居金浩，彭 亮，那扎凱提·托乎提，何 英，衛(wèi)仁娟，馬云飛

（1.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；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊830054；3.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610065；4.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都611230）

徑流和輸沙是流域系統(tǒng)中對(duì)人類活動(dòng)和氣候變化響應(yīng)最為積極的部分，與河道演變、河湖關(guān)系、河勢(shì)穩(wěn)定等密切相關(guān)［1］。近年來，在全球氣候變暖的大背景下，加之人類活動(dòng)的加劇，國(guó)內(nèi)外諸多流域的水沙變化明顯［2-3］。Li等［4］研究發(fā)現(xiàn)世界上24%的大型河流徑流量呈現(xiàn)明顯變化，40%的大型河流輸沙量呈現(xiàn)明顯變化，71%的大型河流徑流量的變化與降水量的變化顯著相關(guān)；胡春宏等［5］指出黃河干流潼關(guān)水文站的年均輸沙量從1919—1959年的16億t，降至2001—2018年的2.44億t，削減量約85%；諸多學(xué)者［6-7］采取分布式水文模型或累積量斜率變化率比較法定量估算人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)水沙變化的影響程度，結(jié)果顯示不同流域水沙變化對(duì)兩者的響應(yīng)程度并不一致，氣候變化和人類活動(dòng)均有可能成為影響水沙變化的決定性因素。

葉爾羌河約70%的徑流補(bǔ)給量來源于冰川積雪消融，源流區(qū)氣溫上升造成研究區(qū)冰川積雪消融量增加［8］，直接導(dǎo)致徑流量增加的同時(shí)，提高了河道內(nèi)的含沙量。唐小雨等［9］、周紅等［10］采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法探究葉爾羌河流域徑流量、輸沙量變化規(guī)律，結(jié)果表明流域內(nèi)水沙豐枯同步頻率較高，徑流量與輸沙量在總體上呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，且輸沙量的增幅大于徑流量的，但關(guān)于葉爾羌河流域水沙關(guān)系突變?cè)\斷及歸因的研究較少。筆者利用該流域出山口卡群站1954—2015年的水沙資料，對(duì)流域水沙進(jìn)行趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)，通過滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)法和雙累積曲線法對(duì)比驗(yàn)證水沙關(guān)系的突變年份，以期為分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)葉爾羌河水沙的影響和河道水沙治理等提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和方法

1.1 研究區(qū)概況

葉爾羌河源于喀喇昆侖山北坡，流域位于東經(jīng)74°28′—80°54′、北緯34°50′—40°31′之間。葉爾羌河流域是塔里木河流域“四源一干”水系格局的主要組成部分，流域內(nèi)有排名全國(guó)第四、新疆第一的葉爾羌河灌區(qū)?？ㄈ赫疚挥谌~爾羌河下游出山口處，集水面積5萬km2。葉爾羌河流域上游植被覆蓋度低，河流泥沙含量一般較高，水沙問題突出，給下游葉爾羌河灌區(qū)內(nèi)水生態(tài)修復(fù)和流域防洪減災(zāi)等工作造成很大影響。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本研究采用葉爾羌河流域出山口卡群水文站1954—2015年共62 a實(shí)測(cè)月均徑流量、月均輸沙量和年降水量。

1.3 研究方法

1.3.1 模比系數(shù)差積曲線法

模比系數(shù)差積曲線與累積距平曲線相似，主要反映某一水文序列在不同時(shí)間段的變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)徑流量和輸沙量多年變化的豐枯交替周期。模比系數(shù)K i等于序列值x i與序列平均值ˉx之比，模比系數(shù)差積值為∑（Ki-1）。模比系數(shù)差積圖升高段代表河流處于豐水期、豐沙期，降低段表示河流處于枯水期、枯沙期。

1.3.2 滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)法

設(shè)有徑流量X=（x1，x2，…，x n）和輸沙量Y=（y1，y2，…，y n）兩個(gè)序列，進(jìn)行窗口大小為m年、步長(zhǎng)為1 a的數(shù)據(jù)滑動(dòng)，以降低特殊年份對(duì)分析結(jié)論產(chǎn)生的影響。首先計(jì)算第一個(gè)窗口X1=（x1，x2，…，x m）和Y1=（y1，y2，…，y m）兩個(gè)子序列的Kendall相關(guān)系數(shù)r1，然后計(jì)算第二個(gè)窗口X2=（x2，x3，…，x m+1）和Y2=（y2，y3，…，y m+1）兩個(gè)子序列的Kendall相關(guān)系數(shù)r2，依次得出其后子序列的Kendall相關(guān)系數(shù)，直至得到Xn-m+1=（x n-m+1，x n-m+2，…，x n）和Yn-m+1=（y n-m+1，y n-m+2，…，y n）兩個(gè)子序列的Kendall相關(guān)系數(shù)r n，并繪制相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間（年份）變化曲線。Kendall相關(guān)系數(shù)反映X和Y兩個(gè)序列的相關(guān)程度，故繪制的相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間變化曲線能很好地體現(xiàn)X和Y兩個(gè)序列在不同時(shí)段的相關(guān)系數(shù)?；诖?，我們可以認(rèn)為曲線上明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為X和Y的變異點(diǎn)，即年徑流量和年輸沙量相關(guān)程度發(fā)生變異。

1.3.3 雙累積曲線法

（1）水沙關(guān)系突變點(diǎn)檢驗(yàn)。雙累積曲線可以判斷序列之間的相關(guān)程度是否發(fā)生改變。繪制同期內(nèi)徑流量累積值與輸沙量累積值的相關(guān)性曲線，若雙累積曲線走勢(shì)出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)變，則曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)年份即為水沙相關(guān)度開始變化的年份。

（2）徑流量變化歸因分析。采用累積量斜率變化率比較法計(jì)算氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化量的貢獻(xiàn)率。設(shè)累積徑流量與年份線性關(guān)系式斜率在拐點(diǎn)前后2個(gè)時(shí)期的年徑流量分別為SRb和SRa，累積降水量與年份線性關(guān)系式的斜率在拐點(diǎn)前后2個(gè)時(shí)期的年降水量分別為SPb和SPa，則累積徑流量斜率變化率為（SRa-SRb）/|SRb|，同樣，累積降水量斜率變化率為（Spa-Spb）/|Spb|，那么降水量對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率Cp為

故人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率CH為

2 葉爾羌河徑流量和輸沙量變化特征

2.1 水沙基本狀況

葉爾羌河流域出山口卡群站多年平均年徑流量為67.10億m3，年輸沙量為3 028萬t。葉爾羌河最大年徑流量出現(xiàn)在2012年，為95.63億m3；最大年輸沙量出現(xiàn)在1999年，為8 562.32萬t。流域內(nèi)水沙豐枯期總體同步，但年徑流量和年輸沙量發(fā)生極值的年份不同，這與降雨和洪水等多種因素有關(guān)。由物理成因分析可知，1999年葉爾羌河上游突發(fā)冰川湖洪水，洪峰值達(dá)到6 070 m3/s，突發(fā)洪水使河流含沙量陡增，進(jìn)而增加了河道輸沙量，而徑流量補(bǔ)給主要來自冰川融雪，故水沙出現(xiàn)極值的年份并不一致。

2.2 水沙不同年代年內(nèi)四季變化規(guī)律分析

冰川融雪量隨氣溫變化而變化，在年內(nèi)四季分布極不均勻。各年代年內(nèi)四季水沙距平統(tǒng)計(jì)見表1。由表1 可以看出，季尺度的水沙豐枯期同步性良好，水沙的季節(jié)性變化十分顯著。夏季是徑流量和輸沙量貢獻(xiàn)最主要的季節(jié)，距平百分比最高分別達(dá)到181.57%和281.89%。

表1 各年代年內(nèi)四季水沙距平統(tǒng)計(jì)%

2.3 水沙豐枯變化分析

葉爾羌河水沙模比系數(shù)差積曲線見圖1。由圖1（a）可知，年徑流量變化趨勢(shì)以1993年為界分成前后兩個(gè)時(shí)段。前一時(shí)段（1954—1993年）為年徑流量下降的枯水期，其模比系數(shù)差積總體呈下降趨勢(shì)，其中1962—1966年、1984—1993年急速下降，1967—1983年波動(dòng)地平穩(wěn)下降；后一時(shí)段（1994—2015年）為年徑流量上升的豐水期，其模比系數(shù)差積總體呈上升趨勢(shì)，其中1994—2004年曲線震蕩升高，2005—2015年呈現(xiàn)陡升的態(tài)勢(shì)。

由圖1（b）可知，輸沙量同樣以1993年為界，劃分為枯沙期和豐沙期，1954—1993年總體上呈下降趨勢(shì)，為枯沙期，其中1954—1987年波動(dòng)下降，1988—1993年呈急速下降趨勢(shì)。1994—2015年總體呈明顯升高趨勢(shì)，其中1994—1998年為顯著的豐沙期，1999—2011年為波動(dòng)的豐沙期，2012—2015年為快速上升的豐沙期。對(duì)比水沙模比系數(shù)差積曲線可以看出年徑流量和年輸沙量的豐枯總體上同步。

2.4 水沙關(guān)系變異點(diǎn)診斷

采用滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)法對(duì)葉爾羌河流域卡群站水沙關(guān)系變異點(diǎn)進(jìn)行診斷，結(jié)果見圖2。由圖2可知，葉爾羌河水沙相關(guān)關(guān)系于1993年發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，1993年之前平均滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)為0.62，1993年之后平均滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)為0.69，表明1993年之后的水沙相關(guān)關(guān)系強(qiáng)于1993年之前的水沙相關(guān)關(guān)系。

圖1 水沙模比系數(shù)差積曲線

圖2 基于滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)的水沙關(guān)系變異點(diǎn)檢驗(yàn)

圖3 基于雙累積曲線的水沙關(guān)系變異診斷

為驗(yàn)證滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)法對(duì)水沙變異點(diǎn)的檢驗(yàn)結(jié)果，采取雙累積曲線法再次診斷葉爾羌河水沙關(guān)系變異點(diǎn)，并將兩種結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。水沙雙累積曲線見圖3。由圖3可知，雙累積曲線的線性關(guān)系在1993年后發(fā)生了明顯變化，結(jié)合滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)法分析結(jié)果判定水沙關(guān)系在1993年發(fā)生變異。在1993年之前，每增加1億m3徑流量，輸沙量增加42.239萬t；在1993年之后，每增加1億m3徑流量，輸沙量增加50.623萬t。變異后的水沙相關(guān)關(guān)系增強(qiáng)，表明徑流量對(duì)輸沙量的影響越來越明顯，也印證了滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)法分析所得“1993年之后的水沙相關(guān)性強(qiáng)于1993年之前的”這一結(jié)論。

在全球氣候變暖的背景下，新疆地區(qū)夏季零度層高度大體上呈上升態(tài)勢(shì)，1993年后上升態(tài)勢(shì)顯著，對(duì)山區(qū)冰雪的凍融過程和河川徑流產(chǎn)生直接影響。另一方面，流域內(nèi)人口激增，社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)造成生態(tài)環(huán)境的破壞，植被覆蓋度逐年降低，直接影響流域內(nèi)的水土保持能力。

2.5 水沙歸因分析

為定量估算氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)葉爾羌河流域徑流量、輸沙量變化的貢獻(xiàn)率，構(gòu)建降水—徑流、降水—輸沙的雙累積曲線模型。以1993年為降水—徑流、降水—輸沙關(guān)系的突變點(diǎn)，將1954—1992年視為基準(zhǔn)期，該時(shí)段流域下墊面受人類活動(dòng)的影響很小，1993—2015年作為變化期，該時(shí)段反映了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量和輸沙量的綜合影響，然后進(jìn)行氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量和輸沙量貢獻(xiàn)率的模擬回歸分析。葉爾羌河流域降水—徑流、降水—輸沙雙累積曲線見圖4和圖5。

圖4 降水—徑流雙累積曲線

圖5 降水—輸沙雙累積曲線

由圖4、圖5可以看出，1993年后的降水—徑流和降水—輸沙關(guān)系變化較為明顯。變異后的降水量—徑流量相關(guān)關(guān)系減弱，降水量對(duì)徑流量的影響降低；變異后的降水量—輸沙量相關(guān)關(guān)系減弱，降水量對(duì)輸沙量的影響降低，間接表明人類活動(dòng)對(duì)徑流量、輸沙量變化的影響增大，流域內(nèi)人口激增，生態(tài)環(huán)境破壞等人類活動(dòng)可能是造成這一影響的重要因素。

為進(jìn)一步對(duì)葉爾羌河徑流量和輸沙量進(jìn)行歸因辨析，基于基準(zhǔn)期的降水—徑流關(guān)系、降水—輸沙關(guān)系，依據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算突變后降水變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量和輸沙量變化的貢獻(xiàn)率，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2和表3。

表2 葉爾羌河徑流量對(duì)降水變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)

表3 葉爾羌河輸沙量對(duì)降水變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)

由表2可以看出，1993—2015年實(shí)測(cè)年均降水量較1954—1992年增加33.86 mm，實(shí)測(cè)年均徑流量增加7.74億m3。在1993—2015年，降水對(duì)徑流量變化的影響量為36.03億m3，占比54.23%；人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的影響量為30.40億m3，占比45.77%。由表3可以看出，降水對(duì)輸沙量變化的影響量為1 372.79萬t，占比71.76%；人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的影響量為540.27萬t，占比28.24%。之前由降水—徑流、降水—輸沙雙累積曲線分析得，降水對(duì)徑流量和輸沙量變化的影響表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，人類活動(dòng)對(duì)徑流量和輸沙量變化的影響表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，但是降水因素仍是改變徑流量和輸沙量的主導(dǎo)因素。

3 結(jié) 論

基于卡群站1954—2015年徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)，采用模比系數(shù)差積曲線法、滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)分析法和雙累積曲線法等方法，進(jìn)行徑流量和輸沙量年際變化趨勢(shì)分析以及水沙關(guān)系突變點(diǎn)檢驗(yàn)，主要結(jié)論如下。

（1）回歸分析表明，水沙關(guān)系在1993年后變化明顯。在1993年之前徑流量每增加1億m3輸沙量相應(yīng)增加42.239萬t，在1993年之后徑流量每增加1億m3輸沙量相應(yīng)增加50.623萬t。

（2）降水量對(duì)徑流量和輸沙量變化的影響表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，人類活動(dòng)對(duì)徑流量和輸沙量變化的影響表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，但是降水因素仍是改變徑流量和輸沙量的主導(dǎo)因素。