努爾買買提·居買

(塔里木河流域干流管理局中游管理處, 新疆 喀什 841000)

和田河源流地表徑流特征分析

努爾買買提·居買

(塔里木河流域干流管理局中游管理處, 新疆 喀什 841000)

本文收集了和田河源流玉龍喀什河同古孜洛克水文站和喀拉喀什河烏魯瓦提水文站歷年徑流資料，借助非參數(shù)Mann-Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)、小波分析等方法，探究了和田河源流出山口地表徑流特征。

和田河; 趨勢(shì); 突變; 周期性; 集中性

干旱區(qū)內(nèi)陸河地表徑流主要形成于山區(qū)冰雪消融，其產(chǎn)流過程與降水、溫度、蒸發(fā)等氣候因素密切相關(guān)，表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性特征，隱含著趨勢(shì)性、周期性、突變等特征[1]。和田河發(fā)源于塔克拉瑪干沙漠南部的喀喇昆侖山和昆侖山山脈，是塔里木河三大源流之一，其徑流變化過程在干旱區(qū)內(nèi)陸河流域中具有典型性。在全球氣候變暖大背景下，本文以和田河為研究對(duì)象，分別收集了和田河兩條源流玉龍喀什河同古孜洛克水文站和喀拉喀什河烏魯瓦提水文站歷年徑流資料，利用非參數(shù)檢驗(yàn)、小波變換等方法分析其地表徑流量的趨勢(shì)性、突變性、周期性、集中性等，探索和田河徑流變化的內(nèi)在規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)流域水資源分配和維護(hù)塔里木河生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

和田河流域位于塔里木盆地西南部，流域上游為崇山峻嶺，終年積雪，下游為廣闊的戈壁沙漠，流域絕大部分呈荒漠景觀。和田河是目前唯一穿越塔克拉瑪干沙漠的河流，是南北貫通的綠色走廊，也是目前塔里木盆地綠色走廊中保存最好的一條自然生態(tài)體系。和田河源流有兩支：東支為玉龍喀什河，發(fā)源于昆侖山；西支為喀拉喀什河，發(fā)源于喀喇昆侖山。流域總面積48870km2，喀拉喀什河全長808km，玉龍喀什河全長513km。和田河多年平均出山口徑流量為43.67億m3。其中，玉龍喀什河同古孜洛克水文站多年平均徑流量為22.19億m3，喀拉喀什河烏魯瓦提水文站多年平均徑流量為21.48億m3。和田河流域水系分布下頁見圖1。

圖1 和田河流域水系分布示意圖

2 資料來源及分析方法

2.1 資料來源

收集了和田河源流出山口水文站同古孜洛克(1962—2008年)和烏魯瓦提(1957—2008年)水文站徑流量資料，資料由塔里木河流域管理局提供。

2.2 分析方法

2.2.1 非參數(shù)檢驗(yàn)

采用非參數(shù)Mann-Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)和Mann-Whitney階段轉(zhuǎn)換檢驗(yàn)，分析徑流資料時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)及突變顯著程度。以上兩種非參數(shù)檢驗(yàn)方法無須事先假定樣本的統(tǒng)計(jì)分布，也不受少數(shù)異常值干擾。其原假設(shè)H0為樣本時(shí)間序列變化趨勢(shì)(突變)不顯著，備擇假設(shè)H1待測(cè)時(shí)間序列變化趨勢(shì)(突變)顯著[2]。

2.2.2 小波分析

利用小波分析探討徑流量時(shí)間序列上的周期性變化特征[3]。小波函數(shù)為一組震蕩變換的伸縮平移基。將小波母函數(shù)ψ(t)進(jìn)行伸縮平移，就可以得到一組函數(shù)序列ψ(t)：

(1)

式中a——伸縮因子;

τ——平移因子;

ψ(t)——子小波。

Morlet小波函數(shù)為復(fù)數(shù)小波，其表達(dá)式為

ψ(t)=eictet2/2

(2)

式中c——常數(shù)；

i——虛部。

小波變換是把基本小波的函數(shù)做位移后，再在不同的尺度域下對(duì)待分析信號(hào)做內(nèi)積。將函數(shù)f(t)∈L(R)在小波基下展開，得到f(t)的連續(xù)小波變換表達(dá)：

(3)

2.2.3 集中度指數(shù)

集中度指數(shù)用來表達(dá)徑流量集中程度以及集中的重心所在的月份。將月徑流看作向量，一年365天大體看作一個(gè)圓周(360°)，每天近似于0.986°為向量的方位角，表示向量的方向，徑流量大小為向量的長度，以1月份徑流向量的位置為0°，并按30°等差角遞增[4]。其計(jì)算公式為

(4)

(5)

則集中度為

(6)

式中R(i)——年內(nèi)各月平均徑流量；

θ——月份所代表的角度。

3 和田河流域地表徑流特征分析

3.1 和田河地表徑流趨勢(shì)分析

采用非參數(shù)Mann-Kendall單調(diào)趨勢(shì)性檢驗(yàn)，分析和田河兩條源流年徑流量變化趨勢(shì)(見表1)。

表1 和田河徑流的非參數(shù)Mann-Kendal單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)

注 統(tǒng)計(jì)變量Z0>0，表示增加趨勢(shì)；Z0<0，表示減小趨勢(shì)，Z0的絕對(duì)值Z0.05>1.96表明增加或減少趨勢(shì)顯著。A表示在α=0.05顯著水平下接受原假設(shè)H0。

從表1可知，同古孜洛克水文站檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z0=-0.21，表明玉龍喀什河年徑流量呈輕微下降趨勢(shì)；Z0的絕對(duì)值小于Z0.05=1.96，表明下降趨勢(shì)不顯著；從擬合方程看，下降速率為-0.020億m3/年。烏魯瓦提水文站檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z0=0.30，表明喀拉喀什河年徑流量呈輕微上升趨勢(shì)；Z0的絕對(duì)值小于Z0.05=1.96，說明上升趨勢(shì)也不顯著；從方程看，上升速率為0.012億m3/年。和田河兩條源流在時(shí)間尺度上徑流變化趨勢(shì)存在差異，但總體變化趨勢(shì)較穩(wěn)定，未出現(xiàn)顯著的增加或減小。

3.2 和田河地表徑流突變分析

和田河同古孜洛克和烏魯瓦提水文站歷年徑流變化過程見圖2。

圖2 和田河流徑流量突變變化

從圖2可以看出，同古孜洛克和烏魯瓦提水文站年際間徑流量變化幅度較大。但兩站分別在1978年和1993年存在減小和增加的轉(zhuǎn)變。這種變化是否顯著，可借助非參數(shù)Mann-Whitney階段性變換進(jìn)行檢驗(yàn)(見表2)。

由表2可知，同古孜洛克和烏魯瓦提水文站徑流突變檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z0分別為0.963和0.949，均小于Z0.05=

表2 和田河徑流量的Mann-Whitney突變檢驗(yàn)

注A表示接受原假設(shè)H0；顯著水平α=0.05。

1.96，表明同古孜洛克和烏魯瓦提水文站分別在1978年和1993年的徑流突變均不顯著。對(duì)突變點(diǎn)前后兩時(shí)段年徑流序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表3)。

表3 和田河徑流量分段時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)

由表3可知，和田河同古孜洛克和烏魯瓦提水文站在1978年和1993年徑流量分別呈-1.601億m3和1.203億m3的變化幅度。

3.3 和田河徑流量周期性分析

小波分析是一種信號(hào)的時(shí)間尺度分析方法，具有多分辨率的特點(diǎn)，可以看到每一時(shí)刻在各周期中所處的位置，能夠較好地分析數(shù)據(jù)序列隨時(shí)間的變化情況，借助小波變換的時(shí)頻局部化優(yōu)勢(shì)可以準(zhǔn)確地找到時(shí)間序列的大小時(shí)間尺度周期，從而作為水文系統(tǒng)分析預(yù)測(cè)的重要依據(jù)。利用小波分析方法對(duì)同古孜洛克和烏魯瓦提水文站徑流周期性進(jìn)行分析(見圖3)。

圖3 和田河徑流量小波變化曲線(圖中虛線為95%置信水平)

圖3給出了同古孜洛克和烏魯瓦提水文站年徑流序列的小波方差(圖3左)和主周期尺度小波系數(shù)(圖3右)曲線。小波方差的大小可以指示出徑流序列的周期尺度，小波方差出現(xiàn)極值的時(shí)間尺度即為徑流變化的周期，小波方差的極值越大，周期性越明顯。從圖3左可知，同古孜洛克水文站和烏魯瓦提水文站徑流在95%置信水平下分別存在6年和8年的顯著周期。小波系數(shù)曲線可以準(zhǔn)確地反映徑流序列在某一周期尺度上的變化，從小波系數(shù)值的正負(fù)可以看出該年徑流量的多少，小波系數(shù)值為正表明徑流處于豐水期，小波系數(shù)為負(fù)表明徑流處于枯水期。從圖3右可知，同古孜洛克水文站和烏魯瓦提水文站總體分別在6年和8年的周期下呈“豐—枯”波動(dòng)變化。

借助小波方差對(duì)同古孜洛克水文站和烏魯瓦提水文站徑流顯著周期下的顯著時(shí)段進(jìn)行分析(見圖4)。

圖4 和田河徑流顯著周期下的顯著時(shí)段(圖中直線為95%置信水平)

圖4中小波方差大于95%置信水平線時(shí)，即為顯著時(shí)段。從圖4可以看出，同古孜洛克水文站在1966—1984年、1990—1997年和2002—2007年三個(gè)時(shí)段的周期性表現(xiàn)顯著；烏魯瓦提水文站在1960—1968年和1973—1984年兩個(gè)時(shí)段周期性表現(xiàn)顯著。

3.4 和田河徑流量年內(nèi)各月徑流過程分析

和田河同古孜洛克水文站和烏魯瓦提水文站多年平均年內(nèi)徑流分配過程見圖5。

圖5 和田河多年平均年內(nèi)月徑流過程

從圖5可以看出，和田河年內(nèi)1—8月徑流量呈遞增趨勢(shì)，8月達(dá)到峰值，9—12月徑流量呈遞減趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，同古孜洛克水文站和烏魯瓦提水文站汛期6月、7月、8月徑流量分別占年總徑流量的79.3%和70.4%，說明和田河年內(nèi)徑流過程具有明顯的季節(jié)性特征。

借助非參數(shù)Mann-Kendall 單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)對(duì)同古孜洛克水文站和烏魯瓦提水文站各月份歷年的徑流變化趨勢(shì)進(jìn)行分析(見表4)。

表4 和田河逐月徑流量的Mann-Kendall單調(diào)趨勢(shì)

注 統(tǒng)計(jì)變量Z0>0，為增加趨勢(shì)；Z0<0，為減小趨勢(shì)，Z0的絕對(duì)值Z0.05>1.96表明增加或減少趨勢(shì)顯著；Z0的絕對(duì)值Z0.05>2.58表明增加或減少趨勢(shì)極顯著。R表示拒絕原假設(shè)H0，A表示接受原假設(shè)H0。

從表4可以看出，同古孜洛克水文站除8月徑流呈減小趨勢(shì)外，其余月份徑流量均呈增加趨勢(shì)，其中4—9月的徑流量變化趨勢(shì)不顯著。烏魯瓦提水文站除7月和8月徑流量呈減小趨勢(shì)外，其余月份徑流量均呈增加趨勢(shì)，其中6月、7月和9月徑流變化趨勢(shì)不顯著。烏魯瓦提水文站7月和8月徑流量呈下降趨勢(shì)，尤其8月徑流量呈顯著下降趨勢(shì)，可能與烏魯瓦提水庫建成后削減汛期洪峰有關(guān)。總體來看，和田河兩條源流年內(nèi)多數(shù)月份徑流量表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，這在非汛期表現(xiàn)得更為突出；汛期個(gè)別月份徑流量表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。

3.5 源流年徑流量的集中性分析

集中度指數(shù)可以較好地反映河川徑流的年內(nèi)分布特征。利用該指數(shù)結(jié)合非參數(shù)Mann-Kendall 單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)，分析同古孜洛克水文站和烏魯瓦提水文站的集中度指數(shù)變化趨勢(shì)(見表5)。

表5 和田河徑流量集中度指數(shù)的Mann-Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)

注 統(tǒng)計(jì)變量Z0>0，為增加趨勢(shì)；Z0<0，為減小趨勢(shì)，Z0的絕對(duì)值Z0.05>1.96表明增加或減少趨勢(shì)顯著；Z0的絕對(duì)值Z0.05>2.58表明增加或減少趨勢(shì)極顯著。R表示拒絕原假設(shè)H0。

由表5可知，同古孜洛克水文站和烏魯瓦提水文站年徑流量集中性指數(shù)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z0分別為-2.02和-4.24，說明兩水文站徑流量集中性均呈下降趨勢(shì)，其中同古孜洛克水文站集中性下降趨勢(shì)達(dá)顯著水平(1.962.56)。這表明和田河兩條源流年內(nèi)徑流量趨于均勻化，比較而言，烏魯瓦提水文站均勻化程度更為顯著，進(jìn)一步說明了源流山區(qū)水庫對(duì)徑流的調(diào)節(jié)作用。

4 結(jié) 論

a.玉龍喀什河年徑流量呈微遞減趨勢(shì)，年遞減率為0.020億m3；喀拉喀什河年徑流量呈微遞增趨勢(shì)，年遞增率為0.012億m3。

b.玉龍喀什河年徑流量在1978年呈不顯著的減少突變，突變量為-1.601億m3；喀拉喀什河年徑流量在1993年呈不顯著的增多突變，突變量為1.203億m3。

c.玉龍喀什河和喀拉喀什河年徑流量分別存在6年和8年的豐枯變化周期。

d.玉龍喀什河年內(nèi)8月徑流量呈減小趨勢(shì)，其余月份呈增加趨勢(shì)；喀拉喀什河7月和8月徑流量呈減小趨勢(shì)，其余月份呈增加趨勢(shì)。

e.玉龍喀什河和喀拉喀什河年內(nèi)月徑流過程均趨于均勻化，喀拉喀什河均勻化程度更為顯著。

[1] 劉新華，徐海量，凌紅波,等.阿克蘇河源流區(qū)徑流量與降水量豐枯變化和相關(guān)性研究[J]．冰川凍土，2013，35(3):741-750.

[2] 丁貞玉，馬金珠．石羊河流域出山口徑流特征及其與山區(qū)氣候變化相關(guān)關(guān)系分析[J]．資源科學(xué)，2007，29(3):53-58.

[3] 李彥彬，尤鳳，徐建新,等.黃河徑流變化規(guī)律的小波分析[J].水利水電技術(shù)，2012(1):17-21.

[4] 凌紅波，徐海量，張青青,等.葉爾羌河年徑流量與降水量的集中性及相關(guān)性分析[J].中國沙漠，2012，32(6):1757-1764.

Analysis on direct surface runoff features of Hetian River source

Nuermaimaiti Jumai

(TarimRiverBasinTrunkAdministrationMiddleReachesManagementOffice,Kashgar841000,China)

In the paper, annual runoff data of Hetian River source Yurunkax River Tonggumeiluoke Hydrological Station and Karakax River Wuluwati Hydrological Station is collected, nonparametric Mann-Kendall monotonic trend test, wavelet analysis and other methods are adopted for exploring ground surface runoff characteristics of Hetian River source flowing out of the mountain.

Hetian River; trend; mutation; periodically; concentration

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2015.03.007

TV213.2

B

1005-4774(2015)03-0029-05