新疆阿克蘇河流域洪水演變趨勢研究

蔣軍新，蔡 明，徐永軍，方功煥，李 稚，陳永金

（1.新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆阿克蘇843000；2.中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆烏魯木齊830011；3.聊城大學環境與規劃學院，山東聊城252059）

0 引言

洪水災害是一種突發性強、發生頻率高、危害嚴重的氣候災害［1］。在過去幾十年，世界各地因洪水造成的損失多達數百億美元，造成幾千人死亡［1］。因此，洪水變化研究成為水文學中的熱點，如洪水頻率與演變分析、洪水工程設計、洪水預估與預警等［2-5］。

在氣候變化背景下，天山山區水循環與水文過程發生了改變，洪水的發生特征與演變趨勢也相應發生了變化［4，6］。阿克蘇河發源于天山南坡，由高山區冰川融水、積雪融水和降水共同補給，對氣候變化響應敏感［7］，是北半球中緯度高山區最具代表性的河流。理解阿克蘇河流域洪水變化對于理解氣候變化背景下中緯度高寒山區的洪水演變過程具有重要意義。

阿克蘇河擔負著850萬畝農田的灌溉，養育了阿克蘇地區維吾爾族、漢族、回族、蒙古族、哈薩克族、柯爾克孜族等150萬人口［8］。近300年來旱洪災害呈增加趨勢，且洪水事件較干旱事件明顯［9］。洪水的發生頻率和強度增強，有記錄的3次最強洪水均發生在1990年以來［10-11］。毛煒嶧等［12］指出阿克蘇河的洪水與0℃層高度密切相關；沈永平等［13］分析了近百年來阿克蘇河流域麥茨巴赫冰川湖潰決突發洪水的演變，發現冰湖潰決突發洪水的總量由20世紀70年代的1×108m3增加到1990年代以來的3×108～4×108m3。隨著氣候變化，阿克蘇河流域的洪水變的更加復雜，暴雨洪水和融冰融雪洪水發生了改變。同時，隨著冰川加速融化，末端退縮或平均冰川厚度減薄，導致冰川作用區的冰湖面積增大，冰湖潰決災害事件增多［14］，嚴重威脅下游公路、橋梁、水電站、水庫等水利工程及工農業發展［15-16］。在氣候變化背景下，研究阿克蘇河流域的洪水變化趨勢及形成機制對下游綠洲環境及財產安全保護有重要意義。

本文基于長時間序列的阿克蘇河流域逐日出山口流量數據，利用塊最大值抽樣方法和超定量閾值（POT）抽樣方法提取了有器測資料以來阿克蘇河流域兩條支流的洪水事件，分析了洪水強度和發生時間的變化趨勢，并解析了年和季節最大洪水與氣候變化的關系。研究成果不僅可服務于地方防洪與社會經濟發展規劃，而且對理解天山洪水演變趨勢及災害評估可以提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 阿克蘇河流域

阿克蘇河屬于典型的北半球中緯度高山河流，流域總面積5×104km2。阿克蘇河有兩條支流，其中，西支為托什干河，北支為庫瑪拉克河，兩條支流的多年平均徑流量分別為26.63×108m3和47.88×108m3（圖1）。阿克蘇河是唯一一條常年向塔里木河輸水的河流，多年平均下泄塔里木河水量為35.61×108m3，占塔里木河干流補給量的70%～80%，是塔里木河干流最大的補給來源［17］。

阿克蘇河主要由降水、冰川與積雪融水和基巖裂隙水補給［18］。由于補給類型的多樣性，阿克蘇河流域的洪水類型也復雜多樣，不僅包括暴雨洪水，還有冰川積雪融水產生的洪水和冰川湖潰決突發洪水。其中，冰湖潰決突發洪水主要發生在庫瑪拉克河上的麥茨巴赫冰川湖。麥茲巴赫湖位于中國—吉爾吉斯斯坦邊界的天山托木爾—汗騰格里山區，在北伊利爾切克冰川表面，受阻于南伊利爾切克冰川并接受來自兩支冰川的融水蓄積而成［15，19-20］（圖1）。麥茲巴赫湖是天山山區典型的冰川堵塞湖，長3.4 km，寬1.2 km，面積4 km2，平均水深44 m［19］。麥茲巴赫湖的排水機制主要為冰內和冰下水道擴大排水［13，21-23］。只有溫度上升到0℃以上時才能產生消融。冰湖潰決突發洪水受水位和入湖水溫度的雙重影響，當達到一定條件時便發生潰決。

圖1 阿克蘇河流域水系分布與麥茲巴赫冰川湖位置Fig.1 The hydrological system of the Aksu River and the location of the Metzbach Lake

本文用到的水文數據是庫瑪拉克河協合拉水文站和托什干河沙里桂蘭克水文站的1958—2011年的日流量數據（圖1），用來提取阿克蘇河兩條支流的洪水事件。由于阿克蘇河的西大橋水文站受人類活動影響較大，人為調控因素較強，本文僅分析兩條支流的洪水變化特征，不考慮干流的洪水變化。本文用到的氣象數據是有長時間序列的阿克蘇氣象站和阿合奇氣象站的1958—2011年的日氣溫和日降水數據（圖1），分別代表庫瑪拉克河和托什干河的氣候情況。

1.2 阿克蘇河流域洪水提取方法

塊最大值采樣方法就是取一個時間步長（如年、季節、月份等）內的最大日流量作為洪水事件（公式1），但是該方法容易忽略該步長內發生的低于最大洪水事件的其他較大洪水信息，而且對于沒有發生洪水的時間步長，塊最大值法同樣采集了樣本數據［24］。為了克服塊最大值抽樣所具有的缺陷，本文同時利用POT采樣方法對塊最大值采樣進行補充，例如洪水發生次數、相應量級以及峰現時間等信息。本方法在干旱區內陸河流域得到了較好的應用［11，25］。

式中：Qi為第i個時間步長（如第i年，第i個春季等）內提取的洪水事件，q1，q2，…，qj，…，qn為第i時間步長內的日流量序列。

POT方法通過選取超過某一閾值的流量，組成洪水極值序列。閾值的選取非常重要，但是目前還缺乏公認的客觀方法［26］。選擇洪峰的主要思路是：在連續的峰值流量過程中，只能選擇一個最大的峰值。由于阿克蘇河屬于典型的季節性河流，夏季流量高，冬季低，本文分別考慮不同季節的流量特征，通過測試不同的閾值，以逐漸增加到作為洪水發生閾值的備選值［27］。另外，兩個洪峰還必須滿足洪峰獨立性標準。結合年平均洪水發生次數，選擇滿足平均發生次數在1.60～3.00范圍內的較大流量作為閾值［28］，最終選取作為不同季節的閾值，進而選取出阿克蘇河流域洪水極值事件的序列［24，29-30］。在形成序列前，采用美國水資源協會提出的判別標準對洪峰獨立性進行判別［式（2）］。

式中：D為連續兩個洪峰的間隔時間；A為兩條支流的匯流面積，單位為平方英里，合2.59 km2；Q1和Q2分別為連續兩個洪峰的量級，單位為m3·s-1。考慮到不同流域的匯流時間，兩條支流的兩次洪水事件的時間應該不小于13 d。不滿足上述條件的連續洪峰中，只取其中最大一次洪峰。

1.3 洪水變化趨勢檢驗方法

本研究利用非參數Mann-Kendall秩次統計方法來分析阿克蘇河兩條支流的年和季節最大洪水的變化趨勢。非參數Mann-Kendall趨勢檢驗方法廣泛的應用于水質、徑流、溫度、降水等水文氣象時間序列的趨勢變化檢驗中，其特點是不必先假定樣本的統計分布，在趨勢分析中具有廣泛的應用［31-32］。Mann-Kendall秩 次 統 計 方 法 可 用 下 式表示：

其中：

式中：xk、xi為連續的數據值；n為數據資料的長度，本文為年數。在Mann-Kendall檢驗中，當|Zc|＞Z1-α/2時，拒絕零假設。其中，Z1-α/2為標準正態方差；α為顯著性檢驗水平；Zc為正值表示增加趨勢。當Zc的絕對值大于1.28、1.64、2.32時分別表示通過了信度90%、95%、99%的顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 基于POT方法的洪水事件選取

根據阿克蘇河兩條支流的年內分布特征（圖2），11月—翌年4月為庫瑪拉克河的干季，5—10月為濕季。對于托什干河，由于融雪水占比較高，4月份流量較高，春季洪峰明顯，因此，本文將11月—翌年3月定義為托什干河的干季，4—10月為濕季。利用POT采樣方法，確定協合拉干季和濕季的閾值均為即77 m3·s-1和730 m3·s-1。在1958—2011年，基于此閾值選取的洪水事件在庫瑪拉克河共出現106次，其中干季17次，濕季89次。托什干河沙里桂蘭克站干季和濕季的閾值分別為40 m3·s-1和360 m3·s-1，在1958—2011年共出現112次洪水事件，其中干季14次，濕季98次，平均每年發生洪水次數為2.07次。

圖2 庫瑪拉克河協合拉水文站和托什干河沙里桂蘭克水文站年內流量分布（a）、（c）和年洪水發生次數-POT采樣閾值關系圖（b）、（d）Fig.2 The intra-annual distribution of streamflow（a），（c）and the relationship between the POT thresholds and flood times（b），（d）of the Xiehela station of the Kumarak River and the Shaliguilank station of the Toshgan River

根據利用POT方法提取的庫瑪拉克河的106次洪水過程和托什干河的112次洪水流量過程，兩條河流的洪水平均持續時間（從開始上漲到完全消退）分別為10.4 d和8.8 d，上漲時間分別為5.8 d和4.1 d，下降時間分別為4.6 d和4.7 d。其中，庫瑪拉克河的最高洪水持續時間可達26 d，從1988年11月26日起漲，在12月12日達到洪峰，12月22日結束；托什干河的最高洪水持續時間為21 d，從1967年4月11日起漲，在4月26日達 到 峰 值，5月2日結束。

不同補給類型河流的洪水的年內分布不同。以融冰融雪水補給為主的庫瑪拉克河，洪水主要發生在7—8月，其中7月和8月的洪水發生次數分別為37和42次，占洪水總發生次數的74.5%。對于托什干河，洪水主要發生在6—8月，分別發生了27、32和20次洪水事件，占洪水總發生次數的70.5%（圖3）。

圖3 庫瑪拉克河協合拉水文站和托什干河沙里桂蘭克水文站洪水發生年內分布Fig.3 Intra-annual distribution of flood occurrence at the Xiehela station of the Kumarak River and the Shaliguilank station of the Toshgan River

2.2 基于POT方法的阿克蘇河洪水變化特征分析

阿克蘇河流域兩條支流庫瑪拉克河和托什干河的洪水對降水的響應過程可見圖4。由于庫瑪拉克河和托什干河的洪水主要發生在夏季，圖4僅給出第180～240 d的降水和洪水關系。協合拉水文站洪水發生前15 d降水相對較小，洪水受暴雨影響較小，而對于托什干河，洪水發生前的降水頻率和強度均較高。由此表明，托什干河更容易形成暴雨洪水，這與庫瑪拉克河和托什干河的徑流補給特點相關。庫瑪拉克河主要是冰川融水補給，而托什干河主要是降雨和融雪水補給，庫瑪拉克河的洪水對氣溫變化更為敏感［33-35］。

圖4 庫瑪拉克河和托什干河的洪水與降水關系Fig.4 Relationship between the timing of floods and precipitation of the Kumarak River and the Toshgan River

2.3 基于塊最大值法方法的阿克蘇河洪水變化趨勢

對于庫瑪拉克河，年最大洪水表現出總體增加趨勢，增加速率為8.48 m3·s-1，Mann-Kendall趨勢檢驗的Zc值可達3.425，顯著性水平為P＜0.01。對于春季最大洪水，同樣表現為增加趨勢，Zc值為2.104，顯著性水平為P＜0.05。夏季最大洪水的變化特征與年最大洪水變化特征類似。對于秋季最大洪水，Zc值為-1.388，表現為不顯著下降趨勢（表1和圖5）。

對于托什干河，年最大洪水表現出總體不顯著增加趨勢，增加速率為3.40 m3·s-1，Mann-Kendall趨勢檢驗的Zc值為1.567。雖然四個季節的洪水均表現為增加趨勢，但是只有春季、秋季和冬季的洪水表現為顯著增加趨勢，Zc值分別為2.328、2.209和4.619。夏季最大洪水雖然也表現為增大趨勢，但是沒有通過顯著性檢驗。

分析庫瑪拉克河和托什干河的洪水與氣候因子的關系發現，庫瑪拉克河的春季洪水與最高連續7 d氣溫具有相同的變化特征，二者的相關性較強，Spearman相關系數為0.44（圖5和表1），推測庫瑪拉克河春季洪水主要是由融雪水補給為主。夏季、秋季和冬季洪水大小也與7 d最高氣溫呈正相關關系，并且夏季的洪水大小與氣溫的相關性通過了顯著性檢驗（P＜0.05）。這主要是由于庫瑪拉克河夏季徑流由冰川融水補給為主，冰川融水補給比例高達60%［36］。值得注意的是，冬季最大洪水在1988年和1996年分別達到了528 m3·s-1和720 m3·s-1，遠大于冬季最大洪水的中位數值38.7 m3·s-1，這是由于在1988年和1996年的12月份發生了冰湖潰決突發洪水，導致河道流量驟增。由于庫瑪拉克河的洪水大部分與麥茲巴赫冰川湖的潰決相關，而本冰川湖的潰決與氣溫和降水沒有直接關系［22，37］，而與冰壩的穩定性、湖面溫度、補給速度、冰川內部儲存水的快速釋放有關［23］，具有非常強的隨機性，因此，洪水的變化規律與最高連續7 d氣溫和最高連續3 d降水的變化規律不甚一致。托什干河的冰川面積相對較小，僅占流域面積的3.43%，冰川融水徑流不足出山口徑流量的20%［33］。總體來看，托什干河的洪水增加與氣溫關系微弱，而受最高連續3 d降水量影響較大。秋季洪水的增加主要是由于最高連續3 d降水增加所致。

圖5 庫瑪拉克河和托什干河年際和各季節洪水、最高連續7 d氣溫（T7）和最高連續3 d降水（P3）的變化趨勢Fig.5 The annual and seasonal variations of flood magnitude，seven-day maximum temperature，and three-day maximum precipitation in the Kumarak River and the Toshgan River

表1 庫瑪拉克河和托什干河最大洪水變化的Mann-Kendall檢驗結果，以及洪水與最高連續7 d氣溫（T7）和最高連續3 d降水（P3）之間的相關系數Table 1 Trend analysis of the annual and seasonal maximum floods of the Kumarak River and the Toshgan River based on the Mann-Kendall test.The correlation coefficients between flood magnitude and seven-day maximum temperature，three-day maximum precipitation were shown.The superscript star（*）and（**）represent the p-value of the trend analysis or the correlation are less than 0.01 or 0.05，respectively

2.4 基于POT方法的阿克蘇河流域洪水發生時間變化特征

庫瑪拉克河和托什干河的洪水發生次數有增加的趨勢，并且有略提前的趨勢（圖6）。對于庫瑪拉克河，1958—2011年共發生7次10年一遇的洪水，發生日期分別為1983年8月21日、1987年8月19日、1994年7月23日、1996年8月14日、1997年7月31日、1999年7月31日和2005年7月15日，對應的最高洪峰流量分別為1 700 m3·s-1、1 600 m3·s-1、2 180 m3·s-1、1 590 m3·s-1、1 710 m3·s-1、1 850 m3·s-1和1 620 m3·s-1。對于托什干河，1958—2011年共發生5次10年一遇的洪水，分別發生在1969年8月3日、1995年5月10日、1995年6月8日、1999年7月31日和2001年8月17日，對應的最高流量分別為989 m3·s-1、1 020 m3·s-1、922 m3·s-1、1 270 m3·s-1和1 110 m3·s-1，對應的重現期分別為20年、23年、15年、58年和33年。可以看出，庫瑪拉克河和托什干河高強度洪水事件在20世紀90年代以來頻繁發生，分別占有器測資料以來總發生次數的71%和80%。

圖6 阿克蘇流域洪水發生時間變化特征Fig.6 Variations of flood magnitude and timing of the Kumarak River（a）and the Toshgan River（b）from 1958 to 2011.The flood timings of the Kumarak River and the Toshgan River of specific period were shown in subplot（c）and（d）

在年內分布上，以冰川融水補給為主的庫瑪拉克河的洪水事件趨向于提前發生，而以積雪融水洪水和暴雨洪水為主的托什干河的洪水發生時間變得更加分散，表現為春季洪水發生提前而秋季洪水發生推遲。這主要是由于在全球變暖背景下，阿克蘇河流域的溫度不斷上升，庫瑪拉克河的冰川融化速度加快，融水增多，導致夏季洪水提前，濕季洪水事件的平均發生時間約提前了6 d［圖6（c）］。而對于托什干河，主要是4—5月份的洪水有提前趨勢，主要是由于春季融雪水增加所致，平均洪水發生時間提前了18 d［圖6（d）］。

3 結論

阿克蘇河流域的產匯流機制復雜，多數洪水屬于混合型洪水。通過分析1958年以來的洪水變化趨勢，可以得出以下結論：

（1）阿克蘇河流域的庫瑪拉克河和托什干河季節性強，當用POT方法提取洪水事件時，分枯水期和豐水期采用不同的洪水閾值可以更加實際的提取出洪水事件。在1958—2011年，庫瑪拉克河和托什干河分別提取出洪水事件106次和112次，其中干季分別為17和14次，濕季分別為89和98次。

（2）1958—2011年庫瑪拉克河和托什干河的洪水均表現出增加趨勢。除了庫瑪拉克河的秋季最大洪水表現出降低趨勢外，兩河的季節洪水均表現為不同程度的增加態勢。10年一遇洪水事件絕大多數發生在20世紀90年代以后。

（3）在洪水發生時間上，庫瑪拉克河的濕季洪水發生時間有提前趨勢，而對于以暴雨產流和融雪產流為主的托什干河，春季洪水的發生時間有提前趨勢而秋季洪水發生時間有推后現象，洪水發生時間更加分散，為水資源管理者帶來挑戰。對于以冰川融水補給為主的庫瑪拉克河，春季、夏季洪水發生與最高連續7 d氣溫相關，而托什干河年洪水以及春季和秋季洪水的發生與最高連續3 d降水量相關。