劉 藝, 雷曉云, 馬紅剛, 邢 坤, 呂姣姣

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院, 烏魯木齊 830052; 2.石河子巴音溝河流域管理處, 新疆 石河子 832000)

?

巴音溝河近60年出山口年徑流量演變規(guī)律

劉 藝1, 雷曉云1, 馬紅剛2, 邢 坤1, 呂姣姣1

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院, 烏魯木齊 830052; 2.石河子巴音溝河流域管理處, 新疆 石河子 832000)

對(duì)徑流演變規(guī)律的研究是水資源合理利用、水利規(guī)劃的前提。以新疆典型山溪河流巴音溝河黑山頭水文站1956—2014年的年徑流序列為基礎(chǔ)，采用累積距平法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法、小波分析方法，對(duì)巴音溝河流域年徑流量的變化趨勢(shì)、突變特征、周期演變規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：(1) 近60年來(lái)巴音溝河流域年徑流量有緩慢上升趨勢(shì)，并且呈現(xiàn)出一定的階段性。(2) 近60年來(lái)巴音溝河流域年徑流量變化在1958—1960年和2003年兩個(gè)時(shí)間段發(fā)生突變。1958—1960年是徑流由多變少的突變時(shí)段，2003年是徑流由少變多的突變時(shí)段。(3) 巴音溝河流域年徑流量主要存在7年，11年，30年的主周期，且30年時(shí)間尺度周期最明顯，是河流的第一主周期。

徑流; 累積距平; Mann-Kendall; 小波分析; 巴音溝河

徑流是流域水量平衡方程中的重要組成部分，研究徑流的變化規(guī)律對(duì)于了解該流域地表水資源的變化趨勢(shì)及水資源合理開(kāi)發(fā)利用具有重要現(xiàn)實(shí)意義。新疆巴音溝河是干旱區(qū)典型的中小型山溪性河流，多年平均徑流量3.07億m3，其是兵團(tuán)第八師巴音溝河灌區(qū)的主要水源，同時(shí)承擔(dān)著沙灣縣及獨(dú)山子部分工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活供水任務(wù)，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)起著至關(guān)重要的作用[1]。然而，目前國(guó)內(nèi)對(duì)巴音溝河出山口徑流量的時(shí)序變化規(guī)律研究成果少有報(bào)道，在新疆執(zhí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的背景下，我們對(duì)巴音溝河流域年徑流量的變化趨勢(shì)、突變特征、周期演變規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的研究，可為流域水資源的合理利用、水利規(guī)劃提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，同時(shí)該研究成果也可為干旱區(qū)中小河流的同類(lèi)研究提供借鑒。

1　流域概況

巴音溝河流域位于新疆天山北坡中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，東與金溝河相鄰，西與奎屯河接壤，南抵依連哈比爾尕山脈的冰峰雪嶺，北達(dá)古爾班通古特沙漠。其地理位置為東經(jīng)84°45′—85°27′，北緯43°29′—44°58′。河流水網(wǎng)發(fā)育，成樹(shù)狀水系。發(fā)源于烏蘇縣境內(nèi)，由卡哈爾阿特、阿冬薩拉、哈爾莫仁、阿勒泰沙拉、依克馬斯吐及東測(cè)沙灣縣境內(nèi)的巴依什果勒、烏拉斯臺(tái)等七條主要支流匯集而成，自西南流向東北，全長(zhǎng)160 km。巴音溝河流域集水面積為1 579 km2，森林覆蓋面積51 km2。最大年徑流量為4.33億km3，最小年徑流量2.22億km3。全年徑流量分配：春季3—5月0.19億km3，占全年6.55%；夏季6—8月2.28億km3，占全年72.19%；秋季9—11月0.52億km3，占全年16.70%；冬季12—2月0.14億km3，占全年4.57%。其徑流以冰川雪源消融補(bǔ)給為主，降雨補(bǔ)給次之。

巴音溝河自上游到下游歷史上共建立過(guò)喇嘛廟、二道溝、黑山頭、安集海大橋四個(gè)水文站。本文以出山口黑山頭水文站1956—2014年的年徑流序列為基礎(chǔ)資料，采用累積距平法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法、小波分析方法[2-4]，對(duì)徑流的變化趨勢(shì)、突變特征、周期演變規(guī)律進(jìn)行分析，從多個(gè)角度揭示其徑流演變規(guī)律[5]。

2　研究方法

2.1趨勢(shì)分析

累積距平法[6-7]能夠反映徑流量在不同時(shí)代的階段變化[8]。對(duì)于序列x，其某一時(shí)刻t的累積距平為：

(1)

將n個(gè)時(shí)刻的累積距平值全部算出，即可繪出累積距平曲線進(jìn)行趨勢(shì)分析。累積距平曲線比較直觀，從曲線明顯的上下起伏，可以準(zhǔn)確判斷其長(zhǎng)期顯著的演變趨勢(shì)及持續(xù)性變化[9]。

2.2突變分析

本文采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法[10-11]來(lái)確定巴音溝河流域年徑流量的突變點(diǎn)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類(lèi)型變量和順序變量，計(jì)算比較簡(jiǎn)便[12]。對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，構(gòu)造秩序列：

(2)

秩序列Sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

(3)

式中：UF1=0，E(Sk)，var(Sk)是累計(jì)數(shù)Sk的均值和方差。在x1，x2，…，xn相互獨(dú)立，且具有相互連續(xù)分布時(shí)，可由下式分別求得：

(4)

(5)

UFk服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時(shí)間序列x順序x1，x2，…，xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，給定顯著性水平a，查正態(tài)分布表，得出相應(yīng)的Ua值。按時(shí)間序列x的逆序xn，xn-1，…，x1，再重復(fù)上述過(guò)程，同時(shí)使UBk=-UF(n-k)，k=1，2，…，n-1，UBn=0。

將UFk，UBk兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列曲線和給定顯著性水平下的臨界值Ua繪制在一張圖上，根據(jù)三者在圖上顯示出來(lái)的相互關(guān)系，判定是否發(fā)生突變以及突變發(fā)生的時(shí)間等[13]。

2.3周期分析

小波分析方法應(yīng)用于分析水文序列時(shí)可以給出不同層次的變化尺度及變化時(shí)間[14]。Morlet小波為復(fù)數(shù)小波，其實(shí)部和虛部相位相差π/2，消除了實(shí)數(shù)小波在變換過(guò)程中系數(shù)模的震蕩，目前應(yīng)用最為廣泛。所以，本文擬采用Morlet小波[15]來(lái)分析巴音溝河流域徑流序列的多時(shí)間尺度特性，Morlet小波的函數(shù)為：

ψ(t)=π-1/4etω0te-t2/2

(6)

式中：ω0——常數(shù)；t——虛部。

給定的小波函數(shù)ψ(t)，時(shí)間序列f(t)∈L2(R)的連續(xù)小波變換為：

(7)

將時(shí)間域上的關(guān)于a(尺度)的所有小波系數(shù)的平方進(jìn)行積分，即為小波方差。小波方差隨時(shí)間的變化過(guò)程為小波方差圖，它反映了波動(dòng)的能量隨尺度的分布，可以用來(lái)確定徑流時(shí)間序列存在的主要周期[16]。其計(jì)算公式為：

(8)

3　結(jié)果與分析

3.1變化趨勢(shì)

由巴音溝河流域1956—2014年徑流年際變化過(guò)程線(圖1)可知，近60年來(lái)流域年徑流量呈緩慢上升趨勢(shì)，且表現(xiàn)出一定的周期性；在此基礎(chǔ)上，累積距平曲線(圖2)更好地呈現(xiàn)出了流域徑流量年際變化的階段性，具體可以分為如下4個(gè)時(shí)段(持續(xù)時(shí)間為5 a及以上)：1956—1966年為徑流增加時(shí)期，到1966年達(dá)到近60 a來(lái)的最大值，累積距平為1.944億m3；1967—1974年為徑流波動(dòng)時(shí)期，在該時(shí)段內(nèi)，持續(xù)豐水和枯水時(shí)間較短，豐枯交替出現(xiàn)。波動(dòng)程度較小，徑流累積距平極差僅為0.433億m3；1975—1997年為徑流顯著減少時(shí)期，到1997年達(dá)到近60 a來(lái)的最小值，徑流累積距平為-5.576億m3；隨后從1998年開(kāi)始，年徑流量又開(kāi)始增多，到2012年達(dá)到近60 a的第二個(gè)極大值，徑流累積距平為1.105億m3，1998—2014年為徑流顯著增加時(shí)期。

圖1　巴音溝河流域徑流年際變化過(guò)程線

圖2　巴音溝河流域年徑流量累積距平曲線

3.2突變特征

采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法分析了巴音溝河流域年徑流序列的突變情況，如圖3所示。分析圖可知，在給定的顯著性水平α=0.05，臨界值=±1.96的條件下，1956—1970年UF統(tǒng)計(jì)變量基本都大于零，說(shuō)明徑流變化有上升趨勢(shì)，且UF統(tǒng)計(jì)曲線落在臨界值之內(nèi)，說(shuō)明徑流變化不顯著，呈平緩上升趨勢(shì)。1971—2006年UF統(tǒng)計(jì)變量均小于零，說(shuō)明徑流變化有下降趨勢(shì)。其中，1985—1999年UF統(tǒng)計(jì)曲線超過(guò)了臨界值，表明徑流變化有明顯的下降趨勢(shì)。2006—2014年UF統(tǒng)計(jì)變量又大于零，說(shuō)明徑流變化有上升趨勢(shì)，但UF統(tǒng)計(jì)曲線仍落在臨界值之內(nèi)，徑流上升趨勢(shì)不明顯。圖3中，UF和UB統(tǒng)計(jì)曲線在兩條臨界線之間的部分相交于1958年、1960年和2003年，代表突變發(fā)生的年份，說(shuō)明近60 a來(lái)巴音溝河流域年徑流量變化在1958—1960年和2003年兩個(gè)時(shí)間段發(fā)生突變。1958—1960年是徑流由多變少的突變時(shí)段，2003年是徑流由少變多的突變時(shí)段。

3.3周期演變

采用Morlet小波對(duì)巴音溝河流域近60年來(lái)黑山頭站年徑流量進(jìn)行周期演變分析，得到徑流時(shí)間序列的小波變換系數(shù)實(shí)部圖，見(jiàn)圖4。實(shí)部圖中的實(shí)線表示小波變換系數(shù)為正值，這時(shí)徑流偏豐；虛線表示小波變換系數(shù)為負(fù)值，這時(shí)徑流偏枯。由圖可見(jiàn)，流域年徑流量變化主要存在5～7 a，10～13 a，27～30 a周期振蕩。在5～7 a的特征尺度下，豐枯交替特別頻繁，且1983—1987年周期特征沒(méi)有體現(xiàn)出；在10～13 a的特征尺度下，20世紀(jì)70年代中期之前表現(xiàn)為10 a左右的特征尺度，20世紀(jì)70年代之后表現(xiàn)為11 a左右的特征尺度；27～30 a的特征尺度在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)表現(xiàn)最為明顯，呈現(xiàn)出非常規(guī)律的年徑流量偏多偏少的交替，并且主要以30 a左右的波動(dòng)周期為主。

圖3　巴音溝河流域Mann-Kendall徑流突變檢驗(yàn)圖

圖4　巴音溝河流域年徑流量小波變換系數(shù)實(shí)部圖

圖5是巴音溝河流域年徑流量變化的小波方差圖，小波方差的大小表示某一尺度成分的多少，反映它所對(duì)應(yīng)時(shí)間尺度的周期是否明顯，小波方差值越大，它所對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度的周期越明顯。小波方差圖反映了能量隨時(shí)間尺度的分布，可以確定徑流時(shí)間序列的主要周期。由圖可知，流域年徑流量主要存在7 a，11 a，30 a的主周期，且30 a時(shí)間尺度上小波方差值最大，周期最明顯，是河流的第一主周期。

在此基礎(chǔ)上，圖6給出了年徑流量在7 a，11 a和30 a時(shí)間尺度下小波變換系數(shù)實(shí)部圖，在a=7和11的尺度下，徑流豐枯變化和突變點(diǎn)可以準(zhǔn)確地給出，平均每3～4 a發(fā)生一次豐枯交替。在a=30的尺度下，1963—1971年、1980—1988年、1999—2008年各時(shí)段為正相位，表示徑流偏多；而1956—1962年、1972—1979年、1989—1998年、2009—2014年為負(fù)相位，表示徑流偏少；突變點(diǎn)在1962年、1971年、1979年、1988年、1998年、2008年。

圖5　巴音溝河流域年徑流量小波方差圖

圖6　年徑流量在7 a、11 a和30 a時(shí)間尺度下小波變換系數(shù)實(shí)部圖

4　結(jié) 論

(1) 巴音溝河流域1956—2014年徑流年際變化過(guò)程線表明，近60 a來(lái)流域年徑流量呈緩慢上升趨勢(shì)；累積距平分析更好地呈現(xiàn)出了流域徑流量年際變化的階段性，具體可以分為如下4個(gè)時(shí)段(持續(xù)時(shí)間為5 a及以上)：1956—1966年為徑流增加時(shí)期；1967—1974年為徑流波動(dòng)時(shí)期；1975—1997年為徑流顯著減少時(shí)期；1998—2014年為徑流顯著增加時(shí)期。

(2) Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果顯示：在給定的顯著性水平α=0.05，臨界值=±1.96的條件下，UF和UB統(tǒng)計(jì)曲線在兩條臨界線之間的部分相交于1958年、1960年和2003年，代表突變發(fā)生的年份，說(shuō)明近60年來(lái)巴音溝河流域年徑流量變化在1958—1960年和2003年兩個(gè)時(shí)間段發(fā)生突變。1958—1960年是徑流由多變少的突變時(shí)段，2003年是徑流由少變多的突變時(shí)段。

(3) 小波分析結(jié)果為：小波變換系數(shù)實(shí)部圖表明近60 a來(lái)巴音溝河流域年徑流量的變化主要存在5～7 a，10～13 a，27～30 a周期振蕩，結(jié)合小波方差圖上呈現(xiàn)的三個(gè)峰值的位置和大小，可知流域年徑流量主要存在7 a，11 a，30 a的主周期，且30 a時(shí)間尺度周期最明顯，是河流的第一主周期。

[1]白樺,穆興民,高鵬,等.嘉陵江流域降水及徑流演變規(guī)律分析[J].水土保持研究,2012,19(1):102-106.

[2]張賢芳,舒強(qiáng),李偲.張賢芳,舒強(qiáng),李偲.葉爾羌河近48年來(lái)徑流演變規(guī)律研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2012,26(1):93-97.

[3]周園園,師長(zhǎng)興,范小黎,等.國(guó)內(nèi)水文序列變異點(diǎn)分析方法及在各流域應(yīng)用研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2011,30(11):1361-1369.

[4]陸文秀,劉丙軍,陳曉宏,等.珠江流域降水周期特征分析[J].水文,2013(2):82-86.

[5]喬木,周生斌,盧磊.艾比湖流域年徑流變化特征分析[J].水土保持學(xué)報(bào),2010,24(6):236-239.

[6]楊明金,張勃,王海青,等.黑河流域1950年～2004年出山徑流變化規(guī)律分析[J].資源科學(xué),2009,31(3):413-419.

[7]魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京:氣象出版社,2007.

[8]張曉曉,張鈺,徐浩杰.1961—2010年白龍江上游水文氣象要素變化規(guī)律分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2015,29(2):172-178.

[9]王帥.渭河流域分布式水文模擬及水循環(huán)演變規(guī)律研究[D].天津:天津大學(xué),2013.

[10]徐浩杰,楊太保,柴紹豪.2010年討賴(lài)河山區(qū)徑流變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素[J].中國(guó)沙漠,2014,34(3):878-884.

[11]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.

[12]胡海英,黃國(guó)如,黃華茂.遼河流域鐵嶺站徑流變化及其影響因素分析[J].水土保持研究,2013,20(2):98-102.

[13]陳忠升,陳亞寧,徐長(zhǎng)春.近50a來(lái)塔里木河干流年徑流量變化趨勢(shì)及預(yù)測(cè)[J].干旱區(qū)地理,2011,34(1):43-51.

[14]夏庫(kù)熱·塔依爾,海米提·依米提,麥麥提吐?tīng)栠d·艾則孜,等.基于小波分析的開(kāi)都河徑流變化周期研究[J].水土保持研究,2014,21(1):142-146,151.

[15]軒瑋,李翀,趙慧穎,等.額爾古納河流域近50年水文氣象要素變化分析[J].水文,2011,31(5):80-87.

[16]邵曉梅,許月卿,嚴(yán)昌榮.黃河流域降水序列變化的小波分析[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,42(4):503-509.

Characteristics of Runoff from Mountainous Watershed of Bayingou River Basin in Recent 60 Years

LIU Yi1, LEI Xiaoyun1, MA Honggang2, XING Kun1, Lü Jiaojiao1

(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052,China; 2.ManagementCenterofBayingouRiverinShihezi,Shihezi,Xinjiang832000,China)

Runoff evolution pattern research is the premise of the rational use of water resources and water resources planning. Bayingou River is a typical mountain stream river in Xinjiang. According to the time series data of annual runoff at the Heishantou hydrological station of the Bayingou River from 1956 to 2014, we used accumulated anomaly, Mann-Kendall test and wavelet analysis to diagnose the runoff change trend, mutation characteristics and cycle evolution pattern. The results showed as follows. (1) Annual runoff was slowly rising trend. (2) In recent 60 years, annual runoff mutations happened in 1958—1960 and 2003. From 1958—1960 to 2003, the runoff kept sloping down, but began to climb up since 2003. (3) The principal periods of annual runoff of the Bayingou River were 7 years, 11 years and 30 years, and the 30 years period is the most obvious.

runoff; accumulated anomaly; Mann-Kendall; wavelet analysis; Bayingou River

2015-06-24

2015-07-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1178301)“天山中段瑪納斯河流域融雪機(jī)理及其徑流過(guò)程模擬的研究”;新疆水利水電工程重點(diǎn)學(xué)科基金(XJzdxk2010-02-12)

劉藝(1990—),女,河南駐馬店人,碩士研究生,主要從事水文水資源方面的研究。E-mail:xjly6672@163.com

雷曉云(1961—),女,湖南常寧人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事水文及水資源高效利用方面的研究工作。E-mail:leixiaoyun888@163.com

P333

A

1005-3409(2016)02-0139-04