葉爾羌河突發洪水變化特征及趨勢變異規律

馬云飛，彭 亮，居金浩

(新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

冰川湖突發洪水是葉爾羌河流域洪水三種類型之一[1]，是洪峰最高、危害最大的一類洪水[2]。研究突發洪水變化特征，掌握其趨勢變異規律，可以更好地應對突發洪水應急風險管理。

目前，關于洪水特征變異方面的研究有多種方法。近幾十年來，國外研究學者探索了對非一致性水文序列進行洪水分析的方法，概括起來大致有混合分布法[3]、時變矩法[4]、條件概率分布法[5]等。這些方法基于概率論與數理統計理論取得了一定的成果；國內水文水資源領域研究者也對水文序列變異開展了廣泛研究[6- 9]。

針對突發洪水趨勢變異規律方面，一些學者也進行了初步研究。Chen Yaning等[10]指出，1959—1986年葉爾羌河流域突發洪水發生頻率為0.4次/a，1997—2006年突發洪水發生頻率為0.7次/a；孫本國等[11]指出，1954—2007年葉爾羌河流域年徑流量呈增加趨勢，冰湖潰決洪水增加；孫桂麗等[12]指出，葉爾羌河流域氣溫對冰川湖突發洪水發生起主導作用，并且突發洪水發生頻率與流域氣溫變化一致；陳昱凝等[13]指出，徑流增加是春季融雪增多、降水增大、蒸發減少和潰決洪水補充的結果。

以上研究在不同程度上揭示了葉爾羌河流域突發洪水一些基本特征和變化規律，但未將變化特征與變異規律有機聯系。基于此，本文在前人研究基礎上，選取年最大洪峰流量進行分析，以期揭示突發洪水有關變化特征及趨勢變異規律，為突發洪水應急管理提供技術支撐。

1 研究區概況

葉爾羌河位于新疆西南部，是塔里木河三大源流之一，地處塔里木盆地西南緣，東經74°28′～85°54′，北緯34°50′～40°31′。河流發源于昆侖山和喀喇昆侖山，出山后轉向東北流向，穿越塔克拉瑪干沙漠，最終匯入塔里木河。據統計，1959—2015年葉爾羌河發生洪水災害的年份共有43個，有7次洪水洪峰流量超過4000m3/s，其中1997年以后發生3次，洪災損失及洪水發生的頻繁程度在新疆各河流中居第一位。

按照洪水類型分類，葉爾羌河洪水主要分為融雪消融型洪水、暴雨洪水、冰川湖突發洪水等類型。其中，突發洪水峰型單一，洪水總量不大，但洪峰流量大，洪水歷時較短，洪水過程線陡漲陡落，以異常高洪峰值和高起漲速率聞名全疆[14]。

2 研究方法

本文選取1959—2015年流域突發洪水數據以及欄干站、喀群站年最大洪峰流量，采用年代際分析和頻次分析等方法研究突發洪水數據，采用累積距平分析、Mann-Kendall檢驗和重標極差(R/S)分析等方法研究年最大洪峰流量。其中，累積距平分析、Mann-Kendall檢驗和重標極差(R/S)分析法的方法原理如下：

2.1 累積距平分析

該方法是一種常見的、可以由曲線變化直觀判斷出原序列變化的方法。基本原理為：對于序列x，計算其某一時刻的累積距平值：

計算出n個時刻的累積距平值，即可繪制出序列的累積距平曲線。

若累積距平曲線呈上升趨勢，表明原序列的距平值增加；呈下降趨勢，表明距平值減小。由曲線的明顯起伏變化可以判斷出原序列的變化趨勢，還可以判斷出原序列發生突變的時刻；從曲線小的波動變化還可判斷出原序列在短期內的距平值變化。

2.2 Mann-Kendall檢驗

該方法最早由Mann和Kendall提出，并經他人完善和改進，屬于非參數統計檢驗法[15]。該方法的原理為：對一個時間序列，構造其秩序列：

假定秩序列隨機獨立，定義統計量：

UFk為一個標準正態分布。在顯著性水平(如取α=0.05)條件下，如果|UFk|>Uα，說明原序列有明顯的變化趨勢；再對原時間序列逆序排列，重復以上程序，并令UBk=-UFk(k=n，n-1，…，1)，UB1=0。通過分析繪制出UFk和UBk曲線圖，可得原序列變化趨勢。

2.3 重標極差(R/S)分析

該方法最早由Hurst在計算分析尼羅河流域的水文資料時提出[16- 18]。基本的計算過程為：對于時間序列ε(t)，t=1，2，…，n。取任意正整數τ，其均值序列為：

累積離差為：

極差為：

標準差為：

Hurst研究發現，R(τ)與S(τ)存在一定關系R(τ)/S(τ)=(cτ)H，其中c為常數，H為Hurst指數(0

H(Hurst指數)是重標極差(R/S)分析的一個統計量，可以很好地揭示序列的趨勢性。當0.5

目前，利用Hurst指數分析序列未來趨勢變化，已在水文、氣象、地質等領域廣泛使用。

3 分析過程

3.1 年代際分析

根據1959—2015年葉爾羌河洪水資料，對其中1960—2015年流域25場突發洪水進行年代際分析(1959年一年的資料無法代表20世紀50年代10年的情形，故1959年突發洪水數據不參與年代際分析)，結果見表1。可以看出，欄干站、喀群站實測突發洪水在20世紀60年代、80年代頻發，發生次數為7次；在20世紀70年代、90年代減緩，發生次數為2次；歷史上呈現出“頻發-間歇”交替規律；1960—2009年5個年代際中，各年代際洪峰流量最大值均超過了4000m3/s；超過6000m3/s的突發洪水發生在20世紀60年代和20世紀90年代，均為歷史特大型突發洪水。

表1 葉爾羌河冰川湖突發洪水年代際場次、均值、最大值統計

1960—2009年5個年代際的突發洪水洪峰流量，其年代際均值呈現出跳躍變化特征，在2000m3/s和4000m3/s量級來回波動。產生年代際均值跳躍現象，與突發洪水發生場次、年代分布、次洪峰流量大小均有關系。

3.2 頻次分析

根據1959—2015年葉爾羌河洪水資料，對流域突發洪水洪峰特性進行分析，結果見表2。可以看出，1959—2015年流域共發生突發洪水26次。兩水文站的實測年最大洪峰流量分別為：欄干站介于973～6670m3/s，喀群站介于802～6270m3/s；其極值比分別為：欄干站6.86，喀群站7.82。

表2 葉爾羌河1959—2015年突發洪水洪峰特性表

當突發洪水發生頻次增加時，流域上游冰川湖的成湖與蓄水時間相應縮短，冰川湖蓄水量增加到一定程度立即外排，易發生小型突發洪水；當突發洪水發生頻次減少時，冰川湖的成湖與蓄水時間相應延長，冰川湖蓄水量持續增加，更易發生大型突發洪水，不利于流域下游洪水風險管理。

從突發洪水發生月份分布情況(如圖1所示)可以看出，26場突發洪水均發生在每年6—11月，其中發生在8、9月的突發洪水均為當年最大洪水，約占總場次數的70%。這與流域高山區夏季氣溫升高、冰川積雪快速消融、以及上游冰川湖成湖與潰決的物理規律有關。

圖1 葉爾羌河冰川湖突發洪水月份分布百分比

3.3 累積距平分析

繪制1959—2015年欄干站、喀群站年最大洪峰流量累積距平曲線(見圖2)，可以看出，曲線在1960—1961年、1997—1999年2個時段，由負累積距平快速上升為正累積距平，表明在這2個時段，流域年最大洪峰流量發生了突變。突變年份確定為1961年和1999年，對應實測洪峰流量為1961年欄干站6670m3/s、喀群站6270m3/s，1999年欄干站6610m3/s、喀群站實6070m3/s，均為當年發生的特大型突發洪水；1987—1996年曲線呈下降趨勢，表明這十年間，流域年最大洪峰流量一直處于較低值范圍，無大型突發洪水發生。

圖2 1959—2015年欄干站、喀群站年最大洪峰流量累積距平曲線

曲線上有10處明顯峰值，表明在其對應年份里流域發生了較大規模洪水，且年最大洪峰流量發生顯著變化。通過與實測數據對比，在這10處對應年份里，流域均發生了超過2000m3/s的突發洪水，其中超過6000m3/s的2起，分別發生在1961年和1999年；介于4000～6000m3/s之間的4起，分別發生在1971、1978、1984、2002年；介于2000～4000m3/s之間的4起，分別發生在1964、1968、1986、2006年。累積距平曲線可以很好地反映出超過2000m3/s的突發洪水發生情形，而超過2000m3/s的突發洪水正是流域防洪管理重點關注的對象。

對累積距平曲線進行線性趨勢分析，得趨勢過程線為：欄干站y=-26.71x+2748.5、喀群站y=-21.28x+2233.2，均呈下降趨勢。表明1959—2015年流域年最大洪峰流量整體呈下降趨勢。

3.4 Mann-Kendall檢驗

繪制1959—2015年欄干站、喀群站年最大洪峰流量UF、UB曲線(見圖3)，可以看出，欄干站、喀群站UF曲線大部分位于0刻度線以下，表明原序列整體呈下降趨勢；曲線在1997年前后，UB統計量超過0.05顯著水平，表明原序列下降趨勢顯著；曲線在1987、1997年前后，整體有明顯的“上升—下降—上升”過程。這表明，大致以1987、1997年為界，流域年最大洪峰流量和突發洪水洪峰流量在1959—1987年整體呈增加趨勢，在1987—1997年整體呈減少趨勢，在1997—2015年整體呈增加趨勢，但在1959—2015年整體呈減少趨勢。

圖3 葉爾羌河突發洪水年最大洪峰流量Mann-Kendall統計量曲線圖

3.5 重標極差(R/S)分析

基于1959—2015年欄干站、喀群站年最大洪峰流量序列，分別計算極差和標準差(欄干站統計表見表3，喀群站統計表省略)。

表3 欄干站實測年最大洪峰流量極差與標準差統計表

依據極差R、標準差S和序號τ，建立ln(R(τ)/S(τ))與ln(τ)直線關系(如圖4所示)。通過直線斜率得出欄干站Hurst指數為0.2963、喀群站Hurst指數為0.2743，均小于0.5，呈反持續性，表明原序列未來總體趨勢與過去相反。由原序列累積距平曲線整體呈下降趨勢可知，在未來一定時段內，流域年最大洪峰流量整體呈增加趨勢，突發洪水洪峰流量也相應增加。

圖4 欄干站和喀群站年最大洪峰流量R/S分析

需要指出，從洪水成因來看，冰川湖突發洪水成因與暴雨洪水、融雪洪水成因不同，只有冰川湖存在，才有可能發生冰川湖突發洪水；當冰川退縮，冰川湖不具備成湖條件時，冰川湖突發洪水也不復存在。因此，用冰川湖突發洪水歷史數據推測未來變化趨勢時，要考慮未來情景下冰川湖是否存在、是否會消失，要考慮形成冰川湖的冰川變化情況。

關于研究區及喀喇昆侖山地區的冰川變化情況，研究顯示[19]，在全球變化背景下，世界上其他地方冰川都在消融，而喀喇昆侖山地區冰川十分穩定，并稱這種現象為“喀喇昆侖異常”(Karakoram anomaly)，同時該研究也證明了在全球不斷變暖的情況下，喀喇昆侖山地區降雪量仍會增加，冰川不會融化。基于此，可以預見，葉爾羌河上游冰川湖成湖條件依然存在，突發洪水仍會不斷形成。該研究結論可作為葉爾羌河流域冰川湖突發洪水未來變化趨勢分析的前提。綜上，在未來一定時段內，研究區冰川湖突發洪水洪峰流量仍會增加。

4 結語

本文對1959—2015年流域突發洪水數據以及欄干站、喀群站年最大洪峰流量數據進行變化特征分析，得出以下結論：

(1)突發洪水變化特征，在年代際尺度上呈現二十年“頻發-間歇”的交替規律，年代際均值呈跳躍變化。在月份分布上，1959—2015年發生的26場突發洪水主要發生在8、9月，占比接近70%，且均為當年最大洪水，實測的突發洪水年最大洪峰流量即為流域年最大洪峰流量。

(2)將流域年最大洪峰流量和突發洪水變化特征進行聯系，可以對突發洪水變化特征和規律進行有效分析。流域年最大洪峰流量和突發洪水洪峰流量變異年份為1961年和1999年，整體呈下降趨勢，且具有反持續性。在未來一定時段內，流域年最大洪峰流量整體呈增加趨勢，突發洪水洪峰流量相應也呈增加趨勢。

(3)用年最大洪峰流量累積距平曲線可以分析超過2000m3/s的突發洪水發生年份及其趨勢變化過程；Mann-Kendall檢驗法分析得出的突發洪水趨勢變化過程與累積距平法得到的結論基本一致，均呈下降趨勢。

(4)在研究突發洪水未來變化趨勢時，要考慮冰川湖的成湖條件是否存在。對突發洪水的認識過程和管理過程，要考慮到這方面的影響因素。