尹梓淵, 穆振俠, 湯 瑞, 周育琳, 彭 亮

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

21世紀(jì)以來(lái)，伴隨著全球氣候的變化及人類強(qiáng)烈的活動(dòng)，極端的強(qiáng)降水及洪澇干旱事件頻繁發(fā)生并且強(qiáng)度也不斷增強(qiáng)，這對(duì)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、人與自然的和諧發(fā)展、自然資源的合理利用、自然災(zāi)害的預(yù)防與應(yīng)對(duì)提出了更大的挑戰(zhàn)，加之水資源的需求量在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展下不斷增大，為了對(duì)水資源更合理的加以利用，應(yīng)對(duì)頻頻爆發(fā)的自然災(zāi)害，對(duì)于產(chǎn)匯流規(guī)律的分析研究也顯的愈來(lái)愈重要，因此近幾十年水文水資源學(xué)研究主要表現(xiàn)在對(duì)河川徑流量的變化規(guī)律的大量研究[1-7]。汛期是水量大量集中的時(shí)期，易受到氣溫、降水、蒸發(fā)等氣候因素及土地利用變化、水利工程建設(shè)等人類活動(dòng)影響而發(fā)生洪澇災(zāi)害，進(jìn)而水資源的合理開(kāi)發(fā)應(yīng)用受到很大的影響，由此對(duì)汛期徑流變化規(guī)律的研究顯得尤為重要。近年來(lái)有不少專家做了相應(yīng)的研究，楊開(kāi)斌等[8]借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)長(zhǎng)江大通站汛期徑流進(jìn)行了預(yù)測(cè)；Yan等[9]對(duì)密云水庫(kù)盆地的溫度、降水、徑流的時(shí)空變化及汛期和非汛期的變化分別進(jìn)行了討論;Tian等[10]在中國(guó)北方城市建立了洪水季節(jié)雨水和污水控制數(shù)學(xué)模型及洪水后的水質(zhì)模型并取得了較好的成果；Fang等[11]提出了兩種計(jì)算方便并廣泛應(yīng)用于實(shí)踐的使用分形理論分析洪泛季節(jié)的新方法；劉和平[12]和唐林等[5]初步得出氣候變化和人類活動(dòng)是造成汛期徑流突變的主要原因；而岑思弦等[13]發(fā)現(xiàn)水汽輸送和降水對(duì)汛期徑流有很大的影響；劉培亮等[14]找出了汛期徑流的突變點(diǎn)，但對(duì)突變?cè)蛭催M(jìn)行分析。

對(duì)于新疆來(lái)說(shuō)非汛期徑流量變化不大，有的河流甚至是出現(xiàn)冬季斷流的情況，汛期就成為了水資源存儲(chǔ)和開(kāi)發(fā)利用的絕佳時(shí)期，確定汛期水文要素變化規(guī)律就成為了必不可少的工作，水文要素的確定通常是在天然情況下進(jìn)行的，但由于水利工程興建過(guò)程會(huì)對(duì)水文要素造成一定的影響，使水文要素規(guī)律發(fā)生變化，進(jìn)而影響到水庫(kù)的蓄水，經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮也受到了很大的影響。因此，為了指導(dǎo)所在區(qū)域水資源更高效地開(kāi)發(fā)應(yīng)用、更合理地規(guī)劃管理及為水庫(kù)的管理運(yùn)行、減災(zāi)防洪提供更強(qiáng)有力的依據(jù)，本次以喀什河流域?yàn)榈湫脱芯繀^(qū)進(jìn)行汛期徑流變化規(guī)律的探討。

2 研究區(qū)概況

喀什河發(fā)源天山西部的于伊連哈比爾尕山，全長(zhǎng)304 km，位于E81°40′～85°10′，N43°25′～44°15′之間，支流短小而分布廣，水能資源開(kāi)發(fā)條件優(yōu)越。烏拉斯臺(tái)水文斷面以上的集水區(qū)域面積為5 093.28 km2，擁有不同種類的冰川多達(dá)551條，多年平均降水量為561.7 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 577.3 mm，最高氣溫36.5℃，最低氣溫-13.7℃。相較于新疆眾多流域，喀什河流域氣候濕潤(rùn)宜人四季分明，植被郁郁蔥蔥，中山帶森林密布。流域概況圖見(jiàn)圖 1。

水文氣象數(shù)據(jù)：收集到1960-2005年來(lái)源于新疆水文年鑒的烏拉斯臺(tái)站逐月徑流資料及汛期徑流(4-9月)逐日徑流資料，1960-2005年逐月蒸發(fā)和降水?dāng)?shù)據(jù)。

圖1 流域概況圖

3 研究方法

3.1 汛期徑流的年內(nèi)變化規(guī)律

(1)流量質(zhì)心時(shí)間。為了較好地反映融雪徑流時(shí)間的變化規(guī)律，引入流量質(zhì)心時(shí)間(The Timing of the Center of Mass of Flow or Center Time,CT)的概念。流量質(zhì)心時(shí)間是反映融雪徑流時(shí)間早晚，被廣泛應(yīng)用于研究融雪徑流時(shí)間的一種指標(biāo)[15]。

(1)

式中：ti為以水文年開(kāi)始的月份(4月)為第1個(gè)月起算的月份或者以水文年開(kāi)始(4月1日)起算的天數(shù)；qi為相對(duì)應(yīng)時(shí)刻的徑流量，m3/s。

(2)集中程度。為反映徑流集中程度，采用集中度與集中期的兩個(gè)重要指標(biāo)對(duì)徑流進(jìn)行研究。集中度與集中期是具有高度敏感性的評(píng)價(jià)汛期徑流年內(nèi)分配的指標(biāo)，其計(jì)算方法參照陸志華等[16]公式如下：

(2)

PR=arctan(Rx/Ry)

(3)

(4)

式中:DR為集中度，其值越大表明汛期徑流年內(nèi)分配越集中；PR為集中期，其值越大說(shuō)明汛期越靠后，其值越小說(shuō)明汛期越靠前；Ryear為年徑流量，m3/s；Rx，Ry分別為各月的徑流量在徑流矢量角度水平及垂向的分量，m3/s；i為月序；ri為第i月的徑流量;θi為第i月徑流的矢量角度。由于研究汛期徑流的年內(nèi)分配情況，汛期為4-9月，因而i取值為4～9。

(3)變化幅度。為了更好地認(rèn)識(shí)汛期徑流變化規(guī)律，采用相對(duì)變化幅度和絕對(duì)變化幅度來(lái)描述汛期內(nèi)徑流的變化幅度，詳細(xì)介紹見(jiàn)文獻(xiàn)[17]，其計(jì)算公式如下：

(5)

式中：Cn為相對(duì)變化幅度；Cr為絕對(duì)變化幅度；Qmax為最大汛期徑流量,m3/s；Qmin為最小汛期徑流量,m3/s。

3.2 汛期徑流年際變化規(guī)律

汛期徑流年際變化規(guī)律借助滑動(dòng)T檢驗(yàn)來(lái)分析，滑動(dòng)T檢驗(yàn)是用來(lái)檢驗(yàn)樣本均值的差異顯著與否的一種方法，具體原理參照文獻(xiàn)[5, 18]，公式如下：

(6)

自由度=n1+n2-2

4 結(jié)果分析

4.1 汛期徑流年內(nèi)變化分析

4.1.1 流量質(zhì)心時(shí)間 根據(jù)實(shí)測(cè)逐日汛期徑流數(shù)據(jù)，求得流量質(zhì)心時(shí)間并做圖，見(jiàn)圖 2，用每年的流量質(zhì)心時(shí)間與多年平均流量質(zhì)心時(shí)間的差值的累積值繪制流量質(zhì)心時(shí)間的累積距平曲線，見(jiàn)圖 3。研究區(qū)流量質(zhì)心時(shí)間從每年4月1日起算，45 a多年平均值為88.7 d，從4月1日往后推得出研究區(qū)流量質(zhì)心時(shí)間多集中在每年的6月底到7月初。從圖 2可以看出流量質(zhì)心時(shí)間從1960-2005年呈現(xiàn)出微弱的減小的趨勢(shì)，說(shuō)明隨著時(shí)間的增長(zhǎng)研究區(qū)汛期有微弱提前的趨勢(shì)。從圖 3中各時(shí)間段的流量質(zhì)心時(shí)間累積距平曲線的斜率分析得出各個(gè)時(shí)段流量質(zhì)心時(shí)間的變化情況，從流量質(zhì)心時(shí)間的線性趨勢(shì)可以看出，1960-2005年流量質(zhì)心時(shí)間累積距平曲線斜率為負(fù)，說(shuō)明汛期有提前的趨勢(shì)；分段來(lái)看，從1960-1966年流量質(zhì)心時(shí)間的累積值明顯增加，斜率為正，說(shuō)明該時(shí)段汛期明顯推后；1967-1982年流量質(zhì)心時(shí)間累積距平曲線呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)減小的狀態(tài)，斜率為負(fù)，說(shuō)明該時(shí)間段汛期明顯提前；1983-2005年流量質(zhì)心時(shí)間累積距平曲線基本平穩(wěn)，呈現(xiàn)微弱的增加趨勢(shì)，斜率為正，表明這個(gè)時(shí)段汛期有弱的推后趨勢(shì)。

圖2 1960-2005年流量質(zhì)心時(shí)間變化圖

圖3 1960-2005年流量質(zhì)心時(shí)間累積距平線

4.1.2 集中程度 集中度和集中期是反映汛期徑流集中程度的兩個(gè)高敏感度的指標(biāo)，現(xiàn)得到研究區(qū)的汛期徑流集中度變化情況(圖 4)，集中期變化圖(圖 5)，對(duì)集中度集中期等年內(nèi)分配情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)表(表 1)。從圖 4可以看出，集中度整體的線性變化趨勢(shì)從1960-2005年呈波動(dòng)減小的趨勢(shì)，說(shuō)明汛期徑流從20世紀(jì)60年代到2005年年內(nèi)分配情況越來(lái)越不集中；從最大值來(lái)看，1987年集中度最大，其值為79.1%，說(shuō)明1987年汛期徑流年內(nèi)分配最為集中；從最小值來(lái)看，1997年集中度最小，其值為72.3%，說(shuō)明汛期徑流在1997年年內(nèi)分配最不集中；根據(jù)集中度最小值的變化情況將平均值分為3段，分別為1960-1980年、1981-1996年、1997-2005年。集中度在1960-1980年均值最大，值為76.3%，說(shuō)明在這個(gè)階段汛期徑流年內(nèi)最為集中；1981-1996年集中度均值為76.2%，和前一段相比均值略微減小，說(shuō)明在這個(gè)階段汛期徑流年內(nèi)集中程度略有降低；1997-2005年集中度均值最小，值為75.5%，與前面兩個(gè)階段相比均值明顯地減小，所以在這個(gè)階段汛期徑流比起前兩個(gè)階段年內(nèi)分配最不集中。

圖4 1960-2005年汛期徑流集中度變化圖

從圖 5可以看出集中期從1960-2005年線性趨勢(shì)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這與集中度呈現(xiàn)的趨勢(shì)相同，表明汛期有提前趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明顯。集中期極大值出現(xiàn)在1983年7月25日，極小值出現(xiàn)在1967年4月28日。

圖5 1960-2005年汛期徑流集中期變化圖

從表 1可以看出集中度從20世紀(jì)60-70年代表現(xiàn)為減小，從70-80年代表現(xiàn)為增加，從80年代-2005年表現(xiàn)為減小。集中期從60-70年代表現(xiàn)為減小，從70-80年代表現(xiàn)為增加，從80-90年代表現(xiàn)為增加， 90年代至2005年則表現(xiàn)為減小。汛期徑流量占年徑流量的百分比從60年代的82.1%到80年代達(dá)到最大值83.3%，從80年代到2005年呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，最小值為81.6%。

4.1.3 變化幅度 從相對(duì)變化幅度(Cn)看汛期徑流的年內(nèi)分配情況(表 1)可以看出：從20世紀(jì)60年代的最大值10.6到80年代的10.3再到2000-2005年的最小值5.7，研究區(qū)的汛期徑流相對(duì)變化幅度呈波動(dòng)減小的趨勢(shì)，年內(nèi)分配越來(lái)越均勻。從絕對(duì)變化幅度(Cr)的變化情況來(lái)看，最大值358.8 m3/s出現(xiàn)在60年代，最小值271.7 m3/s出現(xiàn)在2000-2005年，整體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這和集中度、集中期、相對(duì)變化幅度變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明了研究區(qū)域的汛期徑流絕對(duì)變化幅度1960-2005年是波動(dòng)減少趨勢(shì)，表明了年內(nèi)分配越來(lái)越均勻。

表1 1960-2005年汛期徑流年內(nèi)分配表

4.2 年際變化規(guī)律

汛期徑流年際變化規(guī)律中，汛期徑流最大值出現(xiàn)情況及汛期徑流的變化趨勢(shì)對(duì)于水情預(yù)報(bào)的作用不可小覷。為了更直觀、方便地分析汛期徑流年際變化規(guī)律，繪制汛期徑流量年際變化曲線(圖 6)及汛期徑流累積距平曲線(圖 7)。通過(guò)圖 6看出汛期徑流量從1960-2005年表現(xiàn)為增加，在1969年出現(xiàn)最大值，在1992年出現(xiàn)最小值；從汛期的10 a滑動(dòng)平均值和多年平均值來(lái)看：1970-1975年、1999-2005年這兩個(gè)時(shí)間段10 a滑動(dòng)平均值相較于多年平均值均表現(xiàn)的較大，而1976-1998年則較小。

圖6 1960-2005年汛期徑流量年際變化

圖7 1960-2005年汛期徑流累積距平曲線

通過(guò)圖 7汛期徑流累積距平曲線分析：從整體看1960-2005年累積距平曲線的斜率表現(xiàn)的有正有負(fù)，說(shuō)明汛期徑流量與多年平均徑流量相比有增加也有減少。其中1960-1970年曲線斜率變化不大，即該時(shí)段內(nèi)汛期徑流變化不大；1971-1995年曲線斜率基本為負(fù)，說(shuō)明該時(shí)間段汛期徑流明顯減少；1996-2005年曲線斜率為正，說(shuō)明該時(shí)段內(nèi)汛期徑流明顯增加。

4.3 汛期徑流突變特性分析

4.3.1 汛期徑流突變分析 考慮到降水是研究區(qū)徑流補(bǔ)給的主要來(lái)源，對(duì)汛期徑流的影響較大，因此，對(duì)汛期徑流與降水進(jìn)行突變性檢驗(yàn)。繪制汛期徑流、降水的滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果圖(圖 8)，由圖8可以看出汛期徑流從1960-1963年較多年平均值呈減小趨勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著；1964-1970年汛期徑流表現(xiàn)出不顯著的增加；1971-1996年汛期徑流呈減小趨勢(shì)，且1997年|T|=3.28>T(0.05)=2.69汛期徑流的減小趨勢(shì)非常顯著；從1997-2005年曲線又明顯的表現(xiàn)為上升，汛期徑流表現(xiàn)為增加的，說(shuō)明1997年汛期徑流發(fā)生了顯著的突變。從降水的T檢驗(yàn)來(lái)看，降水出現(xiàn)了3次較顯著的突變，分別是1979、1986和1997年，這3年降水都超過(guò)了95%的顯著性水平線。

4.3.2 汛期徑流突變?cè)蚍治?氣候變化和人類活動(dòng)是造成徑流突變的主要原因。人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響表現(xiàn)為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)使得流域下墊面發(fā)生了變化及河道外不斷增加的引用消耗水量?jī)蓚€(gè)方面[19]。查閱資料發(fā)現(xiàn)1990至2000年工程開(kāi)發(fā)較少，人類活動(dòng)也較少，土地利用類型及未利用的土地也未發(fā)生轉(zhuǎn)移，因此人類活動(dòng)對(duì)徑流突變沒(méi)有影響，推斷流域氣候變化造成了徑流突變。而氣候變化對(duì)徑流影響從降水量的變化和蒸發(fā)蒸騰量的加劇體現(xiàn)出來(lái)，降水量增加的情況下徑流必然會(huì)有所增加，蒸發(fā)蒸騰量劇增的情況下徑流量會(huì)減少，反之亦然。由前文得知降水量在1997年突變，從圖8中可以看出在突變點(diǎn)前降水波動(dòng)減小，突變點(diǎn)之后降水波動(dòng)增加。通過(guò)對(duì)1960-2005年蒸發(fā)量進(jìn)行F檢驗(yàn)分析(圖9)，并根據(jù)滑動(dòng)F檢驗(yàn)的結(jié)果可以看出蒸發(fā)量在1997年發(fā)生突變，且突變是顯著的，超過(guò)了95%的顯著性水平。蒸發(fā)突變前呈增加趨勢(shì)，突變后呈減小趨勢(shì)。因此推測(cè)1997年徑流發(fā)生突變，可能是由于1997年后降水增加和蒸發(fā)的減小引起的。

圖9 1960-2005年蒸發(fā)滑動(dòng)F檢驗(yàn)

5 結(jié) 論

(1)對(duì)汛期徑流的流量質(zhì)心時(shí)間分析得出：整體看1960-2005年汛期有微弱提前的趨勢(shì)。分段來(lái)看，1960-1966年流量質(zhì)心時(shí)間的累積值明顯增加，斜率為正，汛期明顯推后；1967-1982年流量質(zhì)心時(shí)間的累積值明顯減小，斜率為負(fù)，汛期明顯提前；1983-2005年流量質(zhì)心時(shí)間的累積值微弱的波動(dòng)增加，斜率為正，汛期稍有推后。

(2)集中度從1960-2005年呈波動(dòng)減小的趨勢(shì)，說(shuō)明汛期徑流年內(nèi)分配情況越來(lái)越不集中。從最值看，1987年集中度最大，汛期徑流年內(nèi)分配最集中；1997年集中度最小，汛期徑流年內(nèi)分配最不集中。從平均值來(lái)看，1960-1980年集中度均值最大，汛期徑流年內(nèi)最集中；1981-1996年集中度均值與前一段相比均值略微減小，說(shuō)明在該階段汛期徑流年內(nèi)集中程度有所降低；1997-2005年集中度均值最小且與前面兩個(gè)階段相比均值明顯的減小，所以在這個(gè)階段汛期徑流比起前兩個(gè)階段年內(nèi)分配最不集中。從1960-2005年集中期呈減小趨勢(shì)，與集中度表現(xiàn)出的趨勢(shì)相一致。集中期在1983年7月25日呈現(xiàn)最大值，在1967年4月28日呈現(xiàn)最小值。

(3)汛期徑流量相對(duì)變化幅度從20世紀(jì)60年代到2005年整體呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，說(shuō)明了研究區(qū)的汛期徑流量呈減小的趨勢(shì)，年內(nèi)分配越來(lái)越均勻。絕對(duì)變化幅度從20世紀(jì)60年代到2005年整體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

(4)汛期徑流量從1960-2005年整體表現(xiàn)為增加，在1969年出現(xiàn)最大值，在1992年出現(xiàn)最小值，1970-1975年、1999-2005年這兩個(gè)時(shí)間段10 a滑動(dòng)平均值均大于多年平均值，1976-1998年均比較小。從汛期徑流累積距平曲線分析：1960-2005年汛期徑流量相較于多年平均徑流量有增加也有減小。其中1960-1970年汛期徑流與多年平均值相比變化不大；1971-1995年汛期徑流相較于多年平均汛期徑流顯著減??；1996-2005年汛期徑流與多年平均值相比明顯增加。

(5)由于降水量在1997年的突變，突變顯著地超過(guò)了95%的顯著性水平，且在突變前降水量波動(dòng)減少，突變后則波動(dòng)增加。1997年蒸發(fā)量亦發(fā)生了顯著的突變，蒸發(fā)量在突變前是增加的，突變后是減小的。因此推測(cè)1997年汛期徑流量發(fā)生突變的原因可能是由于1997年后降水量增加和蒸發(fā)量的減小引起的。