常浩娟, 劉衛(wèi)國(guó), 吳 瓊

(1.石河子大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 新疆 石河子 832000; 2.新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院 一分院, 新疆 石河子 832000)

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60年瑪納斯河紅山嘴徑流規(guī)律特征分析

常浩娟1, 劉衛(wèi)國(guó)2, 吳 瓊1

(1.石河子大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 新疆 石河子 832000; 2.新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院 一分院, 新疆 石河子 832000)

基于瑪納斯河紅山嘴水文站60 a的徑流資料，綜合運(yùn)用R/S分析、Morlet小波、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)以及集中度和集中期等多種分析方法對(duì)紅山嘴站徑流進(jìn)行年際和年內(nèi)的規(guī)律特征分析。結(jié)果表明：瑪納斯河紅山嘴斷面60 a徑流年際變化不大，長(zhǎng)期有上升趨勢(shì)，徑流序列有較強(qiáng)的長(zhǎng)期持續(xù)性；年徑流存在14～35 a、6～13 a和3～5 a周期，第一主周期為21 a，然后是28 a及13 a；徑流周期在1980年以前變化頻繁，且變化幅度小，1980年以后周期變長(zhǎng)，變化幅度增大；豐枯水周期按照平、枯、豐的順序變化；1994年為徑流突變點(diǎn)。徑流年內(nèi)分配不均勻，集中程度高，主要集中在7月底；大部分月徑流表現(xiàn)出顯著上升趨勢(shì)，月徑流突變年份基本都在1990年以后。

徑流特征; 瑪納斯河; Hurst指數(shù); Morlet小波分析; M-K非參數(shù)檢驗(yàn)

徑流是河流水循環(huán)最重要的一部分，徑流的分析和預(yù)測(cè)對(duì)水資源管理和規(guī)劃是至關(guān)重要的[1]。長(zhǎng)期徑流分析對(duì)水資源的有效管理是非常關(guān)鍵的，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)有非常重要的影響[2]。徑流數(shù)學(xué)建模對(duì)水文來(lái)說(shuō)非常重要；徑流的長(zhǎng)期監(jiān)管問(wèn)題，流域管理體制水平研究，自然水體的可持續(xù)利用，水資源管理系統(tǒng)中流域水文預(yù)測(cè)的發(fā)展，人為改變徑流的合理性評(píng)估等，都需要提高現(xiàn)有徑流模型并開(kāi)發(fā)新模型[3]。徑流是河流的水文特征之一，徑流變化趨勢(shì)評(píng)估對(duì)于水資源可利用量分析、洪水和干旱變化等具有重要的參考價(jià)值?，敿{斯河流域位于新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)核心地帶，人口密度高，生產(chǎn)力高度集中，是新疆和兵團(tuán)現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通信息、教育科技等發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域，也是向西開(kāi)放和“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的重要樞紐。但是瑪納斯河流域?qū)儆诘湫偷母珊稻G洲經(jīng)濟(jì)區(qū)，水資源短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱，區(qū)域資源環(huán)境承載力低。了解和掌握瑪納斯河流域水文特性，對(duì)瑪納斯河流域水資源的合理開(kāi)發(fā)利用和防洪抗旱等工作起到關(guān)鍵作用，也直接影響流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

已有文獻(xiàn)對(duì)徑流的分析視角廣泛，一般有周期分析、趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)等。針對(duì)瑪納斯河徑流進(jìn)行相關(guān)研究的主要有：借助小波理論、重標(biāo)極差(R/S)法、Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)等對(duì)瑪納斯河肯斯瓦特站水文變化特征和周期進(jìn)行分析,瑪納斯河徑流年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在夏季的6—8月，四季徑流區(qū)別較大；徑流變化具有持續(xù)性，徑流演變具有明顯的階段性，徑流年際變化大，徑流變化具有明顯的周期性及階段性，豐枯時(shí)期顯著[4-8]；氣溫的升高、降水量的增加和人類活動(dòng)等因素是導(dǎo)致瑪納斯河肯斯瓦特站和紅山嘴站徑流變化的重要原因[9]；瑪納斯河流域內(nèi)塔西河、瑪納斯河、金溝河、巴音溝河徑流不僅存在明顯的周期性，這4條河流年徑流過(guò)程存在著同步變化規(guī)律和正相關(guān)性；正相關(guān)性與空間距離成反向關(guān)系[10]。這些研究為本文的開(kāi)展提供了參考和幫助，但是對(duì)紅山嘴斷面多年徑流特征和變化規(guī)律分析不足，不夠全面，本文在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，主要對(duì)瑪納斯河紅山嘴斷面年際和年內(nèi)徑流特征和長(zhǎng)期變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究。

本文主要根據(jù)收集的瑪納斯河紅山嘴斷面徑流數(shù)據(jù)情況，按照年際和年內(nèi)兩個(gè)視角分別進(jìn)行系統(tǒng)分析。紅山嘴斷面徑流年際規(guī)律特征分析主要有：年際變化特征分析，采用極值比、變差系數(shù)和偏差系數(shù)等方法進(jìn)行描述；年際徑流變化趨勢(shì)，借助R/S方法求Hurst指數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)判斷；年際變化周期主要用Morlet小波分析結(jié)合H-P濾波方法綜合進(jìn)行，同時(shí)采用距平百分率判斷年際徑流的豐枯水周期情況；非參數(shù)Mann-Kendall法進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)徑流做突變檢測(cè)分析。以紅山嘴斷面60 a月徑流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)徑流年內(nèi)規(guī)律特征進(jìn)行分析：用百分比法結(jié)合集中度和集中期描述年內(nèi)分配情況；借助Mann-Kendall法對(duì)年內(nèi)徑流變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)對(duì)每個(gè)月徑流進(jìn)行突變檢測(cè)分析。最后結(jié)合紅山嘴斷面年際和年內(nèi)徑流的分析，對(duì)紅山嘴斷面徑流變化趨勢(shì)和特征進(jìn)行總結(jié)。

1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域地處天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地南部、古爾班通古特荒漠區(qū)南緣。該流域的主要徑流水源為高山區(qū)的冰雪融水與上游的降水，流域水汽主要來(lái)源于濕潤(rùn)的西北環(huán)流及北冰洋氣流。上游水急多峽谷，下游平原坦蕩。行政區(qū)劃涵蓋昌吉州的瑪納斯縣、塔城地區(qū)的沙灣縣、克拉瑪依市的小拐鄉(xiāng)、石河子市、兵團(tuán)農(nóng)八師及所屬的14個(gè)農(nóng)牧團(tuán)場(chǎng)、農(nóng)六師的新湖總場(chǎng)及流域內(nèi)的工礦企業(yè)，流域總面積為2.655萬(wàn)km2。

瑪納斯河是天山北坡年徑流量最大的河流，是新疆山溪性河流開(kāi)發(fā)治理的典型代表，河流長(zhǎng)約450 km，年均徑流量13億m3。該河發(fā)源于巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內(nèi)，天山主峰以南小尤爾都斯以北的冰峰地區(qū),由古仍郭合拉哈特、古仍郭勒、郭德郭勒和夏格孜郭勒四條支流，匯流于瑪納斯、沙灣、和靜三縣交界處流入瑪納斯主河道,另一主要支流于和靜縣經(jīng)呼斯臺(tái)郭勒峽谷過(guò)沙灣境內(nèi)流入瑪納斯河，北流注入瑪納斯湖。本文研究對(duì)象瑪納斯河紅山嘴水利樞紐位于瑪納斯河出山口處，建于1959年，以灌溉為主結(jié)合發(fā)電。該水利工程設(shè)計(jì)引水能力105 m3/s，年引水量9億m3，引水率為68%。紅山嘴引水工程可以控制瑪納斯河全灌區(qū)的用水，是瑪納斯河流域灌溉工程的命脈,也是全灌區(qū)的輸水大動(dòng)脈。

2 數(shù)據(jù)資料和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文數(shù)據(jù)主要來(lái)自于《新疆瑪納斯河流域地表水資源評(píng)價(jià)》報(bào)告，報(bào)告將紅山嘴水文站38 a(1956—1993年)徑流資料系列與瑪納斯河紅山嘴水管站20 a(1994—2013年)徑流資料系列合并使用(以下簡(jiǎn)稱紅山嘴斷面)，使紅山嘴斷面徑流資料系列延長(zhǎng)至58 a(1956—2013年)。紅山嘴斷面徑流數(shù)據(jù)凡有缺測(cè)的年份都盡量進(jìn)行插補(bǔ)展延，對(duì)汛期缺測(cè)或全年缺測(cè)的年份，只進(jìn)行年值插補(bǔ)，對(duì)非汛期個(gè)別缺測(cè)月進(jìn)行月值插補(bǔ)，使其資料同步到1954—2013年徑流資料系列。人口和經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)主要從《新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯河流域水利志》、《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》和《石河子統(tǒng)計(jì)年鑒》中收集和整理。在數(shù)據(jù)的整理和分析過(guò)程中主要借助Excel，Eviews，Matlab等工具進(jìn)行數(shù)據(jù)的具體處理。

2.2 研究方法

本文涉及研究方法較多，下面對(duì)一些相對(duì)復(fù)雜的方法做介紹，其他方法在分析過(guò)程中簡(jiǎn)單說(shuō)明。

2.2.1 R/S分析 R/S(Rescaled Range Analysis)，即重標(biāo)極差分析法，R/S方法中一個(gè)重要的統(tǒng)計(jì)量Hurst指數(shù)可以度量時(shí)間序列趨勢(shì)的強(qiáng)度和噪聲的水平隨時(shí)間的變化情況?；驹砻枋鋈缦耓11-12]：

第2步，對(duì)每個(gè)子序列計(jì)算累計(jì)離差Yk,m，同時(shí)計(jì)算出Dm的極差Rm和標(biāo)準(zhǔn)差Sm。其中，累計(jì)離差計(jì)算公式為：

(1)

第3步，計(jì)算Dm重標(biāo)極差(R/S)m

(R/S)m=Rm/Sm

(2)

則，完整序列重標(biāo)極差

(3)

第4步，將n值不斷擴(kuò)大，擴(kuò)大到T/3或T/2，本文從時(shí)間序列的長(zhǎng)度考慮，n擴(kuò)大到T/2。對(duì)于非隨機(jī)過(guò)程的時(shí)間序列，則有：

(R/S)=(an)H

(4)

或者兩邊取對(duì)數(shù)表述為

ln(R/S)n=Hln(a)+Hln(n)

(5)

對(duì)ln(n)和ln(R/S)n進(jìn)行最小二乘法回歸就可以估計(jì)出H的值，即Hurst指數(shù)值。

Hurst 等人證明，如果{ξ(τ)}是相互獨(dú)立、方差有限的隨機(jī)序列，則有H=0.5；0.5

2.2.2 小波分析基本原理 小波分析基本原理描述如下[13-14]：

(1) 小波函數(shù)。小波分析的基本思想是用一簇小波函數(shù)系來(lái)表示或逼近某一信號(hào)或函數(shù)。小波函數(shù)ψ(t)∈L2(R) 且滿足：

(6)

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

(7)

式中：ψa,b(t)為子小波；a為尺度因子，反映小波的周期長(zhǎng)度；b為平移因子，反映時(shí)間上的平移。

選擇合適的基小波函數(shù)是進(jìn)行小波分析的前提，本文選擇Morlet小波作為基小波函數(shù)。Morlet小波具有非正交性，而且是由Gaussian調(diào)節(jié)的指數(shù)復(fù)值小波，函數(shù)表達(dá)如下式。

ψ(t)=π-1/4eiω0te-t2/2

(8)

式中：t為時(shí)間；ω0是無(wú)量綱小波中心頻率。

(2) 小波變換。若ψa,b(t)是由(7) 式給出的子小波，對(duì)于給定的能量有限信號(hào)f(t)∈L2(R)，其連續(xù)小波變換(Continue Wavelet Transform，簡(jiǎn)寫(xiě)為CWT)為：

(9)

(3) 小波方差。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

(10)

小波方差隨尺度a的變化過(guò)程，稱為小波方差圖。由式(9)可知，它能反映信號(hào)波動(dòng)的能量隨尺度a的分布。因此，小波方差圖可以用來(lái)確定信號(hào)中不同種尺度擾動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度和存在的主要時(shí)間尺度，即主周期。

2.2.3 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn) Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)基本原理描述如下[15-16]：

Mann-Kendall檢驗(yàn)不需要樣本遵循一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計(jì)算方便。

(1) 非參數(shù)Man-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)。定義檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S：在Mann-Kendall檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)(X1，…,Xn),是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本；備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)，對(duì)于所有的k，j≤n，且k≠j，Xk和Xj的分布是不相同的，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量S計(jì)算如下式：

(11)

式中：sign()為符號(hào)函數(shù)。當(dāng)Xi-Xj小于、等于或大于零時(shí)，sign(Xi-Xj)分別為-1，0或1；M-K統(tǒng)計(jì)量公式S大于、等于、小于零時(shí)分別為：

(12)

Z為正值表示增加趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì)。Z的絕對(duì)值在大于等于1.28，1.64，2.32時(shí)表示分別通過(guò)了信度90%，95%，99%顯著性檢驗(yàn)。

(2) 非參數(shù)Mann-Kendall法突變檢測(cè)。設(shè)有一時(shí)間序列如下：x1,x2,…xn，構(gòu)造一秩序列ri，ri表示xi>xj(1≤j≤i)的樣本累積數(shù)。定義Sk：

(13)

(14)

Sk均值E(sk)以及方差var(sk)定義如下：

(15)

(16)

在時(shí)間序列隨即獨(dú)立假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

(17)

具有趨勢(shì)。把此方法引用到反序列中，再重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，并使計(jì)算值乘以-1，得到UBk，UBk在圖中表示為C2。分析繪出的UFk和UBk曲線圖，若UFk或UBk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C1和C2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。

2.2.4 集中度和集中期 集中度和集中期基本原理如下[17-18]：

集中度Cn和集中期D是利用一年的逐月徑流量資料來(lái)反映徑流量年內(nèi)分配集中的程度和集中的重心(一年中最大徑流量出現(xiàn)的時(shí)間)。

把一年12個(gè)月的月徑流量看作向量，月徑流量大小作為該月徑流矢量的模，所處的月份作為該矢量的方向，用圓周(把圓周的度數(shù)360°作為一年天數(shù)365日，1日相當(dāng)于0.986 3°，表1列出了全年各月包含的角度及月中代表的角度值)方位來(lái)表示，將一年中各月徑流矢量求和，合矢量模與年徑流量的比值為年徑流集中度，合矢量方向?yàn)槟陱搅骷衅?表1)。

表1 全年各月包含的角度及月中代表的角度值

計(jì)算公式如下:

(18)

(19)

(20)

D=tan-1(Rx/Ry)

(21)

式中：Rx，Ry分別為12個(gè)月徑流矢量的分量之和所構(gòu)成的水平、垂直分量；ri為第i月的徑流量；θi為第i月徑流的矢量角度；i為月序。

如果某年徑流量集中在某月內(nèi)，則合成向量與年徑流量之比為l，Cn為極大值；如果全年內(nèi)各月徑流量都相同，則合成向量為0，Cn為極小值?？梢?jiàn)Cn的取值在0～1，越接近1，表明徑流量越集中，徑流量的年內(nèi)分配越不均勻；越接近0，說(shuō)明徑流越不集中，徑流量的年內(nèi)分配越均勻。D計(jì)算的是合成向量的方位角，反映了一年中最大徑流量出現(xiàn)的時(shí)間。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流年際特征

3.1.1 年際變化特征 通過(guò)對(duì)紅山嘴斷面共60a的實(shí)測(cè)徑流資料合并統(tǒng)計(jì)，多年平均年徑流量13.37億m3，2002年為最豐年，年徑流量為19.31億m3，1984年為最枯年，年徑流量為10.55億m3，徑流最大變幅為年徑流均值的1.44倍，年最大徑流量是最小徑流量的1.83倍(圖1)。

圖1 紅山嘴年徑流量趨勢(shì)

年徑流量變差系數(shù)Cv值和偏態(tài)系數(shù)Cs值在矩法估算的基礎(chǔ)上，采用P-Ⅲ型頻率曲線配線確定。徑流變差系數(shù)Cv值為0.16，說(shuō)明紅山嘴斷面的徑流年際變化不大。徑流變差系數(shù)結(jié)合徑流頻率曲線擬合效果，計(jì)算得到徑流偏差系數(shù)Cs值為0.47的正偏態(tài)分布，徑流小于平均徑流量概率較高，也就是說(shuō)長(zhǎng)期徑流量為正偏態(tài)分布，徑流出現(xiàn)大于均值的次數(shù)少但離差值大，徑流小于平均徑流量概率較高，但離差值小。通過(guò)CV值繪制徑流頻率曲線，根據(jù)擬合效果，選擇CS=3 CV。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推算出紅山嘴斷面徑流五年一遇徑流量為20.72億m3，10a一遇徑流量為22.19億m3(圖2)。

圖2 年徑流頻率曲線

3.1.2 年際變化趨勢(shì) 通過(guò)對(duì)紅山嘴斷面徑流時(shí)間序列進(jìn)行R/S分析，得到Hurst指數(shù)，即H為0.816 9，ln(n)與lnE(R/S)擬合圖如圖3所示，回歸方程為：

R/S=0.7386n0.8169

H>0.5，非常接近于1，說(shuō)明紅山嘴斷面年徑流量序列為分形時(shí)間序列，存在長(zhǎng)期記憶性和持續(xù)性，未來(lái)趨勢(shì)與過(guò)去一致，并且持續(xù)性較強(qiáng)。Hurst指數(shù)分析也印證了瑪納斯河流具有“天旱年河水不少，天雨年河水不多”，即年際變化小的特點(diǎn)。

圖3 年徑流R/S分析

3.1.3 年際變化周期分析 借助Morlet小波分析方法，同時(shí)嘗試結(jié)合H-P濾波對(duì)紅山嘴斷面徑流時(shí)間序列進(jìn)行周期性分析。從分析的效果來(lái)看，小波分析能夠很好的從整體上判斷主周期、次周期等，而H-P濾波方法能夠很好的對(duì)周期變化細(xì)節(jié)及中小周期分析做出清晰的判斷，并且對(duì)周期變化趨勢(shì)有較好的解釋。

從年徑流小波系數(shù)實(shí)部等值線圖可以看出，年度徑流演變過(guò)程中存在14～35a，6～13a，以及3～5a三類周期變化規(guī)律。其中在14～35a尺度上出現(xiàn)枯—豐3次振蕩；在6～13a時(shí)間尺度上出現(xiàn)枯—豐5次振蕩；在1990年以后周期變化相對(duì)穩(wěn)定(圖4)。

小波變化方差圖中有5個(gè)較明顯的峰值，分別為28a，21a，13a，7a和4a的時(shí)間尺度。期中21a是最大峰值，說(shuō)明21a左右的周期振蕩最強(qiáng)，為徑流變化的第一主周期；28a為第二峰值，為徑流變化第二主周期；13a，7a和4a的時(shí)間尺度分別為徑流的第三、第四和第五主周期。這5個(gè)周期的波動(dòng)控制著徑流在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的周期變化特征(圖5)。

圖4 年徑流小波變換系數(shù)等值線

圖5 年徑流小波方差圖

H-P濾波剔除徑流序列的趨勢(shì)成分后得到徑流時(shí)間序列的周期成分，即圖6中周期曲線。對(duì)于周期成分，可以根據(jù)谷—谷或者峰—峰來(lái)進(jìn)行判斷，這種方法簡(jiǎn)單易辨，篇幅原因，這里對(duì)具體周期劃分不再贅述。從整體周期變化上來(lái)看，紅山嘴斷面徑流在1980年之前是短周期為主，變動(dòng)頻繁，變化幅度不大；1980年以后變動(dòng)周期逐漸變長(zhǎng)，變化幅度加劇。此外，可以從H-P濾波圖上觀察徑流剔除周期成分后趨勢(shì)曲線，即趨勢(shì)曲線變化情況。60a來(lái)紅山嘴斷面徑流表現(xiàn)出緩慢、長(zhǎng)期的波動(dòng)式上升趨勢(shì)。

圖6 年徑流量H-P濾波

3.1.4 豐枯水周期 用距平百分率劃分豐平枯水年，距平百分率P=(某年年徑流量—多年平均徑流量)/多年平均徑流量×100%。本文中劃分了豐平枯三個(gè)級(jí)別，當(dāng)P>10%為豐水年，當(dāng)-10%

3.1.5 年際徑流突變分析 借助Mann-Kendall對(duì)紅山嘴徑流進(jìn)行突變分析，通過(guò)計(jì)算分析，分別繪出徑流時(shí)間序列的順序統(tǒng)計(jì)曲線UF和逆序統(tǒng)計(jì)曲線UB。求得Z值為3.04，大于2.32，通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)。從圖7中可以看出，紅山嘴徑流的突變點(diǎn)在1994年，徑流有增大趨勢(shì)，結(jié)合豐枯水周期分析，徑流在1995年從枯水周期進(jìn)入豐水周期。

圖7 年徑流量M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變化

3.2 徑流年內(nèi)變化

瑪納斯河流域四季分明，冬夏漫長(zhǎng)，春秋季短暫，春季升溫快，秋季降溫迅速，四季氣候特征直接影響了流域徑流量的變化。

3.2.1 年內(nèi)分配 紅山嘴斷面春季(3—5月)徑流量占全年的9.22%，夏季(6—8月)占67.58%，秋季(9—11月)占16.91%，冬季(12—2月)只占全年徑流量的6.29%。連續(xù)最大4個(gè)月徑流為6—9月，占全年徑流量的77.06%，連續(xù)最小3個(gè)月(1—3月)徑流量占年徑流量的5.89%，四季分配不均勻，占年徑流量按大小排列順序?yàn)椋合募?6—8月)>秋季(3—5月)>春季(9—11月)>冬季(12-翌年2月)(圖8)。

3.2.2 徑流集中度和集中期 紅山嘴斷面徑流集中度變化區(qū)間在0.5～0.7之間，平均集中度為0.62，變化幅度不是很大，集中程度較高。集中度最大值是0.68，時(shí)間是在1999年；最小值是0.54，時(shí)間是2013年。從總體趨勢(shì)來(lái)看，在1999年之前是相對(duì)有規(guī)律的波動(dòng)變化，并有一定的上升趨勢(shì)，但是從1999年開(kāi)始到2013年，集中度明顯下降(圖9)。

圖8 分階段月徑流量年內(nèi)分配特征

圖9 月徑流量集中度

紅山嘴斷面徑流集中期變化區(qū)間在180°～201°之間，集中期平均值是191.43°，最大值是200.62°，時(shí)間是在1958年；最小值是182.35°，時(shí)間是1968年。也就是說(shuō)，紅山嘴斷面徑流集中期主要在每年的7月下旬和8月上旬，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，大多數(shù)年份的月徑流集中期是在7月的下旬。從總體趨勢(shì)來(lái)看，紅山嘴斷面月徑流集中期在1968年之前處于下降趨勢(shì)，1968年之后開(kāi)始相對(duì)有規(guī)律的波動(dòng)變化，并有緩慢的上升趨勢(shì)(圖10)。

圖10 月徑流量集中期

3.2.3 年內(nèi)變化趨勢(shì)及突變檢驗(yàn) 對(duì)1954—2013年月徑流量的變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。除了4月、5月和6月沒(méi)有顯著變化，其他月份均為顯著上升趨勢(shì)，60a來(lái)各個(gè)月徑流量的突變時(shí)間節(jié)點(diǎn)除了5月份是在1956年，其他月份基本在1990年以后。

表2 紅山嘴斷面徑流年內(nèi)變化趨勢(shì)和突變M-K檢驗(yàn)

4 結(jié) 論

(1) 徑流年際變化不大，長(zhǎng)期有上升趨勢(shì)，徑流量小于平均值概率較高，有利于徑流資源的開(kāi)發(fā)利用。

(2) 徑流序列存在較強(qiáng)長(zhǎng)期持續(xù)性和記憶性。

(3) 徑流序列存在14～35 a，6～13 a和3～5 a周期變化，同時(shí)分析出第一主周期為21 a，第二、三主周期分別為28 a及13 a；徑流整體周期在1980年以前變化頻繁，幅度不大，1980年以后變化幅度增強(qiáng)，周期變長(zhǎng)；豐枯水周期表現(xiàn)為16 a平水周期，然后是26 a枯水周期，最后是18 a的豐水周期。

(4) 徑流突變時(shí)間點(diǎn)為1994年，這與周期變化相一致，紅山嘴斷面徑流在1995年從枯水周期進(jìn)入豐水周期。

瑪納斯河紅山嘴斷面60 a月徑流年內(nèi)特征主要有：徑流年內(nèi)分配不均勻，夏季徑流占最大百分比，接近70%，集中程度高，主要集中在7月底和8月初；大部分月徑流表現(xiàn)出顯著上升趨勢(shì)，突變年份除了5月徑流在1956年，其他月份徑流都在1990年以后。

影響瑪納斯河徑流變化主要因素有以下兩方面，一方面是全球氣候變化的影響，全球變暖導(dǎo)致流域溫度升高和降水增加，溫度上升加速了冰川消融，1990—2010年流域冰川/永久積雪的減少率高達(dá)29.85%[19]，融雪加速和降水增加導(dǎo)致瑪納斯河年徑流量出現(xiàn)上升趨勢(shì)，同時(shí)區(qū)域變暖也會(huì)使河流月最大流量提前。氣候系統(tǒng)內(nèi)部變化，如西北環(huán)流及北冰洋氣流的低頻振動(dòng)等也會(huì)對(duì)區(qū)域氣溫和降水產(chǎn)生影響，從而影響流域徑流的年際和年內(nèi)變化。另一方面因素是流域人類活動(dòng)對(duì)瑪納斯河徑流的影響?，敿{斯河流域1949年總?cè)丝谑?.4萬(wàn)人，牲畜8.4萬(wàn)頭，耕地面積32.67 km2，工業(yè)生產(chǎn)基本空白，2013年全流域總?cè)丝?00余萬(wàn)人，牲畜203萬(wàn)頭，灌溉面積2 733.33 km2，工業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到69億元，工農(nóng)業(yè)的大量用水會(huì)減少河流的徑流量。并且隨著人類活動(dòng)的加劇，流域植被面積也在快速減少[19]，破壞草地和砍伐森林會(huì)使水土流失加劇，洪峰徑流劇增。同時(shí)人類活動(dòng)增加也會(huì)導(dǎo)致區(qū)域氣溫上升，農(nóng)業(yè)灌溉引起的局地水循環(huán)增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致區(qū)域降水的增加，所以人類活動(dòng)對(duì)流域徑流變化造成不可忽視的影響。

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Runoff Characteristics of Hongshanzui Hydrologic Station of Manas River in the Past 60 Years

CHANG Haojuan1, LIU Weiguo2, WU Qiong1

(1.CollegeofInformationScienceandTechnology,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832000,China; 2.Branch1,Surveying&PlanningDesigningInstitute(Group)ofXinjiangProductionandConstructionCorpCo.,Ltd,Shihezi,Xinjiang832000,China)

We analyzed the interannual and inter-monthly runoff characteristics of Hongshanzui hydrologic station of Manas River by using R/S, Morlet wavelet, Mann-Kendall nonparametric test and concentration and concentrated period methods based on the Hongshanzui hydrologic runoff data in the past 60 years. Results show that in the past 60 years, interannual change of runoff of Hongshanzui hydrologic station was not significant, and had long-term upward trend, runoff series had strong long-term sustainability; annual runoff presented 14 to 35 years, 6 to 13 years and 3 to 5 years periods, and the first main cycle is 21 years, and then 28 years, the third was 13 years; runoff cycle changed frequently before 1980, but the change was small, and the cycle became longer and lager after 1980; the order of the rich and low water period was flat, rich and dry; the runoff abrupt occurred in 1994. The monthly runoff followed uneven distribution and high intensity, and the runoff mainly concentrated in the end of July; Runoff showed a significant rise, most of the runoff abrupt occurred after 1990.

hydrologic characteristics; Manas River; Hurst index; Morlet wavelet; M-K nonparametric test

2015-11-18

2016-01-08

石河子大學(xué)高層次人才資助項(xiàng)目(RCZX201326);校級(jí)人文社科中青年人才培育資助項(xiàng)目(RWSK13-Y33);兵團(tuán)社會(huì)科學(xué)資助項(xiàng)目(14QN09)

常浩娟(1979—),女,江蘇徐州人,博士,石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授,研究方向:系統(tǒng)科學(xué)與系統(tǒng)優(yōu)化。E-mail：chj301@163.com

P333.1

A

1005-3409(2016)06-0128-07