类社会经济活动而变化剧烈并影响着荒漠水文过程。

图2．3　塔河流域水文循环示意图

降水、蒸发和径流等水文要素垂直地带性分布规律明显。从高山、中山到山前平原，再到荒漠、沙漠，随着海拔高程降低，降水量依次减少，蒸发能力依次增大。高山区分布丰厚的山地冰川，干旱指数小于2，是湿润区；中山区是半湿润区，干旱指数2～5；低山带及山间盆地是半干旱区，干旱指数5～10；山前平原，干旱指数在8～20，是干旱带；戈壁、沙漠，干旱指数在20以上，塔克拉玛干沙漠腹地和库木塔格沙漠区可达100以上，是极干旱区。河流发源于高寒山区，穿过绿洲，消失在荒漠和沙漠地带。而山前平原中的绿洲是最强烈的径流消耗区和转化区。

塔里木盆地四周高山环抱，在地质历史时期，由于地壳运动的作用，褶皱带成为山区，沉降带组成盆地。山区降水所形成的地表河流，均呈向心水系向盆地汇集。地表河流在向盆地汇水的径流过程中，经历了不同的岩相地貌带，转化补给形成了具有不同水力特征的地下水系统，即潜水含水系统－潜水承压水系统－承压水系统。山前地带沉积有厚度很大的第四纪冲洪积层，河流出山口进入山前带后发生散流渗漏，大量补给地下水，成为平原区地下水的形成区。鉴于该地带岩性颗粒粗大，地下水径流强，形成单一结构、水质优良的潜水富集区。在山前带冲击洪积扇以下的冲洪积平原或冲洪积－湖积平原区，河流流量变小或断流，地下水获得的补给有限，由于岩性颗粒变细，含水层富水性变差，且上部潜水已大部盐化，仅在地下深处埋藏有水质较好、水量较小的空隙承压水。由此可见，以水流为主要动力的干旱内陆河流域山前冲洪积扇缘、潜水溢出带、冲积平原的水文地质和土壤具有明显的分带性。从水文地质条件看，从单一结构的潜水含水层逐步过渡到潜水与承压水二元结构；地下水由水平径流形成逐步过渡到垂向运动，地下水埋深由深变浅，水质由好逐渐溶解、浓缩为微咸水；土壤由粗颗粒沙质土逐渐过渡到细颗粒的黏性土，含盐量与有机质逐渐增加。为此，要选择适应于这类水文地质条件与土壤条件的产业结构布局、灌排技术体系、水资源及地下水利用和保护模式，制定适应于流域水文地质条件的地下水开发利用的模式。

根据干旱区内陆河流域地形地貌和水资源形成、运移与消耗过程的特点，无论从来水和用水的角度，还是从利用和保护的角度来看，对一个流域来说，山区、绿洲和荒漠生态是一个完整的水循环过程，是内陆干旱区水文系统的三大组成部分。绿洲水循环强烈的人为作用与荒漠水循环自然衰竭变化是一个自上而下响应敏感的单向过程。绿洲经济和荒漠生态是内陆干旱区水资源利用的两大竞争性用户，处于河流下游的荒漠生态用水，在不受水权保护的情况下，只能是被动的受害者。就干旱区内陆河流域水资源合理利用、生态环境保护而言，绿洲水文与荒漠水文是一个有机的整体。

2．4．2　降水与蒸发

塔河流域属暖温带极端干旱气候，该区多晴少雨，日照时间长，光热资源丰富。全流域多年平均降水量为116．8mm，干流仅为17．4～42．8mm。流域内蒸发强烈，山区一般为800～1　200mm，平原盆地为1　600～2　200mm。干旱指数高寒山区在2～5之间，戈壁平原达20以上，绿洲平原在5～20之间。夏季7月平均气温为20～30℃，冬季1月平均气温为－10～－20℃。年平均日较差（一日中最高气温与最低气温之差）4～16℃，年最大日较差一般在25℃以上。年平均气温在10℃以上，≥10℃年积温在3　300～4　400℃以上。年日照时数在2　400～3　200h之间，无霜期160～240天。

塔河流域高山环绕盆地，荒漠包围绿洲，植被种群数量少，覆盖度低，土地沙漠化和盐碱化严重，生态环境脆弱。干流区天然林以胡杨为主，灌木以红柳、盐穗木为主，它们生长的盛衰、覆盖度的大小，因水分条件的优劣而异。其生长较好的主要分布在阿拉尔到铁干里克河段的沿岸，远离现代河道和铁干里克以下，都有不同程度的抑制或衰败。

在远离海洋和高山环列的综合影响下，全流域降水稀少，降水量时空分布差异很大。流域降水量主要集中在春、夏两季，其中春季占15%～33%；夏季占40%～60%；秋季占10%～20%；冬季只占5%～10%。如图2．4所示，广大平原一般无降水径流发生，在流域北部西北边缘靠近高山区形成了相对丰水带，这也是塔河流域的主要供给水源区。盆地中部存在大面积荒漠无流区。降水量的地区分布，总的趋势是北部多于南部，西部多于东部，山地多于平原；山地一般为200～500mm，盆地边缘50～80mm，东南缘20～30mm，盆地中心约10mm左右。全流域多年平均年降水量为116．8mm，受水汽条件和地理位置的影响，“四源一干”多年平均年降水量为236．7mm，是降水量较多的区域。蒸发能力很强，多年平均水面蒸发量在855．4～1　746mm之间，是降雨量的20倍左右。主要集中在4～9月，一般山区为800～1　200mm，平原盆地和沙漠为1　600～2　200mm（以折算E－601型蒸发器的蒸发量计算）。流域内气象要素时空分布见图2．4、图2．5。

（b）年平均温度

图2．4　气象要素空间分布

图2．5　气象要素时间分布

2．4．3　径流

塔河干流洪水系由三源流山区暴雨及冰雪融水共同形成。据统计，三源流域内共有冰川7　200多条，冰川总面积13　100余km2，冰川储水量1　670km3，年冰川融水量超过100亿m3，冰川融水比超过60%。因此，塔河洪水以冰雪融水为主，凡出现峰高、量大、历时长的洪水，全系冰雪融水所致。塔里木盆地夏季常处于高压天气系统控制之下，天气晴朗，光热充足，能提供冰雪融水的热量条件，如遇气温升幅大，高温持续时间长的气候条件，河流就会发生洪水，特别是昆仑山北坡的气温是影响洪水的首要因素。暴雨洪水在天山南坡相对较多，昆仑山中低山带亦有出现。这类洪水一般表现为峰高、量小、历时短。

据阿拉尔站1956—2000年44年实测资料统计，阿拉尔的年最大洪水发生在7～9月，7月发生11次，占25%，8月发生30次，占68%，9月发生3次，占7%，由此可见，8月份是年最大洪水多发期。阿拉尔站的洪水过程形式呈单峰或连续多峰型。单峰型洪水过程是由某一条源流或三源流洪峰遭遇形成，这种类型的洪水是塔河干流大洪水的主要形式，其特点是洪峰高、洪量大，对塔河干流威胁严重；连续多峰型洪水过程是由三源流洪水交错形成，这种类型洪水的过程矮胖，洪峰一般不高，但洪量较大，历时较长，洪水沿程削减相对较少，对塔河干流威胁也较严重。

1999年以前，塔河干流沿程洪水削峰率均较大，且中游河段大于上游河段。随着阿拉尔洪峰流量的减小，沿程洪峰削减率也相应减小。在现状条件下，即使阿拉尔站的洪峰流量达2　280m3/s，到达其下游的乌斯满站已基本上没有洪峰过程。

塔河近期治理工程实施前洪水由上游传播到下游需要25天左右，其中阿拉尔—新其满2～3天，新其满—英巴扎3～5天，英巴扎—乌斯满5～7天，乌斯满—恰拉8～10天。2001年输水堤建成后，洪水传播时间有所缩短，英巴扎—乌斯满为2天左右。

2．4．4　自然状态下径流过程

研究区内协合拉水文站和沙里桂兰克水文站位于阿克苏河流域出山口，受人类活动干扰小，其径流过程可认为是自然状态下。受极端干旱气候条件以及补给源的影响，塔河流域年内月水文过程表现出显著的丰枯特点：10～次年4月为枯水期，4～10月为丰水期，源流出山口水文站5～9月的水量就占年径流量的80%。从水文过程的起涨和消落时间看，自然水文过程的起涨时间基本上在4月，消落时间在10月。自然状态下的年内月水量变化的分析表明，年内水文过程水量高度集中；水量起涨与消落时间具有显著的规律性：4月起涨，10月消退；年内过程变化较大。源流区自然状态下的2个水文站12个月的来水量多年变化过程表明，多年水文过程较平稳，2个出山口水文站多年月平均变异系数为0．26，其中枯水期最为稳定，多年平均为0．19，丰水期变化较大，为0．33。从各站12个月的变异系数来看，4月的水量变动最大，其次是9月，这2个月是水文过程的起涨和消落的时间，水量变化最大。从年际月水量的丰枯比来看，年际丰枯变化远小于年内的丰枯变化，表现了年际变化的平稳性特点。年际多年平均丰枯比为3．36，枯水期的丰枯比要小于丰水期，也就是说冬季较为稳定，夏季变化则较大。自然状态下的年际月水量变化的分析表明，自然状态下的年际水文过程变化不大，表现出较稳定的特点。

阿克苏河流域多年来水过程见图2．6，两站年来水量均呈增加趋势，且协合拉水文站增加趋势较沙里桂兰克水文站明显。

图2．6　阿克苏河流域1957—2008年自然来水过程及其变化趋势

2．4．5　受干扰后径流过程

研究区的人类活动主要表现为水土资源的开发利用。土地资源的利用受到水资源条件的刚性约束，因此以农业用地为主的土地利用模式对水源条件具有高度的依赖性，形成典型的干旱区灌溉农业。1958年以来，区域内的人类修建了大量的水利设施，通过对自然径流的再调节，来为农业生产服务。因此，人类对水文过程的干扰表现出与水土开发利用活动密切相关的特点。

与自然状态下的年内月水文过程相同，受干扰后的年内月水文过程也表现为显著的丰枯特点，但丰、枯水期时间发生了变化：9～次年6月为枯水期，6～9月为丰水期，枯水期增长，丰水期缩短；丰水期（6～9月）的径流量占年径流的74%。受干扰下，水文过程的起涨和消退时间产生了改变，水文过程的起涨时间基本上为6月，与自然状态下的起涨时间相比，推迟了2个月，这是由于4、5月是农业生产大量用水的时间；而消落时间为9月，提前了一个月。受干扰下，多年月水量变异系数为1．24，与自然状态下的年内月水量变化相比，变化不大，但年内丰枯比为60．3，变化较大。

与自然状态下来水相比，受干扰后来水过程变得较不稳定，变异系数增大很多，以5月和6月变化最大，受干扰最强。从年际月水量的丰枯比来看，年际水量丰枯比较大，年际多年平均丰枯水量比为11．5，是自然状态下的丰枯水量比的3．4倍；年内变化也很大，丰枯水量比最小的1月，其值达到4．13，5月和6月多年月平均丰枯水量比则高达34。随着塔河水库、拦河闸堰，引水工程等河流水利工程的兴建，使年内分配不均的经历过程按照人类农业生产的需要进行再分配，从而改变了径流的时空分布。受干扰下，年内水文过程发生较大变化，主要表现在：缩短了丰水期时段，使水量起涨时间延后，消退时间提前，增大了年内丰枯变化。而年际间的水文过程的变化，则由原来较为稳定的来水过程变得很不稳定，见图2．7。

图2．7　塔河干流区1957—2006年受干扰后来水过程及其变化趋势

将受干扰后的丰水期来水过程（以阿拉尔水文站与新渠满水文站为例）与源流自然来水过程相比，多年来水过程的丰枯变化规律基本是一致的；从来水过程的趋势来看，源流来水总体上呈增加的趋势，受干扰后的来水过程却呈下降趋势，即来水量呈减少趋势。这是由于区域内人类生产和生活用水量与耗水量大大增加。随着耗水量的增加，由于区域蒸发强烈，输入到大气的蒸散发量，也随着增加；此外，水库等水利设施的修建扩大了水面面积，也大大增加了水量蒸散发损失，从而增大了水资源的损耗量，使输往下游的水量减少，但这种耗损量并未完全改变年径流的丰枯特性。分析结果表明，人类活动对年径流具有一定的干扰作用，改变了水循环要素的量，使径流年内过程发生变化，年际变化增大，但并没有改变水文过程基本规律和特性。

2．4．6　径流变化特征分析

塔里木河流域源流区河流主要以冰川和永久性积雪补给为主，塔里木河上游近50年的多年平均径流量为44．61亿m3，年径流量最大值发生在1978年，最大值为69．69亿m3，年径流量最小值发生在1972年，最小值为8．54亿m3，最大值与最小值相差61．15亿m3，离差系数在0．23～0．30之间，径流的年际变化幅度较小，这正反映了塔里木河流域属于典型的大陆性干旱气候的特点。自80年代以来，受气候变化的影响，1981—2007年的年径流量变化幅度明显要比1958—1980年小，见表2．1。

表2．1　塔里木河上游年径流量的变化趋势

在过去50年里，塔里木河上游总体上呈现下降趋势。其中，1958—1980年呈明显下降趋势，1981—2007年呈下降趋势，但下降趋势不显著。根据Kendall秩次相关分析结果：在过去的50年里，年径流量的MK统计值为－1．14，未通过置信度为95%的显著性检验，表明在过去50年里年径流量具有微弱的下降趋势。1958—1980年、1981—2007年的MK统计量分别为－1．82和－0．23，均未通过置信度为95%的显著性检验，但1958—1980年的年径流量下降趋势要比1981—2007年显著得多，这反映了近年来气候变化导致流域内气温升高、降水量增加，呈明显增湿趋势的事实。

图2．8　塔里木河上游年径流量累积平均曲线

小波方差图可以确定一个序列的主要尺度周期，根据近50年年径流序列小波方差图可以看出，塔里木河流域上游存在着年际尺度6年和年际尺度14年两个层次周期，且主震荡周期为14年，见图2．9（a）。

小波变换的时频变化图能够反映出年径流量时间尺度变化、位相结构及其突变点分布。图2．9（b）给出了年径流序列Morlet小波变换系数实部的时频分布，图中正值用实线表示，表示径流量偏多；负值用虚线表示，表示径流量偏少。其中13～15年周期表现十分突出，其中心尺度为14年，主要发生在1958—1971年和1999—2007年，而且尺度比较稳定。4～7年周期变换较强，其中心尺度为6年。图2．9（c）给出了6年和14年尺度周期的小波变换系数实部变化过程，对于14年的中尺度周期，从1958—2007年间明显存在着11次丰枯交替，突变点分别为1963年、1969年、1968年、1977年、1982年、1986年、1991年、1995年、2000年、2004年；对于6年的小尺度周期，变化更频繁且比较零乱，出现25次丰枯交替，对应的突变点的位置及分布相当清晰，丰枯变化比较剧烈；不同时域强度明显不同，局部性差异较大。从主震荡周期可以推知未来1年内塔里木河上游年径流量将处于偏丰期，接下来进入一个持续时间大约为5年的偏枯期。

图2．9　1958—2007年径流量小波变换分析

2．4．7　径流演变诊断分析

气候变化引起水文循环的变化，导致水资源在时空上的重新分布和水资源数量的改变，进而影响生态环境和社会经济的发展。我国的河川径流对气候变化的敏感性由南向北，自湿润地区向干旱地区增强。随着温度的进一步升高，西北地区的高山冰川将会萎缩，西北地区的大范围积雪也会提前消退，以冰雪融水补给为主的河流流量可能会因此减少，在将来甚至可能会消失。选取塔里木河三大源流（阿克苏河、和田河、叶尔羌河）汇合处的阿拉尔水文站以上流域为研究区域，选用研究区域内阿克苏、巴楚、乌恰等12个气象站1960—2005年共46年的实测气象资料（面雨量采用泰森多边形法计算得到），以及阿拉尔站同期的年径流量资料，研究区域水系及站点分布见图2．10。

图2．10　塔里木河上游流域水系示意图

在过去46年里，塔里木河上游的平均温度和降雨量的离差系数介于0～0．4之间，年际变化相对稳定，MK检验值分别通过了置信度99%、95%的显著性趋势检验，表明两者具有明显的上升趋势，这正反映了流域内气温升高、降水量增加，呈明显增湿趋势的事实。运用Kendall相关法分析塔里木河上游流域年平均温度、年降雨量与年径流量的相关性。年径流量与年平均温度的相关系数是0．014，在0．01的显著水平下，进行双侧T检验，显著性概率是0．887，因此可以得出：塔里木河上游流域径流量的年际变化受温度变化的影响很小。年径流量与年降雨量的相关系数是0．034，在0．01的显著水平下，进行双侧T检验，显著性概率是0．74，由此可以得出：塔里木河上游流域径流量的年际变化受降雨变化的影响很小，见表2．2。

表2．2　塔里木河上游水文要素的变化趋势及相关关系

注：（＋）表示上升趋势；（－）表示下降趋势；＊代表趋势达到95%的置信水平；＊＊代表趋势达到99%的置信水平。

极端气候事件作为一种稀有事件，具有突发性强，损害性大的特点，是气候变化研究的重点内容。近年来，塔里木河上游的极端气候事件频繁发生，给人类经济社会及自然环境造成巨大影响。从世界气象组织（WMO）公布的27个气候指标中选取其中的10个，分析塔里木河上游极端气候的变化趋势，进而分析径流的气候影响因子。计算结果如图2．11所示。结果表明：日最高气温年最小值、日最低气温年最小值具有明显上升趋势；年平均日温差具有明显下降趋势；日最高温度年最大值与年径流量呈现显著正相关，具有很好的相关性，见表2．3。

图2．11　塔里木河上游气候指标计算结果

表2．3　塔里木河上游气候指标的变化趋势及相关关系

注：（＋）表示上升趋势；（－）表示下降趋势；＊代表趋势达到95%的置信水平；＊＊代表趋势达到99%的置信水平；Rnn指标的阈值采用1．73mm。

人类活动对径流量的影响主要可概括为两个方面：一是通过大规模水土保持改变流域的土地利用、土地覆被状况，从而改变下垫面状况，进而影响径流的产生与汇集过程；二是通过大量引水以满足灌溉、工业和城镇的需水要求，使河流径流大幅度减少。90年代初，为了满足塔里木河上游流域不断扩大的耕地对水资源的需求，生产建设兵团建成了大量引水灌溉工程，引水量占河川径流总量的份额逐步上升到80%以上，叶尔羌河灌区的引水率接近100%，从而导致源流汇入干流水量的逐年减少。为分析引水灌溉工程建设前后塔里木河上游径流变化特点，以引水灌溉工程的开工时间点和竣工时间点为分界点，将资料分为两段：天然径流段（1960—1989年）和引水灌溉工程建设影响段（1994—2005年）。

塔里木河上游径流对日最高温度的响应比对降水和平均温度的响应更加显著。因此通过日最高温度分析气候因素对天然水文情势的影响，最终评价人类活动对塔里木河上游流域河川径流的影响。对塔里木河上游日最高气温的跳跃成分进行识别检验，以分析气候因素对径流的影响。采用有序聚类分析法识别出日最高温度最有可能的突变点是1985年，分别对1960—1985、1986—2005的日最高温度变化趋势进行分析，发现两个时期的日最高温度变化幅度与变化趋势大致相符。采用游程检验法定量分析两个时期的差异，检验值为1．09，未通过置信度为90%的显著性检验，表明两个时期的日最高温度具有微弱差别，故可直接采用1960—2005年的日径流量资料定量评价人类活动对水文变异的影响，见表2．4。

表2．4　塔里木河上游日最高温度变化趋势

由IHA计算结果分析径流变化：天然径流经引水灌溉工程调节后在量上发生了显著的改变，塔里木河上游流域6月份月平均流量增加幅度最大，其次为9月份。最明显的水文变异发生在6月份（汛期）及1月、3月、4月、5月、11月、12月份（非汛期）。可见，引水灌溉工程对非汛期径流的影响很大。塔里木河上游年最小1天、3天、7天、30天、90天流量水文变异属于高度改变，而年最大值水文变异属于低度改变。塔河上游引水灌溉工程前后年最大、最小径流出现日期比较稳定。通常将流量值的第25百分位数和第75百分位数作为高、低流量的阈值。高流量维系着河漫滩和主河道的水力联系，为河漫滩的生物种群提供足够的径流和营养供给，低流量持续时间则影响河流的水质、下游水资源的供给。所以高、低流量及其持续时间是很重要的水文学、水力学、生态学指标。引水灌溉工程减小了高流量的出现频率，同时减少了低流量的持续时间，对河流的生态维护及下游水资源的利用造成很大压力。受引水灌溉工程的影响日流量平均升率减小。这主要是由于当防洪风险处于可控状态时，引水灌溉工程便会蓄存洪水以备枯水期使用，延缓了天然洪水的涨落速度。同时引水灌溉工程经常一段时期内按同一流量泄水，导致年内流量的反转次数呈中度改变，如图2．12所示。

图2．12　塔里木河上游水文变异度示意图

2．5　河流水系

主要河流特征见表2．5，塔河流域水系分布见图2．13。

表2．5　塔河流域“四源一干”特征表

注：（　）号内为境外面积。

图2．13　塔河流域水系分布图

塔里木河干流位于盆地腹地，流域面积1．76万km2，属平原型河流。从肖夹克至英巴扎为上游，河道长495km，河道纵坡1/4　600到1/6　300，河床下切深度2～4m，河道比较顺直，河道水面宽一般在500～1　000m，河漫滩发育，阶地不明显。英巴扎至恰拉为中游，河道长398km，河道纵坡1/5　700至1/7　000，水面宽一般在200～500m，河道弯曲，水流缓慢，土质松散，泥沙沉积严重，河床不断抬升，加之人为扒口，致使中游河段形成众多汊道。恰拉以下至台特玛湖为下游，河道长428km。河道纵坡较中游段大，为1/4　500至1/7　900，河床下切一般为3～5m，河床宽约100m左右，比较稳定。

阿克苏河由源自吉尔吉斯斯坦的库玛拉克河和托什干河两大支流组成，河流全长588km，两大支流在西大桥水文站汇合后，始称阿克苏河，流经山前平原区，在肖夹克汇入塔河干流。流域面积6．23万km2（国境外流域面积1．95万km2），其中山区面积4．32万km2，平原区面积1．91万km2。叶尔羌河发源于喀喇昆仑山北坡，由主流克勒青河和支流塔什库尔干河组成，进入平原区后，还有提兹那甫河、柯克亚河和乌鲁克河等支流独立水系。叶尔羌河全长1　165km，流域面积7．98万km2（境外面积0．28万km2），其中山区面积5．69万km2，平原区面积2．29 万km2。叶尔羌河在出平原灌区后，流经200km的沙漠段到达塔河。

和田河上游的玉龙喀什河与喀拉喀什河，分别发源于昆仑山和喀喇昆仑山北坡，在阔什拉什汇合后，由南向北穿越塔克拉玛干大沙漠319km后，汇入塔河干流。流域面积4．93万km2，其中山区面积3．80万km2，平原区面积1．13万km2。

开都－孔雀河流域面积4．96万km2，其中山区面积3．30万km2，平原区面积1．66万km2。开都河发源于天山中部，全长560km，流经100多km的焉耆盆地后注入博斯腾湖。从博斯腾湖流出后为孔雀河。20世纪20年代，孔雀河水曾注入罗布泊，河道全长942km，进入70年代后，流程缩短为520余km，1972年罗布泊完全干枯。随着入湖水量的减少，博斯腾湖水位下降，湖水出流难以满足孔雀河灌区农业生产需要。同时为加强博斯腾湖水循环，改善博斯腾湖水质，1982年修建了博斯腾湖抽水泵站及输水干渠，每年向孔雀河供水约10亿m3，其中约2．5亿m3水量通过库塔干渠输入恰拉水库灌区。

塔河最长河源为叶尔羌河上游的支流拉斯开木河，尾闾为台特玛湖，河流全长2　437km。塔河干流始于阿克苏河、叶尔羌河、和田河的汇合口——肖夹克，归宿于台特玛湖，全长为1　321km。塔河干流以及源流两岸的胡杨、柽柳和草甸，形成乔灌草的绿色植被带，是塔里木盆地四周人工绿洲的生态屏障，塔河干流下游恰拉以下的南北向河道两岸更是分隔塔克拉玛干和库姆塔格两大沙漠的绿色走廊，走廊面积为4　240km2。

表2．6　塔河流域八大水系主要河流统计表

续表2．6

注：括号内为国外集水面积。

（1）塔河干流

塔河是典型的干旱区内陆河流，自身不产流，干流的水量主要由阿克苏河、叶尔羌河、和田河三源流补给。干流肖夹克至台特玛湖全长1　321km，流域面积1．76万km2。干流阿拉尔断面多年平均径流量45．9亿m3（1956年7月～2005年6月），输沙量2　228万t。

（2）阿克苏河

阿克苏河是现在塔河干流供水最多的一条源流。阿克苏河由库玛拉克河和托什干河两大支流汇合而成。两大支流分别发源于吉尔吉斯斯坦的阔科沙岭和哈拉铁热克山脉，入境后在阿克苏市西大桥上游汇合，称阿克苏河，流至肖夹克汇入塔河干流，流域面积6．83万km2。

（3）叶尔羌河

叶尔羌河是塔河的主要源流之一，发源于昆仑山南麓南达坂。叶尔羌河由主流克勒青河和支流塔什库尔干河组成，还有提孜那甫河、柯柯亚河和乌鲁克河等3条支流。叶尔羌河全长1　165km，流域面积7．91万km2。在出平原灌区后，流经200km的沙漠段后汇入塔河干流。

（4）和田河

和田河的两大支流玉龙喀什河与喀拉喀什河，分别发源于昆仑山和喀喇昆仑山北坡，在阔什拉什汇合后，由南向北穿越塔克拉玛干大沙漠319km后，汇入塔河干流。流域面积6．11万km2。

（5）开都—孔雀河

开都河发源于天山南麓中部依连哈比尔尕山，全长560km，流经焉耆盆地后注入博斯腾湖，从博斯腾湖流出后称为孔雀河。开都—孔雀河流域面积为5．00万km2。博斯腾湖是我国最大的内陆淡水湖，湖面面积为1　228km2。1982年修建了博斯腾湖西泵站及输水干渠，2007年修建了博斯腾湖东泵站及输水干渠工程，将湖水扬入孔雀河。

（6）喀什噶尔河

喀什噶尔河流域包括克孜河、盖孜河、库山河、依格孜牙河、恰克玛克河、布谷孜河6条河流。喀什噶尔河自西流向东，全长445．5km，我国境内长371．8km。流域面积为8．14万km2。

（7）渭干河

渭干河上游干流称木扎提河，源于西天山山脉汗腾格里峰东坡。渭干河干流长284km，其中木扎提河长252km，克孜尔水库以下渭干河长32km。渭干河流域面积为4．25万km2。

（8）车尔臣河

车尔臣河发源于昆仑山北坡的木孜塔格峰，是流向塔里木盆地的内陆河，河道全长813km，流域面积为14．05万km2。

（9）主要湖泊

塔河流域主要湖泊有博斯腾湖和台特玛湖。博斯腾湖面积为1　228km2，是我国最大的内陆淡水湖之一，它既是开都河的归宿，又是孔雀河的源头。博斯腾湖距博湖县城14km，湖面海拔1　048m，东西长55km，南北宽25km，略呈三角形。湖水最深16m，最浅0．8～2m，平均深度10m左右。

台特玛湖位于塔河下游尾闾，是塔河及车尔臣河的中间湖。塔河断流前，下游河水曾一度流到罗布泊，后来河水改道，流入东南方向的台特玛湖。塔河下游断流后，尾闾台特玛湖变成了一片沙漠。近年来通过向下游生态输水，结束了塔河下游河道持续断流和台特玛湖干涸近30年的历史，台特玛湖的生态得到一定程度的恢复。

2．6　水资源开发利用状况

现状与塔河关系密切的上游三源流（和田河、叶尔羌河、阿克苏河）多年平均河川径流量为215．98亿m3（其中国外入境57．3亿m3）；计入塔河下游开都－孔雀河流域即“四源一干”的河川径流量为256．73亿m3，占塔河全流域的64．4%。

阿克苏河、叶尔羌河、和田河和开都－孔雀河地表水资源量分别为95．33亿m3、 75．61亿m3、45．04亿m3和40．75亿m3。地下水资源与河川径流不重复量约为18．15亿m3，其中阿克苏河、叶尔羌河、和田河和开都—孔雀河分别为11．36亿m3、2．64亿m3、2．34亿m3和1．81亿m3。水资源总量为274．88亿m3，其中阿克苏河、叶尔羌河、和田河和开都—孔雀河分别为106．69亿m3、78．25亿m3、47．38亿m3 和42．56亿m3。各源流水资源量见表2．7，不同频率地表水资源量见表2．8，各源流浅层地下水补给量见表2．9。

表2．7　各源流水资源总量

表2．8　各源流地表水资源量

注：表中不同保证率下的数据均含入境的河川径流总量。

表2．9　各源流浅层地下水补给量

塔河上游三源流和开都－孔雀河流域平原区地下水天然补给量为18．15亿m3，平原区现状地下水补给量为120．18亿m3，地表与地下水的重复量为102．03亿m3，其中叶尔羌流域平原区地下水的总补给量最多，为45．98亿m3，占四条源流的38．3%，见表2．9。塔河干流区的地下水资源比较复杂，但主要为河道渗漏等补给，总补给量为27．48亿m3，其中上、中游的地下水补给量占塔河干流地下水总补给量的81．3%，见表2．10。

表2．10　干流浅层地下水补给量

总体来看，塔河流域源流水资源具有以下特点：

（1）地表水资源形成于山区，消耗于平原区，消失于荒漠区；

（2）地表径流的年际变化较小，四源流的最大和最小模比系数分别为1．36和0．79，径流年际变化不大，变差系数CV值一般为0．096～0．244；

（3）河川径流年内分配不均。6～9月来水量占全年径流量的70%～80%，大多为洪水，且洪峰高，起涨快，容易形成大洪灾；3～5月灌溉季节来水量仅占全年径流量的10%左右，极易造成春旱；

（4）平原区地下水资源主要来自地表水转化补给，不重复地下水补给量仅占总水量的6．6%。

在进入塔里木河干流的水量逐年递减的情况下，干流缺乏工程控制手段，上中游耗水量占阿拉尔断面来水面的比例不断增加，到达下游河道的水量递减更为显著，造成下游大亚海子拦河水库以下的河道断流，大地沙化，相杨林面积锐减，尾闾台特玛湖干涸。

（5）下游河道长期断流，地下水位持续下降。

塔里木河下游断流近30年，多数河道已被风沙掩埋，地下水位持续下降，地下水埋深大亚海子～英苏为5．0～8．0m左右，英苏～阿拉干地下水埋深大于10m，在阿拉干以下的河道，地下水埋深达到6．0～10．0m。这一埋深水位就是对抗旱能力极强的胡杨、柽柳也难以生存，胡杨顶部已经完全封死，长在红柳沙包上的柽柳也多以树枝为主，成带的柽柳灌丛仅生长在河床两边数百米的范围内，且断断续续，多数地区为仅残存个别植株的荒漠，地表也基本为流沙或盐壳覆盖。

2．7　社会经济

塔河流域是一个以维吾尔族为主体的多民族聚居区，有维吾尔、汉、回、柯尔克孜、塔吉克、哈萨克、乌兹别克等18个民族；行政范围包括巴音郭楞蒙古自治州、阿克苏地区、喀什地区、和田地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州以及新疆生产建设兵团的农一师、农二师、农三师及农十四师56个团场的所在区域。

2010年末，全流域总人口为1　069万人，占全疆总人口的49．01%，其中维吾尔族人口为779万人，占流域总人口的72．87%；农业人口为708万人，占流域总人口的66．23%。全流域耕地面积2　540．15万亩，农田有效灌溉面积2306万亩，林草灌溉面积1　219万亩。粮食播种面积1　078．84万亩，占全疆粮食播种面积的43．60%；粮食总产量达478．25万吨，占全疆粮食总产的52．61%；棉花播种面积1　039．43万亩，占全疆棉花播种面积的47．44%；棉花总产量达113．73万吨，占全疆棉花总产的45．88%；年末牲畜总头数2　138万头，占全疆年末牲畜总头数的57．07%。全流域国内生产总值为1　210亿元，占全疆国内生产总值的34．31%；工业总产值为727．73亿元，仅占全疆工业总产值的17．02%。目前流域城市化水平不高，工业发展落后，属于新疆维吾尔自治区的贫困地区。

2．8　生态环境

塔河流域的植被由山地和平原植被组成。山地植被具有强烈的旱化和荒漠化特征，中、低山带多寒生灌木，寒生灌木是最具代表性的旱化植被；高山带有呈片分布的森林和灌丛植被及占优势的大面积旱生、寒旱生草甸植被。

干流区天然林以胡杨为主，灌木以红柳、盐穗木为主，另有梭梭、黑刺、铃铛刺等，草本以芦苇、罗布麻、甘草、花花柴、骆驼刺等为主。它们生长的盛衰、覆盖度的大小，随水分条件的优劣而异。林灌草分布，其生长较好的主要分布在阿拉尔到铁干里克河段的沿岸，远离现代河道和铁干里克以下都有不同程度的抑制或衰败。塔河流域研究区（平原区）天然植被面积统计见表2．11。

表2．11　塔河流域研究区天然植被面积统计表

塔河流域土地沙漠化十分严重，根据1959年和1983年航片资料统计分析，24年间塔河干流区域沙漠化土地面积从66．23%上升到81．83%，上升了15．6%。其中表现为流动沙丘、沙地景观的严重沙漠化土地上升了39%。塔河干流上中游沙漠化土地集中分布于远离现代河流的塔河故道区域。下游土地沙漠化发展最为强烈，24年间沙漠化土地上升了22．05%，特别是1972年以来，大西海子以下长期处于断流状态，土地沙漠化以惊人的速度发展。在阿拉干地区严重沙漠化土地，已由1958—1978年年均增长率0．475%上升到1978—1983年年均增长率2．126%；中度沙漠化土地年均增长率亦由0．051%增加到0．108%。土地沙漠化导致气温上升，旱情加重，大风、沙尘暴日数增加，植被衰败，交通道路、农田及村庄埋没，严重威胁绿洲生存和发展。

塔河流域高山环绕盆地，荒漠包围绿洲，植被种群数量少，覆盖度低，土地沙漠化与盐碱化严重，生态环境脆弱。按照水资源的形成、转化和消耗规律，结合植被和地貌景观，塔河流域生态系统主要为径流形成区的山地生态系统，径流消耗和强烈转化区的人工绿洲生态系统，径流排泄、积累及蒸散发区的自然绿洲、水域及低湿地生态系统，严重缺水区或无水区的荒漠生态系统。由于自然环境演变和人类活动的加剧，塔河流域的生态系统发生了较大的变化，主要表现为“四个增加、四个减少”，即：人工水库、人工植被、人工渠道、人工绿洲生态增加，自然河流、天然湖泊、天然植被、天然绿洲生态减少。生态系统演变的趋势，可以概括为“两扩大”和“四缩小”，即人工绿洲与沙漠同时扩大，而处于两者之间的自然林地、草地、野生动物栖息地和水域缩小。

用生态脆弱性指数作为评价标准，阿克苏河流域的生态脆弱性属轻微脆弱，叶尔羌河流域为一般脆弱，和田河流域属中等脆弱；塔河干流区上游的生态脆弱性属一般脆弱，中游属中等脆弱，下游属严重脆弱。

2．9　干旱影响要素

灌溉农业是塔河流域绿洲农业最显著的特点，而塔河流域大部分河流年内水量分配极不均匀，在目前水利工程建设尚不能完全满足农业灌溉对水资源供给适时适量要求的情况下，旱情在各地每年都有发生，特别是春季灌溉用水供水矛盾突出，农业灌溉长期受春旱的困扰。

（1）　气温与降雨造成季节性旱情变化

由于春季时间短促，一般平原区春季升温快、风多、降雨量相对偏少，而此时山区气温上升缓慢、融雪水量小，因此在春季容易发生干旱。

入秋季节在遇到气温仍较常年偏高、干旱少雨的情况，高温少雨的天气则会加剧农田失墒和农作物水分的蒸散，出现秋旱。特别是天然草场受旱严重。

（2）供水能力不足加大了季节性旱情

水库工程是塔河流域农业灌溉最主要的抗旱工程措施，目前新疆绝大部分灌区大多以平原水库蓄水，平原水库大多建于70～80年代，受地形和工程投资的限制，平原水库一般调节库容较小，淤积严重，加之汛期蓄存的水量蒸发量大，若遇秋季河道来水偏少年份，水库蓄水量将少于一般年份，则来年春季供水量就会不足，从而导致春季旱情更加严重。近几年各地普遍在进行平原水库除险加固，致使水库蓄水受到一定影响。

（3）季节性旱情随农作物种植结构变化

春季是冬小麦浇二水及棉花播前灌溉用水高峰期，塔河流域棉花作物的种植范围广，在春季河道来水不足和水利工程供水不能满足正常年份供水的情况下，致使灌溉用水集中期的春季矛盾突出。棉花作物在春季易受气候灾害的危害，春季正值升温早，风沙、干热风频繁，土壤失墒、跑墒严重的季节，导致棉花作物复灌率增加，加大了春季灌溉用水量。春季缺水在当前新疆水资源利用中的问题十分突出，已占全年缺水总量的46%。

（4）社会经济快速发展加重了旱情程度

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，面临严重的资源性缺水问题。干旱缺水程度已超出正常旱情，采取跨流域调水解决区域水资源分布不均的矛盾是缓解水资源短缺地区干旱的根本途径。

2．10　本章小结

本章详细介绍了塔河流域的地理位置、地形地貌、河流水系及水文气象特征；分析了自然状态和受人类活动影响下主要水文站点的来水过程和变化趋势；剖析区域内的社会经济发展和水资源开发利用现状，植被及生态系统组成，干旱影响因素与旱情变化特征。