社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人類活動(dòng)對(duì)干旱的影響_塔河流域干旱預(yù)警

3　塔河流域干旱災(zāi)害特征及成因

3．1　歷史干旱災(zāi)害考證

新疆是典型的干旱半干旱地區(qū)，“荒漠綠洲，灌溉農(nóng)業(yè)”是其顯著特點(diǎn)。受氣候和地理環(huán)境的影響，生態(tài)環(huán)境脆弱，各種自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，在時(shí)空上具有洪旱災(zāi)害交替發(fā)生的特點(diǎn)。特別是部分地區(qū)及小型灌區(qū)等易旱區(qū)域連年發(fā)生持續(xù)干旱，嚴(yán)重影響了農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)，給新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重危害。通過(guò)歷史干旱資料的分析，了解新疆干旱災(zāi)害變化特征及形成的主要原因，為干旱災(zāi)害防治及研究提供參考。

3．1．1　歷史干旱

通過(guò)對(duì)《新疆通志（水利志）》、《中國(guó)氣象災(zāi)害大典（新疆卷）》、《新疆50年（1955—2005）》、《新疆維吾爾自治區(qū)抗旱規(guī)劃報(bào)告》、《中國(guó)歷史干旱（1949—2000）》、《新疆災(zāi)荒史》、《新疆減災(zāi)40年》等大量文獻(xiàn)的查閱，以及對(duì)新疆防汛抗旱辦公室提供的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行系統(tǒng)地整理、分析，總結(jié)出塔河流域歷史上發(fā)生的干旱災(zāi)害記錄，見(jiàn)表3．1。

表3．1　塔河流域干旱災(zāi)害簡(jiǎn)表

續(xù)表3．1

續(xù)表3．1

3．1．2　典型干旱災(zāi)害

歷史上，新疆曾發(fā)生過(guò)許多典型的干旱災(zāi)害，主要有：

清光緒二年（公元1876年），新疆南路（吐魯番、托克遜、焉耆、喀什等縣）旱蝗為災(zāi)，收成歉薄。

民國(guó)三十六年（公元1947年）六月，現(xiàn)巴音郭楞自治州和喀什地區(qū)干旱。和碩縣曲惠村因缺水，八成的小麥枯死。鐵里木華“滿目瘡痍，豁免半數(shù)額糧”。

1974年新疆大旱，巴音郭楞自治州兵團(tuán)農(nóng)二師30團(tuán)（庫(kù)爾勒市郊）受災(zāi)面積為8　300畝。和碩縣受災(zāi)農(nóng)田面積達(dá)17．6萬(wàn)畝，包括小麥5　920畝、水稻1　692畝、油菜2　990畝。阿克蘇地區(qū)烏什縣托什干河河水徑流量?jī)H有歷年同期的20%。5萬(wàn)畝小麥?zhǔn)懿煌潭鹊暮禐?zāi)；水稻推遲播種，少種1～5萬(wàn)畝；牲畜缺少糧草，加上疫病流行，死亡大畜和幼羔4萬(wàn)余頭。

1998年，南疆的和田、喀什、克州、阿克蘇一帶春季旱情嚴(yán)重。昆侖山以北地區(qū)河道來(lái)水明顯減少，同比減少量最多達(dá)77%，該區(qū)域春季有14個(gè)縣市發(fā)生旱情，作物受旱面積190萬(wàn)畝（126．7千hm2），其中輕旱111萬(wàn)畝（74千hm2），重旱71．85萬(wàn)畝（47．9千hm2），干枯7．15萬(wàn)畝（4．77千hm2）。草場(chǎng)受旱0．81萬(wàn)km2，有17．9萬(wàn)人、3．7萬(wàn)頭（只）牲畜飲水困難。受旱地區(qū)中，喀什地區(qū)旱情尤為嚴(yán)重。全地區(qū)大部分縣市均發(fā)生旱情，其中有8個(gè)縣市的大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)受旱嚴(yán)重，受旱面積達(dá)135萬(wàn)畝（90千hm2）。

2009年南疆地區(qū)氣候異常，平原區(qū)氣溫偏高0．2～1℃，而高空氣溫遠(yuǎn)低于歷年同期值，零度層高度最高5　003m，未出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間有利于積雪融化的高溫天氣過(guò)程。葉爾羌河、蓋孜河、提孜那甫河、庫(kù)山河四條河流5～7月來(lái)水量比歷年同期減少44．1%，是有水文記載以來(lái)同期來(lái)水量最少的年份。塔河三源流（阿克蘇河、葉爾羌河、和田河）五月份徑流量?jī)H為8．91億m3，比歷年同期減少2．15億m3，為特枯月份。受源流來(lái)水減少及上游源流區(qū)抗旱灌溉引水的影響，塔河干流控制斷面阿拉爾6月上旬來(lái)水只有0．06億m3，比歷年同期少89%，6月中旬少92%。受此影響，塔河近年來(lái)發(fā)生的斷流點(diǎn)向上游發(fā)展，斷流河長(zhǎng)較往年有所延長(zhǎng)，斷流河長(zhǎng)達(dá)1　100km，對(duì)下游農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)用水造成嚴(yán)重影響?？κ驳貐^(qū)受旱410萬(wàn)畝，阿克蘇地區(qū)133萬(wàn)畝，和田地區(qū)56萬(wàn)畝，塔城地區(qū)18．6萬(wàn)畝。全區(qū)嚴(yán)重干旱草場(chǎng)面積達(dá)0．895億畝，16．5萬(wàn)農(nóng)牧民和37．8萬(wàn)頭（只）牲畜受到嚴(yán)重干旱影響。

3．2　干旱災(zāi)害特征分析

3．2．1　干旱災(zāi)害特點(diǎn)

（1）區(qū)域性強(qiáng)

根據(jù)1981—1991年10年中塔河地區(qū)發(fā)生大面積持續(xù)性嚴(yán)重干旱的1983年、1986年、1989年和1991年的旱情分析，干旱的主要區(qū)域特征是：“影響范圍廣，牧區(qū)重于農(nóng)區(qū)”。如1989年農(nóng)業(yè)區(qū)15個(gè)縣（市）發(fā)生干旱。1990年塔河有17個(gè)縣（市）發(fā)生干旱。

（2）春旱嚴(yán)重

塔河流域農(nóng)牧區(qū)3～5月的春旱比較嚴(yán)重，特別是5月“卡脖子”旱是全年四季干旱中最主要的干旱災(zāi)害。

（3）干旱發(fā)生頻繁

干旱是塔河流域的主要常發(fā)性自然災(zāi)害，干旱年年有，頻次高是其主要特點(diǎn)。新中國(guó)成立60年來(lái)塔河流域各地、州、市共發(fā)生干旱災(zāi)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，阿克蘇10年次，克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃?年次。塔河中部及昆侖山北坡灌區(qū)是發(fā)生干旱災(zāi)害頻次較高（大于25%）的地區(qū)。

（4）干旱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)

持續(xù)性干旱是塔河流域干旱的一個(gè)顯著特點(diǎn)。如季節(jié)性局地農(nóng)業(yè)干旱，在一次干旱災(zāi)害過(guò)程中可以連續(xù)30～90天不降水，每年3～5月會(huì)發(fā)生持續(xù)性干旱；對(duì)發(fā)生冬春連旱的年份受旱地區(qū)的嚴(yán)重持續(xù)性干旱可達(dá)7～10個(gè)月，塔河西部地區(qū)的牧區(qū)天然草場(chǎng)及人工打草場(chǎng)，受大尺度災(zāi)害性干旱氣候影響，可發(fā)生持續(xù)3天以上的大面積干旱。

3．2．2　干旱災(zāi)害時(shí)間演變特征

1）干旱災(zāi)害歷史演變規(guī)律及特征

（1）數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

資料主要采用文獻(xiàn)查閱方法，根據(jù)《新疆通志（水利志）》、《中國(guó)氣象災(zāi)害大典（新疆卷）》、《新疆50年（1955—2005）》、《新疆維吾爾自治區(qū)抗旱規(guī)劃報(bào)告》、《中國(guó)歷史干旱（1949—2000）》，以及新疆防汛抗旱辦公室提供的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行系統(tǒng)整理。數(shù)據(jù)按新疆塔河流域行政區(qū)劃縣市為單位錄入，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，并用Excel進(jìn)行處理分析。

為方便定量研究干旱災(zāi)害發(fā)生的規(guī)律和強(qiáng)度，根據(jù)文獻(xiàn)中記載的災(zāi)害持續(xù)時(shí)間、影響范圍、災(zāi)害強(qiáng)度等將塔河流域干旱災(zāi)害劃分為4個(gè)等級(jí)序列，見(jiàn)表3．2。

1級(jí)為輕度旱災(zāi)。歷史文獻(xiàn)中只記載了塔河流域局部地區(qū)或個(gè)別縣（區(qū)）發(fā)生旱災(zāi)或少雨或不降雨，但未記載對(duì)人們生產(chǎn)、生活產(chǎn)生較大影響，農(nóng)田受災(zāi)面積小于10萬(wàn)畝或者受災(zāi)草場(chǎng)面積小于100萬(wàn)畝的旱災(zāi)。

2級(jí)為中度旱災(zāi)。文獻(xiàn)中記載有較大范圍或較長(zhǎng)時(shí)間或?qū)θ藗兩a(chǎn)、生活產(chǎn)生較大影響的，農(nóng)田受災(zāi)面積10萬(wàn)～100萬(wàn)之間或者草場(chǎng)受災(zāi)面積100萬(wàn)畝以上的旱災(zāi)。

3級(jí)為重大旱災(zāi)。歷史文獻(xiàn)中記載有較大的區(qū)域大旱，糧食嚴(yán)重歉收，農(nóng)田受災(zāi)面積超過(guò)100萬(wàn)畝或者草場(chǎng)受災(zāi)面積超過(guò)1　000萬(wàn)畝的旱災(zāi)。

4級(jí)為特大旱災(zāi)。為持續(xù)一年或數(shù)年，大區(qū)域范圍的跨季度、跨年度的嚴(yán)重干旱，農(nóng)田受災(zāi)面積超過(guò)300萬(wàn)畝或者草場(chǎng)受災(zāi)面積超過(guò)1億畝的大旱災(zāi)。

干旱是塔河流域的主要經(jīng)常性自然災(zāi)害，以縣為單位統(tǒng)計(jì)，可以說(shuō)干旱年年有。對(duì)塔河流域歷史干旱資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表3．2所示，1949—2010年61年間，塔河流域有記載的干旱災(zāi)害共59次，平均每1．04年發(fā)生1次。在發(fā)生干旱災(zāi)害的59次中，特大旱災(zāi)、重大旱災(zāi)、中度旱災(zāi)、輕度旱災(zāi)分別為10次、25次、11次和13次，其分別占干旱災(zāi)害發(fā)生年總數(shù)的16．96%、42．37%、18．64%和22．04%，3級(jí)以上大旱災(zāi)共發(fā)生35次，平均每1．75年發(fā)生1次，占干旱災(zāi)害發(fā)生年總數(shù)的59．33%。從災(zāi)害等級(jí)的年代間變化看，以年份為橫坐標(biāo)，旱災(zāi)等級(jí)為縱坐標(biāo)，繪出塔河流域旱災(zāi)等級(jí)逐年變化過(guò)程圖（見(jiàn)圖3．1），在1949—1980年間輕度、中度旱災(zāi)發(fā)生比較多，重大旱災(zāi)與特大旱災(zāi)發(fā)生較少；在1980—2010年間輕度、中度旱災(zāi)發(fā)生頻次越來(lái)越少，重大旱災(zāi)與特大旱災(zāi)發(fā)生頻次越來(lái)越高，尤其80年代后特大旱災(zāi)發(fā)生次數(shù)顯著增多。從以上分析可看出，塔河流域內(nèi)干旱災(zāi)害較為頻繁，而且整體上呈增加的趨勢(shì)，旱情呈發(fā)生嚴(yán)重的趨勢(shì)。

表3．2　塔河流域不同等級(jí)歷史干旱發(fā)生統(tǒng)計(jì)表

圖3．1　塔河流域1949—2010年不同等級(jí)旱災(zāi)變化情況

根據(jù)1990—2010年以來(lái)，塔河流域受災(zāi)面積和成災(zāi)面積統(tǒng)計(jì)資料分析（見(jiàn)表3．3），21年間全流域受旱面積9　247．5萬(wàn)畝（6　165千hm2），超過(guò)450萬(wàn)畝（300千hm2）的有10年，2000年以后有9年，分別占58．06%和51．63%；成災(zāi)面積超過(guò)225萬(wàn)畝（150千hm2）的重旱年有11年，2000年以后有10年，分別占67．88%和62．51%；成災(zāi)面積超過(guò)300萬(wàn)畝（200千hm2）的大旱年有3年，按成災(zāi)面積大小，依次為：2009年、2010年和2002年，占24．50%。21年來(lái)塔河流域的發(fā)展具有面積增大、頻率加快、災(zāi)情加重的趨勢(shì)。每5年時(shí)間段平均受旱面積依次為397．11萬(wàn)畝、332．88萬(wàn)畝、484．98萬(wàn)畝、528．78萬(wàn)畝（264．74千hm2、221．92千hm2、323．32千hm2、352．52千hm2）；平均成災(zāi)面積分別為182．55萬(wàn)畝、157．77萬(wàn)畝、267．09萬(wàn)畝、346．16萬(wàn)畝（121．70千hm2、105．18千hm2、178．06千hm2、230．77千hm2）；平均糧食減產(chǎn)量分別為45．61萬(wàn)t、37．79萬(wàn)t、72．48萬(wàn)t、65．60 萬(wàn)t。1990—2007年全流域平均受旱率為23．1%，平均成災(zāi)率為11．6%。流域降水和徑流的周期波動(dòng)，引起干旱發(fā)生階段性變化。在1990—2007年的18年中，受旱率超過(guò)20%的有14年，最高的1993年達(dá)37．5%，成災(zāi)率最高的也是1993年為17．3%。受旱率超過(guò)25%，同時(shí)成災(zāi)率超過(guò)15%的有3年，分別是1993年、2001年和2002年，平均6年一遇。

表3．3　1990—2010年塔河流域?yàn)?zāi)情統(tǒng)計(jì)表

1980—2010年成災(zāi)面積和每5年的成災(zāi)面積均值見(jiàn)圖3．2、圖3．3，從圖可見(jiàn)，干旱逐年之間的變化較大，31年來(lái)干旱災(zāi)情有上升趨勢(shì)：20世紀(jì)80年代前5年成災(zāi)面積最小，90年代比80年代有了明顯的增加，90年代的后5年增減幅度不大，基本上保持平穩(wěn)，2000—2004和2005—2010年這兩個(gè)時(shí)間段平均成災(zāi)面積分別為267．15萬(wàn)畝（178．1千hm2）和153．87萬(wàn)畝（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劇的趨勢(shì)。

圖3．2　1980—2010年塔河流域歷年干旱成災(zāi)面積

圖3．3　塔河流域1980—2010年不同時(shí)間段平均成災(zāi)面積

2）干旱季節(jié)變化規(guī)律

塔河流域季節(jié)性干旱是相對(duì)于在農(nóng)業(yè)灌溉期河道來(lái)水不足以滿足農(nóng)業(yè)灌溉需求的缺水或相對(duì)河道來(lái)水而言農(nóng)業(yè)灌溉期需水量大的枯水期。塔河流域大多數(shù)河流河道來(lái)水最小月發(fā)生在2月或1月，春季來(lái)水（3～5月）約占全年來(lái)水量的10%～25%，秋季來(lái)水（9～11月）約占全年來(lái)水量的10%～20%，相對(duì)于灌溉期（3～11月）而言，干旱季節(jié)大多發(fā)生在3～5月和9～11月，但對(duì)于河道來(lái)水四季較為平穩(wěn)且夏季農(nóng)作物正值需水高峰期而河道來(lái)水相對(duì)不足的地區(qū)，夏季也是干旱季節(jié)。因此全流域在整個(gè)農(nóng)業(yè)灌溉階段均有可能發(fā)生干旱。

（1）徑流補(bǔ)給來(lái)源分類

①高山冰雪融水和雨水混合地區(qū)

以高山冰雪融水和雨水混合來(lái)補(bǔ)給河流的地區(qū)如開都河流域，春季冰雪融水量相對(duì)較少，但降雨量相對(duì)較多，夏季高山冰雪融水量增大且降雨量大，春末夏初季節(jié)正值農(nóng)作物需水較高時(shí)期，春轉(zhuǎn)夏季河道來(lái)水量相對(duì)于灌溉需水量不足，春夏兩季短期之間出現(xiàn)俗稱“卡脖子旱”的情況比較明顯。

②高山冰雪融水地區(qū)

主要以高山冰雪融水補(bǔ)給河流的地區(qū)包括帕米爾、喀喇昆侖山山區(qū)河流和分布于昆侖山、阿爾金山山區(qū)的河流。此類河流主要分布在南疆地區(qū)，此類河流的特點(diǎn)是洪水過(guò)分集中于夏季的7月或8月份，而且峰高量大，因此農(nóng)作物在春季苗期和初夏生長(zhǎng)期河道來(lái)水量明顯不足，春旱發(fā)生的頻次最高。以高山冰雪融水補(bǔ)給河流的地區(qū)春旱嚴(yán)重，而冬季蒸發(fā)量較低可緩解土壤春季墑情，因此普遍提前在秋季和初冬季進(jìn)行播前灌，由此造成秋水不足，秋旱時(shí)有發(fā)生。

③降水地區(qū)以降水補(bǔ)給為主的河流包括天山東部和中、西部河源不在冰川分布區(qū)的河流，徑流匯集區(qū)分布在高程較低的低山丘陵且以中小河流為主。此類河流的特點(diǎn)是春、夏河道來(lái)水隨天氣降雨過(guò)程變化而變化，規(guī)律性差，作物灌溉期受降雨與土壤墑情和一次降雨的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間的影響較大，年際之間同樣的河道年來(lái)水量，因降水時(shí)間的不同而干旱情況不同，因此在3～8月作物灌溉期受旱的次數(shù)較多，但連旱的情況不多。

④山區(qū)泉水補(bǔ)給地區(qū)

以泉水形式補(bǔ)給的河流其徑流補(bǔ)給源也是以冰雪水和降雨混合型，但由于河道特殊的地質(zhì)構(gòu)造，山區(qū)形成的徑流卻以地下水的形式，并經(jīng)地下水貯水構(gòu)造調(diào)蓄作用滯后一段時(shí)間補(bǔ)給河道。因此，以泉水形式補(bǔ)給為主的河流其年內(nèi)變化相對(duì)比較平穩(wěn)，春秋冬三個(gè)季節(jié)河道來(lái)水量變化不大，只有在夏季因暴雨形成的洪水量較大。夏季是農(nóng)作物需水的高峰期，因此屬此類河流的博爾塔拉河、布谷孜河、柯坪河及其他山區(qū)泉水補(bǔ)給為主的小河流夏旱出現(xiàn)的頻次較高，春夏連旱也比較常見(jiàn)。

塔河流域大多數(shù)地區(qū)均有春旱發(fā)生，農(nóng)作物生長(zhǎng)需水高峰期的夏旱也較多，只有南疆的阿克蘇地區(qū)有秋旱現(xiàn)象。以河道來(lái)水的補(bǔ)給源出現(xiàn)的季節(jié)變化規(guī)律分析，塔河流域普遍發(fā)生春旱的規(guī)律性比較明顯，季節(jié)性積雪融水地區(qū)的額敏河流域、山區(qū)泉水補(bǔ)給地區(qū)的博樂(lè)市是真正意義上因水源不足造成的夏旱；阿勒泰山南麓地區(qū)并非來(lái)水量相對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉需水量不足，而是因?yàn)槿狈喔人こ淘斐傻南暮?；其他部分地區(qū)如烏蘇市的夏旱并非缺乏灌溉水利工程而是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)灌溉面積規(guī)模發(fā)展過(guò)大。

⑤農(nóng)業(yè)灌溉期旱情劃分

分別將3～5月、6～8月和9～11月發(fā)生的干旱定義為春旱、夏旱和秋旱。根據(jù)1990—2007年統(tǒng)計(jì)的各縣農(nóng)業(yè)干旱季節(jié)發(fā)生時(shí)間，計(jì)算統(tǒng)計(jì)不同類型干旱（包括單季旱和連季旱）的發(fā)生頻次，選擇干旱發(fā)生頻次最高的季節(jié)作為該縣的易旱季節(jié)。對(duì)出現(xiàn)兩個(gè)不相連的季節(jié)的頻次相同且為最高時(shí)，選擇作物需水量大或缺水對(duì)作物影響程度大的季節(jié)作為該縣的易旱季節(jié)。

（2）易旱季節(jié)分析

塔河流域46個(gè)縣市1990—2007年的18年間，每年的旱情發(fā)生時(shí)間不全一致。首先根據(jù)干旱易發(fā)季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將各個(gè)縣市每年農(nóng)業(yè)旱情發(fā)生時(shí)間劃分為相應(yīng)的干旱易發(fā)季節(jié)，然后按照旱型、發(fā)生次數(shù)、發(fā)生頻率、連季旱發(fā)生次數(shù)、連季旱發(fā)生頻率對(duì)18年數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)易旱季節(jié)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，塔河流域易發(fā)生春旱的縣市共有19個(gè)，易發(fā)生春夏連旱的縣市共有23個(gè)，易發(fā)生夏旱的縣市共有7個(gè)。因此，塔河流域大多數(shù)地區(qū)均有春旱發(fā)生，春季也是塔河流域最普遍的干旱季節(jié)，農(nóng)作物生長(zhǎng)需水高峰期的夏旱也較多。以河道來(lái)水的補(bǔ)給源出現(xiàn)的季節(jié)變化規(guī)律分析，塔河流域普遍發(fā)生春旱的規(guī)律性比較明顯。不同徑流補(bǔ)給特性分區(qū)縣級(jí)單元干旱季節(jié)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3．4，易旱季節(jié)分布見(jiàn)圖3．4。

表3．4　不同徑流補(bǔ)給特性分區(qū)縣級(jí)單元干旱季節(jié)統(tǒng)計(jì)表

表3．4

根據(jù)縣級(jí)單元干旱季節(jié)統(tǒng)計(jì)表3．4繪制的易旱季節(jié)分布見(jiàn)圖3．4。易旱季節(jié)分布圖是根據(jù)塔河縣城行政區(qū)劃中的綠洲范圍繪制。由圖3．4可以看出，南疆地區(qū)的東、西部易發(fā)生春夏旱，中部易發(fā)生春旱。

圖3．4　塔河流域易旱季節(jié)分布圖

3．2．3　干旱災(zāi)害空間分布特征

根據(jù)塔河流域歷史干旱災(zāi)害資料統(tǒng)計(jì)，對(duì)流域內(nèi)各縣市發(fā)生較大干旱災(zāi)害的頻次進(jìn)行分析，各縣（市）干旱災(zāi)害發(fā)生頻次見(jiàn)圖3．5，空間分布見(jiàn)圖3．6。從圖中可見(jiàn)，發(fā)生干旱頻次較高的縣（市）多在流域內(nèi)的巴州地區(qū)，其中庫(kù)爾勒市最高9次，其次為和碩縣8次；發(fā)生5～6次的縣（市）有巴州地區(qū)的輪臺(tái)縣、若羌縣，阿克蘇地區(qū)的庫(kù)車縣，喀什地區(qū)的岳普湖縣與和田地區(qū)的民豐縣。從流域內(nèi)各縣（市）發(fā)生干旱頻次分布分析，可以看出發(fā)生干旱頻次較高的縣市多為小河灌區(qū)或位于塔河流域四大源流區(qū)的下游地區(qū)，說(shuō)明小河流域由于水資源易受氣候環(huán)境的影響，河川徑流不穩(wěn)定，灌區(qū)灌溉保證率不高，易受干旱災(zāi)害的影響；其次位于塔河流域主要干流下游地區(qū)的縣（市），干旱年份由于上游地區(qū)用水量增大，下游地區(qū)來(lái)水量受到影響，造成下游地區(qū)易受干旱影響。

圖3．5　塔河流域各縣（市）干旱災(zāi)害發(fā)生頻次

圖3．6　塔河流域各縣（市）干旱災(zāi)害發(fā)生頻次空間分布

根據(jù)不同地區(qū)的播種面積、受災(zāi)面積與成災(zāi)面積統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出不同地區(qū)的受旱率與成災(zāi)率進(jìn)行分析，結(jié)果表明：和田地區(qū)平均受旱率、成災(zāi)率均高于其他地區(qū)，阿克蘇地區(qū)、巴州次之，喀什地區(qū)、克州相對(duì)較低。干旱的成災(zāi)面積與受旱面積之比（即成災(zāi)率與受旱率之比），巴州最高，一般在0．9以上，和田、克州、阿克蘇次之，一般在0．8以下，喀什為最低。流域各地區(qū)這種差異，除降水、水資源等自然條件外，是由不同灌溉設(shè)施所具有的不同抗旱能力造成的。

圖3．7　塔河流域各縣（市）干旱災(zāi)害發(fā)生頻次平均分布

3．3　枯水徑流演變特征分析

3．3．1　枯水徑流演變特征

1）數(shù)據(jù)及分析方法

分析數(shù)據(jù)為塔河流域8個(gè)主要水文站1962—2008年最小連續(xù)7日平均流量（定義為枯水流量）。主要采用非參數(shù)Mann－Kendall（以下簡(jiǎn)稱M－K法）趨勢(shì)突變檢驗(yàn)法、線性趨勢(shì)以及雙累積曲線等分析方法。國(guó)內(nèi)外許多文獻(xiàn)研究了時(shí)間序列的自相關(guān)性對(duì)M－K檢驗(yàn)結(jié)果的影響。Storch　and　Navarra建議在進(jìn)行M－K檢驗(yàn)之前對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行“預(yù)白化”（Prewhiten）處理。所有序列在進(jìn)行M－K分析之前均需要預(yù)白化處理。Sen’s斜率能確定序列趨勢(shì)變化的程度，Sen’s斜率是一種非參數(shù)的計(jì)算趨勢(shì)斜率方法，該方法計(jì)算出的線性趨勢(shì)的斜率不受序列奇異值的影響，能很好地反應(yīng)序列的變化程度。

M－K法是用來(lái)評(píng)估水文氣候要素時(shí)間序列趨勢(shì)的檢驗(yàn)方法，以適用范圍廣、人為因素少、定量化程度高而著稱，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量公式為：

式中：sign（?。榉?hào)函數(shù)，當(dāng)Xi－Xj小于、等于或者大于零時(shí)，sign（Xi－Xj）分別為－1、0和1；M－K統(tǒng)計(jì)量S大于、等于或小于零時(shí)分別為：

Z為正值表示增加趨勢(shì)，為負(fù)值表示減少趨勢(shì)。Z的絕對(duì)值在大于等于1．28、1．96、2．32時(shí)分別通過(guò)信度90%、95%、99%顯著檢驗(yàn)。

當(dāng)采用M－K法來(lái)檢測(cè)徑流變化時(shí)，其統(tǒng)計(jì)量為：設(shè)有一時(shí)間序列：x1，x2，x3，…，xn，構(gòu)造一秩序列mi，mi表示xi＞xj（1≤j≤i）的樣本累積數(shù)。定義dk如下：

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

這里UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定顯著性水平a0，由正態(tài)分布表可得臨界值t0，當(dāng)UFk＞t0時(shí)，表明序列存在一個(gè)顯著的增長(zhǎng)或減少趨勢(shì)，所有UFk將組成一條曲線C1，通過(guò)信度檢驗(yàn)可知其是否具有趨勢(shì)。將時(shí)間序列x按逆序排列，此方法引用到逆序排列中，再重復(fù)上述的計(jì)算過(guò)程，并使計(jì)算值乘以－1，得出UBk，UBk表示為C2，當(dāng)曲線C1超過(guò)信度線，即表示存在明顯的變化趨勢(shì)，若C1和C2的交點(diǎn)位于信度線之間，則此點(diǎn)可能是突變點(diǎn)的開始。

國(guó)內(nèi)外的許多文獻(xiàn)研究了時(shí)間序列的相關(guān)性對(duì)M－K檢驗(yàn)結(jié)果的影響。在對(duì)五個(gè)水文站的水沙資料進(jìn)行M－K檢驗(yàn)之前，首先檢驗(yàn)水沙資料的相關(guān)性，計(jì)算公式為：

X——檢驗(yàn)序列的均值；

Xt＋m——滯后m的檢驗(yàn)時(shí)間序列；－1＜ρm＜1。若m＝0，則ρm＝1，對(duì)于獨(dú)立的隨機(jī)變量，若m≠0，ρm≈0。

檢驗(yàn)序列是否為獨(dú)立的置信區(qū)間的計(jì)算公式為：

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置信水平下的正態(tài)分布的臨界值；

n——被檢驗(yàn)的時(shí)間序列的長(zhǎng)度。

若ρm值落在95%的置信區(qū)間內(nèi)，則說(shuō)明序列相關(guān)性不顯著，M－K對(duì)序列的檢驗(yàn)影響不明顯。

序列在進(jìn)行M－K分析之前均需要預(yù)白化處理?！邦A(yù)白化”的方法是：設(shè)有時(shí)間序列：y1，y2，…，yn，n為樣本量，首先計(jì)算滯后1的序列自相關(guān)系數(shù)c，若c＜0．1，則此時(shí)間序列可以直接應(yīng)用于M－K分析；若c＞0．1，則序列須經(jīng)“預(yù)白化”處理得到新的時(shí)間序列，即：y2－cy1，y3－cy2，…，yn－cyn－1，然后將M－K用于處理以后的時(shí)間序列趨勢(shì)分析。8個(gè)水文站的極值流量滯后1的自相關(guān)系數(shù)均大于0．1。

2）分析與結(jié)果

（1）同古孜洛克和阿拉爾

用上述方法對(duì)同古孜洛克和阿拉爾枯水徑流量進(jìn)行分析計(jì)算，見(jiàn)圖3．8。由圖3．8（a）可見(jiàn)，1965—1975年枯水徑流量呈下降趨勢(shì)，Sen′s斜率表明枯水徑流量年均減少1　4721．6m3；1976—2008年枯水徑流量呈增加趨勢(shì)，枯水徑流量的增加和減小均超過(guò)95%置信度檢驗(yàn)，但增加和減小不顯著，枯水徑流量年均增加11　393．0m3，枯水徑流量在1996年發(fā)生變異。阿拉爾站在1962—1976年枯水徑流量呈減小趨勢(shì)，年均減小量達(dá)40　378．8m3；1976—2008年枯水徑流量呈增加趨勢(shì)，其中1997—2008年增加顯著（超過(guò)95%的置信度檢驗(yàn)），1976—2008年枯水徑流量年均增加29　190．9m3，阿拉爾站的枯水徑流量在1998年發(fā)生變異，如圖3．8（c）。從圖3．8（b）、（d）中可以看出兩站點(diǎn)變異后枯水徑流量增長(zhǎng)率大于變異前。同古孜洛克枯水徑流量出現(xiàn)時(shí)間主要集中在1～88天和327～365天（即12月至次年的3月份），阿拉爾枯水流量分布在105～177天、331～365天。因?yàn)闅鉁氐?，冰川積雪不能融化，主要靠冰川積雪融水補(bǔ)給的塔河流域來(lái)水達(dá)到最低，阿拉爾站80年代初至90年代的最小枯水流量出現(xiàn)時(shí)間在150天左右（即5月底），此季節(jié)正是農(nóng)作物生長(zhǎng)關(guān)鍵時(shí)期，其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響顯著。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，該時(shí)期塔河流域發(fā)生干旱的次數(shù)明顯高于其他時(shí)期，例如1983年、1989年、1991年等干旱年份。

圖3．8　同古孜洛克和阿拉爾連續(xù)最小7日平均流量M－K檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值（a）、（c）和趨勢(shì)、出現(xiàn)天數(shù)圖（b）、（d）

（2）玉孜門勒克和卡群

用同樣方法對(duì)玉孜門勒克和卡群枯水徑流量進(jìn)行分析計(jì)算，見(jiàn)圖3．9。玉孜門勒克枯水徑流量在1962—1980年呈下降趨勢(shì)（下降趨勢(shì)不顯著），年均減小枯水徑流量1　135．5m3；枯水徑流量在1981—2008年呈增加趨勢(shì)（2005年以后超過(guò)95%的置信度檢驗(yàn)，增加顯著），年均增加枯水徑流量達(dá)5　019．2m3，枯水徑流量在1995年發(fā)生變異，見(jiàn)圖3．9（a）。從圖3．9（c）知：卡群站枯水徑流量在1962—1999年徑流量呈增加趨勢(shì)，其中1991—1999年徑流量增加顯著（超過(guò)95%的置信度檢驗(yàn)）。該時(shí)段年均增加流量25　426．3m3；2000—2008年枯水徑流量呈減小趨勢(shì)，枯水年均減少103　063m3，枯水流量在1971年發(fā)生突變。從圖3．9（b）、（d）知，兩站點(diǎn)變異后的枯水徑流量增加的趨勢(shì)明顯大于變異前的，玉孜門勒克站枯水徑流量出現(xiàn)時(shí)間主要分布在1～112天和325～364天；卡群站枯水徑流量出現(xiàn)時(shí)間分布在1～128天，枯水徑流量出現(xiàn)的時(shí)間逐漸集中到100天左右，特別是從80年代中期以后，枯水發(fā)生時(shí)間有滯后的趨勢(shì)。

圖3．9　玉孜門勒克和卡群連續(xù)最小7日平均流量M－K檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值（a）、（c）和趨勢(shì)及出現(xiàn)天數(shù)圖（b）、（d）

（3）沙里桂蘭克和協(xié)合拉

由圖3．10（a）、（c）知：沙里桂蘭克站的枯水徑流量在1962—1971年和1987—2007年呈增加趨勢(shì)，1971—1987年的枯水徑流量呈減小趨勢(shì)，增加和減小的趨勢(shì)并不顯著。枯水徑流量在2000年左右發(fā)生變異，年均增加3　154．3m3和5　142．9m3；協(xié)合拉站枯水徑流量在1962—1967年和1977—2007年呈增加趨勢(shì)，1967—1977年枯水徑流量呈減小趨勢(shì)，變化趨勢(shì)不顯著。枯水徑流量在1992年發(fā)生變異，變異前后枯水徑流量年均分別增加5　245．7m3和27　771．4m3。兩站變異前和變異后枯水徑流量均呈增加趨勢(shì)，變異后枯水徑流量增加趨勢(shì)大于變異前。由圖3．10（b）、（d）知：沙里桂蘭克枯水徑流量的出現(xiàn)時(shí)間大部分分布在30～40天之間，流量最低值出現(xiàn)時(shí)間與農(nóng)業(yè)需水高峰并不一致；協(xié)合拉站枯水出現(xiàn)時(shí)間主要分布在1～126天和354～366天，從1980年開始逐漸趨向60～70天左右，比沙里桂蘭克站滯后一個(gè)月左右。

圖3．10　沙里桂蘭克和協(xié)合拉連續(xù)最小7日平均流量M－K的統(tǒng)計(jì)值（a）、（c）和趨勢(shì)及出現(xiàn)天數(shù)圖（b）、（d）

（4）黃水溝和大山口

由圖3．11（a）、（c）知：黃水溝在1966—1988年枯水徑流量呈減小趨勢(shì)，年均減小枯水徑流量達(dá)2　581．3m3；1962—1966年和1988—2008年呈增加趨勢(shì)，其中1988—2008年枯水徑流量年均增加5　019．2m3，枯水徑流量在1995年左右發(fā)生變異；大山口站的枯水徑流量變化在1976—1983年和1995—2008年呈增加趨勢(shì)，1972—1976年和1983—1987年呈減小趨勢(shì)?？菟畯搅髁吭?997年發(fā)生變異，變異前的枯水徑流量年均減小3　506．0m3，變異后的枯水徑流量年均增加4　937．1m3。從圖3．11（b）、（d）中可以看到枯水趨勢(shì)變化在90年代增加明顯，枯水徑流量出現(xiàn)時(shí)間主要分布在1～144天和331～365天，大山口枯水徑流量的出現(xiàn)時(shí)間在各時(shí)間段分布均勻，主要分布于50天左右。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，開—孔河流域巴音郭楞蒙古自治州旱災(zāi)發(fā)生的年份最多，而且從1979—1987年都有干旱發(fā)生，與圖3．11（b）的枯水徑流量出現(xiàn)時(shí)間吻合。

圖3．11　黃水溝和大山口連續(xù)最小7日平均流量M－K的統(tǒng)計(jì)值（a）、（c）和趨勢(shì)及出現(xiàn)天數(shù)圖（b）、（d）

塔河流域的氣候有轉(zhuǎn)向暖濕的強(qiáng)勁信號(hào)，塔河流域氣溫在1987年有跳躍性的升高，溫度增高趨勢(shì)顯著，加速了山區(qū)冰雪資源的消融，加大了冰雪融水對(duì)徑流量的補(bǔ)給?？菟畯搅髁康内厔?shì)變化主要受氣候因素的影響，氣候變化引起了各站的枯水徑流量在70年代中期到2000年呈增加趨勢(shì)，卡群站的1991—2000年和阿拉爾站1997—2008年的枯水徑流量增加非常顯著。與此同時(shí)，氣候的變化引起各站枯水徑流量在1987年以后發(fā)生變異（卡群站除外），變異后的枯水徑流量增加趨勢(shì)明顯大于變異前，這也與新疆在1987年左右由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)相吻合。阿克蘇河流域變異后枯水徑流量增加大于其他流域，大山口站和黃水溝站在變異前的枯水徑流量呈減小趨勢(shì)，大山口和黃水溝是河流的出山口，其上游的人類活動(dòng)對(duì)枯水徑流量的影響可以不計(jì)，開都河流域降雨量沒(méi)有明顯趨勢(shì)變化，但是最高氣溫呈升高趨勢(shì)，平均氣溫在80年代達(dá)到最低，隨后氣溫呈升高趨勢(shì)。冬夏以冰雪融水和地下水補(bǔ)給為主的開都河的徑流量在80年代最低，因此變異前枯水徑流量呈減小趨勢(shì)。其余各站變異前后枯水徑流量呈增加趨勢(shì)，但和田河、葉爾羌河、阿克蘇河的協(xié)合拉以及開都河的最小枯水徑流量發(fā)生的時(shí)間從80年代以后開始趨向3 ～6月份，而塔河流域地區(qū)3～6月份是最缺水的時(shí)期，也是農(nóng)作物生長(zhǎng)需水量最大的時(shí)期。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，塔河流域主要以春旱為主，春灌用水量占到整個(gè)農(nóng)作物灌溉用水量的40%，而且3～6月份是水資源年內(nèi)所占比例很低的月份，水資源供需矛盾突出，枯水徑流量時(shí)間的推遲會(huì)造成干旱的發(fā)生，本文特別關(guān)注在春季枯水出現(xiàn)時(shí)間。從圖3．12中我們可以看出，80年代以來(lái)，特別是2000年以后的旱災(zāi)成災(zāi)面積都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前期，年均增加0．23萬(wàn)hm3/年。

圖3．12　1990—2007年塔河流域旱災(zāi)損失

阿拉爾站和卡群站的枯水徑流量增加顯著，最小枯水徑流量出現(xiàn)的時(shí)間與其他幾個(gè)站點(diǎn)不同，主要集中在105～177天，時(shí)間更加推遲。由圖3．8和表3．5、表3．6可知，阿拉爾上游地區(qū)分布著大面積的灌區(qū)、水庫(kù)以及引水?dāng)r河樞紐，這些引水工程的建成，攔截了上游的來(lái)水量，加劇了春季阿拉爾地區(qū)的缺水狀況。葉爾羌河流域的水庫(kù)數(shù)量和水庫(kù)有效灌溉面積是各個(gè)支流中最大的，阿克蘇河水庫(kù)數(shù)量小于和田河流域，但是水庫(kù)庫(kù)容和有效灌溉面積大于和田河流域；渠首現(xiàn)狀供水能力與設(shè)計(jì)供水能力的比值能很好地反映工程的使用效率，葉爾羌河與和田河的使用率最低，其中葉爾羌河的渠首有效灌溉面積遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)灌溉面積，各流域中和田河與開—孔河的渠道防滲率最高，其他流域的灌區(qū)渠首工程老化，水量損失嚴(yán)重，灌區(qū)的水資源利用率很低。

表3．5　塔河流域“四源一干”水庫(kù)工程統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表3．5

注：本數(shù)據(jù)來(lái)自于調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，“－”為缺測(cè)資料。

表3．6　控制站流域渠首工程基本情況統(tǒng)計(jì)

注：a大部分為臨時(shí)性引水口。

各站的枯水徑流量在70年代中期到2000年呈增加趨勢(shì)，但是最小枯水徑流量出現(xiàn)的時(shí)間變化卻不相同，這主要是因?yàn)樗由嫌蔚貐^(qū)的灌溉面積和人口由1950年的34．8萬(wàn)hm2和156萬(wàn)人增加到2000年的125．7萬(wàn)hm2和395萬(wàn)人，耕地增加將近4倍。在以水資源開發(fā)利用為核心的人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響下，用水量翻了一番。例如卡群站上游地區(qū)建有葉爾羌河排水樞紐，枯水季節(jié)攔截河流用以灌溉，現(xiàn)狀供水能力達(dá)不到設(shè)計(jì)供水能力，渠道的防滲率較低也在一定程度上影響抗旱的效果。今后塔河流域日益增加的人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)勢(shì)必加劇春季水資源供需矛盾。

3）結(jié)論

（1）塔河流域支流的徑流量主要集中在6～8月份，三個(gè)月的徑流量占到全年徑流總量的70%左右，2000—2008年徑流量是各年代的最大值；塔河干流徑流量的變化大于源流，徑流量主要集中在7～9月份，在80年代達(dá)到最大。

（2）卡群站枯水徑流量在1999年前呈增加趨勢(shì)，2000年開始呈減小趨勢(shì)，并在1971年發(fā)生變異；其余各站枯水徑流量從1962年到70年代中期或80年代呈減小趨勢(shì)，以后轉(zhuǎn)為增加趨勢(shì)，枯季徑流變異點(diǎn)出現(xiàn)在1987年以后。變異后對(duì)應(yīng)的枯水徑流量均大于變異前，其中大山口和黃水溝變異前枯水徑流量減少原因主要是由氣溫變化所引起。

（3）枯季徑流出現(xiàn)的時(shí)間與干旱發(fā)生的年份較吻合，能很好地反映流域的干旱情況。80年代以后枯水徑流量的增加并沒(méi)有改變，并且各水文站最小枯水流量出現(xiàn)的時(shí)間趨向3～6月，特別是阿拉爾站、卡群站集中度更高。灌區(qū)的擴(kuò)大，水庫(kù)和引水?dāng)r河樞紐的建設(shè)是造成枯水徑流量推遲的原因之一。水庫(kù)庫(kù)容、現(xiàn)狀供水率和渠道防滲率的提高有利于緩解旱情，而人口的增加和耕地面積的擴(kuò)大將進(jìn)一步加劇春季水資源的供需矛盾。

3．3．2　枯水流量頻率分析

1）數(shù)據(jù)及方法

選用11種概率分布函數(shù)和單參數(shù)的二維阿基米得族Copula函數(shù)，系統(tǒng)分析了塔河流域8個(gè)水文站最小連續(xù)7日平均流量（下文通稱枯水流量）。概率分布函數(shù)的參數(shù)以及擬合優(yōu)度分別由線性矩與Kolmogorov－Smirnov方法（K－S法）檢驗(yàn)，選出最適合該區(qū)枯水流量的分布函數(shù)，同時(shí)，對(duì)引起該流域枯水流量變化的原因及其影響作了有益地探討。本節(jié)分析的數(shù)據(jù)為塔河流域8個(gè)主要水文站（同前）1962—2008年最小連續(xù)7日平均流量，其中沙里桂蘭克和協(xié)合拉枯水流量起訖時(shí)間是1962—2007年，大山口枯水流量起訖時(shí)間是1972—2008年。

K－S檢驗(yàn)與參數(shù)估計(jì)。本文選用韋克比分布、威布爾分布、伽瑪分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、對(duì)數(shù)邏輯分布、廣義帕累托分布、廣義極值分布、極值分布、B分布、耿貝爾（極大值）分布、耿貝爾（極小值）分布等11種分布，各分布函數(shù)表達(dá)式及參數(shù)意義見(jiàn)表3．7。用上述分布分別擬合8個(gè)水文站的極值流量序列，并用K－S　D值檢驗(yàn)分布擬合優(yōu)度。利用擬合最好的概率分布函數(shù)分析8個(gè)水文站水文極值重現(xiàn)期及其對(duì)應(yīng)的流量。由Ana　Justel提出的，檢驗(yàn)總體的分布函數(shù)是否服從某一函數(shù)Fn（x）的假設(shè)條件為H0：F（x）＝Fn（x），H1：F（x）≠Fn（x）。若原假設(shè)成立，那么F（x）和Fn（x）的差距就較小。當(dāng)n足夠大時(shí)，對(duì)于所有的x值，F(xiàn)（x）和Fn（x）之差很小這一事件發(fā)生的概率為1，計(jì)算公式為：式中：F（x）與Fn（x）分別為理論與經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)。若Dn＜Dn，α（顯著水平為α，容量為n的K－S檢驗(yàn)臨界值），則認(rèn)為理論分布與樣本序列的經(jīng)驗(yàn)分布擬合較好，無(wú)顯著差異。11種分布函數(shù)的參數(shù)統(tǒng)一用線性矩來(lái)估計(jì)。線性矩是目前水文極值頻率分析中概率分布函數(shù)參數(shù)估計(jì)最為穩(wěn)健的方法之一，其最大特點(diǎn)是對(duì)水文極值序列中的極大值和極小值反映不是特別敏感。

表3．7　分布函數(shù)表達(dá)式及參數(shù)意義

（1）Copula函數(shù)的定義

Copula函數(shù)是在［0，1］區(qū)間內(nèi)均勻分布的聯(lián)合分布函數(shù)，Sklar’s定理給出了Copula函數(shù)和兩變量聯(lián)合分布的關(guān)系。設(shè)X，Y為連續(xù)的隨機(jī)變量，其邊緣分布函數(shù)分別為FX和FY，F(xiàn)（x，y）為變量X和Y的聯(lián)合分布函數(shù)，那么存在唯一的Copula函數(shù)C，使得：

式中：Cθ（FX（x），F(xiàn)Y（y））為Copula函數(shù)；θ為待定參數(shù)。

從Sklar’s定理可以看出，Copula函數(shù)能獨(dú)立于隨機(jī)變量的邊緣分布，反映隨機(jī)變量的相關(guān)性結(jié)構(gòu)，從而可將二元聯(lián)合分布分為兩個(gè)獨(dú)立的部分，即變量間的相關(guān)性結(jié)構(gòu)和變量的邊緣分布來(lái)分別進(jìn)行處理，其中變量間的相關(guān)性結(jié)構(gòu)用Copula函數(shù)來(lái)描述。Copula函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于不必要求具有相同的邊緣分布，任意形式的邊緣分布經(jīng)過(guò)Copula函數(shù)連接都可構(gòu)造成聯(lián)合分布，由于變量的所有信息都包含在邊緣分布里，因此在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生信息失真。本次采用在水文上常用的Kendall秩相關(guān)系數(shù)τ度量X、Y相應(yīng)的連接函數(shù)Copula變量的相關(guān)性，Kendall相關(guān)系數(shù)τ與Copula函數(shù)C（x，y）存在以下關(guān)系：

（2）Copula函數(shù)的選擇及參數(shù)估計(jì)

分布線型選擇和參數(shù)估計(jì)是水文頻率計(jì)算中的兩個(gè)基本問(wèn)題。聯(lián)合分布FX，Y的參數(shù)估計(jì)分為兩步：第一步，邊緣分布FX和FY的參數(shù)估計(jì)；第二步，Copula函數(shù)Cθ（u，v）的參數(shù)θ的估計(jì)。邊緣分布FX和FY的參數(shù)估計(jì)通常采用線性矩法，Copula函數(shù)的參數(shù)估計(jì)采用相關(guān)性指標(biāo)法。

Copula函數(shù)總體上可以分為橢圓型、阿基米得型和二次型3類，其中生成元為1個(gè)參數(shù)的阿基米得型Copula函數(shù)的應(yīng)用最為廣泛，本次僅列出了在水文及相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)里經(jīng)常出現(xiàn)的3種阿基米得型Copula，并且利用變量間的Kendall秩相關(guān)系數(shù)τ與Copula函數(shù)參數(shù)θ存在確定的解析關(guān)系，計(jì)算出單參數(shù)的二維阿基米得型Copula函數(shù)的參數(shù)θ，見(jiàn)表3．8。

表3．8　二維阿基米得型Copula函數(shù)的3種形式

根據(jù)Genest和Rivest提出的一種選擇Copula函數(shù)的方法，分別計(jì)算理論估計(jì)值Kc（t）和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值Ke（t）（或稱參數(shù)估計(jì)值和非參數(shù)估計(jì)值），然后點(diǎn)繪Kc（t）－Ke（t）關(guān)系圖，若圖上的點(diǎn)都落在45°對(duì)角線上，那么表明Kc（t）和Ke（t）完全相等，即Copula函數(shù)擬合得很好。因此，Kc（t）－Ke（t）關(guān)系圖可以用來(lái)評(píng)價(jià)和選擇Copula。

在水文事件中對(duì)于兩變量的Copula聯(lián)合分布，對(duì)于枯水主要關(guān)注水文變量X 或Y不超過(guò)某一特定值，即聯(lián)合重現(xiàn)期T0；水文事件中X和Y都不超過(guò)某一特定值，即同現(xiàn)重現(xiàn)期Ta。上述重現(xiàn)期可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

根據(jù)各自邊緣分布，變量X和Y分別取T年一遇設(shè)計(jì)值時(shí)，根據(jù)兩變量聯(lián)合分布的T0和Ta的定義，該組合（xT，yT）的聯(lián)合重現(xiàn)期T0對(duì)應(yīng)的事件為xT或yT中有一個(gè)被超過(guò)，同現(xiàn)重現(xiàn)期Ta對(duì)應(yīng)的事件為xT和yT均被超過(guò)。由此可見(jiàn)，聯(lián)合重現(xiàn)期T0小于或等于邊緣重現(xiàn)期，同現(xiàn)重現(xiàn)期Ta大于或等于邊緣重現(xiàn)期，即：

2）單頻率分布函數(shù)結(jié)果分析

（1）概率分布函數(shù)選擇

運(yùn)用線性矩法估計(jì)11個(gè)分布函數(shù)的參數(shù)，并用K－S法進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3．9；表3．10列出了運(yùn)用線性矩法估計(jì)的塔河流域8個(gè)水文站極值流量的韋克比分布參數(shù)。表明11種分布函數(shù)中除卡群站耿貝爾極大值分布未通過(guò)K－S檢驗(yàn)外，其余分布均通過(guò)K－S檢驗(yàn)。韋克比分布在玉孜門勒克、沙里桂蘭克、協(xié)合拉和黃水溝水文站擬合最好，在阿拉爾和大山口擬合次之，因此本次選用韋克比分布作為區(qū)域研究的概率分布函數(shù)。主要原因是韋克比分布有5個(gè)參數(shù)，較其他分布函數(shù)相比在描述水文極值分布特征方面靈活性更強(qiáng)。其次是伽瑪分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、對(duì)數(shù)邏輯分布和廣義極值分布，見(jiàn)圖3．13。國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的是伽瑪分布擬合效果比韋克比分布差，顯示韋克比分布較伽瑪型分布在描述水文極值變化特征方面更為靈活，適應(yīng)性更強(qiáng)。另外，研究中比較了幾個(gè)概率分布函數(shù)理論分布曲線與經(jīng)驗(yàn)分布曲線，見(jiàn)圖3．13。從圖中可以看出，與其他分布函數(shù)相比，韋克比分布在描述水文極值統(tǒng)計(jì)特征方面，沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的差異性，故采用韋克比分布函數(shù)研究塔河流域極值流量變化特征。

表3．9　極值流量11種概率分布的K－S　D統(tǒng)計(jì)量

注：1．水文站的K－S　D的臨界值是0．198（n＝47，1－α＝95%）、0．200（n＝46，1－α＝95%）、0．224（n＝37，1－α＝95%），K－S統(tǒng)計(jì)的D值越小表示概率分布函數(shù)擬合最小7日平均流量越好。

表3．10　枯水流量韋克比分布線性矩參數(shù)值

續(xù)表3．10

圖3．13　協(xié)合拉站極值流量理論與分布函數(shù)曲線

（2）不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)枯水流量變化

新疆氣候在1987年左右發(fā)生突變，隨著溫度上升，降水量、冰川消融量和徑流量連續(xù)多年增加，植被有所改善，沙塵暴日數(shù)銳減，同時(shí)1990年以后，塔河流域在18年間凈增耕地面積1　031．25萬(wàn)畝（687．5千hm2），年均遞增3．80%。1987年后氣候變化和人類活動(dòng)開始加劇，故將1987年作為枯水流量的分界點(diǎn)，分析研究分界點(diǎn)前后不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)枯水流量的變化。從表3．11和表3．12知，同古孜洛克、玉孜門勒克、沙里桂蘭克、黃水溝和阿拉爾站1987年后對(duì)應(yīng)的枯水流量大于1987年前的枯水流量；協(xié)合拉和大山口1987年前重現(xiàn)期小于20年的枯水流量大于1987年后，重現(xiàn)期大于20年的1987年前枯水流量大于1987年后的；卡群站1987年前重現(xiàn)期小于10年的枯水流量大于1987年后，重現(xiàn)期大于10年的1987年前枯水流量大于1987年后；其中阿拉爾站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年重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)枯水流量與1987年之前2年重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)枯水流量相等，同古孜洛克站的變化幅度僅次于阿拉爾站。協(xié)合拉站1987年前后重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)枯水流量變化最不明顯，其次是卡群站，各站變化見(jiàn)圖3．14。

表3．11　各水文站1987年之前不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)極值流量設(shè)計(jì)值（m3/s）

表3．12　各水文站1987年之后不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)極值流量設(shè)計(jì)值（m3/s）

圖3．14　各水文站1987年前后重現(xiàn)期（年）對(duì)應(yīng)枯水流量

3）二維聯(lián)合Copula函數(shù)計(jì)算結(jié)果分析

采用二維阿基米得型Copula函數(shù)分別分析塔河流域的枯水流量聯(lián)合分布，其中分別選取玉孜門勒克與卡群站（1962—2008年資料）、沙里桂蘭克與協(xié)合拉站（1962—2007年資料）、大山口與黃水溝站（1972—2008年資料）的枯水徑流量的概率分布作為邊緣分布函數(shù)。

（1）Copula函數(shù)的確定

由Genest－Rivest檢驗(yàn)法，分別對(duì)構(gòu)建各所選Copula函數(shù)的理論估計(jì)值Kt（t）和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值Kc（t），并點(diǎn)繪Kt－Kc關(guān)系圖，見(jiàn)圖3．15所示。由圖可見(jiàn)，G－H　Copula函數(shù)圖上的點(diǎn)較之Frank　Copula、Clayton　Copula更接近于45°對(duì)角線，即表示G－H　Copula其擬合效果最好，因此選取G－H　Copula函數(shù)來(lái)擬合塔河流域枯水徑流的聯(lián)合分布。

（2）邊緣分布和聯(lián)合分布的確定

玉孜門勒克與卡群站（葉爾羌河流域）、沙里桂蘭克與協(xié)合拉站（阿克蘇河流域）、大山口與黃水溝站（開都河流域）兩邊緣分布均采用韋克比分布比較穩(wěn)健的線性矩法，在目估適線法輔助下確定各邊緣分布的參數(shù)，參數(shù)估計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3．13。

Copula函數(shù)參數(shù)估計(jì)采用非參數(shù)估計(jì)法，即利用變量間的Kendall秩相關(guān)系數(shù)τ與參數(shù)θ間的解析關(guān)系確定，參數(shù)估計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3．13。將表3．13中的θ值代入G－H　Copula即可建立流量的聯(lián)合分布函數(shù)。由四個(gè)站聯(lián)合分布函數(shù)和式（3．14）、式（3．15）計(jì)算出枯水聯(lián)合重現(xiàn)期、同現(xiàn)重現(xiàn)期，其分布圖見(jiàn)圖3．15～圖3．21。由圖3．15～圖3．18可以看出，葉爾羌河枯水的聯(lián)合重現(xiàn)期、同現(xiàn)重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)流量的差值隨著重現(xiàn)期的增加而減小，由圖3．18知，較大重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的枯水流量的變化比較明顯，而較小重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的流量的大小變化不明顯。

（3）Copula枯水流量頻率分析

葉爾羌河流域、阿克蘇河流域、開都河流域在不同頻率下枯水聯(lián)合分布計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3．14。由表3．14知，枯水聯(lián)合重現(xiàn)期小于設(shè)計(jì)重現(xiàn)期；其同現(xiàn)重現(xiàn)期大于設(shè)計(jì)重現(xiàn)期；枯水聯(lián)合重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)重現(xiàn)期差值小于同現(xiàn)重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的差值。葉爾羌河流域、阿克蘇河流域的聯(lián)合重現(xiàn)期和同現(xiàn)期變化基本一致；相同頻率下開都河流域的聯(lián)合重現(xiàn)期大于葉爾羌河流域和阿克蘇河流域的聯(lián)合重現(xiàn)期，而同現(xiàn)重現(xiàn)期小于葉爾羌河流域和阿克蘇河流域的聯(lián)合重現(xiàn)期。葉爾羌河流域、阿克蘇河流域干旱在3年重現(xiàn)期以下同時(shí)遭遇的頻率大，開都河流域干旱在5年重現(xiàn)期以下同時(shí)遭遇的頻率大，開都河大重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)干旱同時(shí)發(fā)生的概率要遠(yuǎn)大于葉爾羌河流域和阿克蘇河流域。

圖3．15　Genest－Rivest方法檢驗(yàn)結(jié)果

表3．13　G－H　Copula函數(shù)參數(shù)估計(jì)結(jié)果表

圖3．16　葉爾羌河枯水G－H　Copula聯(lián)合分布與等值線

圖3．17　葉爾羌河枯水G－H　Copula聯(lián)合重現(xiàn)期與等值線

圖3．18　葉爾羌河枯水G－H　Copula同現(xiàn)重現(xiàn)期與等值線

圖3．19　阿克蘇河枯水G－H　Copula聯(lián)合分布與等值線

圖3．20　阿克蘇河枯水G－H　Copula聯(lián)合重現(xiàn)期與等值線

圖3．21　阿克蘇河枯水G－H　Copula同現(xiàn)重現(xiàn)期與等值線

表3．14　不同頻率組合、不同水文站點(diǎn)組合下枯水流量聯(lián)合重現(xiàn)期和同現(xiàn)重現(xiàn)期

4）分析與結(jié)論

同古孜洛克、玉孜門勒克、沙里桂蘭克、黃水溝和阿拉爾站1987年后重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的枯水流量大于1987年前重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的枯水流量；卡群站1987年后大于10年重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)枯水流量小于1987年前，協(xié)合拉、大山口1987年后大于30年重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)枯水流量小于1987年前。雖然西北地區(qū)由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變的爭(zhēng)議仍在繼續(xù)，但是大量研究業(yè)已證明從1987年以來(lái)塔河流域的氣溫和降雨呈顯著增加趨勢(shì)；大部分水文站點(diǎn)1987年后重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)枯水流量大于1987年前也很好地證明了這一結(jié)論，特別是阿拉爾站枯水變化比較明顯。但葉爾羌河的卡群站、阿克蘇河的協(xié)合拉站以及開都河的大山口站枯水流量在1987年前后變化與前面不盡一致。葉爾羌河是典型的雪冰補(bǔ)給河流，流域多年平均冰川消融量約占出山口的卡群站多年平均徑流量的64．0%，雨雪混合補(bǔ)給量占13．4%，地下水補(bǔ)給量占22．6%；提茲那甫河冰川融水量占玉孜門勒克站多年平均徑流量的29．9%，雨雪補(bǔ)給量占55．3%，地下水補(bǔ)給量占14．8%；卡群站徑流量補(bǔ)給主要依靠冰雪融水，玉孜門勒克站徑流量主要是雨雪補(bǔ)給。塔河地區(qū)氣溫和降雨整體呈增加趨勢(shì)，但葉爾羌河流域的帕米爾高原區(qū)的秋季升溫最明顯，春季次之，而冬季最不顯著；帕米爾高原區(qū)夏季降水的線性增濕最為顯著。主要依靠冰雪融水補(bǔ)給的葉爾羌河流域春、冬季的枯水流量增加并不是很明顯，只能緩解小于7年一遇的干旱，對(duì)于重現(xiàn)期比較大的干旱的緩解作用還不明顯。葉爾羌河流域的農(nóng)業(yè)灌溉面積是全疆最大的，農(nóng)林與人畜的年耗水量達(dá)到21．73億m3，占總地表水來(lái)水量的28．4%，耕地面積也呈增加趨勢(shì)，因此降雨量的增加并不能從根本上解決葉爾羌河的干旱問(wèn)題。

托什干河的沙里桂蘭克站和庫(kù)瑪拉克河的協(xié)合拉站同屬于阿克蘇河流域，但兩站1987年前后重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)枯水流量變化并不一致。主要原因是托什干河的積水面積，河流長(zhǎng)度457km，平均高程比較低，高山冰雪面積較少，冬季積雪多；庫(kù)瑪拉克河水源多冰川永久積雪，兩支流的主要補(bǔ)給來(lái)源是冰川融水和降雨。1987年后阿克蘇河流域春季、冬季的降雨量和冬季的氣溫呈增加趨勢(shì)，春季的氣溫呈減小趨勢(shì)，庫(kù)瑪拉克河水源補(bǔ)給因?yàn)榇杭練鉁販p小而受影響。阿克蘇河流域年際變化較小，水量穩(wěn)定，大的旱澇災(zāi)害一般不會(huì)發(fā)生。兩站重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)枯水流量?jī)H次于卡群、大山口站。阿克蘇河流域農(nóng)林與人畜的年耗水量達(dá)到14．86億m3，占總地表水來(lái)水量的17．6%，阿克蘇河流域耗水量?jī)H次于葉爾羌河。開都河流域主要依靠降雨，冰雪融水補(bǔ)給，春季由于季節(jié)性積雪融水的補(bǔ)給，徑流量占全年的23．2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于其他流域。重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的枯水流量?jī)H次于卡群站，但其流域面積僅為葉爾羌河流域的1/5。開都河流域在12月—次年3月平均氣溫為－20．4℃，蒸發(fā)微弱，降雪不能即時(shí)融化補(bǔ)給徑流，徑流完全靠地下水補(bǔ)給，其夏、秋季節(jié)的降雨量變化將直接影響冬季徑流量的變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，巴音郭楞蒙古自治州在1979—1987年連續(xù)發(fā)生干旱，開都河流域春水干旱連枯期一般是3—4年，開都河流域的干旱年與塔河地區(qū)的干旱年比較同步，開都—孔雀河的農(nóng)林與人畜的年耗水量達(dá)到8．73 億m3，占總地表水來(lái)水量的20．7%，這與該區(qū)域分布大量灌區(qū)有密切關(guān)系，因此塔河流域氣候變化引起開都河徑流量的增加能緩解小干旱發(fā)生的頻率，但是不能緩解大重現(xiàn)期干旱發(fā)生頻率。

葉爾羌河流域、阿克蘇河流域的聯(lián)合重現(xiàn)期和同現(xiàn)期變化基本一致；相同頻率下開都河流域的聯(lián)合重現(xiàn)期大于葉爾羌河流域和阿克蘇河流域的聯(lián)合重現(xiàn)期，而同現(xiàn)重現(xiàn)期小于葉爾羌河流域和阿克蘇河流域的聯(lián)合重現(xiàn)期。兩個(gè)流域同屬塔河流域，聯(lián)合重現(xiàn)期和同現(xiàn)重現(xiàn)期表現(xiàn)卻不相同，葉爾羌河流域和阿克蘇河流域的重現(xiàn)期基本同步，但卻與開都河不同，主要原因是流域面積不同，開都河流域面積小于阿克蘇河和葉爾羌河流域面積，而且大山口和黃水溝站的集水面積和徑流量相差很大，大流域且兩支流流域面積相差不大，其遭遇干旱的頻率相對(duì)較小。三個(gè)流域同時(shí)重現(xiàn)期較小的遭遇干旱的幾率大，這也與塔河地區(qū)“十年九旱”有關(guān)系。

雖然塔河流域大部分地區(qū)在1987年后重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)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區(qū)、喀什地區(qū)、阿克蘇地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州在1950—2008年發(fā)生災(zāi)害的年數(shù)分別是8年、13年、12年、17年和8年、7年、4年、10年，1987年后發(fā)生干旱的年份小于1987年前。但是3－1－5顯示19世紀(jì)80年代以來(lái)，特別是2000年后旱災(zāi)成災(zāi)面積都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前期，年均增加0．23萬(wàn)hm2/年。經(jīng)過(guò)近60年水利事業(yè)的發(fā)展，塔河流域目前大中型水庫(kù)數(shù)量、渠首數(shù)量及防滲率等有了長(zhǎng)足進(jìn)步。塔河流域土地增加經(jīng)歷三個(gè)時(shí)期，1949—1960年、1963—1978年和1990—2008年分別增加44．88萬(wàn)hm2、26．46萬(wàn)hm2和68．75萬(wàn)hm2；塔河上游地區(qū)的灌溉面積由1950年的34．8萬(wàn)hm2增加到2007年的164．53萬(wàn)hm2，耕地面積增加將近5倍。在以水資源開發(fā)利用為核心的人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)影響下，各支流耗水量呈增加趨勢(shì)，大型水利樞紐并不能滿足耕地和人口增長(zhǎng)所需水量，這樣導(dǎo)致進(jìn)入塔河干流水量并沒(méi)有隨著支流徑流量的增加而增加。盡管塔河流域氣候趨向于暖濕，但是由于人類活動(dòng)的影響，其干旱受災(zāi)面積連年增加的趨勢(shì)并沒(méi)有從根本上扭轉(zhuǎn)。

5）結(jié)論

（1）1987年后氣溫和降雨量的增加致使重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的枯水流量大于1987年前的枯水流量，降雨量的增加能減小小干旱發(fā)生的頻率，但大干旱發(fā)生的頻率仍然很大，并沒(méi)有從根本上緩解旱情。

（2）葉爾羌河流域、阿克蘇河流域的聯(lián)合重現(xiàn)期和同現(xiàn)期變化基本一致；開都河流域發(fā)生干旱的頻率小于葉爾羌河流域和阿克蘇河流域；而開都河流域同時(shí)發(fā)生干旱的頻率大于葉爾羌河流域和阿克蘇河流域；三個(gè)流域遭遇較小干旱的頻率很大。由于耕地面積、人口的增長(zhǎng)，水資源供需矛盾非常尖銳。

3．4　塔河流域干旱成因分析

3．4．1　自然因素

1）水資源短缺，用水水平較低

塔河流域地處內(nèi)陸干旱區(qū)，氣候干旱、降雨稀少，多年平均降雨量為116．8mm，而蒸發(fā)量高達(dá)1　800～2　900mm以上，區(qū)域水資源極度短缺。而流域又地處邊遠(yuǎn)地區(qū)，經(jīng)濟(jì)較為落后，水利工程雖然經(jīng)過(guò)幾十年的建設(shè)，取得了較大的成績(jī)，但區(qū)域用水效率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)地區(qū)。水資源短缺而用水水平不高，導(dǎo)致區(qū)域干旱災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

（1）塔河流域水資源

從表3．15可以看出，2010年，塔河流域降水總量1　905億m3，水資源總量437．2億m3，地表水資源量437．2億m3，地下水資源量311．6億m3，流域水資源總量?jī)H占全國(guó)水資源總量的1．41%，占西北地區(qū)水資源總量的26．55%，占全新疆水資源總量的39．28%。

人均水資源量是指一定區(qū)域內(nèi)人均所占有的水資源數(shù)量。2010年塔河流域人均占用水資源量4　089．8m3/人，占全國(guó)人均占有量的1．8倍，占西北地區(qū)人均占有量的76．00%，為世界人均占用水資源量的46．74%，為全疆人均占有量的79．80%。

表3．15　塔河流域與不同區(qū)域水資源量對(duì)照表

圖3．22　塔河流域與不同區(qū)域人均水資源量對(duì)比

畝均水資源量是指一定區(qū)域內(nèi)畝均耕地所擁有的水資源量。2010年，塔河流域畝均水資源量1　631．77m3/畝，為全國(guó)畝均占有量的1．14倍，為西北地區(qū)畝均占有量的92．99%，為全新疆畝均占有量的99．34%，見(jiàn)圖3．23。

圖3．23　塔河流域與不同區(qū)域畝均水資源量對(duì)比

產(chǎn)水系數(shù)是指一定區(qū)域內(nèi)水資源總量與當(dāng)?shù)亟邓康谋戎怠?010年，塔河流域平均產(chǎn)水系數(shù)為0．23，全國(guó)為0．47，西北地區(qū)為0．24，全疆為0．23；產(chǎn)水模數(shù)是指一定區(qū)域內(nèi)水資源總量與計(jì)算區(qū)域面積的比值（平均單位面積產(chǎn)水量）。塔河流域平均產(chǎn)水模數(shù)4．23萬(wàn)m3/km2，全國(guó)為32．6萬(wàn)m3/km2，西北地區(qū)為4．9萬(wàn)m3/km2，全疆為5．89萬(wàn)m3/km2。由此可見(jiàn)產(chǎn)水系數(shù)和產(chǎn)水模數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于全國(guó)水平，為資源性嚴(yán)重缺水地區(qū)。

（2）用水水平

①用水總體效率分析

2010年，全國(guó)、西北地區(qū)、新疆的人均用水量分別為427m3、487m3、2　318m3，塔河流域人均用水量3　085m3，占全國(guó)人均用水量的7．2倍，西北地區(qū)的6．3倍，全新疆的1．3倍，見(jiàn)圖3．24。

圖3．24　塔河流域與不同地區(qū)人均用水量對(duì)比

由圖3．25可知，全國(guó)、西北地區(qū)、新疆的萬(wàn)元GDP用水量分別為399m3、645m3、3　186m3，塔河流域人均用水量5　020m3，占全國(guó)萬(wàn)元GDP用水量的12．6倍，西北地區(qū)的7．8倍，全新疆的1．6倍。近些年來(lái)，塔河流域各行業(yè)通過(guò)各種節(jié)水措施，取得了顯著的節(jié)水效果，水的利用效率得到了顯著提高。但與其他地區(qū)及全國(guó)水平相比，塔河流域的總體用水效率和節(jié)水水平還很低，與先進(jìn)地區(qū)還有很大差距，見(jiàn)圖3．25。

圖3．25　塔河流域與不同地區(qū)萬(wàn)元GDP用水量對(duì)比

2010年，全疆、西北地區(qū)、全國(guó)的農(nóng)田實(shí)際灌溉畝均用水量分別為673m3、651m3、421m3，塔河流域?yàn)?57m3，占全國(guó)農(nóng)田實(shí)際灌溉畝均用水量的2．04倍，西北地區(qū)的1．32倍，全新疆的1．27倍，塔河流域農(nóng)業(yè)用水量高于全疆，西北地區(qū)，全國(guó)的平均水平。通過(guò)分析，認(rèn)為對(duì)于干旱缺水的塔河流域，農(nóng)田實(shí)際灌溉畝均用水量，灌溉定額普遍偏高，若加大節(jié)水改造力度，節(jié)水潛力很大。不同地區(qū)灌溉水平的差異，說(shuō)明了農(nóng)業(yè)節(jié)水水平和用水效率與地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著緊密的關(guān)系，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，其節(jié)水水平和用水效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于塔河流域，見(jiàn)圖3．26。

圖3．26　塔河流域與不同地區(qū)農(nóng)田實(shí)際灌溉畝均用水量對(duì)比

2010年，全疆、西北地區(qū)、全國(guó)的萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量分別為52m3、50m3、90m3，塔河流域?yàn)?24m3，占全國(guó)萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量的1．4倍，西北地區(qū)的2．5倍，全疆的2．4倍，塔河流域萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量高于全疆，西北地區(qū)，全國(guó)的平均水平。塔河流域的工業(yè)用水重復(fù)利用率為55%，管網(wǎng)綜合漏失率為18%，見(jiàn)圖3．27。

圖3．27　塔河流域與不同地區(qū)工業(yè)用水水平對(duì)比

（3）結(jié)論

通過(guò)以上分析可知，塔河流域是干旱區(qū)，氣候干旱、降雨稀少，蒸發(fā)量很大，總的水資源量短缺，人均水資源量與世界，我國(guó)，新疆的平均人均水資源量比起來(lái)比較大，畝均水資源量很少，產(chǎn)水系數(shù)，產(chǎn)水模數(shù)不大，而農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活等各方面的用水水平低，水資源浪費(fèi)比較嚴(yán)重更加劇了干旱災(zāi)害的發(fā)生程度和頻率，這是干旱災(zāi)害的主要成因之一。

2）水資源時(shí)空分布不均

塔河為典型的干旱區(qū)內(nèi)陸河，水資源形成于山區(qū)，消耗于平原區(qū)，為純耗散型的內(nèi)陸河。塔里木盆地四周有天山山脈、帕米爾高原、喀喇昆侖山和昆侖山等高大山體，截獲大量空中水汽，在山區(qū)形成了豐富的降水，山區(qū)是干旱區(qū)中的濕島，低溫條件下形成了眾多冰川，塔河流域四源流均發(fā)源于高山區(qū)，因而塔河流域水資源形成于山區(qū)。形成于山區(qū)的水資源，以地表徑流的形式進(jìn)入平原區(qū)，主要消耗于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展各部門用水、生活用水、生態(tài)用水和無(wú)效蒸發(fā)損失。

（1）水資源空間分布

塔河流域的水資源總量為塔河流域降水形成的地表水和地下產(chǎn)水量，即地表徑流量和降水滲漏補(bǔ)給量之和。根據(jù)已有的成果，流域水資源總量為370．22億m3，若加上境外流入量62．23億m3，流域總水量為432．5億m3。按流域分區(qū)統(tǒng)計(jì)塔河流域三級(jí)分區(qū)各區(qū)水資源量，見(jiàn)表3．16。從表可以看出，塔河流域水資源三級(jí)分區(qū)中與干流有地表水力聯(lián)系的四個(gè)源流區(qū)比其他三級(jí)區(qū)水資源總量還大，四源為塔河流域的主要產(chǎn)水區(qū)，水資源量為197．43億m3，占塔河流域水資源總量的53．3%；葉爾羌河水資源量最大，為75．01億m3，占塔河流域水資源總量的20．3%；阿克蘇河流域水資源總量加上境外水量54．8億m3，則總水資源量可達(dá)87．58億m3，是塔河流域水資源最豐富的區(qū)域。

表3．16　塔河流域水資源三級(jí)區(qū)水資源統(tǒng)計(jì)表

塔河流域產(chǎn)水系數(shù)只有0．32，產(chǎn)水模數(shù)為3．69萬(wàn)m3/km2，均比新疆產(chǎn)水系數(shù)0．327、產(chǎn)水模數(shù)5．056萬(wàn)m3/km2小，表明塔河流域從整體上是一個(gè)十分干旱的流域，四源中阿克蘇河流域的產(chǎn)水模數(shù)最大，可達(dá)10．07萬(wàn)m3/km2，表明阿克蘇流域是四源中水資源最為豐富的地區(qū)（見(jiàn)表3．17）。

表3．17　塔河流域四源產(chǎn)水模數(shù)及產(chǎn)水系數(shù)統(tǒng)計(jì)

四源水資源量在空間分配上也呈現(xiàn)出不均衡性，從而影響了各流域水資源開發(fā)利用的程度，通過(guò)對(duì)比分析塔河流域四源畝均水資源量與四源各流域畝均水資源量見(jiàn)圖3．28。從圖中可以看出，四源中開—孔河流域畝均水資源量最高，為1　436m3/畝，表明該流域水資源開發(fā)利用程度相對(duì)較低；葉爾羌河流域畝均水資源量最低，為887m3/畝，說(shuō)明該流域水資源開發(fā)利用程度相對(duì)較高，開發(fā)潛力最?。话⒖颂K河和和田河流域分別為1　097m3/畝和1　057m3/畝，處于該塔河流域內(nèi)的中等水平。

圖3．28　各流域與四源畝均水資源量對(duì)比

（2）水資源時(shí)間分布

選取典型水文站的水文資料對(duì)塔河四源流徑流年際變化特征進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3．18。從表中可見(jiàn)，由于塔河流域四源流冰雪融水比重較大，開都河雖屬雨雪混合補(bǔ)給河流，但有大、小尤爾都斯盆地的調(diào)節(jié)作用，所以四條河流的年徑流年紀(jì)變化較小，Cv值大多在0．15～0．27之間，最大與最小水年倍比在1．8～3之間，最大模數(shù)介于1．4～1．7之間，最小模比系數(shù)介于0．5～0．8之間。表明各源流徑流量較為穩(wěn)定，并且河流干旱和多水年并不同步，因而很少出現(xiàn)全流域的干旱缺水年，有利于農(nóng)業(yè)灌溉。

表3．18　塔河四源主要河流水文特征統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)四源年內(nèi)徑流變化過(guò)程分析能夠看出，四源除開都河以外的河流徑流量年內(nèi)分配十分不均勻，各源流年徑流與連續(xù)最大四個(gè)月的徑流量比較見(jiàn)圖3．29。從圖中可以看出，塔河流域大多數(shù)河流連續(xù)最大四個(gè)月水量占全年徑流量的70%～80%。開—孔河流域內(nèi)雨、雪、冰川對(duì)徑流的補(bǔ)給都占一定的比重，流域內(nèi)有大、小尤尓都斯盆地，有一定的調(diào)蓄能力，連續(xù)最大四個(gè)月的徑流量占全年徑流量的56%。其余三源流均以冰川融雪和降雨為主要補(bǔ)給來(lái)源，高溫和降雨多集中在夏季，所以夏季水量占比重較大，年內(nèi)分配不均勻性顯著。阿克蘇河連續(xù)最大四個(gè)月的徑流量占全年徑流量的77%，葉爾羌河連續(xù)最大四個(gè)月的徑流量占全年徑流量的75%，和田河流域連續(xù)最大四個(gè)月的徑流量占全年徑流量的85%，并且連續(xù)最大四個(gè)月多集中在5～9月之間，由此產(chǎn)生了春夏水量相差懸殊，春旱災(zāi)害頻繁發(fā)生的現(xiàn)象。春季是農(nóng)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，但是春季氣溫較低，高山冰雪不能消融且降水量少，河川徑流量處于一年的枯水期，大多數(shù)河流3～5月的徑流量占年徑流量的10%以下，從而導(dǎo)致了該地區(qū)農(nóng)作物基本上依靠天然降水維持的狀態(tài)。這一現(xiàn)象在帕米爾高原和昆侖山區(qū)河流表現(xiàn)尤為嚴(yán)重，玉龍喀什河多年平均春季水量只有夏季水量的1/14，春多夏少的問(wèn)題非常突出。

圖3．29　四源流年內(nèi)各時(shí)段徑流量對(duì)比圖

3）水毀受旱

新疆春夏季洪水常常沖毀（壞）引水灌溉設(shè)施，導(dǎo)致有水無(wú)法引入灌區(qū)，造成農(nóng)作物受旱即“水毀受旱”，這是新疆灌溉農(nóng)業(yè)特有的干旱類型。

例如2010年和田地區(qū)發(fā)生洪水，洪水災(zāi)害造成灌區(qū)蓄水、引水工程受損嚴(yán)重，共有7座水庫(kù)、7座渠首、113座閘口、513km引水渠不同程度的損壞，災(zāi)害損失7　569．52萬(wàn)元。由于缺乏資金，未能得到及時(shí)修復(fù)，灌區(qū)引水困難，致使56萬(wàn)畝農(nóng)作物遭受不同程度的干旱。2011年和碩曲惠鄉(xiāng)發(fā)生山洪，曲惠引水龍口嚴(yán)重?fù)p毀，曲惠干渠中斷供水達(dá)20天，農(nóng)田無(wú)法正常灌溉，造成曲惠灌區(qū)4　500余畝棉花因干旱絕收，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1　035萬(wàn)元以上。

3．4．2　社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人類活動(dòng)對(duì)干旱的影響

塔河流域在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期里，人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)緩慢，水資源開發(fā)利用處于相對(duì)穩(wěn)定的階段。塔河流域較大規(guī)模的水資源開發(fā)與利用，始于20世紀(jì)50年代。

隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展，人類對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求逐年增加，區(qū)域內(nèi)復(fù)種指數(shù)的提高和耕地面積增加，尤其是水田增加，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水量大幅度增加，水資源供需矛盾更趨緊張，直接加劇了旱災(zāi)發(fā)生的頻率和強(qiáng)度。另外，人們不愿用農(nóng)家有機(jī)肥料，大量施用化肥，使土壤有機(jī)質(zhì)減少，蓄水保墑能力降低，土地對(duì)灌溉的依賴性增強(qiáng)，這也加重了旱災(zāi)的發(fā)生。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，城鄉(xiāng)居民生活水平的提高，塔河流域資源性缺水問(wèn)題將更加突出，水的總量短缺對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)各方面尤其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的影響將越來(lái)越大，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展加劇了旱情，塔河流域各地區(qū)水資源承載能力與區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展格局極不協(xié)調(diào)，由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展速度過(guò)快，加劇了當(dāng)?shù)氐馁Y源性缺水問(wèn)題。據(jù)《新疆50年（1955— 2005）》提供的從1949—2004年新疆人口和耕地面積資料和工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)繪制出塔河流域內(nèi)50年間耕地和人口的變化情況，見(jiàn)圖3．30、圖3．31。

由圖3．30可以看出，人口增長(zhǎng)帶來(lái)需水量的大幅增長(zhǎng)，塔河流域內(nèi)人口由1949年的308．55萬(wàn)人，發(fā)展到2004年的923．18萬(wàn)人，50年間增加了614．63萬(wàn)人，在1949年的基礎(chǔ)上增加了65．58%；同時(shí)耕地面積由1949年的671．61萬(wàn)hm2，發(fā)展到2004年的1　172．15萬(wàn)hm2，50年間增加了500．54萬(wàn)hm2，在1949年的基礎(chǔ)上增加了42．70%。

圖3．30　塔河流域人口和耕地面積變化情況

由圖3．31可以看出，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)工業(yè)需水量的大幅增長(zhǎng)，塔河流域內(nèi)地區(qū)生產(chǎn)總產(chǎn)值，農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值，工業(yè)總產(chǎn)值在1949—2004年的50年間分別增加為606．15萬(wàn)元，274．34萬(wàn)元，250．21萬(wàn)元，在1949年的基礎(chǔ)上分別增加了99．75%，98．78%，99．97%。因此，社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量不斷增長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)用水逐年增大，水資源供需矛盾越來(lái)越突出，人為加大旱情、旱災(zāi)，增大了抗旱任務(wù)。由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，許多地區(qū)在確定經(jīng)濟(jì)布局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和發(fā)展規(guī)模時(shí)沒(méi)有考慮水資源承載能力，不停地大規(guī)模開荒，未做到因水制宜、量水而行，即使在水資源極度貧乏，開發(fā)難度大或不利于環(huán)境保護(hù)的地區(qū)，也興建高耗水農(nóng)業(yè)，發(fā)展高耗水農(nóng)業(yè)，形成人口集中的城市，客觀上加劇了水資源的供需緊張，加劇了干旱的程度。

圖3．31　塔河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化情況

塔河流域經(jīng)過(guò)50年大規(guī)模的水土開發(fā)和人為活動(dòng)的影響，水環(huán)境發(fā)生巨大變化。自20世紀(jì)50年代初開始，塔河干流上游的三源流（阿克蘇河、葉爾羌河、和田河），由于人工綠洲規(guī)模擴(kuò)大，引水量增加，特別是農(nóng)田高定額灌溉，導(dǎo)致進(jìn)入塔河干流的水量呈逐年遞減的趨勢(shì)，見(jiàn)表3．19。50～60年代匯入塔河的水量約為61 億m3，而到90年代則減少到44億m3，40年減少了17億m3，平均每年以4　250萬(wàn)m3的速度減少。

表3．19　20世紀(jì)50～90年代塔河干流徑流量變化

進(jìn)入塔河干流的水量在沿程的分布也是不一致的。塔河龍頭站——阿拉爾站，20世紀(jì)50～60年代徑流量為50億m3，到90年代為42．5億m3，40年減少了7．5億m3，平均以每年近2　000萬(wàn)m3的速率減少；中游來(lái)水與上游具有相同的變化趨勢(shì)，但水量更加減少，只占上游來(lái)水量的55%～72%，由于干流長(zhǎng)期以來(lái)疏于管理，無(wú)工程控制手段，擅自開口引水現(xiàn)象嚴(yán)重，加之中游河道彎曲，地勢(shì)平緩，耗水十分嚴(yán)重，致使到達(dá)下游的水量顯著減少，來(lái)水量?jī)H分別占到上游和中游水量的5%～23%和9%～32%，水資源量由于人為原因在空間上發(fā)生新的布局。

3．4．3　氣候變化對(duì)干旱的影響

1）氣候變化特征分析

（1）近50年來(lái)塔河流域氣候及河流徑流總體變化特征

①流域內(nèi)氣候變化特征

本文以塔河流域的26個(gè)氣象站和8個(gè)水文站1961—2005年觀測(cè)資料為基礎(chǔ)。通過(guò)大量的文獻(xiàn)查閱對(duì)塔河流域的溫度、降水、徑流變化及它們之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了分析。

a．氣溫變化特征

以流域內(nèi)26個(gè)氣象站氣溫進(jìn)行年代季間的分析，塔河流域年平均氣溫1961—2005年呈逐年代遞增趨勢(shì)，其中2000年以后較45年平均氣溫增加0．75℃，增幅7．69%，較60年代增加1．27℃，增幅13．75%，見(jiàn)表3．20和圖3．32。

將平原區(qū)22個(gè)氣象站和山區(qū)阿合奇、塔什庫(kù)爾干、巴音布魯克、吐?tīng)栨靥氐?個(gè)氣象站氣溫進(jìn)行平均，分析山區(qū)和平原區(qū)氣候變化特征，結(jié)果見(jiàn)表3．20和圖3．32。從圖表中可看出，氣溫逐年增加，2000年以后較45年平均，平原區(qū)增加0．74℃，增幅達(dá)6．69%；山區(qū)增加0．56℃，增幅達(dá)17．83%；較60年代，平原區(qū)增加1．20℃，增幅達(dá)11．32%；山區(qū)增加1．10℃，增幅達(dá)42．31%，平原區(qū)增幅大于山區(qū)。

對(duì)整個(gè)流域按照空間分為塔北、塔南、塔西3個(gè)區(qū)域，分析不同區(qū)域氣溫變化特征，結(jié)果見(jiàn)表3．20和圖3．32。由圖表可知，塔河流域的年平均氣溫逐年代呈遞增趨勢(shì)，其中，塔河流域北部增長(zhǎng)最為明顯，其次為南部、西部的增加幅度相對(duì)比較小。60年代溫度最低，2000年后溫度最高。2000年以后較45年平均，流域北部增加1．22℃，增幅達(dá)13．15%；南部增加1．00℃，增幅達(dá)10．53%；西部增加0．8℃，增幅達(dá)6．67℃。較60年代，流域北部增加1．8℃，增幅達(dá)20．60%；南部增加1．7℃，增幅達(dá)19．32%；西部增加1．3℃，增幅達(dá)11．33℃。塔北區(qū)域增幅大于塔南和塔西區(qū)域。

表3．20　1961—2005年塔河流域各區(qū)氣溫年代變化

圖3．32　塔河流域各區(qū)氣溫年代變化

b．降水變化特征

由表3．21和圖3．33可知，塔河流域各區(qū)的年平均降水量，1961—2005年整體上呈逐年代遞增趨勢(shì)，其中2000年以后較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%，較60年代增加29．68mm，增幅達(dá)37．08%，60年代偏枯，90年代和2000年后偏豐。

將平原區(qū)22個(gè)氣象站和山區(qū)4個(gè)氣象站降水量進(jìn)行平均，分析山區(qū)和平原區(qū)降水變化特征，由表3．21和圖3．33可看出降水逐年增加，2000年以后較45年平均，平原區(qū)增加16．34mm，增幅達(dá)23．06%；山區(qū)增加31．04mm，增幅達(dá)15．32%；較60年代，平原區(qū)增加30．70mm，增幅達(dá)51．34%；山區(qū)增加41．90mm，增幅達(dá)21．85%，山區(qū)增幅大于平原區(qū)。

對(duì)整個(gè)流域按照空間分為塔北、塔南、塔西三個(gè)區(qū)域，分析不同區(qū)域降水量變化特征，由表3．21和圖3．33可知，塔河流域的年平均降水量呈逐年代遞增趨勢(shì)，其中，塔河流域北部增長(zhǎng)最為明顯，南部、西部的增加幅度相對(duì)比較小。2000年以后較45年平均，流域北部增加16．64mm，增幅達(dá)16．18%；南部增加28．94mm，增幅達(dá)26．91%；西部增加9．02mm，增幅達(dá)24．79%。較60年代，流域北部增加35．10mm，增幅達(dá)41．49%；南部增加37．90mm，增幅達(dá)38．44%；西部增加14．49mm，增幅達(dá)46．45%。塔北地區(qū)增幅最大，其次為塔南和塔西地區(qū)。

表3．21　1961—2005年塔河流域各區(qū)降水量年代變化

圖3．33　塔河流域各區(qū)降水量年代變化

根據(jù)1961—2008年塔河阿拉爾干流區(qū)水文站和黃水溝，塔什店，大山口，卡群、玉孜門勒克，同古孜洛克，烏魯瓦提等1個(gè)干流區(qū)水文站，7個(gè)源流區(qū)水文站的資料統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表3．22），塔河流域干流徑流量逐年減少，各源流的產(chǎn)流區(qū)均在山區(qū)，出山口徑流量變化3個(gè)河流均增加，增加幅度不大，2000年以后徑流量與60年代相比：和田河同古孜洛克站徑流量增加1．43億m3，增幅達(dá)6．29%；烏魯瓦提站增加2．03億m3，增幅達(dá)9．48%；干流阿拉爾站年經(jīng)流量減少6．93m3，減幅達(dá)13．70%；葉爾羌河卡群站增加8．57億m3，增幅為13．65%；玉孜門勒克站增加2．73億m3，增幅為34．42%；開孔河黃水溝站增加0．92億m3，增幅達(dá)34．95%。2000年后平均徑流量與多年平均相比：干流阿拉爾站減少1．35億m3，減幅為3．00%；葉爾羌河玉孜門勒克站增加1．91億m3，增幅為21．80%；和田河同古孜洛克站徑流量增加1．76億m3，增幅達(dá)7．88%；烏魯瓦提站增加1．75億m3，增幅達(dá)8．06%；開孔河黃水溝站增加0．58億m3，增幅達(dá)19．48%；大山口站增加5．43億m3，增幅達(dá)14．33%。

表3．22　1961—2005年塔河流域各站不同年代徑流量變化

新疆山區(qū)降水多于平原，年降水量400mm以上的區(qū)域大都在山區(qū)，山區(qū)總面積約占全疆的40%，達(dá)66萬(wàn)km2左右，而山區(qū)年均總降水量為2　048億t，占全疆年均總降水量2　429億t的84．3%。因此，山區(qū)的自然降水是新疆河川徑流的最主要來(lái)源，對(duì)此許多學(xué)者做過(guò)大量研究。

用塔河流域巴音布魯克（開—孔河）和塔什庫(kù)爾干（葉爾羌河）源流區(qū)1961—2005年出山口徑流量和氣溫、降水資料進(jìn)行了相關(guān)分析，圖3．34、圖3．35為塔河流域巴音布魯克地區(qū)，圖3．36、圖3．37為塔什庫(kù)爾干源流地區(qū)近45年（1961—2005）來(lái)氣溫、降水和徑流變化趨勢(shì)。巴音布魯克和塔什庫(kù)爾干各年平均徑流量與相應(yīng)各年的平均氣溫作對(duì)比，見(jiàn)圖3．34～圖3．36，圖中60～80年代和80～00（2001—2005）年代趨勢(shì)線為年平均徑流與年平均氣溫的線性回歸，其傾向率都為正，巴音布魯克80年代以前與80年代以后傾向率分別為0．183　4億m3/℃，0．347　8億m3/℃，塔什庫(kù)爾干分別為2．510　3億m3/℃，6．017　5億m3/℃，說(shuō)明塔河流域氣候變化下溫度升高對(duì)徑流增加有較大貢獻(xiàn)，而對(duì)形成于昆侖山水系的河流與天山水系的河流相比較，其對(duì)前者的影響要遠(yuǎn)大于后者。各年平均徑流量與相應(yīng)各年的平均降水量作對(duì)比，見(jiàn)圖3．35～圖3．37，巴音布魯克80年代前與80年代后傾向率都為正，分別為0．000　6億m3/mm，0．001　7億m3/mm；塔什庫(kù)爾干分別為－0．017　9億m3/mm，－0．005　4億m3/mm，說(shuō)明塔河流域氣候變化下降水增加對(duì)年徑流的影響較小，尤其對(duì)于形成于昆侖山水系的河流。

圖3．34　巴音布魯克年平均徑流量與年平均氣溫的關(guān)系

圖3．35　巴音布魯克年平均徑流量與年平均降水量的關(guān)系

圖3．36　塔什庫(kù)爾干年平均徑流量與年平均氣溫的關(guān)系

圖3．37　塔什庫(kù)爾干年平均徑流量與年平均降水量的關(guān)系

a．近45年以來(lái)塔河流域呈變暖增濕趨勢(shì)，2000年后平均與多年平均相比氣溫增加0．75℃，增幅7．69%，其中平原區(qū)與山區(qū)相比，平原區(qū)增幅大于山區(qū)，空間上塔河流域北部增長(zhǎng)最為明顯，其次為南部、西部；2000年后平均降水與多年平均相比降水量增加16．65mm，增幅17．89%，其中山區(qū)增幅大于平原區(qū)。

b．在1961—2008年間塔河流域干流徑流量逐年減少，各源流的產(chǎn)流區(qū)均在山區(qū)，出山口徑流量變化，3個(gè)河流均增加，但增加幅度不大，2000年后平均徑流量與多年平均相比，干流阿拉爾站減少1．35億m3，減幅為3．00%；葉爾羌河玉孜門勒克站增加1．91億m3，增幅為21．80%；和田河同古孜洛克站徑流量增加1．76億m3，增幅7．88%；烏魯瓦提站增加1．75億m3，增幅達(dá)8．06%；開孔河黃水溝站增加0．58億m3，增幅達(dá)19．48%；大山口站增加5．43億m3，增幅達(dá)14．33%。

c．塔河流域年際降雨與氣溫變化是引起徑流變化的根本原因，根據(jù)巴音布魯克（開—孔河）和塔什庫(kù)爾干（葉爾羌河）源流區(qū)1961—2005年出山口徑流量和氣溫、降水資料進(jìn)行的相關(guān)分析，塔河流域氣候變化下溫度升高對(duì)徑流增加有較大貢獻(xiàn)，而對(duì)形成于昆侖山水系的河流與天山水系的河流相比較，對(duì)前者的影響要遠(yuǎn)大于后者；降水增加對(duì)年徑流的影響較小，尤其對(duì)形成于昆侖山水系的河流。

2）氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)作物需水量的影響

以氣候變暖為主要特征的全球變化已成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，氣候變暖不僅影響水資源量及其時(shí)空分布的變化，而且也會(huì)使農(nóng)作物蒸散量增加，從而加劇農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾。塔河流域?qū)儆诘湫偷摹盎哪G洲，灌溉農(nóng)業(yè)”，氣候變化將對(duì)塔河流域綠洲灌區(qū)內(nèi)作物需水量產(chǎn)生極大的影響，由于氣溫的升高，從而造成作物需水量的增加，加劇干旱災(zāi)害的發(fā)生。

（1）資料與方法

利用流域內(nèi)5個(gè)地州的26個(gè)氣象站1961—2005年的地面氣象常規(guī)觀測(cè)資料，流域灌區(qū)內(nèi)作物種植結(jié)構(gòu)及面積采用塔河流域管理局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，不同作物生育階段及生長(zhǎng)特征以流域內(nèi)的典型灌溉試驗(yàn)站觀測(cè)記錄為依據(jù)。

①參考作物ET0計(jì)算法

采用FAO—布萊尼—克雷多方法（以下簡(jiǎn)稱溫度法），在美國(guó)的若干地方以及國(guó)際上其他一些地方僅利用氣溫資料估計(jì)作物耗水量的方法得到廣泛的使用，詹森等人（1990年）發(fā)現(xiàn)，在所有評(píng)估的根據(jù)溫度估算作物ET0的方法中，F(xiàn)AO—布萊尼—克雷多方法是最為精確的一種，可用下式描述：

式中：ET0———參考作物蒸散速率（mm/天）；

　Ce——根據(jù)海拔確定的調(diào)整因子；

　T——計(jì)算時(shí)期內(nèi)的平均氣溫（℃）；

　at、bt——分別為根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驙顩r確定的調(diào)整因子；

　p——日平均白晝小時(shí)數(shù)占全年白晝小時(shí)數(shù)的百分比（%）。

②作物需水量計(jì)算方法

采用FAO推薦的Penman－Monteith公式（FAO－PM）和作物系數(shù)Kc，其計(jì)算公式為：

（ETc）j＝∑（Kci）（ET0i）　　　?。?．17）

式中：（ETc）j——第j種作物全生育期的需水量（mm）；

?。↘ci）——第j種作物第i月份的作物系數(shù)；

　ET0——參考作物蒸散量（mm/天）。

FAO確定了不同作物不同生長(zhǎng)階段的Kc值，其取值見(jiàn)表3．23。在考慮取值時(shí)將作物的生長(zhǎng)發(fā)育期劃分為4個(gè)階段相應(yīng)取值，即生長(zhǎng)初期（Kcini），發(fā)育期（Kcmid），生長(zhǎng)中期（Kcend），生長(zhǎng)后期。對(duì)于不同作物可以根據(jù)其需水規(guī)律劃分為相應(yīng)的4個(gè)發(fā)育階段。如小麥分為播種—出苗、出苗—開花期、開花—乳熟期、乳熟—成熟期；玉米分為播種—出苗、出苗—抽雄、抽雄—乳熟、乳熟—成熟期。

表3．23　作物不同生育階段取值

由于自然環(huán)境特點(diǎn)的不同，作物系數(shù)Kc值會(huì)因環(huán)境而不同。因此，根據(jù)FAO

提供的方法及塔河流域灌區(qū)的氣象和土壤條件對(duì)Kc值進(jìn)行了修正，修正結(jié)果見(jiàn)表3．24。

表3．24　作物不同生育階段Kc修正值

灌區(qū)農(nóng)田凈灌溉需水量是指各種作物凈灌溉需水量之和。作物凈灌溉需水量是由作物全生育期凈灌溉需水量和作物種植面積相乘而確定的，其計(jì)算公式為：

式中：W——流域灌區(qū)農(nóng)田凈灌溉需水量，億m3；

　Wj——流域灌區(qū)第j種作物農(nóng)田凈灌溉需水量；

　Aj——灌區(qū)第j種作物的種植面積（萬(wàn)hm2）；

（IN）j——第j種作物全生育期的凈灌溉需水量（mm）；

　N——作物種類數(shù)。

作物耗水量可以根據(jù)農(nóng)田土壤水分平衡方程計(jì)算，計(jì)算公式為：

IN＝ΔW＋ETc－Pe－G　　　?。?．19）

式中：ΔW——土體貯水量的變化（增加為正，減少為負(fù)）（mm）。

由于塔河流域灌區(qū)大多數(shù)地區(qū)地下水位埋深大于3m，在計(jì)算作物凈灌溉需水量時(shí)，不考慮地下水補(bǔ)給量，即G≈0。另外，灌區(qū)土壤水分變化量不明顯，可忽略，即ΔW≈0，流域灌區(qū)作物全生育期幾乎沒(méi)有降水，也可忽略，即Pe≈0。因此灌區(qū)作物生育期內(nèi)獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)時(shí)凈灌溉需水量公式簡(jiǎn)化為：

（2）結(jié)果與分析

①塔河流域氣候變化特征

通過(guò)對(duì)氣候的研究表明，全球氣候在過(guò)去100年中變暖了0．3～0．4℃，近40年中變暖了0．2～0．3℃，在1951—1990年間年平均氣溫升高了0．3℃。50年來(lái)，新疆氣溫呈上升趨勢(shì)，塔河流域是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，與全球和新疆氣候變化同步，流域內(nèi)的氣溫、氣象要素近40年來(lái)也有變化。

以塔河流域26個(gè)氣象站氣溫年代季進(jìn)行平均，分析整個(gè)流域氣候變化，見(jiàn)圖3．38?？梢钥闯觯恿饔虻哪昶骄鶜鉁?，1961—2005年呈逐年代遞增趨勢(shì)，從90年代開始增加幅度很大，其中2000年以后較45年平均氣溫增加0．75℃，各年代平均增幅7．69%，較60年代增加1．27℃，平均每10年上升0．28℃度，增幅達(dá)13．75%。

圖3．38　塔河流域氣溫變化

塔河流域灌區(qū)1961—2005年小麥、果園、棉花、瓜菜和草地生育期需水量年際變化規(guī)律見(jiàn)圖3．39所示。分析圖3．39可知，近45年來(lái)，流域灌區(qū)作物生育期需水量呈明顯上升趨勢(shì)，氣溫保持不變的條件下（平均氣溫9．79℃），塔河流域灌區(qū)小麥、果園、棉花、瓜菜和草地的需水量分別為2　425．10mm、5　231．73mm、2　620．10mm、2　136．78mm、3　213．65mm；2000年以后較45年平均氣溫上升0．75℃時(shí)，5種作物的需水量將平均增加到2　495．70mm、5　384．10mm、2　696．40mm、2　199．00mm、3　307．24mm。

氣溫變化條件下作物需水量在不同種植條件下的變化率和變化量不同。5種種植條件下由于作物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)短差異大，因此作物需水量在氣溫變化條件下的變率和變化量有一定差異。當(dāng)溫度上升0．75℃時(shí)，作物需水量隨著氣溫呈上升趨勢(shì)，其中塔河流域灌區(qū)果園需水量遞增速率最快，上升速率為7．30%（152．35mm/年），小麥、棉花和草地需水量遞增速率低于果園，上升速率分別為3．39%（70．62mm/年），3．66%（76．30mm/年），4．49%（93．58mm/年），瓜菜的需水量遞增速率相對(duì)較小，遞增速率為2．98%（62．22mm/年）。

圖3．39　1961—2005年塔河流域灌區(qū)主要作物需水量變化趨勢(shì)

（3）氣溫變化條件下灌溉需水量的變化

根據(jù)塔河流域氣象資料和作物種植面積資料，可計(jì)算出各站點(diǎn)在氣溫變化條件下的凈灌溉需水量，在給定溫度情景下，灌溉需水量將有不同程度的增加，增加幅度與氣溫變化條件下作物需水量的增加是一致的。從流域灌區(qū)范圍上講，氣溫平均每升高0．75℃，作物需水量將增加455．0　8mm。氣候變暖將使流域作物缺水形式進(jìn)一步加劇。根據(jù)塔河流域目前種植結(jié)構(gòu)，當(dāng)氣溫上升0．75℃時(shí)，開—孔河灌區(qū)小麥、果園、棉花、瓜菜和草地灌溉需水量分別增加0．16億m3、0．19億m3、0．40億m3、0．01億m3、0．02億m3，5項(xiàng)合計(jì)每年增加灌溉需水量0．78億m3；葉爾羌河灌區(qū)分別增加0．86億m3、0．44億m3、1．70億m3、0．14億m3、0．01億m3，全葉爾羌河灌區(qū)每年增加灌溉量3．15億m3；和田河灌區(qū)分別增加0．38億m3、1．44億m3、0．001億m3、0．04億m3、0．28億m3，全和田河灌區(qū)每年增加灌溉量2．15億m3；阿克蘇河灌區(qū)分別增加0．35億m3、0．04億m3、1．90億m3、0．02億m3、0．06億m3，全阿克蘇河灌區(qū)每年增加灌溉量2．36億m3；將使整個(gè)塔河流域灌區(qū)（即開—孔河流域，葉爾羌河流域，和田河流域、阿克蘇河流域）小麥、果園、棉花、瓜菜和草地灌溉需水量分別增加1．76億m3、2．11億m3、4．00億m3、0．21億m3、0．37億m3；5項(xiàng)合計(jì)每年增加灌溉量8．44億m3（見(jiàn)表3．25）。因此未來(lái)氣候變暖將使塔河流域緊張的水資源供需矛盾更加突出，為流域灌區(qū)分水方案的實(shí)施增加一定的難度。

表3．25　氣溫變化條件下不同作物凈灌溉需水量變化

（4）結(jié)論

①近45年來(lái)，塔河流域年平均氣溫顯著上升，平均氣溫變化量與年參考作物蒸散量（ET0）呈正比關(guān)系，ET0會(huì)隨著氣溫的增高而增加，年平均氣溫上升0．75℃時(shí)，流域灌區(qū)作物參考蒸散量（ET0）增加量為24．49mm，增加幅度達(dá)到2．83%。

②氣溫變化情景下流域灌區(qū)主要作物小麥、果園、棉花、草地和瓜菜生育期需水量呈明顯上升趨勢(shì)，其中果園需水量遞增速率最快，小麥、草地和棉花需水量遞增速率低于果園，瓜菜的需水量遞增速率相對(duì)較小。

綜上所述，整個(gè)流域5種作物灌溉需水量均隨氣溫的上升而各有不同程度的增加，假如流域灌區(qū)作物種植面積多年不變，則農(nóng)田凈灌溉需水量主要受氣候因素的影響，隨氣候的變化而變化。

3．5　本章小結(jié)

在對(duì)塔河流域歷史干旱災(zāi)害，典型干旱災(zāi)害考證的基礎(chǔ)上，分別對(duì)干旱災(zāi)害特征，枯季徑流演變特征，干旱成因進(jìn)行了分析；在氣候變化對(duì)塔河流域干旱影響分析的基礎(chǔ)上，分析計(jì)算了氣候變化對(duì)農(nóng)作物需水量的影響和灌溉需水量的變化。