呼圖壁河水沙年內分配特征及同步性變化分析

王敬哲,劉志輝,3,4,姚俊強,郭小云

(1.新疆大學 資源與環境科學學院,烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 綠洲生態教育部省部共建重點實驗室,烏魯木齊 830046; 3.新疆大學 干旱生態環境研究所,烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區可持續發展國際研究中心,烏魯木齊 830046)

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呼圖壁河水沙年內分配特征及同步性變化分析

王敬哲1,2,劉志輝1,2,3,4,姚俊強1,2,郭小云1,2

(1.新疆大學 資源與環境科學學院,烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 綠洲生態教育部省部共建重點實驗室,烏魯木齊 830046; 3.新疆大學 干旱生態環境研究所,烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區可持續發展國際研究中心,烏魯木齊 830046)

利用呼圖壁河出山口石門水文站1980—2011年日徑流量和輸沙量實測資料，采用年內不均勻系數、完全調節系數、集中度(期)等方法指標，分析了呼圖壁河水沙年內分配及同步變化規律。結果表明：(1)不同年代的徑流與輸沙年內分配均呈“單峰型”分布，且輸沙量較徑流量的分配更為集中；(2)近32年以來，徑流和輸沙的不均勻系數、完全調節系數、集中度都呈緩慢上升趨勢，且二者的年際變化都顯示出較好的同步性。徑流和輸沙的集中期同樣有著微弱的上升趨勢，但輸沙集中期略提前于徑流集中期。這是由于河流的補給方式和下墊面等綜合影響造成的；(3)呼圖壁河泥沙年內分配不均勻系數明顯高于徑流。完全調節系數與不均勻系數的變化趨勢基本一致。各個年代冬春季節徑流量與同一時段輸沙量的變化不同步。

呼圖壁河; 水沙; 年內分配

河川徑流的年際年內變化規律是水文水資源學研究的重要內容，也是國民經濟與各用水部門必不可少的基礎數據[1-4]。徑流的水沙關系與河勢健康狀況、河道演變、江湖關系等密切相關，是流域系統中最為活躍的部分[5-6]。徑流水沙的年內分布特征不僅影響人類社會系統的安全，同時也影響自然生態系統的健康。一方面，河川徑流的水沙變化通常引起水資源供需關系的改變并影響水利工程與水資源的開發利用，另一方面下游河道演變、水生態系統變化也與水沙變化息息相關[7-8]。因此，研究徑流水沙年內變化規律具有十分重要的科學意義。

目前許多學者開展了針對河流年內水沙變化的研究，如：許全喜等[5]較為系統地研究了近50年來長江流域不同河段、不同時段的水沙變化特性。劉曉瓊等[9]運用小波變換等方法對渭河的水沙演變規律進行了研究。郭愛軍等[10]提出應用滑動相關系數法診斷水沙關系變異以應對涇河流域不同時段水沙豐枯情況。黃英等[11]指出水電工程建設后會對河流水沙關系造成影響，致使瀾滄江徑流年內分配均勻度升高但輸沙的變化不明顯。

新疆是亞歐大陸橋的重要樞紐，在國家對“絲綢之路經濟帶”的規劃中，新疆被定位為核心區，烏魯木齊、昌吉等“一帶一路”中的重要節點城市大多位于天山北坡。天山北坡是新疆經濟最發達的地區，天山北坡經濟帶在全疆有著舉足輕重的影響。呼圖壁河是天山北麓中段第二大河流，流域的水文水資源變化得到了學者的廣泛關注[12-14]，但對水沙變化尤其是對不同年代、際的水沙年內分配的研究較少。本研究通過對呼圖壁河石門水文站近32年(1980—2011年)的日徑流量時間序列和日輸沙量時間序列數據，利用年內分配不均勻系數、完全調節系數和集中度、集中期、標準化等方法，分析呼圖壁河水沙年內分配的變化與趨勢及其同步性，研究成果將對呼圖壁河生態環境和生態系統的治理，對進行該地區社會經濟的科學規劃都具有重要的意義。

1　研究區概況

呼圖壁河流域位于東天山北麓中段，準噶爾盆地南緣，發源于天山支脈依連哈比爾尕山北坡，屬天山北坡東段水系，地理位置為86°05′—87°08′E，43°07′—45°20′N。呼圖壁河是天山北坡中段第二大河流，河道總長度176 km[12-13]。從河源至下游，大致可以分為山地、丘陵、沖積扇、沖洪積平原4個地貌單元。呼圖壁河上游山區河網發育較好，支流呈樹枝狀分布，干流位居其中。左右兩岸共有一級支流20多條，其中除10條支流有冰川和永久積雪分布外，其他支流大多源于中低山區，靠冬、春季節積雪消融和夏季降水補給。年平均徑流量4.812億m3，年最大徑流量6.335億m3，年最小徑流量3.633億m3。呼圖壁河石門水文站是流域內唯一的水文觀測站點，石門水文站以上河道長88 km，集水面積1 840 km2，平均高程2 984 m，河道縱降比23.3%，年徑流量4.71億m3，占全河地表水量的93.6%[14]。

2　資料與方法

2.1基礎數據

呼圖壁河石門水文站(43°45′N，86°34′E)是流域內唯一的水文觀測站點，本文選取石門水文站近32年(1980—2011年)日徑流量時間序列和日輸沙量時間序列作為研究數據。

2.2研究方法

為定量分析呼圖壁河水沙變化規律，運用不均勻性指標包括徑流年內分配不均勻系數Cv、徑流年內分配完全調節系數Cr指示徑流年內的不均勻性；集中程度指標包括集中度Cn、集中期D用于明晰徑流集中的時期[15-17]。各指標的計算公式如下：

2.2.1不均勻性綜合反映河川徑流年內分配不均勻性的特征值有許多計算方法，本文采用徑流年內分配不均勻系數(Cv)和徑流年內分配完全調節系數(Cr)來衡量徑流年內分配的不均勻性。

徑流年內分配不均勻系數(變差系數)Cv用于指示徑流年內分配的不均勻性，若年內各時段徑流量Ri相等時，即年內分配均勻，這時σ=0且Cv=0；年內各時段徑流量Ri愈集中，σ與Cv則愈大，即表明年內各月徑流量相差懸殊，徑流年內分配越不均勻。

(1)

(2)

(3)

徑流年內分配完全調節系數Cr是另外一種評價徑流年內分配的指標，其計算公式如下：

(4)

(5)

年內分配完全調節系數Cr越大，徑流年內分配越集中，不均勻程度越高，說明年內各月徑流量年內分配越不均勻。

2.2.2集中程度集中度和集中期是用逐月徑流量反映年內徑流量集中程度和最大徑流出現時段的重要指標。它是將月徑流量看作向量，月徑流量的大小和所處的月份分別作為向量的長度和方向。計算年徑流量的月平均值時用12個月的月均值的再平均，采用月為計算時段，每個月的天數不同，必須做一定程度的概化處理，即不考慮月大、月小，均視為同一個時段長，以1月份徑流向量所在位置定為00，依次按30°等差角度表示2—12月份(文中各月均按30 d計算)徑流所在位置(表1)。將每月徑流量分解成x和y兩個方向上的分量，則x和y方向上的向量合成及各月徑流向量的合成總向量可表示為:

(6)

(7)

(8)

集中度：

(9)

D=arctan(Ry-Rx)

(10)

式中：Ri，θi為月徑流量的大小和方向；Rx，Ry分別為x，y方向合成向量；R為Rx和Ry的合成總向量；Cn為集中度；D為集中期。

由式(9)中可以看出，集中度反映了集中期徑流量占年總徑流量的比例也就是徑流年內分配集中的程度，集中期則近似表示了一年中最大徑流量出現的時間。如果在研究時段中，徑流集中在某一時期內，則它們合成向量的模與徑流總量之比為 1，即Cn為極大值；如果每個時候的降雨量都相等，則它們各個分量累加后為0，即Cn為極小值。所謂集中期就是合成向量的方位角，它指示出每個時期徑流量合成后的總體效應，也就是向量合成后重心所指示的角度，反映了一年之中最大徑流量出現在哪一個月份。

表1　全年各月包含的角度及月中代表的角度值

2.2.3標準化的計算方法為了消除年徑流量、輸沙量單位和量綱差異的影響，用Z-score標準化曲線比較徑流量和輸沙量的年內分配變化特征及其徑流對輸沙的響應規律。

(11)

式中：Xi為各月徑流量或輸沙量；X 為多年平均月徑流量或輸沙量均值；S 為多年月平均徑流量或輸沙量標準差。

3　結果與分析

3.1徑流年內分配變化特征

呼圖壁河1980—2011年多年平均和4個年代的徑流年內分配特征都表現出了明顯的“單峰型”(圖1)。就多年平均徑流量而言，年內徑流量主要集中在6—8月份，這3個月份徑流量占全年徑流量的69%左右。呼圖壁河夏季水量集中的原因：一是山區降雨集中于夏季，二是夏季的高山雪冰融化。徑流量自春季末期5月開始增加，至夏季7月達到最大，然后到秋季8—9月開始減少，至冬季徑流量最小，同時徑流量也達到穩定狀態，占年徑流量的4.32%。從徑流年內分配的各個年代來看，各個年代年內徑流量也主要集中在6—8月份，9月與翌年5月徑流量也占一定比重，這與多年平均表現了相似的規律。20世紀80年代與其他各個時段相比夏季徑流量偏小，夏季徑流量基本隨年代年際變化呈不斷增長趨勢。特別是90年代徑流量達到多年最高值，2011—2012年最大徑流量出現時間提前至6月份。這表明徑流年內分配特征發生了較大變化，加大了呼圖壁河水資源開發利用的難度。

圖1　呼圖壁河徑流量年內分配特征

從水量平衡的角度來看，區域徑流量主要受降水、蒸發、冰雪融化、土壤含水量等因素的影響[12]。由表2可以看出呼圖壁河各個年代及多年平均的6月、7月份降水量，與圖1對比，可以發現呼圖壁河徑流量的年內分配與降雨年內分配特性相吻合，這也就不難解釋各個年代年內峰值產生較大差異的現象。2010—2011年6月份的平均降水量達到112.25 mm，遠遠超過流域內多年平均值69.71 mm，故造成該時段年內最值出現在6月。

從圖2A—2B可以看出呼圖壁河徑流不均勻系數的變化狀況，最大不均勻系數為1.39(1996年)，最小為0.88(1980年)，隨著時間的推移，Cv值均呈上升趨勢，說明呼圖壁河徑流年內分配逐漸趨向不均勻。就徑流完全調節系數而言，與徑流的不均勻系數變化過程基本一致。從1980—2011年徑流集中度的變化可以看出，其最大值為0.73(1996年)，最小值為0.59(1980年)，兩極差為0.14。同時徑流集中度以0.01/10 a線性傾向率呈緩慢上升趨勢(圖2C)。就徑流集中期而言，徑流集中期最大值為197.7°(2001年)，而最小值為177.0°(1985年)，兩者相差約21 d。徑流集中期年際變化趨勢表現較為平穩，并且以0.4°/10 a為線性傾向率呈微弱上升趨勢(圖2D)。

表2　呼圖壁河多年6月、7月份降水量與徑流量

圖2　呼圖壁河徑流年內分配特征指標極其變化趨勢

3.2輸沙量年內分配變化特征

圖3顯示了呼圖壁河1980—2011年多年平均和4個年代的輸沙量年內分配特征，均呈單峰曲線。從多年平均輸沙量來看，年內輸沙主要集中在6—8月，這3個月輸沙量占全年的91%左右。輸沙量自5月開始增加，至夏季7月達到最大，占全年輸沙的34%，然后到秋季9月減小，至冬季輸沙量最小，甚至輸沙量為0。輸沙量年內分配的各個年代顯示，各年代內輸沙量也主要集中在6—8月份，9月—翌年5月輸沙量所占比重不大，同時最大輸沙量出現時間除2011—2012年以外幾乎都在7月份，這與多年平均表現出一致的規律。這與徑流的年內分配特征極其相似，且輸沙量較徑流量更為集中。各個年代夏季輸沙量表現出較大差異，80年代與其他所有時段相比夏季輸沙量顯著偏小，而90年代卻異常偏大。資料顯示，1996年7月和1999年7月呼圖壁河突發暴雨洪水，其中，1996年為呼圖壁河有史以來最大的一次暴雨洪水，當時石門站最大洪峰流量達371 m3/s，故該時期輸沙量的變化可能是由暴雨洪水在增加徑流量的同時也攜帶了大量泥沙，從而導致輸沙量急劇上升，輸沙量隨后回落。

為了進一步說明極端暴雨對流域輸沙的影響，這里選擇呼圖壁河最有代表性的“96·7”洪水時期即1996年7月份的日降水量與輸沙量進行對比(圖4)。1996年7月份共出現了兩場大型降水，分別是7月14—20日和7月25—27日。第一個時期的降水為57.3 mm其中17日降水達31.8 mm，造成18日出現了輸沙量峰值83.02 t，25日的降水量為11.6 mm。呼圖壁河7月15日前受持續高空氣溫的影響，水量出現了呈臺階日峰型上漲的融(冰)雪洪水，加上14—20日這一全區大范圍連續強降雨天氣的配合，呼圖壁河水量暴漲[18]。暴雨一方面直接形成徑流，另一方面促使積雪快速融化，從而使水的峰量急劇增大，進一步造成輸沙量增大。

從圖5A—5B可以看出呼圖壁河輸沙不均勻系數的變化狀況，最大不均勻系數為2.86(1996年)，最小為0.81(1989年)，隨著時間的推移，Cv值均呈上升趨勢，說明呼圖壁河徑流年內分配隨時間的推移越來越不均勻。從1980—2011年時間系列變化上看，呼圖壁河輸沙集中度年際變化較大，最大值為0.97(1996年)，最小值為0.69(1985年)，極差達0.28。并且輸沙集中度以0.02/10 a為線性傾向率呈緩慢上升趨勢(圖5C)就輸沙集中期而言，最大值為195.6°(2005年)，最小值為129.9°(1985年)，二者出現的時間相差約66 d，達兩個月。從1980—2011年輸沙集中期變化趨勢來看，80年代變化波動較大，進入90年代以來，年際變化逐漸平穩，但仍以1.5°/10 a為線性傾向率呈上升趨勢(圖5D)。呼圖壁河各季節水沙年內分配特征如表3所示。

圖3呼圖壁河輸沙量年內分配特征

圖41996年7月呼圖壁河降水量與輸沙量日變化

圖5　呼圖壁河輸沙量年內分配特征指標極其變化趨勢

3.3水沙年內分配及其變化同步性

由表4可知，呼圖壁河徑流水沙年內分配多年平均不均勻系數在1.11左右，輸沙年內分配多年平均不均勻系數在1.92左右，輸沙年內分配不均勻系數明顯高于徑流，最大值均出現在90年代，最小值出現在80年代。完全調節系數與不均勻系數的變化趨勢基本一致。

表3　呼圖壁河水沙年內分配統計特征　%

圖6分析了標準化處理過后的不同時段呼圖壁河徑流和輸沙年內分配特征，從圖6中看出，各個年代冬春季節徑流量與同一時段輸沙量的變化是不同步的，而夏秋兩季則可以明顯看出輸沙量的年內分配特征十分依賴徑流特征。除2011—2012年以外，其他各年代徑流與輸沙年內分配特征都大致相似，峰值都對應出現在7月份。而2011—2012年的輸沙量峰值提前徑流峰值約0.7個月出現。20世紀90年代則因為2次暴雨性大洪水導致輸沙量異常偏大。氣候、下墊面、人類活動等因素綜合影響使得徑流年內水沙分配具有很大的不穩定性。這勢必加大呼圖壁河水資源的合理利用、開發和配置的難度，對水能利用同樣帶來了嚴峻的考驗。

表4　各年代呼圖壁河水沙年內分配特征值

圖6　呼圖壁河徑流與輸沙年內分配特征標準化曲線

4　結 論

(1)不同年代的徑流與輸沙年內分配均呈“單峰型”分布。呼圖壁河多年平均和不同年代的徑流量集中出現在6—8月份，除2011—2012年之外，峰值均出現在7月份。輸沙量受極端暴雨影響較大，年內分配特征與徑流極其相似，且輸沙量較徑流量的分配更為集中。

(2)近32年來，徑流和輸沙的不均勻系數、完全調節系數、集中度都呈緩慢上升趨勢，即越來越不均勻，且二者的年際變化都顯示出較好的同步性。徑流和輸沙的集中期同樣有著微弱的上升趨勢，但輸沙集中期略前于徑流集中期。

(3)呼圖壁河徑流水沙年內分配不均勻系數明顯高于徑流，最大值均出現在90年代，最小值出現在80年代。完全調節系數與不均勻系數的變化趨勢基本一致。輸沙量的年內分配特征十分依賴徑流特征。除2011—2012年以外，其他各年代徑流與輸沙年內分配特征都大致相似，顯示出了較強的同步性。

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Analysis on Variation Trends of Seasonal Runoff and Sediment Distribution and Synchronicity Change in Hutubi River

WANG Jingzhe1,2,LIU Zhihui1,2,3,4,YAO Junqiang1,2,GUO Xiaoyun1,2

(1.School of Resources and Environment Science,Xinjiang University,Urumqi 830046,China; 2.Key Laboratory of Oasis Ecology Ministry of Education,Xinjiang University,Urumqi 830046,China; 3.Institute of Arid Ecology and Environment,Xinjiang University,Urumqi 830046,China; 4.International Center for Desert Affairs-Research on Sustainable Development in Arid and Semi-arid Lands,Urumqi 830046,China)

We used the measured data of runoff and sediment discharge the years of Hutubi River Shimen Station in 1980—2011,and analyzed the distribution of Hutubi River sand years and synchronous change rule by using the index coefficient of inhomogeneous,manipulated for monthly and annual variation analysis assisted by using concentration (period)and other methods.The results showed that: (1)the runoff and sediment of different years follow the unimodal type distribution,the distribution and sediment discharge are more concentrated the distribution of the runoff since nearly 32 years; (2)the uneven coefficient of runoff and sediment,completely adjustment coefficient and concentration present the slowly rising trend,and interannual variability of runoff and sediment shows the good synchronicity,runoff and sediment concentration period also has a small upward trend,but the sediment concentration is slightly ahead of runoff because the river supply way and underlaying surface caused by comprehensive effect; (3)The non-uniform coefficient of sediment distribution is significantly higher than the runoff during the year.Complete adjustment coefficient and the change trend of non-uniform coefficient are basically identical.Change of runoff and sediment discharge in winter and spring is out of sync.

Hutubi River; runoff and sediment; annual distribution

2015-09-21

2015-10-19

水利部公益性行業科研專項經費項目“內陸干旱區實施最嚴格水資源管理關鍵技術”(201301103)

王敬哲(1992—),男,河南鄭州人,碩士研究生,研究方向為干旱區水文水資源。E-mail:wjzf-682@163.com

劉志輝(1957—),男,新疆烏魯木齊人,博士,教授,主要從事干旱區水文水資源和決策支撐系統研究。E-mail:lzh@xju.edu.cn

P333

A

1005-3409(2016)05-0152-06