0 引言
水资源是我国西北干旱区可持续发展的关键控制因子，特殊的地形和气候背景塑造了西北内流区典型的水资源供需模式，即上游水资源供给区、中游绿洲水资源消耗区以及下游水资源生态维持区。以新疆为例，主要河流的水资源量约80%以上来自于盆地周围高山区［1］。和南方降雨补给型河流不同，西北干旱区的河流同时受降雨和冰雪融水补给，例如在融雪径流补给为主的北疆额尔齐斯河流域，积雪融水对径流的贡献率超过了40%，而在南疆的叶尔羌河流域，冰雪融水对流域径流的贡献率更是超过了70%［2-3］。由于冰冻圈水文的复杂性，在评估气候变化对水文过程的影响时，不仅需要考虑降水变化对水文过程改变的直接影响，还需关注气温变化对水文过程的间接影响（气温变化不仅可以影响雨雪比，还会改变冰雪的积累-消融过程）［4-5］。
气候变暖背景下冰冻圈水文的变化特征因不同的主导冰冻圈要素而存在巨大的差异：在融雪径流主导的流域，由于积雪减少、春季消融提前和秋季积雪消融增加，将导致全年融雪径流量减少、春季径流提前和秋季径流量增加；在冰川径流主导的流域，冰川径流将呈现先增加后减小的变化趋势；在多年冻土主导的流域，多年冻土的退化导致其作为“隔水层”的功能逐渐丧失，更多的地表水补给地下水，致使地表径流减少［6］。例如，发源于天山山区的乌鲁木齐河，由于冰川的快速退缩，径流量呈现出快速减少的变化趋势［7-8］。然而，降雪、冰川大小和冰雪融水对径流的贡献不同也可能导致冰冻圈水文表现出“异常”的变化趋势。在北疆的额尔齐斯河流域，冬季降雪增加导致流域的年径流量呈现出增加的变化趋势，但升高的气温导致最大流量出现时间从6月份逐渐前移至5月［9-10］；在南疆的叶尔羌河流域，由于冰川处于相对稳定的状态（简称“喀喇昆仑异常”），致使年径流量呈现微弱的增加趋势［11］。在多种冰冻圈要素共同影响的流域，冰冻圈和气候变化的共同作用将导致不同区域冰冻圈水文过程的变化表现出显著的差异，在中国西部受冰冻圈要素控制的流域，径流增加和减少趋势的流域具有明显的分区［12］。然而，高山冰冻圈一般都处于高海拔的偏远山区，气象、冰冻圈和水文观测资料有限且时间序列较短，很难直接分析冰冻圈对水文过程的影响。因此，针对特定冰冻圈流域，利用出山口以下中游绿洲区有限的水文、气象资料，探讨气候变化背景下冰冻圈水文的变化特征成为探索上述地区水文情势的重要途径，相关认识也将为中下游区的水资源利用和生态环境保护提供重要依据。
青藏高原西北缘的昆仑山-阿尔金山北麓是我国古丝绸之路的重要通道，沿途有若羌、且末、民丰等古丝绸之路重镇，目前也是库（尔勒）格（尔木）铁路、和（田）若（羌）铁路和G315等重要的交通大通道，上游稳定的水源供给是确保阿尔金山国家自然保护区生态环境和中游绿洲区社会经济稳定以及下游尾闾湖生态环境向好和丝绸之路经济带持续繁荣的基石。因此，本研究拟选择上述区域内年径流量最大且有长期观测资料的车尔臣河流域，分析1957—2019年水文过程的变化特征，揭示其对气候变化的响应机制，以期为丝绸之路经济带的绿色可持续发展提供科技支撑。
1 研究区概况及数据资料
1.1 研究区概况
图1
图1
车尔臣河流域水系、冰川、多年冻土和绿洲空间分布以及气象、水文站点位置
Fig.1
Spatial distribution of river network， glacier， permafrost and oases and location of meteorological and hydrological stations in the Qarqan River basin
该区属典型的大陆性气候，降水稀少且降水存在显著的海拔地带性，产流区主要位于海拔5 000 m以上的高原山区，且末和若羌气象站的1957—2019年多年平均降水量仅为25.3 mm和29.4 mm，年平均气温分别为10.7 ℃和11.8 ℃。且末和若羌绿洲是流域内较大的绿洲，绿洲总面积约2 800 km2，其中，车尔臣河冰冻圈融水资源是且末绿洲和人工生态系统赖以为系的重要水源。
1.2 数据资料
青藏高原西北部高山区人类活动相对较弱，水文、气象观测资料也相对匮乏。在研究区内，具有长期观测资料的水文站点只有车尔臣河的且末水文站。且末水文站于1956年12月开始水文监测，是省级重要水文站，中央报汛站。该水文站位于新疆维吾尔自治区且末县且末镇，地理坐标85°32′ E、38°08′ N，是内陆河湖流域昆仑山北坡诸河水系车尔臣河上的大河重要控制站（图1）。且末水文站控制断面以上的集水面积约26 822 km2，历史实测最大流量为553.0 m3∙s-1（1999年8月4日），多年平均径流量5.85×108 m3，最大年径流量为11.85×108 m3（2016年），历史实测最大含沙量为151.0 kg∙m-3（1998年8月4日），多年平均输沙量为159.0×104 t。本研究用到的水文数据包括月径流、年最大流量和1日、3日、7日洪水总量，时间范围为1957年1月至2019年12月（说明：且末水文站控制断面之上仅有一个取水口，用于引水灌溉，且末水文站同期对上述两个断面进行了流量监测，本文用到的数据是上述两个控制断面的合成流量，故而基本可以排出人类活动对水文过程的影响）。鉴于且末水文站气温、降水数据与径流数据不同步，因此利用流域内同期的国家基准气象站（且末、若羌）的数据（月平均气温和降水）作为背景气象数据来分析气候变化对水文过程的影响。
2 结果
2.1 车尔臣河流域水文特征
基于1957—2019年且末水文站的月平均径流数据发现，车尔臣河流域的多年平均年径流量为5.85×108 m3，水资源的年内分配存在夏季高、其他季节相对较低的分布特征（图2），其中夏季6—8月的水资源量为2.67×108 m3，约占全年水资源的45.64%，春季3—5月、秋季9—11月和冬季12月—次年2月的径流占比分别为25.77%、20.09%和8.50%。就单月径流而言，最大流量出现在7月，月平均流量为40.32 m3∙s-1，月均径流量为1.08×108 m3，约占全年径流量的18.45%；最小流量出现在1月，月平均流量仅为4.46 m3∙s-1，月均径流量为0.12×108 m3，约占全年径流量的2.04%。
图2
图2
车尔臣河流域月均降水、径流及水资源年内分布
Fig.2
Monthly precipitation， discharge variations and annual distribution of monthly water resources in Qarqan River basin based on observed hydrological data by Qieme hydrological station during 1957—2019
然而，径流量和降水的年内分布并不完全一致。降水的年内变化显示，该地区的降水集中在夏季，多年平均夏季降水量为18.77 mm，约占全年降水量的70.44%，远高于夏季径流占年径流的比例。尽管春季降水有微弱的增加趋势（从3月的0.6 mm增加到了2.6 mm），但不足以导致月平均流量从3月的12.66 m3∙s-1增加到5月的22.43 m3∙s-1，春季山区积雪消融可能是引起径流快速增加的主要因素。另外，4—5月降水呈现增加的趋势，但是径流保持稳定，推断降水增加、积雪消融量减少共同导致径流量维持在稳定的状态。同时，青藏高原的多年冻土活动层在每年的4月下旬开始融化，导致更多的降水和积雪融水下渗并贮藏在土壤层中，也可能是导致地表径流保持稳定的重要因素。
2.2 1957—2019年车尔臣河流域径流变化特征
1957—2019年车尔臣河流域的年径流量呈现先减少后增加的变化趋势［图3（a）］：1950s至1990s中期，年地表径流量呈现出逐渐减小的变化趋势（线性变化速率约为-2.38×106 m3∙a-1，R2=0.07），1957—1997年的年径流量介于3.07×108~8.42×108 m3，最大最小径流比为2.77，多年平均径流量为5.03×108 m3；自1998年开始，地表径流量呈现快速波动上升的变化趋势（线性变化速率约为24.31×106 m3∙a-1，R2=0.47），1998—2019年的年径流量介于3.62×108~11.85×108 m3，最大最小径流比达3.27，多年平均的年径流量约为7.78×108 m3，较1957—1997年间平均增加了54.67%。然而，不同季节的径流表现出不同的变化规律：春季的径流变化与年径流的变化趋势基本一致，也表现为1997年以前微弱的减少、其后快速增加的变化趋势［图3（b）］；夏季和冬季的径流变化趋势基本一致，基本表现为1950s—1990s基本稳定、其后快速增加的变化过程［图3（c）和3（e）］；而秋季的径流在整个研究期均呈现增加的变化趋势，1957—2019年间的平均增加速率为2.13×106 m3∙a-1［图3（d）］。
图3
图3
1957—2019年车尔臣河流域年径流量和各季节平均流量变化特征
Fig.3
Variation characteristics of annual discharge and seasonal average discharge in the Qarqan River basin during 1957—2019
基于SPSS中斯皮尔曼相关性分析结果表明，在99%的置信区间内，春、夏、秋、冬四季的径流量均与年径流存在显著的相关关系，相关系数分别为0.661、0.851、0.731和0.651。这表明四季的径流变化共同导致了1957—2019年间车尔臣河年径流的变化，且夏季、秋季、春季、冬季径流对年径流的变化影响程度逐渐减弱。各个季节径流对气候变化的不同响应及对年径流贡献的差异共同决定了不同季节径流对年径流变化的影响程度。
2.3 车尔臣河流域洪水变化分析
水量作为水的资源属性，是评价水资源服务功能的重要指标，而年最大流量、洪水总量则在很大程度上反映水的灾害属性，即致害的重要评价指标。为此，我们也系统评估了车尔臣河流域的洪峰过程，主要包括年最大流量、1日、3日和7日洪水总量，相关的结果如图4所示。车尔臣河流域年最大流量介于79.0 m3∙s-1（1974年）和553.0 m3∙s-1（1999年和2011年）之间，多年平均的年最大径流量为206.9 m3∙s-1，1957—2019年间年最大径流量呈现不显著的增加趋势。从1990s后期开始，极端洪峰流量发生的频率和强度均呈现显著的增加趋势［图4（a）］，例如，1999年和2011年的年最大径流量均达到了533 m3∙s-1，约为多年平均值的2.58倍。1日、3日和7日洪水总量也表现出了类似的变化规律［图4（b）］，其中最大的1日、3日和7日洪水总量分别为28.43×106 m3（2005年）、69.36×106 m3（2000年）和150.00×106 m3（2000年），分别占年径流量的3.42%、10.64%和23.01%。上述结果表明，从1990s后期开始，流域的年最大流量和洪水总量均有增加的变化趋势，这在很大程度上增加了车尔臣河流域洪水灾害发生的风险。
图4
图4
1957—2019年车尔臣河流域年最大流量和1日、3日、5日洪水总量变化特征
Fig.4
Variation characteristics of annual maximum discharge and 1-day， 3-day and 5-day flood volume in the Qarqan River basin during 1957—2019
2.4 气候变化对水文过程的影响
图5
图5
车尔臣河流域年径流量［（a）， （b）］及春［（c）， （d）］、夏［（e）， （f）］、秋［（g）， （h）］、冬［（i）， （j）］四季径流量与对应时间气温［（a）， （c）， （e）， （g）， （i）］、降水［（b）， （d）， （f）， （h）， （j）］的相关关系
Fig.5
The relationship between annual ［（a）， b）］， spring ［（c）， （d）］， summer ［（e）， （f）］， autumn ［（g）， （h）］ and winter ［（i）， （j）］ runoff and temperature ［（a）， （c）， （e）， （g）， （i）］ and precipitation ［（b）， （d）， （f）， （h）， （j）］ in the Qarqan River basin during 1957—2019
表1 1957—2019年车尔臣河流域径流与气温和降水的相关关系
Table1
| 径流 | 气温 | 降水 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 春季 | 夏季 | 秋季 | 冬季 | 年平均 | 春季 | 夏季 | 秋季 | 冬季 | 年累计 | |
| 春季 | 0.214 | 0.085 | 0.003 | -0.101 | 0.050 | 0.287* | 0.061 | 0.245 | 0.253* | 0.230 |
| 夏季 | 0.236 | 0.269* | 0.106 | -0.028 | 0.174 | 0.218 | 0.322* | 0.232 | 0.174 | 0.435** |
| 秋季 | 0.533** | 0.532** | 0.252* | 0.111 | 0.467** | 0.104 | 0.227 | 0.211 | 0.310* | 0.323** |
| 冬季 | 0.574** | 0.452** | 0.298* | 0.309* | 0.576** | 0.033 | 0.092 | 0.176 | 0.374** | 0.177 |
| 年累计 | 0.424** | 0.405** | 0.168 | 0.044 | 0.335** | 0.189 | 0.250* | 0.286* | 0.293* | 0.384** |
斯皮尔曼相关性分析结果显示气温和降水共同控制着车尔臣河流域水文过程的变化，年径流与气温和年降水均在99%的置信区间显著相关，但降水的相关系数（0.384）略高于气温（0.335），表明降水的增加和气温的升高分别是年径流增加的第一和第二主控因素。具体到不同的季节，控制径流变化的因素又存在差异：春季的径流主要受控于冬季和春节的降水；夏季的径流受降水和气温共同控制，但是降水的作用要略高于气温；秋季的径流主要受控于夏季和秋季的气温（由表1可知，尽管秋季的径流与春季的气温相关系数最高，但从理论上讲，春季的气温不足以影响秋季的径流，而夏季气温升高导致冰川径流增加会因冰川径流的滞后汇流导致9月径流的增加）而受降水的影响较小；而冬季的径流增加是由冬季气温升高和降水增加共同引起的。
3 讨论
3.1 冰冻圈对车尔臣河流域水文过程的潜在影响
车尔臣河流域冰冻圈对水文过程的影响显著，不同季节冰冻圈对水文过程影响的差异（特别是径流组分）引起水文过程对气温、降水变化的响应显著不同（图6）。尽管2、3月的降水出现了略微的减少趋势，径流却出现了快速的增加，特别是2月，1998—2019年的平均径流量约为1957—1997年的2倍，冬季降雪的增加（特别是12月）和春季气温升高引起的积雪提前融化可能是导致2、3月径流增加的主要原因。同时，4、5月的降水有所增加（5月的降水增加在全年各月份中最大），但是径流并未发生太大变化，积雪的提前融化导致4、5月融雪径流减少可能是径流并未出现较大波动的主要原因。另外，青藏高原多年冻土在4月下旬至5月上旬融化导致更多的降雨和积雪融水储存在活动层中甚至补给地下水也可能是导致地表径流稳定的重要原因。相反，尽管7月的降水有所减少，但是其月径流却增加了34.08%，增加量达到16.77 m3∙s-1，此时的月平均气温也升高了1.7 ℃，由此推断升高的气温导致冰川融化增强，车尔臣河源区木孜塔格冰川的加速消融研究也佐证了上述推断［22］。而秋季径流的显著增加则可能是降水增加、多年冻土冻结过程延迟、冰川融化时间延长和秋季积雪融化增加共同造成的。
图6
图6
车尔臣河流域水文过程变化前后（1957—1997、1998—2019）径流的变化（a）及对应时段气温和降水的变化（b）
Fig.6
Comparison of runoff （a） and air temperature and precipitation in corresponding period （b） before and after the change of hydrological process （1957—1997， 1998—2019） in the Qarqan River basin
3.2 车尔臣河流域水文过程变化的潜在影响及应对
水是干旱区社会经济和生态环境赖以维系的最关键资源。车尔臣河的径流量决定了中游且末绿洲的城镇规模和下游尾闾湖台特玛湖的生态环境。在气候变暖的背景下，车尔臣河流域的径流量呈现显著增加的趋势，短期内有利于社会经济的发展。但是，当冰川退缩达到临界变化状态后，冰川融水量将开始下降［12］，此时的水资源可以支撑多大规模的社会经济体量仍有待于进一步评估。另外，1988—2017年间台特玛湖的地区的水域面积呈现波动增长的变化趋势，且水域面积变化的拐点发生在2000年左右，即2000年以前水域面积保持稳定且较小，2000年开始台特玛湖区域的水域面积显著扩张［14，23］，这与车尔臣河流域的水文过程变化基本一致，1997年后车尔臣河流域径流的增加导致更多的下泄水资源补给台特玛湖可能是台特玛湖短期内生态环境向好的重要原因。随着后期社会经济的持续扩张，特别是当冰川融水的开始减少，这将极大加剧中游社会经济用水和下游生态用水的矛盾。因此，地方政府不能因为短期内径流量的增加而盲目制定经济发展策略，而要合理权衡社会经济发展和生态环境保护的关系，合理评估冰川融水资源减少后可以支撑的社会经济发展规模。
气候变暖将导致冰冻圈灾害发生的频率增加和破坏程度增强［24］。车尔臣河流域的洪水发生频率和强度都呈现出了增加的变化趋势；径流量年变幅的增加可能导致水文干旱事件发生的频率增加。洪水兼具灾害和资源效应，在车尔臣河流域出山口附近修筑控制性的水利枢纽工程，实现洪水的资源化利用可能是应对车尔臣河流域水资源短缺和洪水的重要途径。
4 结论
基于昆仑山北麓车尔臣河流域内长期的水文、气象观测资料，系统分析了1957—2019年径流的变化特征、主要控制因素及其潜在影响。主要结论如下：
（1）车尔臣河的径流显著变化发生在1990s后期，前期径流呈现微弱的减小趋势，后期径流出现了快速的增加。总体上，1998—2019年的平均年地表径流比1957—1997年增加了54.67%，增加量为2.75×108 m3。夏季径流增加对年径流的变化影响最大，秋季、春季和冬季的影响逐渐减弱。径流量的年际变幅呈现增大的变化趋势，这将在一定程度上引起水文洪涝和干旱发生频率的增加。考虑洪水资源化利用和灾害防治，修建控制性的水利枢纽工程可能是车尔臣河流域应对气候变化下水文过程改变的重要举措。
（2）气温和降水共同造成了车尔臣河流域水文过程的变化。总体上，降水和气温分别是年径流变化的第一和第二主控因素，在99%的置信区间内其与年径流的相关系数分别为0.384和0.335。具体到不同的季节，气温和降水对径流的影响又存在差异：春季的径流主要受控于冬春季节降水的增加，夏季的径流同时受控于夏季降水的增加和气温的升高，而秋冬季的径流主要受控于气温的升高。冰冻圈变化，特别是木孜塔格冰川的加速消融，可能引起车尔臣河流域径流增加的重要原因。
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