葉爾羌河流域水沙關(guān)系診斷與變異特征分析

居金浩，彭 亮，那扎凱提·托乎提，何 英，衛(wèi)仁娟，馬云飛

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊830054；3.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都610065；4.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都611230）

徑流和輸沙是流域系統(tǒng)中對人類活動和氣候變化響應(yīng)最為積極的部分，與河道演變、河湖關(guān)系、河勢穩(wěn)定等密切相關(guān)［1］。近年來，在全球氣候變暖的大背景下，加之人類活動的加劇，國內(nèi)外諸多流域的水沙變化明顯［2-3］。Li等［4］研究發(fā)現(xiàn)世界上24%的大型河流徑流量呈現(xiàn)明顯變化，40%的大型河流輸沙量呈現(xiàn)明顯變化，71%的大型河流徑流量的變化與降水量的變化顯著相關(guān)；胡春宏等［5］指出黃河干流潼關(guān)水文站的年均輸沙量從1919—1959年的16億t，降至2001—2018年的2.44億t，削減量約85%；諸多學(xué)者［6-7］采取分布式水文模型或累積量斜率變化率比較法定量估算人類活動與氣候變化對水沙變化的影響程度，結(jié)果顯示不同流域水沙變化對兩者的響應(yīng)程度并不一致，氣候變化和人類活動均有可能成為影響水沙變化的決定性因素。

葉爾羌河約70%的徑流補給量來源于冰川積雪消融，源流區(qū)氣溫上升造成研究區(qū)冰川積雪消融量增加［8］，直接導(dǎo)致徑流量增加的同時，提高了河道內(nèi)的含沙量。唐小雨等［9］、周紅等［10］采用數(shù)理統(tǒng)計的方法探究葉爾羌河流域徑流量、輸沙量變化規(guī)律，結(jié)果表明流域內(nèi)水沙豐枯同步頻率較高，徑流量與輸沙量在總體上呈現(xiàn)明顯上升趨勢，且輸沙量的增幅大于徑流量的，但關(guān)于葉爾羌河流域水沙關(guān)系突變診斷及歸因的研究較少。筆者利用該流域出山口卡群站1954—2015年的水沙資料，對流域水沙進(jìn)行趨勢分析和突變檢驗，通過滑動相關(guān)系數(shù)法和雙累積曲線法對比驗證水沙關(guān)系的突變年份，以期為分析氣候變化和人類活動對葉爾羌河水沙的影響和河道水沙治理等提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和方法

1.1 研究區(qū)概況

葉爾羌河源于喀喇昆侖山北坡，流域位于東經(jīng)74°28′—80°54′、北緯34°50′—40°31′之間。葉爾羌河流域是塔里木河流域“四源一干”水系格局的主要組成部分，流域內(nèi)有排名全國第四、新疆第一的葉爾羌河灌區(qū)。卡群站位于葉爾羌河下游出山口處，集水面積5萬km2。葉爾羌河流域上游植被覆蓋度低，河流泥沙含量一般較高，水沙問題突出，給下游葉爾羌河灌區(qū)內(nèi)水生態(tài)修復(fù)和流域防洪減災(zāi)等工作造成很大影響。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本研究采用葉爾羌河流域出山口卡群水文站1954—2015年共62 a實測月均徑流量、月均輸沙量和年降水量。

1.3 研究方法

1.3.1 模比系數(shù)差積曲線法

模比系數(shù)差積曲線與累積距平曲線相似，主要反映某一水文序列在不同時間段的變化趨勢，呈現(xiàn)徑流量和輸沙量多年變化的豐枯交替周期。模比系數(shù)K i等于序列值x i與序列平均值ˉx之比，模比系數(shù)差積值為∑（Ki-1）。模比系數(shù)差積圖升高段代表河流處于豐水期、豐沙期，降低段表示河流處于枯水期、枯沙期。

1.3.2 滑動相關(guān)系數(shù)法

設(shè)有徑流量X=（x1，x2，…，x n）和輸沙量Y=（y1，y2，…，y n）兩個序列，進(jìn)行窗口大小為m年、步長為1 a的數(shù)據(jù)滑動，以降低特殊年份對分析結(jié)論產(chǎn)生的影響。首先計算第一個窗口X1=（x1，x2，…，x m）和Y1=（y1，y2，…，y m）兩個子序列的Kendall相關(guān)系數(shù)r1，然后計算第二個窗口X2=（x2，x3，…，x m+1）和Y2=（y2，y3，…，y m+1）兩個子序列的Kendall相關(guān)系數(shù)r2，依次得出其后子序列的Kendall相關(guān)系數(shù)，直至得到Xn-m+1=（x n-m+1，x n-m+2，…，x n）和Yn-m+1=（y n-m+1，y n-m+2，…，y n）兩個子序列的Kendall相關(guān)系數(shù)r n，并繪制相關(guān)系數(shù)隨時間（年份）變化曲線。Kendall相關(guān)系數(shù)反映X和Y兩個序列的相關(guān)程度，故繪制的相關(guān)系數(shù)隨時間變化曲線能很好地體現(xiàn)X和Y兩個序列在不同時段的相關(guān)系數(shù)?；诖?，我們可以認(rèn)為曲線上明顯的轉(zhuǎn)折點即為X和Y的變異點，即年徑流量和年輸沙量相關(guān)程度發(fā)生變異。

1.3.3 雙累積曲線法

（1）水沙關(guān)系突變點檢驗。雙累積曲線可以判斷序列之間的相關(guān)程度是否發(fā)生改變。繪制同期內(nèi)徑流量累積值與輸沙量累積值的相關(guān)性曲線，若雙累積曲線走勢出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)變，則曲線轉(zhuǎn)折點對應(yīng)年份即為水沙相關(guān)度開始變化的年份。

（2）徑流量變化歸因分析。采用累積量斜率變化率比較法計算氣候變化和人類活動對徑流變化量的貢獻(xiàn)率。設(shè)累積徑流量與年份線性關(guān)系式斜率在拐點前后2個時期的年徑流量分別為SRb和SRa，累積降水量與年份線性關(guān)系式的斜率在拐點前后2個時期的年降水量分別為SPb和SPa，則累積徑流量斜率變化率為（SRa-SRb）/|SRb|，同樣，累積降水量斜率變化率為（Spa-Spb）/|Spb|，那么降水量對徑流量變化的貢獻(xiàn)率Cp為

故人類活動對徑流量變化的貢獻(xiàn)率CH為

2 葉爾羌河徑流量和輸沙量變化特征

2.1 水沙基本狀況

葉爾羌河流域出山口卡群站多年平均年徑流量為67.10億m3，年輸沙量為3 028萬t。葉爾羌河最大年徑流量出現(xiàn)在2012年，為95.63億m3；最大年輸沙量出現(xiàn)在1999年，為8 562.32萬t。流域內(nèi)水沙豐枯期總體同步，但年徑流量和年輸沙量發(fā)生極值的年份不同，這與降雨和洪水等多種因素有關(guān)。由物理成因分析可知，1999年葉爾羌河上游突發(fā)冰川湖洪水，洪峰值達(dá)到6 070 m3/s，突發(fā)洪水使河流含沙量陡增，進(jìn)而增加了河道輸沙量，而徑流量補給主要來自冰川融雪，故水沙出現(xiàn)極值的年份并不一致。

2.2 水沙不同年代年內(nèi)四季變化規(guī)律分析

冰川融雪量隨氣溫變化而變化，在年內(nèi)四季分布極不均勻。各年代年內(nèi)四季水沙距平統(tǒng)計見表1。由表1 可以看出，季尺度的水沙豐枯期同步性良好，水沙的季節(jié)性變化十分顯著。夏季是徑流量和輸沙量貢獻(xiàn)最主要的季節(jié)，距平百分比最高分別達(dá)到181.57%和281.89%。

表1 各年代年內(nèi)四季水沙距平統(tǒng)計%

2.3 水沙豐枯變化分析

葉爾羌河水沙模比系數(shù)差積曲線見圖1。由圖1（a）可知，年徑流量變化趨勢以1993年為界分成前后兩個時段。前一時段（1954—1993年）為年徑流量下降的枯水期，其模比系數(shù)差積總體呈下降趨勢，其中1962—1966年、1984—1993年急速下降，1967—1983年波動地平穩(wěn)下降；后一時段（1994—2015年）為年徑流量上升的豐水期，其模比系數(shù)差積總體呈上升趨勢，其中1994—2004年曲線震蕩升高，2005—2015年呈現(xiàn)陡升的態(tài)勢。

由圖1（b）可知，輸沙量同樣以1993年為界，劃分為枯沙期和豐沙期，1954—1993年總體上呈下降趨勢，為枯沙期，其中1954—1987年波動下降，1988—1993年呈急速下降趨勢。1994—2015年總體呈明顯升高趨勢，其中1994—1998年為顯著的豐沙期，1999—2011年為波動的豐沙期，2012—2015年為快速上升的豐沙期。對比水沙模比系數(shù)差積曲線可以看出年徑流量和年輸沙量的豐枯總體上同步。

2.4 水沙關(guān)系變異點診斷

采用滑動相關(guān)系數(shù)法對葉爾羌河流域卡群站水沙關(guān)系變異點進(jìn)行診斷，結(jié)果見圖2。由圖2可知，葉爾羌河水沙相關(guān)關(guān)系于1993年發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，1993年之前平均滑動相關(guān)系數(shù)為0.62，1993年之后平均滑動相關(guān)系數(shù)為0.69，表明1993年之后的水沙相關(guān)關(guān)系強于1993年之前的水沙相關(guān)關(guān)系。

圖1 水沙模比系數(shù)差積曲線

圖2 基于滑動相關(guān)系數(shù)的水沙關(guān)系變異點檢驗

圖3 基于雙累積曲線的水沙關(guān)系變異診斷

為驗證滑動相關(guān)系數(shù)法對水沙變異點的檢驗結(jié)果，采取雙累積曲線法再次診斷葉爾羌河水沙關(guān)系變異點，并將兩種結(jié)果進(jìn)行對比。水沙雙累積曲線見圖3。由圖3可知，雙累積曲線的線性關(guān)系在1993年后發(fā)生了明顯變化，結(jié)合滑動相關(guān)系數(shù)法分析結(jié)果判定水沙關(guān)系在1993年發(fā)生變異。在1993年之前，每增加1億m3徑流量，輸沙量增加42.239萬t；在1993年之后，每增加1億m3徑流量，輸沙量增加50.623萬t。變異后的水沙相關(guān)關(guān)系增強，表明徑流量對輸沙量的影響越來越明顯，也印證了滑動相關(guān)系數(shù)法分析所得“1993年之后的水沙相關(guān)性強于1993年之前的”這一結(jié)論。

在全球氣候變暖的背景下，新疆地區(qū)夏季零度層高度大體上呈上升態(tài)勢，1993年后上升態(tài)勢顯著，對山區(qū)冰雪的凍融過程和河川徑流產(chǎn)生直接影響。另一方面，流域內(nèi)人口激增，社會經(jīng)濟快速發(fā)展的同時造成生態(tài)環(huán)境的破壞，植被覆蓋度逐年降低，直接影響流域內(nèi)的水土保持能力。

2.5 水沙歸因分析

為定量估算氣候變化和人類活動對葉爾羌河流域徑流量、輸沙量變化的貢獻(xiàn)率，構(gòu)建降水—徑流、降水—輸沙的雙累積曲線模型。以1993年為降水—徑流、降水—輸沙關(guān)系的突變點，將1954—1992年視為基準(zhǔn)期，該時段流域下墊面受人類活動的影響很小，1993—2015年作為變化期，該時段反映了氣候變化和人類活動對徑流量和輸沙量的綜合影響，然后進(jìn)行氣候變化和人類活動對徑流量和輸沙量貢獻(xiàn)率的模擬回歸分析。葉爾羌河流域降水—徑流、降水—輸沙雙累積曲線見圖4和圖5。

圖4 降水—徑流雙累積曲線

圖5 降水—輸沙雙累積曲線

由圖4、圖5可以看出，1993年后的降水—徑流和降水—輸沙關(guān)系變化較為明顯。變異后的降水量—徑流量相關(guān)關(guān)系減弱，降水量對徑流量的影響降低；變異后的降水量—輸沙量相關(guān)關(guān)系減弱，降水量對輸沙量的影響降低，間接表明人類活動對徑流量、輸沙量變化的影響增大，流域內(nèi)人口激增，生態(tài)環(huán)境破壞等人類活動可能是造成這一影響的重要因素。

為進(jìn)一步對葉爾羌河徑流量和輸沙量進(jìn)行歸因辨析，基于基準(zhǔn)期的降水—徑流關(guān)系、降水—輸沙關(guān)系，依據(jù)式（1）、式（2）計算突變后降水變化和人類活動對徑流量和輸沙量變化的貢獻(xiàn)率，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2和表3。

表2 葉爾羌河徑流量對降水變化和人類活動的響應(yīng)

表3 葉爾羌河輸沙量對降水變化和人類活動的響應(yīng)

由表2可以看出，1993—2015年實測年均降水量較1954—1992年增加33.86 mm，實測年均徑流量增加7.74億m3。在1993—2015年，降水對徑流量變化的影響量為36.03億m3，占比54.23%；人類活動對徑流量變化的影響量為30.40億m3，占比45.77%。由表3可以看出，降水對輸沙量變化的影響量為1 372.79萬t，占比71.76%；人類活動對輸沙量變化的影響量為540.27萬t，占比28.24%。之前由降水—徑流、降水—輸沙雙累積曲線分析得，降水對徑流量和輸沙量變化的影響表現(xiàn)為降低趨勢，人類活動對徑流量和輸沙量變化的影響表現(xiàn)為上升趨勢，但是降水因素仍是改變徑流量和輸沙量的主導(dǎo)因素。

3 結(jié) 論

基于卡群站1954—2015年徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)，采用模比系數(shù)差積曲線法、滑動相關(guān)系數(shù)分析法和雙累積曲線法等方法，進(jìn)行徑流量和輸沙量年際變化趨勢分析以及水沙關(guān)系突變點檢驗，主要結(jié)論如下。

（1）回歸分析表明，水沙關(guān)系在1993年后變化明顯。在1993年之前徑流量每增加1億m3輸沙量相應(yīng)增加42.239萬t，在1993年之后徑流量每增加1億m3輸沙量相應(yīng)增加50.623萬t。

（2）降水量對徑流量和輸沙量變化的影響表現(xiàn)為降低趨勢，人類活動對徑流量和輸沙量變化的影響表現(xiàn)為上升趨勢，但是降水因素仍是改變徑流量和輸沙量的主導(dǎo)因素。