張明旺，侍克斌，朱躍亮，孔選昭，姚海坤

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆克孜爾水庫管理局，新疆 阿克蘇 842313)

在氣候變化和人類活動的共同影響下，流域的整個水循環(huán)正在發(fā)生重大變化[1]。水沙是河流系統(tǒng)的最基本要素，水沙的年內(nèi)分配及年際變化規(guī)律是水利部門掌握河流特征的重要基礎。一方面，水沙的年內(nèi)分配決定了水利工程的運行和調(diào)度方式，以及河流上游和下游的河槽演變過程;另一方面，水沙的年際變化在一定程度上揭示了長期以來自然及人類活動影響下的河流變化規(guī)律。因此，研究水沙變化特征具有十分重要的科學意義[2-3]。

近年來，對流域內(nèi)的水沙問題研究逐漸深入，如：姚文藝等[4]對黃河百年水沙變化進行分析，發(fā)現(xiàn)近30 a泥沙主要減于中游，而徑流主要減于上游，水沙搭配關系趨好；楊永利[5]對大洋河沙里站近50 a的泥沙徑流資料進行研究，發(fā)現(xiàn)輸沙量存在明顯的下降趨勢，徑流量的下降趨勢不顯著；張輝等[6]分析淮河干流水沙變化特征，淮河干流年徑流量沒有明顯增加或減小趨勢，但來沙量表現(xiàn)出明顯的減少趨勢；葉晨等[7]以五華河30 a的徑流、泥沙和降雨為研究對象，發(fā)現(xiàn)降雨變化對徑流、泥沙變化的影響為73%和21%，人類活動對徑流、泥沙變化的影響為27%和79%；冉大川等[8]對黃河頭道拐多年平均徑流、輸沙量的增減幅度進行研究，發(fā)現(xiàn)同時期輸沙量減少趨勢更明顯，灌區(qū)引水和支流水土保持綜合治理減沙作用明顯；胡春宏等[9]分析了中國主要河流代表站總徑流量和總輸沙量的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)自然條件以及人類活動是影響中國主要河流水沙變化的關鍵性因素；趙廣舉等[10]分析皇甫川流域水沙變化特征，結(jié)果表明人類活動對流域水沙變化的貢獻占主導因素；趙秀蘭等[11]分析祖厲河流域的水沙及周期變化,為當?shù)氐乃Y源管理及水土流失治理提供科學依據(jù)。

水沙變化特性及其影響因素的研究一直是國內(nèi)外眾多學者關注的重點。在前人的研究中，確定趨勢性及突變點的方法大多為單一方法，缺乏相互印證，相互對比。因此，本文采用線性趨勢估計法、Mann-Kendall秩次相關檢驗法分析渭干河上游與黑孜河交匯處水沙序列的趨勢性；采用有序類聚法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法和滑動t檢驗法分析其水沙序列的突變性；采用雙累積曲線法定量分析降水及人類活動對其徑流量和輸沙量的影響程度。分析渭干河上游與黑孜河交匯處多年來的水沙變化規(guī)律及其影響因素，可為水庫的優(yōu)化運行調(diào)度、水沙預測及清淤工作提供一定的基礎數(shù)據(jù)，具有重要的理論意義和參考價值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

克孜爾水庫是渭干河灌區(qū)上游最大的水庫控制工程，它承擔著下游農(nóng)業(yè)灌溉和生活用水安全保障的重要責任。入庫水沙主要來自于哈爾克他烏山脈的干流木扎提河及支流克孜河，干流木札提河由卡木斯浪河、臺勒外丘克河及卡拉蘇河匯合而成。本文研究數(shù)據(jù)來自于干流木札提河及支流卡木斯浪河、臺勒外丘克河、卡拉蘇河、克孜河上的各水文站點，研究區(qū)域水系及站點分布見圖1。文中選擇克孜爾水庫1960年至2017年入庫逐年實測徑流量與輸沙量資料作為基礎數(shù)據(jù)進行水沙變化分析。

圖1 渭干河流域水系及水文站網(wǎng)分布圖

1.2 研究方法

1.2.1 趨勢性分析 研究首先使用線性趨勢估計法[12]分析克孜爾水庫上游徑流和輸沙序列的長期變化趨勢，然后應用Mann-Kendall秩次相關檢驗法[13]識別水文時間序列趨勢[14]。

1.2.2 突變性分析 首先采用Mann-Kendall參數(shù)檢驗法分析水庫上游徑流和輸沙序列的突變性，接著采用有序聚類法和滑動t檢驗法[15]檢驗水沙序列的突變性。非單一的確定方法避免了結(jié)果的偶然性，提高了結(jié)果的精度，相互印證對比，綜合3種判定方法最終確定突變點。

1.2.3 周期性分析 采用基于小波分析的EMD周期分析方法，EMD方法可以平滑復雜的序列，從原始序列中提取出一系列具有不同層次的波動，并獲得具有不同尺度的多個IMF分量。這是一種有效的篩選方法，可以逐步分解序列中不同尺度的波動和趨勢分量[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水庫水沙特性分析

2.1.1 趨勢性分析 分析圖2-A可知，多年徑流量總體上呈上升趨勢，年徑流量上升的趨向率為1.165×108m3/10a，用Mann-kendall秩次相關檢驗法，確定徑流量變化趨勢的顯著程度，徑流量上升趨勢顯著(表1)。該流域的徑流來源主要為冰川積雪融水，隨著全球氣候變暖現(xiàn)象逐漸加劇，冰川每年的消融量也逐漸變大，導致河流的徑流量呈上升趨勢，與分析結(jié)果相統(tǒng)一。

分析圖2-B可知，多年輸沙量總體呈上升趨勢，年輸沙量上升的趨向率為104.3×104t/10 a，用Mann-kendall秩次相關檢驗法，確定輸沙量變化趨勢的顯著程度，輸沙量上升趨勢不顯著(表1)。河流的含沙量與當?shù)氐耐恋乩妙愋陀嘘P，由于該地區(qū)的土地利用類型逐漸增多，土壤撓動問題變得尤為突出，導致進入河道的泥沙量增多。同時，洪水的發(fā)生頻率在近些年也增加，洪水沖刷地表，攜帶大量的疏松土壤進入河流，使河流的輸沙量也呈上升趨勢。

表1 克孜爾水庫上游流域年徑流量與年輸沙量趨勢性分析結(jié)果

圖2 徑流量與輸沙量年際變化過程線

2.1.2 突變性分析 使用有序類聚法分析年徑流量序列的突變，推估年徑流量序列的分割點，并計算年徑流序列的總離差平方和Sn(τ)與分割點τ之間的關系曲線(圖3-B)。初步分析年徑流量的變異點，最小的年份是1995年，第二小的年份是1993年；為進一步分析變異點的顯著性，使用非參數(shù)檢驗方法Mann-kendall對變異點的顯著性進行檢驗(3-A)，突變的時間是1994年；采用滑動t檢驗法對突變點進行檢驗(圖3-C)，突變的時間是1994年；結(jié)合以上的分析數(shù)據(jù)，確定克孜爾水庫年徑流量序列的突變年份為1994年。

圖3 徑流量突變性分析

利用有序類聚法對年輸沙量序列進行突變分析，推估年輸沙量序列的分割點，計算得到年輸沙序列總離差平方和Sn(τ)與分割點τ的關系曲線(圖4-B)，初步分析年徑流量的變異點，最小值為1977年，第二小值為1976年；為進一步分析變異點的顯著性，使用非參數(shù)檢驗方法Mann-Kendall對變異點的顯著性進行檢驗(圖4-A)，曲線的交點在1966年、2008年與2009年之間；采用滑動t檢驗法對突變點進行檢驗(圖4-C)，突變的時間是1978年、1991年和1992年；輸沙序列的突變性檢驗經(jīng)多種方法計算未能達到相統(tǒng)一的結(jié)論，這是因為克孜爾水庫的建成時間為1992年，當水庫建成以后，泥沙由于建筑物的阻攔，改變了其原來的運移狀態(tài)，輸沙量的突變年份與克孜爾水庫的修建存在一定的關聯(lián)性，在多種方法判定的基礎上，最終確定克孜爾水庫年輸沙量序列的突變年份為1992年。

圖4 輸沙量突變性分析

2.1.3 周期性分析 1960～2017年克孜爾水庫上游流域徑流量序列為非平穩(wěn)序列，可以分解為3個具有不同波動周期的IMF分量和1個Res趨勢分量(圖5)，反映了克孜爾水庫上游流域徑流量變化復雜的時間尺度特征。

圖5 克孜爾水庫上游流域年徑流量序列EMD分解

第一個本征模態(tài)函數(shù)IMF1具有最大振幅，最高頻率和最短波長，IMF2和IMF3分量的幅度逐漸減小，頻率逐漸減小，波長逐漸增大。

Res分量顯示了年徑流量的總體變化趨勢，并且可以看出多年來有明顯的上升趨勢。

為進一步獲得各IMF分量準確的周期特點，在EMD分解得到IMF分量的基礎上，對各分量進行Morlet小波分析。利用matlab軟件編程，得到各IMF分量的小波方差圖，見圖6。

由圖6可知，IMF1分量具有兩個明顯的峰值，時間尺度為6～9 a，準周期為7 a；IMF2分量具有較高的峰值，時間尺度為15～18 a，準周期為17 a；而IMF3分量有一個峰值，時間尺度為26～32 a，準周期均為30 a。分析顯示了克孜爾水庫上游年徑流量變化呈復雜的多時間尺度性，本結(jié)論可為克孜爾水庫未來的水資源配置、防洪減災和抗旱提供科學指導。

圖6 年徑流量EMD分量的小波方差

克孜爾水庫上游流域1960～2017年間的輸沙量序列為非平穩(wěn)序列，可以分解為4個具有不同波動周期的IMF分量和1個Res趨勢分量(圖7)，反映了克孜爾水庫上游流域輸沙量變化的復雜的多時間尺度性；

圖7 克孜爾水庫上游流域年輸沙量序列EMD分解

第一個本征模函數(shù)IMF1具有最大振幅，最高頻率和最短波長。IMF2，IMF3和IMF4的分量幅度逐漸減小，頻率逐漸減小，波長逐漸增大；

Res分量顯示了年輸沙量的總體變化趨勢，可以看出多年來有明顯的上升趨勢。

為進一步獲得各IMF分量準確的周期特點，在EMD分解得到IMF分量的基礎上，對各分量進行Morlet小波分析。利用matlab軟件編程，得到各IMF分量的小波方差圖(圖8)。

由圖8可知，IMF1分量具有兩個明顯的峰值，時間尺度為5～7 a，其準周期為6 a；IMF2分量存在一個明顯的峰值，時間尺度為10～13 a，其準周期為11 a；IMF3分量存在一個明顯的峰值，時間尺度為25～28 a，其準周期為26 a；IMF4分量無峰值。分析顯示了克孜爾水庫上游年輸沙量變化呈復雜的多時間尺度性，本結(jié)論可為克孜爾水庫的優(yōu)化調(diào)度運行及排沙清淤延長水庫壽命提供幫助。

圖8 年輸沙量EMD分量的小波方差

2.2 影響因素分析

2.2.1 氣候活動和人類活動對徑流量及輸沙量影響程度 為了區(qū)分人類活動和降水對克孜爾水庫上游水沙變化的影響，首先對克孜爾水庫上游1960～2017年的年徑流量和輸沙量進行突變性檢驗，將突變年份之前的階段視為僅有降雨影響的基準期，突變年份之后的時期視為有人類活動和降雨共同作用的時期(圖9)。由前部分計算結(jié)果所示，1960～2017年克孜爾水庫上游徑流量的突變年份為1994年，輸沙量的突變年份為1992年，其次，用降水-徑流量和降水-輸沙量的雙累積曲線對人類活動和降雨量對于徑流量和輸沙量的貢獻進行模擬回歸分析(表2)。通過降水-徑流量和降水-輸沙量雙累積曲線擬合方程得出一個計算值，計算值與實測值的差值即為人類活動貢獻(表3)。

表2 克孜爾水庫上游降水-徑流量和降水-輸沙量雙累積曲線線性模擬評估

表3 克孜爾水庫上游突變年份前后時期降水和人類活動的貢獻率

圖9 累積降水量與累積徑流量、累積輸沙量雙累積曲線

從1960年到2012年，與計算出的累計徑流量相比，實測累積徑流量減少了72.73億m3。徑流量在突變年份之后，實測累積徑流量增加了0.82億m3。人類活動對上游徑流量增加的貢獻率占-385.37%，而降水量對徑流量增加的貢獻率占485.37%。結(jié)果表明：在克孜爾水庫上游徑流量突變年份之后，降水對徑流量的影響比人類活動大?？俗螤査畮焐嫌瘟饔騼?nèi)的人口密度不是很大，靠近河流的盡頭是冰川的發(fā)源地，人類活動很少，此處的徑流量受降水的影響很明顯，降水是此區(qū)域的主要影響因素。

從1960年到2012年，與計算出的累計輸沙量相比，實測累積輸沙量增加了819.47萬t。輸沙量在突變年份之后，實測累積輸沙增加了585.9萬t。人類活動對上游輸沙量增加的貢獻率占26.43%，而降雨量對徑流量的增加貢獻率占73.57%。結(jié)果表明：在克孜爾水庫上游輸沙量在突變年份之后，降水是影響輸沙量的主要因素。此區(qū)域地表植被的覆蓋率不是很高，氣溫較高，蒸發(fā)量很大，一定程度上導致地表土壤疏松，在降水時候會沖刷地表，帶走疏松的土壤進入河道；此區(qū)域的水土保持措施不是很完善，隨著時間的推移，原有的水土保持措施已漸漸失去了當初的效果，不能滿足當前的需求，需結(jié)合現(xiàn)狀進一步推進水土保持工作的開展。

2.2.2 太陽活動對徑流量與輸沙量的影響 采用前文的基于小波分析法的EMD分解周期法，求解出太陽活動的小波方差分析圖(圖10)。由圖10可知，IMF1分量具有兩個明顯的峰值，其準周期為16 a和31 a；IMF2分量存在一個明顯的峰值，其準周期為31 a；IMF2分量無明顯峰值；IMF4分量存在一個明顯的峰值，其準周期為23 a。

圖10 太陽黑子活動EMD分量的小波方差圖

克孜爾水庫上游年徑流量存在7 a、17 a、30 a左右的主周期，第一主周期是30 a。在15～18 a和26～32 a尺度上，年徑流量和太陽黑子相對數(shù)序列具有相似的主周期，但兩個周期在較短的時間尺度上是不同的。以年徑流量變化為代表的7 a周期與黑子活動無關，而17 a和30 a周期應主要受黑子活動影響，并且與黑子活動密切相關。徑流量的增大會影響河流中攜帶的泥沙，進一步影響克孜爾水庫的入庫輸沙量，輸沙量的周期波動性與徑流量緊密相關，徑流量的變化受到太陽活動的影響，輸沙量同時也因徑流量的變化而受到影響。

2.2.3 ENSO對徑流量及輸沙量的影響分析 厄爾尼諾-南方濤動(El Nio-Southern Oscillation，ENSO)是熱帶太平洋最顯著的海氣耦合信號，暖、冷位相分別表現(xiàn)為厄爾尼諾事件和拉尼娜事件[17]。ENSO事件在南疆地區(qū)表現(xiàn)的周期性為：20世紀1980年之前和20世紀90年代末期表現(xiàn)出6 a的周期性，20世紀80年代到90年代中期表現(xiàn)出準4 a的周期變化，1995年后這種周期有變長的趨勢。這與克孜爾水庫水沙變化的6～9 a的短周期一致，可以推測出克孜爾水庫水沙受ENSO信號的調(diào)節(jié)。分析二者之間的關系，可以發(fā)現(xiàn)水沙變化周期相比較ENSO事件具有3～4 a的滯后，這是因為ENSO對新疆雨季降水的影響具有明顯的滯后性，新疆降水和ENSO之間存在著一種物理的遙相關關系[18]。

3 討論

水沙變化趨勢性分析方法主要包括雙累積曲線法、滑動平均法以及Spearman秩相關分析法等[19]；水沙變化突變性分析主要采用Pettitt檢驗法、Mann-Kendall非參數(shù)秩檢驗法、水文情勢突變指標法及有序聚類法等[20-21]；水沙周期性分析主要采用灰譜分析、EMD分解、極大熵譜分析以及小波分析法等[22-23]。本文對趨勢性判斷采用的是線性趨勢法及Mann-Kendall秩次檢驗法，得到的結(jié)果與實際情況相符合，對于水沙的未來趨勢預測還有待深入研究，依據(jù)其過去的數(shù)據(jù)分析未來趨勢；對突變點采用有序類聚法、Mann-kendall非參數(shù)檢驗方法和滑動t檢驗法分析其突變的年份，在文中對徑流量的突變檢驗結(jié)果可以得到統(tǒng)一結(jié)論，對輸沙量的突變檢驗結(jié)果偏差很大，需要結(jié)合水庫的實際情況進行判斷。本文采取的3種突變檢驗方法是否適合輸沙序列的突變檢驗，還需要深入研究。水沙序列周期的分析采用基于小波分析的EMD分解方法，其重要的環(huán)節(jié)為數(shù)據(jù)系列的分解，經(jīng)典模態(tài)分解在本文已做闡述，對水沙序列分解的方法不同，其精度是否會提高，仍需繼續(xù)研究。本文主要分析了降水、人類活動、太陽活動及ENSO現(xiàn)象對水沙變化的影響，至于其他影響水沙變化的因素還需進一步研究。對于克孜爾水庫上游流域而言，大氣環(huán)境變化導致的冰川融水也會對其流域的水沙變化造成一定的影響，靠冰川積雪融水補給河流，是該流域的一大特色，需要深入研究。

4 結(jié)論

1) 克孜爾水庫壩址處入庫徑流量及輸沙量整體上均呈增加趨勢。壩址處入庫徑流量及輸沙量發(fā)生由少至多的突變年份分別為1994年、1992年。入庫徑流量存在3種時間長度，表現(xiàn)為6～9 a、15～18 a、26～32 a，周期具體表現(xiàn)為7 a、17 a、30 a；輸沙量存在3種時間長度，表現(xiàn)為5～7 a、10～13 a、25～28 a，周期具體表現(xiàn)為6 a、11 a、26 a；徑流量及輸沙量的第一主周期分別為30 a、26 a。

2) 徑流量在突變年份之后，實測累積徑流量增加0.82×108m3，人類活動對徑流量增加貢獻率占-385.37%，而降水對徑流量的增加貢獻率占485.37%；輸沙量在突變年份之后，實測累積輸沙增加585.9×104t。人類活動對輸沙量增加的貢獻率占26.43%，而降水對輸沙量的增加貢獻率占73.57%。

3) 年徑流量變化表現(xiàn)的7 a周期與太陽黑子活動關系不大，而17 a和30 a周期應主要是受太陽黑子活動的影響，與太陽黑子活動關系緊密?？俗螤査畮焖呈蹺NSO信號的調(diào)節(jié)，水沙變化周期相比較ENSO事件具有3～4 a的滯后，這是因為ENSO對新疆雨季降水的影響具有明顯的滯后性。