艾比湖流域徑流水文特征及其對降水變化響應
——以博爾塔拉河為例

董 煜, 海米提·依米提

(1.新疆大學 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046; 3.新疆師范大學 干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室, 烏魯木齊 830054)

艾比湖流域徑流水文特征及其對降水變化響應
——以博爾塔拉河為例

董 煜1,2, 海米提·依米提1,3

(1.新疆大學 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046; 3.新疆師范大學 干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室, 烏魯木齊 830054)

在干旱區(qū)研究分析流域徑流量的變化特征，是流域管理的重要科學問題。利用1964—2012年艾比湖流域博爾塔拉河徑流、降水數據，采用變異系數、集中度和集中期等指標，對艾比湖流域博爾塔拉河的徑流量、降水量在多時間尺度上進行分析，并用集中期來反映徑流對降水變化的響應。結果顯示，博爾塔拉河徑流年際變化較平穩(wěn)，增長趨勢不明顯；流域徑流主要集中在6—8月，季節(jié)上主要集中在夏季。徑流集中期主要集中在6月下旬至7月中旬之間。降水集中期主要集中在5—7月；年降雨和年徑流間存在較高的相關關系，(r=0.2372>0.23292=R0.1，49，回歸顯著水平超過0.1)，徑流對降水具有滯后效應，多年平均滯后時間為21 d左右，且滯后天數隨著時間推移呈縮小趨勢。

徑流; 降水; 變異系數; 集中度; 集中期; 艾比湖流域博爾塔拉河

在內陸干旱區(qū)，水資源直接影響社會經濟發(fā)展和自然生態(tài)安全，氣候變化對徑流影響研究越來越受到重視[1]。由于受全球氣候變化影響，中國西北干旱區(qū)氣候表現出向暖濕化轉變的趨勢[2]，全球氣候變暖勢必會引起蒸散和降水的變化,從而影響河川徑流的水文情勢[3]。已有研究證明在中國西部干旱區(qū)氣候變化對徑流產生了顯著的影響[4]，這必然引起水分循環(huán)的變化，水資源在時空的重新分配以及徑流數量的改變，進而影響區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和社會經濟的可持續(xù)發(fā)展[5-6]。艾比湖流域位于東徑79°53′—85°02′，北緯43°38′—45°52′，新疆準噶爾盆地南緣，屬典型的內陸咸水湖泊[7]，流域面積5 062 km2。艾比湖水資源退化嚴重，突出表現在水位下降、水域面積減小、水質咸化，湖水水質污染嚴重，平均礦化度高達170 g/L[8],是生態(tài)環(huán)境脆弱和退化嚴重的湖泊[9]。由于博爾塔拉河、精河等河流來水量大幅減少，艾比湖湖面大面積萎縮。艾比湖處于阿拉山口的大風通道，裸露的湖床成了新疆最大的沙塵暴策源地之一，給新疆尤其是北疆農牧業(yè)生產和公路、鐵路運輸帶來極大威脅[10]。該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，艾比湖面積變化直接影響區(qū)域的環(huán)境和工農業(yè)發(fā)展，對新疆北部生態(tài)環(huán)境保護具有重大作用[11]。對艾比湖流域的河川徑流特征研究,主要集中于溫度、徑流等特征及與艾比湖湖水面積的關系方面[12-16]，而對流域內入湖徑流的年內分配特征、降水對河川徑流的定量分析等方面研究較少。博爾塔拉河、精河是現在僅有的入湖河流。 本文選取艾比湖流域內的博爾塔拉河流域作為研究流域,采用變異系數、集中度和集中期等方法,對流域內徑流量、降水量在年代、年際、季節(jié)等時間尺度上進行分析，通過對博爾塔拉河徑流與降水集中度和集中期的深入研究，有利于全面了解河流的水文特征、變化趨勢，這對河流水量調節(jié)、防洪防汛及河道管理水資源合理利用、艾比湖流域生態(tài)保護等方面具有現實意義。

1 研究區(qū)概況及資料來源

博爾塔拉河(簡稱博河)位于新疆博爾塔拉蒙古自治州境內。地理位置為東經79°53′—83°53′，北緯44°02′—45°23′。東北部與塔城地區(qū)托里縣相連，南部與伊犁哈薩克自治州相鄰， 西部、北部以別珍套山和阿拉套山為界，與哈薩克斯坦共和國接壤。博河河谷南側分別為橫亙東西的別珍套山和東南—西北向的天山之脈科古琴山，北側為西南—東北向的阿拉套山，西端空郭勒鄂博山位于阿拉套山和別珍套山之間的結合部，海拔最高4 053 m。山勢總體西高東低。干流經溫泉縣、博樂市，最后注入艾比湖，溫泉水文站以上集水面積2 206 km2，河長97 km。博河流域氣候冬夏漫長，春秋短暫，年平均氣溫5.6℃。隨著地勢的向西升高，氣溫逐漸降低，極端最高氣溫44.2℃，冬季1月平均氣溫為-15.7℃，極端最低氣溫-36.4℃[17]。博爾塔拉河流域徑流數據來源于博爾塔拉河溫泉水文觀測站1964—2012年觀測月徑流值(溫泉縣水文站位于44°59′N，81°02′E，海拔1 354 m)。流域內降水量數據采用溫泉縣氣象站1964—2012年的月降水數據( 溫泉縣氣象站位于44°58′N，81°01′E，海拔1 354 m)。水文站位于河源區(qū)，人類對水的利用數量相對較少，其水文監(jiān)測數據基本接近自然狀態(tài)，可看做天然徑流量。在博河上游源區(qū)，溫泉縣氣象站提供長序列降雨監(jiān)測數據，且監(jiān)測數據按照要求進行質量控制。 研究區(qū)四季時間定義如下：春季(3—5月)，夏季(6—8月)，秋季(9—11月)，冬季(12月—次年2月)[18]。

2 研究方法

由于氣候的季節(jié)性波動, 氣象要素如降水和氣溫都有明顯的季節(jié)性變化，在一定程度上決定了徑流年內的季節(jié)性變化。本文用徑流年內變差系數Cv來衡量徑流年內季節(jié)性變化程度[19]。徑流年內變差系數Cv的計算公式如下:

(1)

(2)

由式(1)中可以看出，Cv值越大即表明年內各月徑流量相差懸殊，徑流年內分配越不均勻。集中度和集中期的計算是將一年內各月的徑流量作為向量看待，月徑流量的大小為向量的長度, 所處的月份為向量的方向[20]。1—12月每月的方位角h分別為0，30°，60°，…，330°，并把每個月的徑流量分解為x和y兩個方向上的分量，則x和y方向上的向量合成分別為：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Ri——第i月的徑流量；h——第i月徑流的方位角；Rx，Ry——X，Y方向合成向量；R——Rx和Ry的合成總向量。集中度(Cd)反映了集中期徑流量占年總徑流量的比例，而集中期(D)則近似表示了一年中最大徑流量出現的時間。

3 結果與分析

3.1 流域徑流特征分析

博爾塔拉河多年平均徑流量為3.15億m3，1964—2012年間，年徑流量，5 a，10 a滑動平均流量均呈波動變化。總體上徑流變化趨勢不明顯(r=0.168<0.23292=R0.1,49，回歸顯著水平不到0.1)，沒有出現年際斷流情況(圖1)，其中最大徑流量出現在1969年，為4.58億m3，最小值出現在1975年，為2.39億m3，絕對變化幅度為2.19億m3，相對變化幅度為1.92。博爾塔拉河年徑流量的變差系數為0.131 1，說明其年際變化較為平穩(wěn)。

圖1 博爾塔拉河徑流變化

從博爾塔拉河流域徑流的年內分配特征來看(圖2)，徑流主要集中在6—8月，季節(jié)上主要集中在夏季，占到年徑流量的40%以上，各年代之間的徑流變化也主要體現在這一階段；在1—5月、9—12月的徑流較少，各年代之間的變化也較微弱。各年代的最大月徑流量月份為7月，這主要是年代內徑流集中時期同期造成的，與降水量在年內時間上的分配有關。

博爾塔拉河各季節(jié)徑流量均呈波動性變化(圖3)，其中春季徑流量緩慢增加趨勢明顯(r=0.2887>

0.27594=R0.05,49，回歸顯著水平在0.05以下)；夏季徑流量變化趨勢不明顯(r=0.1053<0.23292=R0.1,49，回歸顯著水平不到0.1)；秋季徑流量變化趨勢明顯(r=0.3430>0.23292=R0.1,49，回歸顯著水平超過0.1)；冬季徑流量減少趨勢明顯(r=0.3105>0.27594=R0.05,49，回歸顯著水平在0.05以下)。春夏秋冬各季節(jié)平均徑流量分別為2.35億m3、5.15億m3、2.51億m3和2.62億m3，徑流量所占年徑流量的百分比分別集中在13.9%～21.80%，38.6%～50.5%，16.01%～21.42%，13.43%～26.8%，均說明博爾塔拉河的徑流主要集中在夏季，春秋冬季節(jié)徑流量較小。夏季所占徑流比例達40%以上，其夏季變化趨勢不明顯，春季、秋季徑流量增大趨勢明顯。整體上博爾塔拉河年徑流變化不明顯(圖1)。

圖2 博爾塔拉河徑流年內分配特征

圖3 博爾塔拉河季節(jié)徑流量及其占年徑流量百分比的變化

春夏秋冬各季節(jié)的變差系數分別為0.108 4，0.248 7，0.171 0，0.091 9，說明夏季的年際徑流變化最大，冬季的年季徑流量較穩(wěn)定。圖3中，各季節(jié)的徑流量及其所占年徑流量的百分比波動一致，如各季節(jié)最大徑流及百分比分別是:春季(1997年：2.71億m3、21.8%)、夏季(1969年：9.27億m3、50.5%)、秋季(1983年：2.59億m3、21.07%)、冬季(1965年：2.94億m3、26.80%)。由于各季節(jié)或月份的徑流量不同，使得各年內徑流分配特征隨年月不同而存在變化。對此，通過對博爾塔拉河徑流量的集中程度和集中期的進一步討論，加深對河流的水文特征了解，這對干旱區(qū)徑流調用、管理等方面具有現實意義。

通過博爾塔拉河流域徑流集中度和集中期時間序列顯示(圖4)，集中度圍繞平均值(Cd=27%)上下波動變化，最高達48.1%，最低為14.4%，說明博爾塔拉河的年內徑流主要集中在幾個月內，通過圖2，同樣體現徑流主要集中在6—8月。博爾塔拉河年內徑流集中期也存在波動性變化，且隨時間有逐漸向后推移的趨勢(圖4)。徑流集中期從分布時間范圍來看，總年份49 a中48 a分布在6月至7月下旬之間。其中，集中在7月1日—7月30日的有32 a，集中在6月1日—6月30日的有16 a，分別占總年份的65.3%和32.7%。各年代的徑流年內分配特征顯示(表1)，集中程度均較高(Cd≥27%)，集中期的合成向量在155.56°—207.2°，說明徑流集中期在6月、7月，這與圖3中各年代內的徑流量主要集中在夏季的7月相一致。同時，相對變化幅度(Cm≥10.91)和絕對變化幅度(ΔQ≥11.8億m3)也說明徑流年內分配的不均勻性。

3.2 流域降水特征分析

1964—2012年間，流域內降水量呈波動增加趨勢，但增加幅度較小，平均每年增加1.9401 mm(趨勢線斜率)，多年平均降雨量為233.2 mm(圖5)。其中，最大降水量出現在1999年(394.3 mm)，最小值出現在1968年(77.8 mm)，絕對變化幅度為316.5 mm，相對變化幅度為5.07，變差系數為0.278 4，與流域內徑流量相比較，降水的相對變化幅度和變差系數均較大，說明流域內降水比徑流變化更大。

圖4 博爾塔拉河徑流量集中度和集中期年際變化

時間段徑流量/億m3集中度/%集中期合成向量方向/(°)最大徑流出現時間相對變化幅度/%絕對變化幅度/m31960s41.626.86179.256月30日3.034.45×1081970s34.024.40172.756月23日2.783.36×1081980s38.229.12189.817月10日3.034.63×1081990s36.228.61185.367月06日2.863.96×1082000s40.228.57185.347月06日2.53.65×108多年平均37.927.9185.457月06日2.783.95×108

注：相對變化幅度取河川徑流最大月流量和最小月流量之比，絕對變化幅度取最大最小月河川徑流量之差。

圖5 博爾塔拉河流域降水年際變化

博爾塔拉河流域降水的年內分配特征顯示(圖6)，降水主要集中在5—7月，占到年降水量的60%以上，從季節(jié)上看主要是在春季末到夏季末期，各年代之間的降水變化也主要體現在這一階段。1—4月、10—12月的降水量較少，各年代之間的變化也較微弱。1960s，1980s，1990s，2000s的最大月平均降水量為5月，分別為15.28，18.75，20.85，16.45 mm。1970s的最大月平均降水量為6月，為12.8 mm，說明各年代或年內降水的分配特征和集中程度不同。同時，與博爾塔拉河年代徑流最大徑流量月相比(圖2)，兩者出現在不同時間或徑流峰值時間落后于降水，這也證實徑流對降水有滯后效應。

圖6 博爾塔拉河流域降水年內分配特征

根據各月的降水量數據獲得博爾塔拉河流域降水集中度和集中期時間序列(圖7)，集中度圍繞平均值(Cd= 47.14%)呈上下波動變化，最高達63.43%，最低為30.29%，集中度呈降低趨勢(趨勢線)，但其波動范圍和頻率隨時間增強。較高的集中度表明，流域年內降水較為集中，較低的集中度表明在年度內降水

分散，通過圖6年代尺度上各月降水量的變化也體現了降水的集中與分散的關系。同時，與博爾塔拉河流域的徑流集中度相比，降水波動性大于徑流說明徑流集中期比降水穩(wěn)定。降水集中期存在波動性變化，且隨時間推移波動幅度逐漸增大，說明降水集中程度降低。從降水集中期的分布時間范圍來看，主要分布在5月、6月、7月內。其中，集中在5月有12 a，集中在6月有25 a，集中在7月有12 a，分別占總年份的24%，52%，24%。各年代的降水年內分配特征顯示(表2)，年內集中程度均較低(Cd≥31.53%)，并隨年代呈減少趨勢，說明集中程度減弱。集中期的合成向量在125.49°—207.41°，各年代的降水集中期在5月、6月、7月左右。同時，相對變化幅度較小(Cm≥8%)，說明降水在年內分配不均勻，月降水具有集中性。

圖7 博爾塔拉河流域降水集中度和集中期年際變化

時間段降雨量/mm集中度/%集中期合成向量方向/(°)最大降水出現時間相對變化幅度/%絕對變化幅度/mm1960s185.149.28150.466月1日17.7332.621970s200.550.58166.216月17日9.7834.691980s220.642.83170.756月21日8.4130.911990s266.246.16162.696月13日9.5747.212000s265.047.71167.436月18日11.5946.42多年平均233.247.14165.086月16日9.3736.19

注：相對變化幅度取降水最大月降水量和最小月降水量之比，絕對變化幅度取最大最小月降水量之差。

3.3 徑流對降水的響應

艾比湖流域為封閉式內陸湖流域，博爾塔拉河流域內無過境河流，徑流完全依賴于降水和冰雪融水，因此，降水量直接影響地表徑流量[21]。采用博爾塔拉河流域年徑流量與對應的年流域降水量進行相關分析，兩者相關系數為0.237 2。回歸趨勢分析表明，年徑流量與年降水量存在線性回歸關系，擬合方程為y=0.0575x+106.72，有較高的置信度，(r=0.2372>0.23292=R0.1，49，回歸顯著水平超過0.1)，即降水量增加會使徑流量增加，反之亦然。

同樣，對博爾塔拉河年內月降雨和月徑流間相關系數的分析結果表明，年內月降雨和月徑流間存在較高的相關關系，(r=0.63>0.23292=R0.1，49，回歸顯著水平超過0.1)，這意味著流域徑流在年內也主要受降雨量變化的控制。徑流是流域中氣候和下墊面各種自然地理因素綜合作用的產物，由降水所形成的徑流需要經過停蓄、漫流、集流等階段，要耗費不同時間，可通過降水和徑流的集中期來研究兩者之間的內在聯(lián)系。從圖8可看出，徑流集中期均出現在降水集中期以后，且波動趨勢相近。徑流集中期相對降水集中期的滯后天數大多在5～46 d內，占到整個時間段的81.6%，平均滯后21 d，說明從流域降水開始，經過蓄流、匯流至艾比湖需21 d 左右的時間。此外，從滯后天數的趨勢線來看，滯后天數呈減少趨勢，1960s—2000s間，各年代的平均滯后天數分別為29，24，20，19 d，隨時間推移具有明顯的減少趨勢。從圖8集中期的變化趨勢上可以看出，滯后天數的減少主要是由于徑流集中期向前推遲的結果。原因有可能是區(qū)域地表覆被改變使產流的各個階段時間改變，地表植被的破壞減少了降水的停蓄時間，導致徑流對降水的滯后時間相應縮短。

圖8 博爾塔拉河流域降水和徑流的集中期對比及滯后時間年際變化

4 結 論

流域徑流量呈相關波動變化，徑流量主要集中在6—8月，季節(jié)上主要集中在夏季，占到年徑流量的38.6%～50.5%，集中期主要分布在6月中旬至7月下旬；流域內降水量呈波動增加趨勢，但增加幅度較小，平均每年增加1.9401 mm(趨勢線斜率)，降水主要集中在5—7月，占到年降水量的60%以上，集中期主要分布在6月、7月內。

博爾塔拉河流域年徑流量與年降水量存在線性回歸關系，兩者相關系數為0.2372，降水量增加會使徑流量增加。這驗證在中國西部干旱區(qū)氣候變化對徑流產生了顯著的影響[4]。

根據集中度和集中期，博爾塔拉河流域的徑流對降水具有滯后效應，多年平均時間為21 d左右。49 a間，滯后天數隨時間推移具有明顯的縮短趨勢。這種徑流對降水的滯后時間隨年際變化呈縮短趨勢產生的原因是否因為流域內土地利用/覆被變化引起的，影響程度影響方式如何，仍需要進一步研究。

[1] Stahl K, Moore R D, Shea J M, et al. Coupled modelling of glacier and streamflow response to future climate scenarios[J]. Water Resources Research,2008,44(2):W02422.

[2] 施雅風,沈永平,李棟梁,等.中國西北氣候由暖干向暖濕轉型的特征和趨勢探討[J].第四紀研究,2003,23(2):152-64.

[3] Ma X, Yasunari T, Ohata T, et al. Hydrological regime analysis of the Selenge River basin, Mongolia[J]. Hydrological Processes,2003,17(14):2929-2945.

[4] Chen Y, Takeuchi K, Xu C, et al. Regional climate change and its effects on river runoff in the Tarim Basin, China[J]. Hydrological Processes,2006,20(10):2207-2216.

[5] 賈仰文,高輝,牛存穩(wěn),等.氣候變化對黃河源區(qū)徑流過程的影響[J].水利學報,2008,39(1):52-58.

[6] Xu J, Chen Y, Ji M, et al. Climate change and its effects on runoff of Kaidu River, Xinjiang, China: a multiple time-scale analysis[J]. Chinese Geographical Science,2008,18(4):331-339.

[7] 陳強,陳正江.基于系統(tǒng)動力學的艾比湖沿岸生態(tài)環(huán)境問題分析及對策[J].水土保持研究,2005,12(2):33-35.

[8] 吳榮,張霞,黃海龍.屬性識別模型在艾比湖水質評價中的應用[J].干旱區(qū)地理,2009,32(4):571-577.

[9] 陳志軍,張晶.艾比湖水化學特征的因子分析研究[J].鹽湖研究,2008,16(2):19-21.

[10] 周長海,雷加強.艾比湖地區(qū)風沙危害趨勢及對歐亞大陸橋的影響[J].干旱區(qū)地理,2005,28(1):98-102.

[11] 伊瑪木·塔依爾,亞爾買買提·臺外庫力,等.艾比湖的涸縮對湖周圍生態(tài)環(huán)境的影響及其治理對策探討[J].新疆大學學報:理工版,2001,18(2):208-211.

[12] 劉世薇,周華榮,梁雪瓊,等.艾比湖流域降水與徑流變化特征分析[J].水土保持學報,2011,25(5):21-25.

[13] 司桂琴,劉志輝.新疆精河氣溫、降水與徑流量近51 a變化分析[J].新疆農業(yè)科學,2010,47(9):1792-1796.

[14] 邢文淵,李秀花,常順利,等.精河縣氣象因子對艾比湖湖水面積變化的影響分析[J].沙漠與綠洲氣象,2011,5(2):19-22.

[15] 袁新春,張莉萍.新疆精河流域水文特性分析[J].現代農業(yè)科技,2010(6):290-291.

[16] 喬木,周生斌,盧磊.艾比湖流域年徑流變化特征分析[J].水土保持學報,2010,24(6):236-239.

[17] 張立山,張慶.近50 a博爾塔拉河河源區(qū)氣候變化對徑流的影響[J].甘肅水利水電技術,2010,46(5):8-10.

[18] 李加強,陳亞寧,李衛(wèi)紅,等.天山北坡中小河川降水與徑流變化特征:以精河為例[J].干旱區(qū)地理,2010,33(4):615-622.

[19] 劉士余,章俊霞,羅志軍,等.近50年贛西北大坑小流域徑流對降雨的響應[J].水土保持研究,2012,19(1):19-22.

[20] 劉賢趙,李嘉竹,宿慶,等.基于集中度與集中期的徑流年內分配研究[J].地理科學,2007,27(6):791-79.

[21] 李加強,陳亞寧,李衛(wèi)紅,等.天山北坡中小河川降水與徑流變化特征:以精河為例[J].干旱區(qū)地理,2010,33(4):615-622.

RunoffCharacteristicsandResponsestoPrecipitationintheEbinurLakeBasin-ACaseStudyofBoertalaRiver

DONG Yu1,2, Haimiti·Yimiti1,3

(1.KeyLaboratoryofOasisEcologyofMinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 3.KeyLaboratoryofLakeEnvironmentandResourcesinAridZone,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China)

To reveal the change characteristics of runoff and their influencing factors has been an important scientific topic for drainage basin management in the arid regions. Taking the Boertala river of Ebinur lake basin as study area, this study analyzed the change trends of the runoff and precipitation in multi-time scales and runoff response to precipitation change according to the precipitation and runoff data in 1964—2012 based on assessment indices of coefficient of variation, concentration degree, concentration period. Resulting indicated that runoff interannual changes were relatively stable and increased insignificantly in Bortala River; the runoff of Boertala River was mainly concentrated from June to August, concentrated in the summer season. Runoff concentration period mainly concentrated in late June to middle of July and rainfall concentration period mainly concentrated from May to July. Correlation between annual runoff and annual precipitation has high relevance (the significant level is more than 0.1,r=0.2372,R0.1=0.2329). There is a hysteresis of runoff to precipitation and hypsteresis period is about 21 days, and the hysteresis period becomes short over time.

runoff; precipitation; variation coefficient; concentration ratio; concentration period; Ebinur Lake Basin; Boertala River

2013-09-03

：2013-10-24

國家自然科學基金項目(41171036,40971020)

董煜(1970—),男,河南長垣人,博士研究生,研究方向:干旱區(qū)水資源與環(huán)境。E-mail:dongyuxj@126.com

海米提·依米提(1960—),男(維吾爾族),新疆喀什人,教授,博士生導師,從事干旱區(qū)水資源開發(fā)利用。E-mail:hyimit@yahoo.com.cn

P332.1

：A

：1005-3409(2014)02-0094-06