近50年瑪納斯河徑流時(shí)序變化特征

付樹卿

(石河子水文勘測局，新疆 石河子 832000)

?

近50年瑪納斯河徑流時(shí)序變化特征

付樹卿

(石河子水文勘測局，新疆 石河子 832000)

[摘要]瑪納斯河徑流是供給瑪納斯河流域綠洲的重要水資源。本文依據(jù)瑪納斯河上游肯斯瓦特水文站1959～2010年實(shí)測徑流資料，采用趨勢線、Morlet小波分析以及Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法分析了近50年瑪納斯河徑流年內(nèi)、年際多時(shí)間尺度下的變化特征及其未來的變化趨勢。結(jié)果表明：(1)瑪納斯河徑流年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在6～8月份，占多年平均徑流量的70%左右，四季中夏季徑流量最大，冬季徑流最??；(2)徑流年際變化大，具有明顯的周期性與階段性，經(jīng)歷了幾個(gè)顯著的豐枯時(shí)期，并存在32年、10年左右的主周期；(3)近50年瑪納斯河徑流總體呈增加趨勢，從1995年開始發(fā)生突變，在2000年達(dá)到顯著水平，即瑪納斯河進(jìn)入豐水期，徑流的變化對流域洪水出現(xiàn)的頻次有一定影響。

[關(guān)鍵詞]瑪納斯河流域；徑流；突變檢驗(yàn)；小波分析

近年來在全球氣候變暖和人類活動(dòng)加劇的雙重影響下，造成河川徑流大幅度減少，流域水循環(huán)更為復(fù)雜，導(dǎo)致植被面積減少、土地荒漠化、地下水位下降及河道斷流等一系列生態(tài)環(huán)境問題，這些問題嚴(yán)重影響到人類的正常生活，越來越受到國際社會(huì)的關(guān)注?，敿{斯河是該地區(qū)綠洲生存的命脈，屬于冰川融雪及降水混合補(bǔ)給型河流，流域上游山區(qū)形成的徑流和大氣降水是供給中下游平原地區(qū)的主要水資源，維持著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的發(fā)展[1]。

目前人們對瑪納斯河流域平原區(qū)景觀植被面積的動(dòng)態(tài)變化、氣候變化對水文循環(huán)的影響等方面己經(jīng)做了大量研究，取得了階段性成果，但是流域徑流變化過程及其與水文極端事件洪水發(fā)生頻次之間的定量關(guān)系研究較少[2]；因此，本文研究瑪納斯河徑流年內(nèi)、年際動(dòng)態(tài)變化規(guī)律有助于深入了解區(qū)域水資源的變化特點(diǎn)及趨勢，為流域水資源的合理開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供合理的科學(xué)依據(jù)，具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1資料和方法

1.1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

瑪納斯河流域源于新疆天山北麓，準(zhǔn)葛爾盆地南緣，地理位置為：東經(jīng)85°01′～86°32′，北緯43°27′～45°21′，其南部是著名的天山山地，北接古爾班通古特大沙漠，地形南高北低，平均高程3 022 m，流域總面積19 800 km2，冰川面積608.25 km2。流域內(nèi)共有大小5條內(nèi)陸河流，從東至西依次為:塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河、巴音溝河[3]，瑪納斯河由西南向東北流，經(jīng)煤窯水文站，向東接納清水河子后轉(zhuǎn)向北流，經(jīng)肯斯瓦特水文站后又轉(zhuǎn)向東北，最后流經(jīng)紅山嘴水文站進(jìn)入瑪納斯河灌區(qū)，是準(zhǔn)噶爾盆地南緣最大的一條冰川融雪及降水混合補(bǔ)給型河流，全長約27 km?，敿{斯河流域上流山區(qū)形成的徑流是供給中下流地區(qū)的重要水資源，維持著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。

肯斯瓦特水文站是瑪納斯河流域水文觀測的代表站，始設(shè)于1955年5月，地理位置位于北緯43°58′，東經(jīng)85°57′，集水而積4 637 km2[3]。故本文采用該站點(diǎn)1959～2010年近50年的徑流資料。

1.2研究分析方法

1.2.1Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

本次徑流趨勢突變性檢驗(yàn)采用Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法，此方法優(yōu)點(diǎn)在于檢測范圍寬，也不受少數(shù)異常值的干擾，并且計(jì)算方便，近20年國際上關(guān)于Mann-Kendall方法應(yīng)用研究的實(shí)例非常之多，己經(jīng)廣泛用于檢驗(yàn)分析水文氣象資料的趨勢變化，其統(tǒng)計(jì)量為：

(1)

式中：秩序列Sk是i時(shí)刻大于j時(shí)刻個(gè)數(shù)的累積值，E(Sk)，Var(Sk)是累積數(shù)Sk的均值和方差，所有UFk組成一條曲線UF；將同樣的方法用到反序列中，得到另一條曲線UB。通過分析統(tǒng)計(jì)序列UFk和進(jìn)一步分析序列x的趨勢變化，可以明確突變的時(shí)間，指出突變的區(qū)域[4]。

1.2.2Morlet復(fù)值小波分析

近年來小波分析方法被廣泛應(yīng)用到各種研究分析領(lǐng)域，其具有良好的時(shí)、頻局部化特性，可以給出數(shù)據(jù)序列隨時(shí)間推移的變動(dòng)狀況，可以分析同一頻率的周期突變現(xiàn)象。通過Morlet復(fù)值小波對該站徑流系列進(jìn)行連續(xù)小波變換，可得到小波變換系數(shù)的實(shí)部、虛部等信息，通過分析這些信息，揭示瑪納斯河徑流變化的多時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)[5]。小波函數(shù)為一組震蕩變換的伸縮平移基ψaτ，將小波母函數(shù)ψ(t)行伸縮平移，就可以得到一組函數(shù)序列ψ(t)，其表達(dá)式為：

(2)

式(2)中：a，τ∈R，a>0，a為伸縮因子，τ為平移因子，ψ(t)為子小波。

Morlet小波函數(shù)為復(fù)數(shù)小波，其表達(dá)式為:

(3)

式(3)中：c為常數(shù)，i表示虛部。

2結(jié)果與分析

2.1徑流時(shí)間演變特征

2.1.1徑流年內(nèi)變化特征

由瑪納斯河流域徑流、降水年內(nèi)分配曲線(圖1)可知，瑪納斯河1～7月徑流流量逐漸增加，8～12月徑流流量逐漸減少，同時(shí)該流域徑流的年內(nèi)分配極不均勻，徑流主要集中在6～8月份，占多年平均徑流量的70%左右，與降水量主要集中在4～8月份相近；由此可見，降水量多，氣溫高冰川融雪多，徑流量就偏大，說明降水和冰川融雪是瑪納斯河徑流的主要補(bǔ)給來源；對比徑流量與降水量可以看出，雖然5月份降水量比較多，占到了全年降水量的12.9%，但是由于冰川融雪少，導(dǎo)致徑流量偏小，7～8月有明顯的冰川融雪補(bǔ)給，降水對徑流補(bǔ)給貢獻(xiàn)下降；季節(jié)分配上，夏季降水與冰川融雪多，徑流量最豐，冬季由于氣溫低導(dǎo)致河流封冰，加之冰川融雪少，所以徑流最枯，說明瑪納斯河流域徑流的年內(nèi)分配很大程度上取決于其補(bǔ)給來源。

圖1　瑪納斯河流域徑流、降水年內(nèi)分配曲線

2.1.2徑流年際變化特征

由瑪納斯河年際徑流變化曲線(圖2)可知，該河流1959～2010年平均徑流量為12.59億 m3，最大值出現(xiàn)在1999年，達(dá)到20.19億 m3，最小值出現(xiàn)在1992年，為9.357億 m3。70年代徑流量比60年代減少9.3%，80年代比70年代平均增加2.72%，90年代比80年代增加14.98%，2000～2008年平均比90年代又增加5.04%。其趨勢方程為，變化傾向率為0.609億 m3/10a，說明近50年瑪納斯河年平均徑流量總體呈增加趨勢。

圖2　瑪納斯河流域年際徑流變化曲線

評(píng)價(jià)徑流年際變化的特征通常采用年徑流不均勻系數(shù)和年際極值比來表示。是評(píng)價(jià)徑流量年際變化的重要指標(biāo)，其值大小直接說明了徑流年際變化的起伏程度，值越大表示年際徑流量變化劇烈，對水資源利用和抗旱防汛工作不利，反之則表示徑流的年際變化平緩；年際極值比反映了年內(nèi)徑流量最大值與最小值比的倍數(shù)關(guān)系，顯示徑流量的不均勻程度，越大表明徑流量年際變化越不均勻[6]。年徑流不均勻系數(shù)公式如下：

(4)

式中:n為觀測年數(shù)；Ki為第i年的年徑流變率。

表1　瑪納斯河流域徑流變化特征值

由計(jì)算結(jié)果表1可以看出，瑪納斯河流域徑流的年際不均勻系數(shù)和極值比都比較小，說明近50年瑪納斯河年際徑流變化起伏程度比較均勻平緩，對水資源利用和抗旱防汛工作有利。

2.2徑流突變特征分析

由瑪納斯河流域年際徑流量Mann-Kendall突變檢驗(yàn)曲線(圖3)可知，瑪納斯河年徑流量從20世紀(jì)90年代開始逐漸增加，在1995年發(fā)生突變，即從1995年瑪納斯河開始趨于豐水趨勢，但是沒有達(dá)到顯著水平，在2000年值大于，即超過臨界值線，說明瑪納斯河年徑流量從2000年開始顯著上升，即瑪納斯河進(jìn)入豐水期。

2.3徑流變化對洪水頻次的影響

統(tǒng)計(jì)流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水(超標(biāo)準(zhǔn)洪水是指超過年最大洪峰流量多年平均值的洪水)出現(xiàn)的頻次可以反映出洪水發(fā)生的頻繁程度并進(jìn)行年際間的比較分析[7]，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖4，從圖中可知肯斯瓦特站1959～2010年中共發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水17次，在徑流1995年發(fā)生由枯到豐的突變后，超標(biāo)準(zhǔn)洪水共發(fā)生10次，占全部超標(biāo)準(zhǔn)洪水出現(xiàn)次數(shù)的58.8%，1995年后超標(biāo)準(zhǔn)洪水出現(xiàn)的次數(shù)明顯增多，尤其是1996～2002年連續(xù)7年出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水，其中肯斯瓦特站1999年發(fā)生了1 100 m3/s的特大洪水，說明瑪納斯河徑流發(fā)生由枯到豐的變化后大洪水出現(xiàn)的頻次和強(qiáng)度都在明顯增加。

圖3　瑪納斯河流域年際徑流量

注：|UF|=1.96為0.05信度臨界值

圖4　瑪納斯河不同年代超標(biāo)準(zhǔn)洪水出現(xiàn)的頻次

圖5　瑪納斯河年際徑流量小波變換

2.3徑流周期性分析

從瑪納斯河1959～2010年平均徑流的Morlet小波函數(shù)變換結(jié)果(圖5)可以分析得出，小波變換圖中上部等值線相對稀疏，對應(yīng)較長時(shí)間尺度周期的振蕩，而下部等值線相對密集，對應(yīng)較短時(shí)間尺度周期的振蕩；圖中信號(hào)的強(qiáng)弱通過小波系數(shù)的正負(fù)來表示，以0等值線為界，正數(shù)值越大代表徑流量偏多為豐水期，負(fù)數(shù)值越大代表徑流量偏少為枯水期。在35～45年的時(shí)間尺度上徑流經(jīng)歷了“豐—枯—豐”三個(gè)階段的交替變化，同時(shí)可以看出，在1959～2010年整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，瑪納斯河流域年徑流量主要存在10年和32年左右的顯著周期性變化。

3結(jié)語

(1)瑪納斯河徑流年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在6～8月份，2月份處于最低值，6月份急劇增加，7月份達(dá)到最大值，8月份有所減少，直到12月份再次出現(xiàn)極小值；按季節(jié)分析夏季徑流量最豐，冬季徑流最枯，降水和冰川融雪是瑪納斯河徑流的主要補(bǔ)給來源，徑流在年內(nèi)分配很大程度上取決于其補(bǔ)給來源的變化情況；

(2)近50年瑪納斯河年均徑流量為12.59億 m3(1959～2010年)，其變化傾向率為0.609億 m3/10a，總體呈增加趨勢，特別是20世紀(jì)90年代中后期徑流量顯著增加，期間徑流演變過程具有明顯的突變特征，突變發(fā)生在1995年，即瑪納斯河從1995年開始進(jìn)入豐水期；徑流的變化對流域洪水出現(xiàn)的頻次有一定影響，隨著徑流發(fā)生由枯到豐的變化后流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水出現(xiàn)的頻次和強(qiáng)度都在明顯增加；

(3)運(yùn)用Morlet小波分析發(fā)現(xiàn)瑪納斯河流域年徑流變化具有明顯的階段性與周期性。年均徑流序列經(jīng)歷了幾個(gè)顯著的豐枯變化，并且呈現(xiàn)出32年，10年左右的顯著周期性變化，以32年為主周期推算瑪河徑流變化，可知目前瑪納斯河流域正處于大時(shí)間尺度上的豐水期，估計(jì)持續(xù)到2018年左右。

參考文獻(xiàn)

[1]WANG Yan, DING YongJian, YE BaiSheng et al.,2013.Contributions of climate and human activities to changes in runoff of the Yellow and Yangtze rivers from 1950 to 2008.Science China Earth Sciences,56(8):1398-1412.

[2]唐湘玲，呂新，李俊峰.近50年瑪納斯河流域徑流變化規(guī)律分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境.2011.25(5):124-129.

[3]王薇，陳伏龍，何新林，等. 瑪納斯河肯斯瓦特以上流域近55年降水量變化特性分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境.2013.27(5):163-168.

[4]符淙斌，王強(qiáng).氣候突變的定義和檢測方法[J].大氣科學(xué).1992.16(4):482 -493.

[5]王文圣，丁晶，李躍清.水文小波分析山[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2005.

[6]蔣艷，周成虎，程維明.新疆阿克蘇河流域年徑流時(shí)序特征分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展.2005.24(1):87-94.

[7]吳素芬,張國威.新疆河流洪水與洪災(zāi)的變化趨勢[J].冰川凍土.2003,(25)2: 199-202.

[中圖分類號(hào)]TV121+.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)02-0151-03

[作者簡介]付樹卿(1972-)，女，甘肅甘谷人，工程師，主要從事水文水資源勘測工作。

[收稿日期]2016-03-26