付樹卿
(石河子水文勘測局,新疆 石河子 832000)
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近50年瑪納斯河徑流時序變化特征
付樹卿
(石河子水文勘測局,新疆 石河子 832000)
[摘要]瑪納斯河徑流是供給瑪納斯河流域綠洲的重要水資源。本文依據(jù)瑪納斯河上游肯斯瓦特水文站1959~2010年實測徑流資料,采用趨勢線、Morlet小波分析以及Mann-Kendall突變檢驗法分析了近50年瑪納斯河徑流年內(nèi)、年際多時間尺度下的變化特征及其未來的變化趨勢。結(jié)果表明:(1)瑪納斯河徑流年內(nèi)分配極不均勻,主要集中在6~8月份,占多年平均徑流量的70%左右,四季中夏季徑流量最大,冬季徑流最??;(2)徑流年際變化大,具有明顯的周期性與階段性,經(jīng)歷了幾個顯著的豐枯時期,并存在32年、10年左右的主周期;(3)近50年瑪納斯河徑流總體呈增加趨勢,從1995年開始發(fā)生突變,在2000年達(dá)到顯著水平,即瑪納斯河進(jìn)入豐水期,徑流的變化對流域洪水出現(xiàn)的頻次有一定影響。
[關(guān)鍵詞]瑪納斯河流域;徑流;突變檢驗;小波分析
近年來在全球氣候變暖和人類活動加劇的雙重影響下,造成河川徑流大幅度減少,流域水循環(huán)更為復(fù)雜,導(dǎo)致植被面積減少、土地荒漠化、地下水位下降及河道斷流等一系列生態(tài)環(huán)境問題,這些問題嚴(yán)重影響到人類的正常生活,越來越受到國際社會的關(guān)注。瑪納斯河是該地區(qū)綠洲生存的命脈,屬于冰川融雪及降水混合補給型河流,流域上游山區(qū)形成的徑流和大氣降水是供給中下游平原地區(qū)的主要水資源,維持著流域經(jīng)濟社會系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的發(fā)展[1]。
目前人們對瑪納斯河流域平原區(qū)景觀植被面積的動態(tài)變化、氣候變化對水文循環(huán)的影響等方面己經(jīng)做了大量研究,取得了階段性成果,但是流域徑流變化過程及其與水文極端事件洪水發(fā)生頻次之間的定量關(guān)系研究較少[2];因此,本文研究瑪納斯河徑流年內(nèi)、年際動態(tài)變化規(guī)律有助于深入了解區(qū)域水資源的變化特點及趨勢,為流域水資源的合理開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護提供合理的科學(xué)依據(jù),具有重要的實踐指導(dǎo)意義。
1資料和方法
1.1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源
瑪納斯河流域源于新疆天山北麓,準(zhǔn)葛爾盆地南緣,地理位置為:東經(jīng)85°01′~86°32′,北緯43°27′~45°21′,其南部是著名的天山山地,北接古爾班通古特大沙漠,地形南高北低,平均高程3 022 m,流域總面積19 800 km2,冰川面積608.25 km2。流域內(nèi)共有大小5條內(nèi)陸河流,從東至西依次為:塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河、巴音溝河[3],瑪納斯河由西南向東北流,經(jīng)煤窯水文站,向東接納清水河子后轉(zhuǎn)向北流,經(jīng)肯斯瓦特水文站后又轉(zhuǎn)向東北,最后流經(jīng)紅山嘴水文站進(jìn)入瑪納斯河灌區(qū),是準(zhǔn)噶爾盆地南緣最大的一條冰川融雪及降水混合補給型河流,全長約27 km?,敿{斯河流域上流山區(qū)形成的徑流是供給中下流地區(qū)的重要水資源,維持著流域經(jīng)濟社會系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。
肯斯瓦特水文站是瑪納斯河流域水文觀測的代表站,始設(shè)于1955年5月,地理位置位于北緯43°58′,東經(jīng)85°57′,集水而積4 637 km2[3]。故本文采用該站點1959~2010年近50年的徑流資料。
1.2研究分析方法
1.2.1Mann-Kendall突變檢驗
本次徑流趨勢突變性檢驗采用Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗法,此方法優(yōu)點在于檢測范圍寬,也不受少數(shù)異常值的干擾,并且計算方便,近20年國際上關(guān)于Mann-Kendall方法應(yīng)用研究的實例非常之多,己經(jīng)廣泛用于檢驗分析水文氣象資料的趨勢變化,其統(tǒng)計量為:
(1)
式中:秩序列Sk是i時刻大于j時刻個數(shù)的累積值,E(Sk),Var(Sk)是累積數(shù)Sk的均值和方差,所有UFk組成一條曲線UF;將同樣的方法用到反序列中,得到另一條曲線UB。通過分析統(tǒng)計序列UFk和進(jìn)一步分析序列x的趨勢變化,可以明確突變的時間,指出突變的區(qū)域[4]。
1.2.2Morlet復(fù)值小波分析
近年來小波分析方法被廣泛應(yīng)用到各種研究分析領(lǐng)域,其具有良好的時、頻局部化特性,可以給出數(shù)據(jù)序列隨時間推移的變動狀況,可以分析同一頻率的周期突變現(xiàn)象。通過Morlet復(fù)值小波對該站徑流系列進(jìn)行連續(xù)小波變換,可得到小波變換系數(shù)的實部、虛部等信息,通過分析這些信息,揭示瑪納斯河徑流變化的多時間尺度結(jié)構(gòu)[5]。小波函數(shù)為一組震蕩變換的伸縮平移基ψaτ,將小波母函數(shù)ψ(t)行伸縮平移,就可以得到一組函數(shù)序列ψ(t),其表達(dá)式為:
(2)
式(2)中:a,τ∈R,a>0,a為伸縮因子,τ為平移因子,ψ(t)為子小波。
Morlet小波函數(shù)為復(fù)數(shù)小波,其表達(dá)式為:
(3)
式(3)中:c為常數(shù),i表示虛部。
2結(jié)果與分析
2.1徑流時間演變特征
2.1.1徑流年內(nèi)變化特征
由瑪納斯河流域徑流、降水年內(nèi)分配曲線(圖1)可知,瑪納斯河1~7月徑流流量逐漸增加,8~12月徑流流量逐漸減少,同時該流域徑流的年內(nèi)分配極不均勻,徑流主要集中在6~8月份,占多年平均徑流量的70%左右,與降水量主要集中在4~8月份相近;由此可見,降水量多,氣溫高冰川融雪多,徑流量就偏大,說明降水和冰川融雪是瑪納斯河徑流的主要補給來源;對比徑流量與降水量可以看出,雖然5月份降水量比較多,占到了全年降水量的12.9%,但是由于冰川融雪少,導(dǎo)致徑流量偏小,7~8月有明顯的冰川融雪補給,降水對徑流補給貢獻(xiàn)下降;季節(jié)分配上,夏季降水與冰川融雪多,徑流量最豐,冬季由于氣溫低導(dǎo)致河流封冰,加之冰川融雪少,所以徑流最枯,說明瑪納斯河流域徑流的年內(nèi)分配很大程度上取決于其補給來源。
圖1 瑪納斯河流域徑流、降水年內(nèi)分配曲線
2.1.2徑流年際變化特征
由瑪納斯河年際徑流變化曲線(圖2)可知,該河流1959~2010年平均徑流量為12.59億 m3,最大值出現(xiàn)在1999年,達(dá)到20.19億 m3,最小值出現(xiàn)在1992年,為9.357億 m3。70年代徑流量比60年代減少9.3%,80年代比70年代平均增加2.72%,90年代比80年代增加14.98%,2000~2008年平均比90年代又增加5.04%。其趨勢方程為,變化傾向率為0.609億 m3/10a,說明近50年瑪納斯河年平均徑流量總體呈增加趨勢。
圖2 瑪納斯河流域年際徑流變化曲線
評價徑流年際變化的特征通常采用年徑流不均勻系數(shù)和年際極值比來表示。是評價徑流量年際變化的重要指標(biāo),其值大小直接說明了徑流年際變化的起伏程度,值越大表示年際徑流量變化劇烈,對水資源利用和抗旱防汛工作不利,反之則表示徑流的年際變化平緩;年際極值比反映了年內(nèi)徑流量最大值與最小值比的倍數(shù)關(guān)系,顯示徑流量的不均勻程度,越大表明徑流量年際變化越不均勻[6]。年徑流不均勻系數(shù)公式如下:
(4)
式中:n為觀測年數(shù);Ki為第i年的年徑流變率。
表1 瑪納斯河流域徑流變化特征值
由計算結(jié)果表1可以看出,瑪納斯河流域徑流的年際不均勻系數(shù)和極值比都比較小,說明近50年瑪納斯河年際徑流變化起伏程度比較均勻平緩,對水資源利用和抗旱防汛工作有利。
2.2徑流突變特征分析
由瑪納斯河流域年際徑流量Mann-Kendall突變檢驗曲線(圖3)可知,瑪納斯河年徑流量從20世紀(jì)90年代開始逐漸增加,在1995年發(fā)生突變,即從1995年瑪納斯河開始趨于豐水趨勢,但是沒有達(dá)到顯著水平,在2000年值大于,即超過臨界值線,說明瑪納斯河年徑流量從2000年開始顯著上升,即瑪納斯河進(jìn)入豐水期。
2.3徑流變化對洪水頻次的影響
統(tǒng)計流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水(超標(biāo)準(zhǔn)洪水是指超過年最大洪峰流量多年平均值的洪水)出現(xiàn)的頻次可以反映出洪水發(fā)生的頻繁程度并進(jìn)行年際間的比較分析[7],統(tǒng)計結(jié)果見圖4,從圖中可知肯斯瓦特站1959~2010年中共發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水17次,在徑流1995年發(fā)生由枯到豐的突變后,超標(biāo)準(zhǔn)洪水共發(fā)生10次,占全部超標(biāo)準(zhǔn)洪水出現(xiàn)次數(shù)的58.8%,1995年后超標(biāo)準(zhǔn)洪水出現(xiàn)的次數(shù)明顯增多,尤其是1996~2002年連續(xù)7年出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水,其中肯斯瓦特站1999年發(fā)生了1 100 m3/s的特大洪水,說明瑪納斯河徑流發(fā)生由枯到豐的變化后大洪水出現(xiàn)的頻次和強度都在明顯增加。
圖3 瑪納斯河流域年際徑流量
注:|UF|=1.96為0.05信度臨界值
圖4 瑪納斯河不同年代超標(biāo)準(zhǔn)洪水出現(xiàn)的頻次
圖5 瑪納斯河年際徑流量小波變換
2.3徑流周期性分析
從瑪納斯河1959~2010年平均徑流的Morlet小波函數(shù)變換結(jié)果(圖5)可以分析得出,小波變換圖中上部等值線相對稀疏,對應(yīng)較長時間尺度周期的振蕩,而下部等值線相對密集,對應(yīng)較短時間尺度周期的振蕩;圖中信號的強弱通過小波系數(shù)的正負(fù)來表示,以0等值線為界,正數(shù)值越大代表徑流量偏多為豐水期,負(fù)數(shù)值越大代表徑流量偏少為枯水期。在35~45年的時間尺度上徑流經(jīng)歷了“豐—枯—豐”三個階段的交替變化,同時可以看出,在1959~2010年整個時間段內(nèi),瑪納斯河流域年徑流量主要存在10年和32年左右的顯著周期性變化。
3結(jié)語
(1)瑪納斯河徑流年內(nèi)分配極不均勻,主要集中在6~8月份,2月份處于最低值,6月份急劇增加,7月份達(dá)到最大值,8月份有所減少,直到12月份再次出現(xiàn)極小值;按季節(jié)分析夏季徑流量最豐,冬季徑流最枯,降水和冰川融雪是瑪納斯河徑流的主要補給來源,徑流在年內(nèi)分配很大程度上取決于其補給來源的變化情況;
(2)近50年瑪納斯河年均徑流量為12.59億 m3(1959~2010年),其變化傾向率為0.609億 m3/10a,總體呈增加趨勢,特別是20世紀(jì)90年代中后期徑流量顯著增加,期間徑流演變過程具有明顯的突變特征,突變發(fā)生在1995年,即瑪納斯河從1995年開始進(jìn)入豐水期;徑流的變化對流域洪水出現(xiàn)的頻次有一定影響,隨著徑流發(fā)生由枯到豐的變化后流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水出現(xiàn)的頻次和強度都在明顯增加;
(3)運用Morlet小波分析發(fā)現(xiàn)瑪納斯河流域年徑流變化具有明顯的階段性與周期性。年均徑流序列經(jīng)歷了幾個顯著的豐枯變化,并且呈現(xiàn)出32年,10年左右的顯著周期性變化,以32年為主周期推算瑪河徑流變化,可知目前瑪納斯河流域正處于大時間尺度上的豐水期,估計持續(xù)到2018年左右。
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[中圖分類號]TV121+.2
[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B
[文章編號]1004-1184(2016)02-0151-03
[作者簡介]付樹卿(1972-),女,甘肅甘谷人,工程師,主要從事水文水資源勘測工作。
[收稿日期]2016-03-26