和田河上游62 a徑流演變特征分析

盧震林，白云崗，余其鷹

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049；2.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)

新疆和田河是補(bǔ)給塔里木河的重要河流，是“和田綠洲”生存的命脈，其徑流主要補(bǔ)給來(lái)源于冰川積雪融水和山區(qū)降水，耗散于荒漠綠洲。和田河豐枯情況直接影響著綠洲內(nèi)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，同時(shí)影響向塔里木河下游的生態(tài)輸水[1]。1987年以后，新疆地區(qū)出現(xiàn)了氣候向暖濕化轉(zhuǎn)型的信號(hào)[2]，針對(duì)和田河地區(qū)所處的特殊地理環(huán)境及獨(dú)特水文水資源系統(tǒng)，眾多學(xué)者對(duì)和田河流域從多方面開(kāi)展了研究[3-8]。如張曉偉[9]2007年分析發(fā)現(xiàn)和田河徑流量呈減少趨勢(shì)；2010年褚桂紅、史文娟等利用和田河上游1957—2005年徑流數(shù)據(jù)分析地表徑流也呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)[10]。科學(xué)認(rèn)識(shí)和田河徑流變化特征及演變趨勢(shì)，對(duì)和田河流域生態(tài)修復(fù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。因此，本文選用和田河源流烏魯瓦提和同古孜洛克水文站1957—2018年62 a長(zhǎng)系列天然徑流資料，采用M-K趨勢(shì)及突變檢驗(yàn)和小波分析等方法，對(duì)和田河源流徑流年內(nèi)年際變化、趨勢(shì)性及周期進(jìn)行分析，旨為和田河流域水資源高效利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

和田河流域位于我國(guó)新疆南端，喀喇昆侖山和昆侖山北麓，塔里木盆地南部邊緣，和田河南向北流入塔里木盆地，穿越塔克拉瑪干沙漠，最終匯入塔里木河。和田河由東西兩大支流組成，即西支喀拉喀什河和東支玉龍喀什河。玉龍喀什河在出山口處設(shè)有同古孜洛克水文站，玉龍喀什河全長(zhǎng)504 km。喀拉喀什河在出山口處設(shè)有烏魯瓦提水文站，喀拉喀什河全長(zhǎng)808 km。兩支流在闊什拉什匯合后稱(chēng)和田河。和田河干流始于闊什拉什，終于肖夾克，全長(zhǎng)319 km，寬0.6～3.3 km，屬于季節(jié)性河流，汛期多洪水，其他季節(jié)干旱，洪枯懸殊，使得河床易沖易淤，河道呈游蕩型(如圖1所示)。由于上游和田綠洲社區(qū)經(jīng)濟(jì)用水不斷增加，造成下游干流水量日益減少，地下水位下降，直接威脅塔里木河流域“綠色走廊”的穩(wěn)定與生存。

圖1 和田河流域圖

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)和田地區(qū)水文勘測(cè)局水文站控制情況，本文選取烏魯瓦提和同古孜洛克兩水文站作為分析計(jì)算的代表站，運(yùn)用1957—2018年62 a長(zhǎng)系列天然徑流資料進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。資料具有良好的代表性和可靠性。

2.2 分析方法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法(簡(jiǎn)稱(chēng)M-K檢驗(yàn))，可分析長(zhǎng)時(shí)間序列的趨勢(shì)與突變，有樣本不必遵從某一特定分布、結(jié)果不受少數(shù)異常值干擾的優(yōu)點(diǎn),因此得到了廣泛的應(yīng)用[11-12]。利用Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值Z進(jìn)行趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)的顯著性檢驗(yàn)，先假設(shè)該序列無(wú)趨勢(shì)，通過(guò)雙尾檢驗(yàn)，在給定顯著水平下，于正態(tài)分布表中查臨界值Z1-α/2，當(dāng)|Z|Z1-α/2，則拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為趨勢(shì)顯著。Z為正時(shí)表示序列呈上升趨勢(shì)，Z為負(fù)時(shí)表示序列呈下降趨勢(shì)，Z的絕對(duì)值越大，說(shuō)明序列變化趨勢(shì)越顯著。利用Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值UFK和UBK，分析繪制出UFK和UBK曲線圖，若UFK的值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)；當(dāng)它們超過(guò)信度線時(shí)，即表示存在明顯的上升或下降趨勢(shì)；若UFK和UBK的交點(diǎn)位于信度線之間，則此點(diǎn)可能就是突變點(diǎn)的開(kāi)始。

2.2.2 小波分析

小波分析是一種新型信號(hào)時(shí)頻局部化的分析方法，能夠提取出徑流序列中反映其變化規(guī)律的成分[13-14]。本文選用Morlet小波對(duì)研究區(qū)徑流序列進(jìn)行周期性分析。Morlet基本小波函數(shù)形式如式(1):

(1)

將基本小波函數(shù)ψ(t)經(jīng)過(guò)伸縮和平移得到一簇函數(shù)ψa,b(t)，如式(2):

a,b∈R，a≠0

(2)

式中:ψ(t)為分析小波；a為尺度參數(shù)，反映小波的周期；b為時(shí)間參數(shù)，表示波動(dòng)在時(shí)間上的位移。

將時(shí)間域上關(guān)于尺度a的所有小波系數(shù)的平方進(jìn)行積分，即得到小波方差。小波方差公式(3)為：

(3)

在一定尺度下表示時(shí)間序列中該尺度周期波動(dòng)的強(qiáng)弱和能量的大小。

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3 結(jié)果與分析

3.1 徑流年內(nèi)變化特征分析

將和田河兩支流62 a徑流序列分別按月進(jìn)行整理，分析其月平均徑流量和比例，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 和田河上游1957—2018年月徑流分配表

由表1可知：7月喀拉喀什河月徑流最大，占全年比例的28.18%，1月月徑流最小，占全年比例的1.46%；而玉龍喀什河8月月徑流最大，占全年比例的33.37%，2月月徑流最小，占全年的0.99%。喀拉喀什河最大月徑流出現(xiàn)在6—8月，占全年比例的68.42%，其余9個(gè)月占全年比例的31.58%；玉龍喀什河最大月徑流也出現(xiàn)在6—8月，占全年的比例高達(dá)78.74%，其余9個(gè)月僅占全年比例的21.26%。按季節(jié)劃分，夏季兩河分別占全年比例的68.42%、78.74%，冬季最少,僅為3.10%、4.85%。喀拉喀什河月徑流滯后于玉龍喀什河一個(gè)月，而且兩河年內(nèi)徑流分布極不均勻。因此，和田河流域的不均勻徑流會(huì)導(dǎo)致該流域汛期易澇，枯期易旱。

采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法分析和田河兩支流河年和季節(jié)徑流變化趨勢(shì)的顯著性見(jiàn)表2。

表2 和田河支流季節(jié)徑流變化趨勢(shì)的顯著性

由表2可知：喀拉喀什河和玉龍喀什河的春、秋、冬三季徑流系列的M-K值大于0.05置信水平閾值1.96，呈顯著性增加趨勢(shì)；玉龍喀什河和喀拉喀什河夏季年徑流系列的M-K值介于0.05置信水平閾值±1.96之間，呈非顯著性變化趨勢(shì)。其中,玉龍喀什河夏季年徑流表現(xiàn)為微弱上升趨勢(shì)，喀拉喀什河表現(xiàn)為微弱下降趨勢(shì)，說(shuō)明年內(nèi)徑流變化除夏季外，兩河季節(jié)性徑流趨勢(shì)基本一致。

3.2 徑流年際變化特征分析

為探究?jī)珊幽觌H變化情況，按10 a時(shí)段進(jìn)行分段分析，以1959—1968年為基準(zhǔn)期，分5個(gè)時(shí)段作為對(duì)比期，分析各個(gè)時(shí)段的年徑流較基準(zhǔn)期的變化，見(jiàn)表3。

表3 喀拉喀什河和玉龍喀什河不同時(shí)段實(shí)測(cè)年徑流對(duì)比基準(zhǔn)期的變化

由表3可以看出：與基準(zhǔn)期相比，1969—1978年和1999—2008年時(shí)段喀拉喀什河變化不明顯，屬于平水期；1979—1988年時(shí)段喀拉喀什河變化不明顯，1989—1998年時(shí)段減少6.92%，進(jìn)入平水期。1969—1978年和1999—2008年時(shí)段玉龍喀什河較基準(zhǔn)期無(wú)變化；1979—1988年和1989—1998年時(shí)段較基準(zhǔn)期減少11%～12%，進(jìn)入枯水期。2009—2018年時(shí)段兩河徑流變化量較基準(zhǔn)期增加16.44%～21.11%，進(jìn)入豐水期。總的來(lái)看，喀拉喀什河變化幅度小；21世紀(jì)兩河徑流增大，對(duì)該流域水資源合理開(kāi)發(fā)具有積極作用。

為明晰兩河徑流增大具體時(shí)間，需逐年分析徑流情況。采用累積距平法繪制兩支流62 a累積距平曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 1957—2018年喀拉喀什河和玉龍喀什河年徑流序列累積距平曲線

由圖2可知，兩河1957—1961年累積距平值持續(xù)增加，表明該時(shí)段距平值持續(xù)為正，處于豐水期。1962—1965年時(shí)段又開(kāi)始持續(xù)下降，距平值呈減小趨勢(shì)，處于枯水期。喀拉喀什河在1966—1985年時(shí)段經(jīng)過(guò)1～3 a的豐枯交替后，1986—1999年時(shí)段基本表現(xiàn)為枯水年，2000—2009年時(shí)段經(jīng)過(guò)3個(gè)豐枯交替循環(huán)后到2010年進(jìn)入豐水期。1966—1980年時(shí)段，喀拉喀什河豐水期和枯水期亦每1～3 a交替進(jìn)行，呈現(xiàn)了“豐水-枯水-豐水”的現(xiàn)象。1981—2009年時(shí)段累積距平值波動(dòng)頻繁，總體呈下降趨勢(shì)， 2010年過(guò)后又開(kāi)始呈上升趨勢(shì)，進(jìn)入豐水期。總之，玉龍喀什河的枯水年略多于豐水年；2010年過(guò)后兩河持續(xù)表現(xiàn)為豐水年，這與較基準(zhǔn)期的分析2009—2018年時(shí)段分析一致。為明晰其原因，對(duì)兩河流徑流進(jìn)行突變分析。

3.3 突變分析

應(yīng)用Mann-Kendall法對(duì)喀拉喀什河、玉龍喀什河62 a年徑流序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4，其中UFk表示順序統(tǒng)計(jì)值，UBk表示逆序統(tǒng)計(jì)值。

圖3 喀拉喀什河突變檢驗(yàn)

圖4 玉龍喀什河突變檢驗(yàn)

由圖3可知：1958—1962年喀拉喀什河表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，之后5 a下降明顯；1968—1991年又表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，1992—2005年又表現(xiàn)為下降趨勢(shì)；2006—2018年上升趨勢(shì)明顯，2018年統(tǒng)計(jì)值大于1.96，呈明顯增加趨勢(shì)。由圖4可知：玉龍喀什河徑流序列在1957—1963年徑流表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，1962年達(dá)到峰值；1964—2009年變化趨勢(shì)穩(wěn)定，除個(gè)別年份外，均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，于2010年發(fā)生突變，之后變化頻繁。突變點(diǎn)亦發(fā)生在60～90年代后期亦呈顯著上升趨勢(shì)。突變點(diǎn)發(fā)生在2010年。總體上，玉龍喀什河上升趨勢(shì)大于喀拉喀什河，且均在2010年發(fā)生突變；在2010年后發(fā)生突變，突變后表現(xiàn)為持續(xù)上升趨勢(shì)，解釋了前兩部分時(shí)段增加和累積距平表現(xiàn)為豐水年的原因。

對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行線性分析，分別對(duì)兩站進(jìn)行突變點(diǎn)前后進(jìn)行均值分析比較，結(jié)果如圖5。

圖5 和田河支流年徑流趨勢(shì)變化

由圖5可知，在兩河年徑流趨勢(shì)上升的情況下，2010年后的平均值高于之前約5億m3。突變年與累積距平持續(xù)增長(zhǎng)年份相吻合，這與全球氣候變暖和近年降水增加有很大關(guān)系。

3.4 徑流特征周期分析

采用Morlet小波分析法分別對(duì)和田河支流62 a徑流序列進(jìn)行周期性分析，得到年徑流序列小波變換系數(shù)的二維等值線圖(如圖6所示)和小波分析方差圖(如圖7所示)。

圖6 和田河支流年徑流小波分析

圖7 和田河支流年徑流小波方差

由圖6可知：喀拉喀什河在4～5 a左右時(shí)間尺度上震蕩顯著，在所研究的時(shí)段中經(jīng)歷了10次“豐-枯”循環(huán)交替，且震蕩穩(wěn)定；在25～30 a左右的時(shí)間尺度上存在著“豐-枯-豐-枯”的周期變化，且震蕩最為顯著，預(yù)計(jì)在2018年后還會(huì)有豐水年出現(xiàn)，且豐水年時(shí)間5 a左右。玉龍喀什河在4～6 a左右時(shí)間尺度上，周期震蕩十分顯著，存在11個(gè)“豐-枯”交替，但交替循環(huán)不穩(wěn)定；在9 a左右的時(shí)間尺度上震蕩情況略低于5 a，在1980年以前存在“枯-豐-枯-豐” 交替循環(huán)，之后到2005年表現(xiàn)為豐水年，預(yù)計(jì)在2018年以后會(huì)表現(xiàn)為豐水年。結(jié)合小波分析方差圖(圖7)可知：喀拉喀什河存在一個(gè)峰值為28 a的第一主周期和峰值為5 a的第二主周期；玉龍喀什河存在4 a和9 a的明顯峰，即4 a為第一主周期，9 a為第二主周期。

總之，不同時(shí)間尺度下的豐枯交替變化情況不同，徑流變化以第一周期為主，第二周期為輔。截至2018年，兩河均表現(xiàn)為豐水年，徑流還會(huì)持續(xù)增加一段時(shí)間，這有利于下游水資源合理開(kāi)發(fā)利用。

4 結(jié) 論

(1)基于和田河上游1957—2018年徑流序列進(jìn)行分析，研究表明：年徑流量呈微弱增加趨勢(shì)，在2010年兩支流發(fā)生突變，呈微若增加趨勢(shì)。

(2)從年內(nèi)徑流分布來(lái)看，兩河在夏季徑流最多，占全年比例的68.42%～78.74%，冬季最少僅為3.10%～4.85%，最大徑流出現(xiàn)在7月、8月，最小徑流出現(xiàn)在1、2月且年內(nèi)分配極不均勻。除夏季外，春、秋、冬三季徑流均表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)。

(3)與基準(zhǔn)期1959—1968年相比，喀拉喀什河和玉龍喀什河不同時(shí)段變化量較大，1979—1988年兩河增減不同，其余時(shí)段增減相同，2009—2018年時(shí)段兩河增加明顯，玉龍喀什河變化幅度大。

(4)Morlet小波和M-K突變檢驗(yàn)表明：喀拉喀什河以28 a為第一主周期，5 a為第二主周期；玉龍喀什河第一主周期為4 a，第二主周期為9 a；兩河均在2018年后繼續(xù)出現(xiàn)豐水年。2010年出現(xiàn)突變，突變前后兩河徑流均值相差5億m3。