王 嵐, 劉志輝,3,4, 姚俊強, 張文娜, 王 元

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830046;

2.新疆大學(xué) 教育部綠洲生態(tài)重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830046; 3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)

環(huán)境研究所, 新疆 烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際研究中心, 新疆 烏魯木齊 830046)

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1978-2011年呼圖壁河徑流的變化趨勢

王 嵐1,2, 劉志輝1,2,3,4, 姚俊強1,2, 張文娜1,2, 王 元1,2

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830046;

2.新疆大學(xué) 教育部綠洲生態(tài)重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830046; 3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)

環(huán)境研究所, 新疆 烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際研究中心, 新疆 烏魯木齊 830046)

摘要：[目的] 分析新疆維吾爾自治區(qū)呼圖壁河徑流變化特征與長期變化趨勢,為制定科學(xué)合理的呼圖壁地區(qū)水資源供需平衡發(fā)展戰(zhàn)略提供理論支撐。[方法] 采用變差系數(shù)法、距平累積法、Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗法及Morlet連續(xù)復(fù)小波變換對呼圖壁河石門水文站1978—2011年實測日流量資料進(jìn)行分析。[結(jié)果] 呼圖壁河徑流的年內(nèi)變化主要受降水與氣溫的影響,其主要徑流產(chǎn)生于5—9月,汛期為6—8月,徑流量占全年徑流量的69.4%,枯水期為12月至次年3月。呼圖壁河的Cspan平均值為0.149。近34 a來徑流量整體呈現(xiàn)出不顯著的增加趨勢，徑流量的年際變化小,年際間持續(xù)枯水與持續(xù)豐水的時間幾乎相同。此外,呼圖壁河年徑流存在4個較為顯著的周期波動,其中18和29 a分別為徑流量年際變化的第Ⅰ、第Ⅱ主周期。 [結(jié)論] 呼圖壁河近34 a來徑流量呈增加趨勢,徑流量的年際變化呈現(xiàn)出較為顯著的周期性,徑流量的年內(nèi)分配很不均勻。

關(guān)鍵詞：呼圖壁河; 實測日流量資料; 徑流量變化; 趨勢分析; Morlet連續(xù)復(fù)小波變換

天山北麓是新疆經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，天山北麓經(jīng)濟(jì)帶在全疆有著舉足輕重的影響，但水資源短缺、水環(huán)境退化以及人類活動空間的不連續(xù)性，使得此區(qū)域的水資源承載力相對較低。據(jù)施雅風(fēng)[1]研究，新疆天山西部地區(qū)在全球氣候變暖背景下氣候轉(zhuǎn)向暖濕,徑流量連續(xù)多年增加。同時有研究證明1987—2000年間，新疆主要26條河流中有77%徑流量增加，而其中的65%分布于新疆北部[2]。與此同時，秦大河[3]提出在西北地區(qū)，即使未來降水增加20%也不可能改變干旱缺水的狀況。這就迫切要求我們實現(xiàn)水資源的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展。

呼圖壁河是天山北麓中段第二大河流，它既是呼圖壁縣、自治區(qū)種牛場、農(nóng)六師芳草湖總場及兵團(tuán)3個團(tuán)場農(nóng)業(yè)灌溉和人民群眾生活用水的重要保證，同時還是維系該地區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定和促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的根本性水資源基礎(chǔ)。因此，研究呼圖壁河徑流變化特征與趨勢，對制定科學(xué)合理的呼圖壁地區(qū)水資源供需平衡發(fā)展戰(zhàn)略以實現(xiàn)該地區(qū)水資源可持續(xù)利用與發(fā)展具有重要意義。鑒于此，本文采用距平累積法、Mann—Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗法及Morlet連續(xù)復(fù)小波變換法等分析方法對呼圖壁河石門站1978—2011年日徑流、氣溫、降水資料進(jìn)行分析，得出呼圖壁河該時期的徑流變化特征及長期變化趨勢，以期對天山北麓河流的徑流研究提供參考。

1材料與研究方法

1.1　研究區(qū)概況

新疆呼圖壁河流域位于天山北坡中段、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，介于86°05′—87°06′E，43°07′—45°20′N。呼圖壁河發(fā)源于喀拉烏成山，自南向北流動,最終消失于沙漠中，全長258 m，流域面積10 254.68 km2[4-5]。呼圖壁河共有一級支流20多條，其中除10條支流有冰川和永久積雪分布外，其他支流都以冬、春季季節(jié)性積雪消融和夏季降水為主要補給來源。據(jù)統(tǒng)計,全流域有大小冰川239條，年消融量達(dá)5.24×107m3，冰川補給量占全年徑流量的11.5%[4]。

呼圖壁河流域?qū)儆诘湫偷拇箨懶詺夂?，氣候干燥，冬冷夏熱，日溫差大，光照充足，雨量稀少，蒸發(fā)量大，既有中溫帶大陸性干旱氣候特征，又有垂直氣候特征。呼圖壁河主河道在中山區(qū)形成后，經(jīng)中山區(qū)、戈壁平原區(qū)，在沖積扇緣、泉水溢出帶的芨芨壩處再分為2條河，即西河和東河，這2條河上分別建有大、小海子水庫。流域自上而下有石門水文站、青年渠首及芨芨壩分水閘站。其中石門站以上河道縱比降達(dá)23.16%，該站集水面積1 840 km2，平均高程2 984 m，年徑流量4.71×108m3，占全流域年徑流量的93.16%[5]。呼圖壁河流域水系及主要控制站分布見圖1。

圖1　呼圖壁河流域水系及高程分布

1.2　數(shù)據(jù)來源

本文選用呼圖壁河出山口水文站——石門水文站1978—2011年的實測日流量資料為數(shù)據(jù)來源，該資料來自新疆維吾爾自治區(qū)水文水資源局信息中心，對原始資料進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，可認(rèn)為是基本消除了人為因素對河流徑流量影響的實測資料。

1.3　研究方法

河流徑流特征變化包括徑流量變化、徑流分配特征變化和徑流演變特征與趨勢變化[6]。本文以上述數(shù)據(jù)為研究資料，采用變差系數(shù)Cv[7]分析呼圖壁河年徑流量變化特征，并采用距平累積方法劃分時段，運用Mann—Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗法分析徑流量年際變化趨勢，同時選用Morlet連續(xù)復(fù)小波變換來分析徑流時間序列的多時間尺度特征。

變差系數(shù)Cv是水文統(tǒng)計中的一個重要參數(shù),用來說明水文變量長期變化的穩(wěn)定程度。年徑流量的Cv值反映年徑流量總體系列的離散程度，Cv值大，年徑流的年際變化劇烈，易發(fā)生洪澇災(zāi)害，對于水資源的利用不利；Cv值小，年徑流量的年際變化小，有利于徑流資源的利用。其計算公式如下：

(1)

距平累積法[8]要求先計算每年的徑流量距平，然后按年序依次累加，得到距平累積序列，最后按時間序列繪制變化曲線?，F(xiàn)有理論[9]認(rèn)為，當(dāng)距平累積值持續(xù)增大(即曲線呈連續(xù)上升趨勢)時，表明該時段內(nèi)徑流量距平持續(xù)為正；當(dāng)距平累積值保持不變(曲線與橫坐標(biāo)基本平行)時，表明該時段內(nèi)徑流量距平持續(xù)為零即保持平均；當(dāng)距平累積值持續(xù)減小(曲線呈連續(xù)下降趨勢)時，表明該時段內(nèi)徑流量距平持續(xù)為負(fù)。

非參數(shù)Mann—Kendall趨勢檢驗法(簡稱M—K法)[10-12]是用來評估水文要素時間序列趨勢的常用檢驗方法之一。在時間序列隨機(jī)獨立的假定條件下，其檢驗統(tǒng)計量公式為：

(2)

式中：UF1=0，E(Sk)和var(Sk)分別為Sk的均值和方差； UFi——標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時間序列x1,x2,…,xn計算出的統(tǒng)計量序列，給定顯著性水平α，若|UFi|>α，則表明序列存在明顯的趨勢變化。用M-K檢驗進(jìn)行突變分析時，只需按時間序列x逆序xn,…,x2,x1，再重復(fù)上述過程，同時使UFk=-UBk(k=n,n-1,…,1) ，分析繪出的UFk，UBk曲線，當(dāng)它們超過臨界線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk，UBk兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點處于臨界線之間，那么交點對應(yīng)的值便是突變開始的時間。

小波分析[13]的基本思想是用一簇小波函數(shù)系來表示或逼近某一信號或函數(shù)。因此，小波函數(shù)是小波分析的關(guān)鍵，它是指具有震蕩性、能夠迅速衰減到零的一類函數(shù)，即小波函數(shù)ψ(t)∈L2(R)且滿足：

(3)

式中：ψ(t)——基小波函數(shù)，它可通過尺度的伸縮和時間軸上的平移構(gòu)成一簇函數(shù)系：

ψa,b(t)=|a|-1/2ψ(t-b/a)(a,b∈R,a≠0)

(4)

式中：ψa,b(t)——子小波；a——尺度因子，反映小波的周期長度；b——平移因子，反應(yīng)時間上的平移。

若ψa,b(t)是由式(4)給出的子小波，對于給定的能量有限信號f(t)∈L2(R)，其連續(xù)小波變換為：

(5)

(6)

設(shè)函數(shù)f(kΔt)，(t=1,2,…,N)，Δt——取樣間隔。將小波系數(shù)的平方值在b域上積分，就可得到小波方差，即

(7)

小波方差隨尺度a的變化過程，稱為小波方差圖。由式(7)可知，它能反映信號波動的能量隨尺度a的分布。因此，小波方差圖可用來確定信號中不同種尺度擾動的相對強度和存在的主要時間尺度，即主周期。

2結(jié)果與分析

2.1　徑流量變化特征

2.1.1年徑流變化特征通過計算得到石門站同時期Cv平均值為0.149，處于較低水平。由于中國內(nèi)陸河流域除山地外Cv值一般在0.2~0.3，由此表明呼圖壁河年徑流量的年際變化小。呼圖壁河Cv值偏小的原因是呼圖壁河是以高山冰雪融水和降水混合補給的河流，在氣溫較高降水偏少的年份，冰雪融水補給量增加，降水補給量減少；相反，在氣溫較低降水偏豐的年份，冰雪融水補給量減少，降水補給量增加。而呼圖壁河年徑流量的年際變化小，更有利于河流水資源的有效開發(fā)利用。

圖2　1978-2011年石門站年徑流量變化

圖2給出了1978—2011年34 a間呼圖壁河石門站天然徑流量變化過程。從圖中可看出呼圖壁河流域34 a間年徑流量變化的總體特征有不顯著的增加趨勢。分階段來看，1978—1997年20 a間徑流變化較平穩(wěn)，有微弱的增加趨勢；1998—2002年5 a間徑流增加趨勢最明顯；2003—2011年9 a間徑流經(jīng)過2003—2006年3 a的短暫減少后，從2008年開始又呈現(xiàn)出增加趨勢。其中徑流量最大值、最小值分別出現(xiàn)在1998和1986年，具體值為6.23×108和3.63×108m3。

2.1.2徑流變化的階段性呼圖壁河34 a(1978—2011年)序列天然徑流量距平累積年際變化過程如圖3所示。按徑流量年際變化過程，呼圖壁河1978—2011年天然徑流序列可分為如下幾個階段：2個顯著的枯水期即1978—1986，2002—2006年；1個顯著的平水期即1986—1995年；2個顯著的豐水期即1995—2002，2006—2011年。這5個時期平均徑流量分別為4.12×108，4.66×108，4.72×108，5.52×108和5.01×108m3，各時期平均徑流量較多年平均變率分別為-14.33%，-3.08%，-1.88%，14.68%和4.16%。從圖3中還可看出，呼圖壁河天然年徑流量年際間持續(xù)枯水與持續(xù)豐水的時間幾乎相同。

2.2　徑流年內(nèi)分配特征

從呼圖壁河年內(nèi)月徑流量的分布狀況圖中(圖4)可看出呼圖壁河徑流量的年內(nèi)分配很不均勻，主要徑流產(chǎn)生于5—9月，汛期為6—8月，占全年徑流量的69.4%，最枯季為12月至次年3月。同時呼圖壁河流域降水也主要集中在4—8月，降水極大值出現(xiàn)在7月，5—7月降水量占全年降水量的49.3%，最枯季為12月至次年2月。此外，流域年內(nèi)月均溫6，7，8月最高，12月至次年2月最低。由此可見，呼圖壁河流域月徑流量的年內(nèi)分布特征與降水量及氣溫的年內(nèi)分布類似，這是由于呼圖壁河的天然徑流主要來源于夏季降水和高山冰雪融水，其徑流的年內(nèi)變化主要受降水與氣溫的影響。

圖3　石門站年徑流量距平累積趨勢

圖4　石門站年內(nèi)月徑流量、月降水量、月均氣溫分布

2.3　徑流變化趨勢

運用M—K趨勢檢驗法對呼圖壁河1978—2011年年徑流變化趨勢和突變特征進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示：

從圖5中可以看出，34 a間呼圖壁河徑流量呈增加趨勢，增加幅度為3.26×107m3，這種變化趨勢在整個時間序列上存在階段性特征。20世紀(jì)70年代末至80年代中期呼圖壁河徑流變化趨勢在波動中保持平穩(wěn)，從80年代開始呈現(xiàn)明顯上升趨勢，20世紀(jì)90年代末這種上升趨勢超過0.001 顯著性水平(U0.001=2.56)的臨界值。從UF和UB曲線看年徑流量在1987年發(fā)生突變，表現(xiàn)出明顯增加態(tài)勢，隨后這種態(tài)勢逐漸變緩，1998—2004年增加趨勢更加明顯，2005年以后這種增加態(tài)勢又有所減弱。

2.4　徑流時間序列的多時間尺度特征

采用Morlet小波分析法對呼圖壁河年徑流進(jìn)行周期性檢驗，Morlet復(fù)數(shù)小波在時域和頻域都有較好局部性。圖6是將其與上述年徑流序列的距平過程代入到小波變換公式中，用不同的a，b來計算Wf(a,b)，最終得到的關(guān)于Wf(a,b)的二維等值線圖。

在小波變化域中以等值線的形式將反映年徑流波動的能量曲面投影到(a-b)平面上，波動曲面上的點值與等值線上的點值將一一對應(yīng)，可以用小波變換系數(shù)Wf(a,b)實部的值來反映其大小，波動曲面上凹凸頂點在(a-b)平面上的投影即為波動極值點[14]。圖6展示了在小波變化域中小波變換系數(shù)Wf(a,b)的實部圍繞基準(zhǔn)面上下波動的變化情形，也反映了在不同尺度下小波系數(shù)所表征的年徑流隨時間豐、枯交替的變化特性以及突變點的具體位置。

圖5　1978-2011年石門站年徑流量的M-K檢驗

圖6　石門站年徑流小波系數(shù)等值線

由圖6可以清楚的看到徑流演化過程中存在的多時間尺度特征?？偟膩碚f，在呼圖壁河徑流演變過程中存在著23~29，12~18以及4~6 a的3類尺度的周期變化規(guī)律。其中，在23~29 a尺度上出現(xiàn)了枯—豐交替的準(zhǔn)一次震蕩；在12~18 a時間尺度上存在準(zhǔn)4次震蕩。同時，還可以看出以上兩個尺度的周期變化在整個分析時段表現(xiàn)的非常穩(wěn)定，具有全域性；而4~6 a尺度的周期變化，在1980—1987和1998—2005年這兩個時期表現(xiàn)的較為穩(wěn)定。

將不同時間尺度下的小波系數(shù)代入式(7)可得徑流變化的小波方差，以小波方差為縱坐標(biāo)，時間尺度a為橫坐標(biāo)，繪制出石門站年徑流小波方差圖(圖7)。小波方差圖能反映徑流時間序列的波動能量隨尺度a的分布情況，用來確定徑流演化過程中存在的主周期[15]。

圖7中存在4個較為明顯的峰值，它們依次對應(yīng)著29，18，13和5 a的時間尺度。其中，最大峰值對應(yīng)著18 a的時間尺度，說明18 a左右的周期震蕩最強，為流域年徑流變化的第一主周期；29 a時間尺度對應(yīng)著第二峰值，為徑流變化的第二主周期，第三、第三峰值分別對應(yīng)著13和5 a的時間尺度，它們依次為流域徑流的第三和第四主周期。這說明上述4個周期的波動控制著流域徑流在整個時間域內(nèi)的變化特征。

圖7　石門站年徑流小波方差

為了詳細(xì)說明石門站年徑流豐、枯交替變化的波動特性，通過在圖6上固定尺度a(a=13,a=18,a=29)的值，作小波變換系數(shù)Wf(a,b)的實部隨時移b變化的過程線[16]，如圖8(a—c)所示。圖8b與圖8c可被分別稱為第一、第二主周期趨勢圖。圖8b顯示，在18 a特征時間尺度上，流域徑流變化的平均周期為12 a左右，大約經(jīng)歷了3個豐—枯轉(zhuǎn)換期；而在29 a特征時間尺度上如圖8c所示，流域的平均變化周期為17 a左右，大約2個周期的豐—枯變化

3結(jié)論與討論

1978—2011年，呼圖壁河年徑流量整體呈現(xiàn)出不顯著的增加趨勢，在1987年發(fā)生突變，表現(xiàn)出增加態(tài)勢，隨后這種態(tài)勢逐漸顯著起來。同時其年際變化較小，年際變化過程可分為2個顯著的枯水期、1個顯著的平水期和2個顯著的豐水期。呼圖壁河徑流的年內(nèi)變化主要受降水與氣溫的影響，年內(nèi)分配很不均勻，集中于5—9月，汛期為6—8月，枯水期為12月至次年3月，該特點與降水量及氣溫的年內(nèi)分布類似。呼圖壁河年徑流還表現(xiàn)出較為顯著的周期性，且第Ⅰ、第Ⅱ主周期為18，29 a，但受氣候變化與人類活動的影響，存在一定的不確定性。

河流徑流變化趨勢通常都與降水、洪水或者其他氣候因子相結(jié)合進(jìn)行分析，文中僅從水文學(xué)角度對呼圖壁河徑流變化趨勢進(jìn)行系列分析，其中關(guān)于年徑流量Cv平均值、豐枯水期的劃分、年徑流量的增加趨勢與耿峻嶺[4]、白東明[5]、普宗朝[17]等的研究結(jié)果一致。而文中對于呼圖壁河徑流量變化周期的研究采用在研究水文水資源時間序列變化特征上得到廣泛應(yīng)用的小波分析法，較為詳盡地分析并初步確定了第一、第二主周期及主周期尺度上的豐枯轉(zhuǎn)換周期。但由于其他研究者對于該河徑流量變化周期的研究很少，因此文中的研究結(jié)果還有待進(jìn)一步驗證。另外，文中研究采用的數(shù)據(jù)資料雖然從1978年至2011年跨越了34 a的時間序列，但為了提高研究結(jié)論的可靠性，必須進(jìn)一步獲取更長時間序列和更多站點的徑流資料。

圖8　不同時間尺度下石門站年徑流小波系數(shù)實部時移變換過程線

河流徑流變化趨勢除受氣候變化影響較大外，還受到人類活動的影響。隨著全球變暖，人類活動影響更加的廣泛與深入，如大力興修水庫、水電站，對于河流天然徑流變化趨勢及周期性分析的不確定性增大，因此，在未來的研究中要充分考慮人類活動的影響，明確其程度，合理對河流水資源進(jìn)行配置和保護(hù)。

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Runoff Variation Trend of Hutubi River During 1978-2011

WANG Lan1,2, LIU Zhihui1,2,3,4, YAO Junqiang1,2, ZHANG Wenna1,2, WANG Yuan1,2

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China; 2.KeyLaboratoryofOasisEcologyMinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China; 3.InstituteofAridEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China; 4.InternationalCenterforDesertAffairsResearchonSustainableDevelopmentinAridandSemi-aridLands,Urumqi,Xinjiang830046,China)

Abstract：[Objective] The variation characteristics and long-term trends of Hutubi river were analyzed for providing theoretical support for the development, which is the strategy of supply and demand balance of water resources in Hutubi area of Xinjiang Wei Autonomous Region. [Methods] The measured data of daily runoff from Shimen hydrological station of Hutubi river during 1978—2011 were analyzed by using the methods of coefficient of variation, anomalies accumulation, Man—Kendall nonparametric rank correlation test and continuous complex Morlet wavelet transform. [Results] Changes in the Hutubi river runoff during the year was mainly affected by precipitation and temperature. Its main runoff derived from May to September, and its flood season from June to August accounted for 69.4% of the annual runoff, the low flow season was from December to March of the next year. Hutubi river average coefficient of variation was 0.149 during the 34 years.The annual runoff overall showed slight increasing trend. The annual runoff variation of Hutubi river was small, its continuous low water was almost identical with the duration of the wet among years. Besides, there were four more significant cycle fluctuations of the runoff. The 18-year was the first main cycle of runoff change, and the 29-year was the second.[Conclusion] In recent 34 years, the runoff was increased in Hutubi river. At the same time, the interannual variation of runoff showed obvious periodicity. In addition, the runoff annual distribution was serious uneven.

Keywords:Hutubi river; measured daily runoff data; runoff variation; trend analysis; continuous complex Morlet wavelet transform

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0062-06

中圖分類號：TV121

通信作者：劉志輝(1957—),男(漢族),新疆石河子市人,博士，教授，主要從事水文水資源、資源環(huán)境與空間決策支持、GIS等研究。E-mail:lzh@xju.edu.cn。

收稿日期：2014-04-18修回日期：2014-05-18

資助項目：水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目“內(nèi)陸干旱區(qū)實施最嚴(yán)格水資源管理關(guān)鍵技術(shù)”(201301103); 國家自然科學(xué)基金面上項目“天山北坡典型流域積雪—凍土水熱耦合中融水產(chǎn)匯流機(jī)制研究”(41171023)

第一作者：王嵐(1989—),女(漢族),陜西省寶雞市人,碩士研究生,研究方向為水文水資源。E-mail:chulan123456@126.com。