魏 霞, 楊正華, 張振鵬, 路志強, 孫 超, 王 強, 牟 極, 馬春霞

(1.蘭州大學 資源環(huán)境學院, 蘭州 730000; 2.甘肅省水利廳 水土保持中心, 蘭州 730020; 3.甘肅省水文站, 蘭州 730000)

徑流和輸沙是一種重要的水文現象,徑流量和輸沙量變化是全球共同關注的問題[1]。作為重要地表水資源的徑流量是制約西北干旱地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸[2-4]。輸沙量客觀反映流域水土流失強度變化的重要指標[5],是河流健康和水環(huán)境影響的重要因素[6]。徑流量和輸沙量主要受流域氣候條件、下墊面類型和人類活動強度等因素影響[5,7]。近年來,在全球變暖和高強度人類活動影響的大背景下,流域水文氣象和下墊面條件發(fā)生了劇烈變化,致使一些河流的徑流量和輸沙量大幅減少,尤其是黃河流域的輸沙量從20世紀每年16億t銳減至21世紀的每年2.5億t左右[6-8]。但內陸河流域水系的徑流量和輸沙量變化趨勢卻不相同,比如,石羊河年徑流總體呈明顯下降趨勢,黑河呈略有增加趨勢[9]。疏勒河位于祁連山西段,是河西走廊第二大內陸河水系[10-11],在我國西部生態(tài)安全和經濟發(fā)展中有著十分重要的戰(zhàn)略地位[2,12]。然而,目前,有關疏勒河的研究主要集中在上游出山徑流的變化及其對氣候變化的影響方面[13-16],對疏勒河流域徑流量和輸沙量變化規(guī)律的系統(tǒng)研究較少涉及。鑒于此,本文分析疏勒河流域徑流輸沙變化的趨勢性、突變性和周期性等規(guī)律,研究對區(qū)域生態(tài)環(huán)境修復治理、西部生態(tài)安全戰(zhàn)略實施具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

疏勒河流域位于祁連山西段,位于東經96°15′—98°30′E,北緯39°40′—41°00′N,東起白楊河,西止于黨河,是河西走廊三大內陸河流域之一,干流全長945 km,流域面積4.13萬km2,黨河是其最大的支流[5]。流域屬典型大陸性荒漠型氣候,四季多風,冬季寒冷,晝夜溫差大,是我國極度干旱的地區(qū)之一。年均降水量為40.2～57.5 mm,主要集中在6—9月[17],年均蒸發(fā)量為2 577.4～2 653.2 mm,年均氣溫為6.9～8.8℃[18]。植被覆蓋差,以戈壁和裸巖石質地為主,生態(tài)環(huán)境十分脆弱。流域內有世界文化遺產——莫高窟、月牙泉、陽關和玉門關等,是我國“一帶一路”生態(tài)文明建設實施的重要節(jié)點區(qū)域[18]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

根據收集到的徑流泥沙資料,本研究選取疏勒河干流的昌馬堡站、潘家莊站,黨河的黨城灣站等3個水文站的實測徑流泥沙資料進行分析。表1為所選水文站詳細信息。

表1 疏勒河流域代表水文站特征值Table 1 Hydrological Characteristic Values of Representative Stations in Shule River Basin

2.2 研究方法

采用線性趨勢分析和5 a滑動平均方法,分析年徑流和年輸沙年際變化趨勢并檢驗其顯著性水平,具體方法描述見文獻[1,19];采用Mann-Kendall(M-K)非參數突變檢驗分析法確定年徑流量和年輸沙量存在的突變點,具體計算方法詳見參考文獻[1,20-21];采用小波分析法研究徑流輸沙周期變化特征,具體計算方法詳見參考文獻[22-23]。

3 結果與分析

3.1 徑流量和輸沙量趨勢分析

圖1和圖2分別為所選疏勒河流域3個代表性水文站實測年徑流量和年輸沙量線性趨勢和滑動平均變化圖。由圖1A可知,1956—2016年昌馬堡站的實測年徑流量呈明顯增大趨勢(p<0.001)。從5 a滑動曲線可知,1972—1997年昌馬堡年徑流量偏小,年平均徑流量為8.78×108m3,1998年后的徑流量明顯增加,1998—2016年的年平均徑流量為13.03×108m3,相比1972—1997年增加了48.4%。由圖1B可知,潘家莊1956—2016年的實測徑流量呈現上升趨勢,且通過了0.05顯著性檢驗。從5 a滑動曲線可知1972—1976年、1983—1998年的徑流量偏小,平均徑流量分別為2.18×108m3,2.13×108m3,2002年后的徑流量明顯增加,2002年以后的年徑流量為3.54×108m3,相比1972—1976年、1983—1998年分別增加了62.4%和66.2%。由圖1C可知,黨城灣1966—2016年實測徑流量呈現上升趨勢,且通過了0.001顯著性檢驗。從5 a滑動曲線可知,1971—1976年和1997—2016年的徑流量偏小,年徑流量分別為3.06×108m3,3.74×108m3,1981—1994年徑流量偏大,年平均徑流量分別為3.88×108m3,相比1971—1976年、1997—2016年分別增加了26.8%和3.7%。

圖1 疏勒河流域代表水文站徑流量線性趨勢和滑動平均

圖2 疏勒河流域代表水文站輸沙量線性趨勢和滑動平均

由圖2A可知,昌馬堡1956—2016年的實測年輸沙量呈現上升趨勢(p<0.05)。從5 a的滑動平均可知,昌馬堡的年輸沙量在1973—1976年、1982—1994年、2008—2015年偏小,年均輸沙量分別為187.2萬t,235.1萬t,335.6萬t,1995—2007年的輸沙量明顯增加,年均輸沙量為492.8萬t,相比1973—1976年、1982—1994年、2008—2015年分別增加了163.2%,109.6%,46.8%。由圖2B可知,潘家莊1959—2016年的實測年輸沙量呈現上升趨勢,但是上升趨勢不明顯,從5 a的滑動平均可知、1972—1976年、1982—1994年、2009—2016年的年輸沙量偏小,年輸沙量分別為132.14萬t,123.71萬t,221.75萬t,1995—2007年輸沙量增加,年輸沙量333.92萬t,相對于1972—1976年、1982—1994年、2009—2016年增加了152.7%,169.9%,50.6%。由圖2C可知,黨城灣1972—2016年實測輸沙量呈現上升趨勢,但上升趨勢不明顯。從5 a滑動曲線可知1982—1994年、2001—2005年、2011—2016年的輸沙量偏小,分別為58.82萬t,68.7萬t,1996—2000年、2006—2010年的年輸沙量較大,分別為93.38萬t,124.54萬t。

綜上可知,疏勒河流域3個代表水文站的徑流量都呈現顯著的增加趨勢,昌馬堡站、潘家莊站和黨城灣站的徑流量分別通過了0.001,0.05,0.001的顯著性檢驗。疏勒河流域3個代表水文站的輸沙量都呈現增加趨勢,但僅有昌馬堡站的輸沙量遞增趨勢通過了0.05顯著性水平檢驗,其余兩站的遞增趨勢均不顯著。此外,由圖1A和1B的縱坐標可知,疏勒河干流從上游到下游徑流量和輸沙量均呈現逐漸減小的趨勢。

3.2 徑流量和輸沙量突變分析

圖3和圖4為3個水文站年徑流量和年輸沙量的Mann-Kendall(MK)統(tǒng)計量序列圖。由圖3A可知,昌馬堡站年徑流量M-K值的UF曲線呈波動遞增趨勢,1998年后呈現顯著直線增大趨勢,且這種趨勢在2001年以后超過0.05顯著水平臨界線,此外,根據曲線UF和UB交點可知昌馬堡站年徑流量突變發(fā)生在1999年。

圖3 疏勒河流域代表水文站年徑流量Mann-Kendall統(tǒng)計值

圖4 疏勒河流域代表水文站年輸沙量Mann-Kendall統(tǒng)計值

由圖3B可知,潘家莊站年徑流量M-K值的UF曲線在1956—1997年呈波動遞減趨勢,且1975年超過0.05顯著水平臨界線。1998年后呈明顯遞增趨勢,且在1998—2006年遞增趨勢超過0.05顯著性水平臨界線;由曲線UF和UB交點可知,潘家莊站年徑流量在2016年發(fā)生突變。由圖3C可知,黨城灣站年徑流量M-K值的UF曲線在1968年后呈遞減趨勢,這種趨勢在1984年后超過0.05顯著水平臨界線;由曲線UF和UB交點可知,黨城灣站年徑流量在1981年發(fā)生突變。

由圖4A可知,昌馬堡站輸沙量M-K值的UF曲線呈波動上升趨勢,且這種趨勢在2010—2012年超過0.05顯著水平臨界線,根據UF和UB交點可知,昌馬堡站輸沙量突變發(fā)生在1998年。由圖4B可知,潘家莊站年輸沙量M-K值的UF曲線在1959—1962年呈顯著下降趨勢,年輸沙量遞減,1962年后呈波動式遞增趨勢,表明潘家莊年輸沙量呈上升趨勢,但這種趨勢僅在2010—2012年超過0.05顯著水平臨界線,由曲線UF和UB交點可知,潘家莊站年輸沙量突變發(fā)生在1998年。由圖4C可知,黨城灣站年輸沙量M-K值的UF曲線在1972—1975年呈遞減趨勢,這種趨勢在1973—1975年超過0.05顯著水平臨界線。1975—2016年呈現遞增趨勢,但僅在1976年超過0.05顯著水平臨界線。由于曲線UF和UB無交點,故黨城灣站年輸沙量無突變發(fā)生。

綜上可知,疏勒河流域3個代表站的年徑流量均發(fā)生突變,昌馬堡站、潘家莊站和黨城灣站的徑流量發(fā)生突變的年份分別為1999年,2016年,1981年,疏勒河干流昌馬堡站和潘家莊站的輸沙量在1998年發(fā)生突變,但是支流黨河黨城灣站的輸沙量未發(fā)生突變。突變的發(fā)生與流域的氣象因素(降雨和溫度)和下墊面人類活動(水庫水電站的修建、引水工程、河道采砂等)有關,但是由于未收集到流域內水土保持措施的逐年實施資料,故無法深入分析突變發(fā)生主要影響因素,但此研究可為該流域的徑流輸沙變化規(guī)律的歸因分析提供重要參考。

3.3 徑流量和輸沙量周期分析

通過對3個代表性水文站徑流量和輸沙量小波系數實部等值線分析可得:昌馬堡站徑流量存在50～60 a,25～35 a,10～15 a,5～10 a,0～5 a共5類時間尺度的周期變化。徑流在50～60 a尺度上經歷了由正相位變負相位的循環(huán)變化,在25～35 a尺度上經歷了5次振蕩,在10～15 a,5～10 a,0～5 a的尺度上頻繁變化,且具有全局性特征。昌馬堡年徑流量的主周期為58 a,31 a,14 a,9 a和5 a,其中,58 a主周期的小波方差最大,說明徑流在58 a時間尺度上周期性最顯著,58 a時間尺度上的年徑流變化周期為38 a。潘家莊站徑流量存在55～65 a,30～40 a,10～15 a共3類時間尺度的周期變化。55～65 a尺度經歷了由正相位變負相位的循環(huán)變化,在30～40 a尺度經歷了5次振蕩,在10～15 a尺度具有全局性特征。潘家莊站徑流量的主周期為59 a,32 a和14 a,其中,59 a主周期的小波方差最大,說明潘家莊站年徑流在59 a時間尺度上周期性最顯著,59 a時間尺度上的年徑流變化周期為38 a。黨城灣實測年徑流量變化存在50～60 a,35～50 a,0～8 a共3類時間尺度的周期變化,黨城灣徑流量的主周期為55 a,42 a和5 a,其中,55 a主周期的小波方差最大,說明黨城灣徑流在55 a時間尺度上周期性最顯著,但55 a超出了研究時域50 a,故42 a主周期控制著黨河徑流變化,42 a時間尺度上的年徑流變化周期為26 a。

輸沙量周期特征與徑流量周期特征基本一致,存在40～55 a,20～25 a,10～15 a,5～10 a,0～5 a共5類時間尺度的周期變化。10～15 a和0～5 a兩個時間尺度具有全局性。輸沙量主周期為48 a,23 a,14 a,7 a和5 a,其中,48 a主周期小波方差最大,說明輸沙量在48 a時間尺度上周期性最顯著,48 a時間尺度上的年輸沙量變化周期為32 a。輸沙量周期變化與徑流量較為一致,存在30～50 a,10～20 a,0～10 a等3類尺度周期變化,其中30～50 a和10～20 a經歷了5次振蕩,在0～10 a尺度具有全局特征。潘家莊站輸沙量的主周期為37 a,14 a,8 a和5 a,其中,37 a主周期的小波方差最大,說明37 a時間尺度上周期性最顯著,37 a時間尺度上的年輸沙量變化周期為24 a。黨城灣實測輸沙量變化存在10～20 a,5～10 a的兩類尺度的周期變化,黨城灣輸沙量的主周期為16 a和8 a,其中,16 a主周期的小波方差最大,說明黨城灣徑流在16 a時間尺度上的周期性最顯著,16 a時間尺度上的年輸沙量變化周期為10 a。

綜上可知,疏勒河流域3個代表站昌馬堡站、潘家莊站和黨城灣站的徑流量和輸沙量都呈現出多時間尺度的演化特征,昌馬堡站的徑流量變化主周期分別為58 a,31 a,14 a,9 a和5 a,第一主周期58 a時間尺度上的年徑流變化周期為38 a,輸沙量主周期為48 a,23 a,14 a,7 a和5 a,第一主周期48 a時間尺度上的年輸沙量變化周期為32 a;潘家莊站流量變化的主周期為59 a,32 a和14 a的周期性,第一主周期59 a時間尺度上的年徑流變化周期為38 a,輸沙量主周期為37 a,14 a,8 a和5 a,第一主周期37 a時間尺度上的年輸沙量變化周期為24 a;黨城灣徑流量的主周期為42 a和5 a,42 a主周期時間尺度上的年徑流變化周期為26 a,輸沙量主周期為16 a和8 a,16 a時間尺度上的年輸沙量變化周期為10 a。

4 討 論

本研究對疏勒河干流和主要支流黨河的3個水文站長時間序列的實測年徑流量和年輸沙量變化規(guī)律特征進行了分析,結果表明年徑流量和年輸沙量都呈現增加趨勢,這主要是因為全球變暖,冰川積雪消融的緣故,因為疏勒河的徑流補給一部分來自降雨,一部分來自冰川積雪的消融,研究結果與李培都[9]的研究結果一致,均認為疏勒河的徑流量存在增加趨勢,但有關疏勒河的輸沙研究較少,嚴宇紅的研究也認為疏勒河的輸沙存在遞增趨勢[6]。

研究表明昌馬堡站、潘家莊站和黨城灣站實測年徑流量突變的分別發(fā)生于1999年、2016年和1982年,昌馬堡站和潘家莊站的輸沙量突變均發(fā)生于1998年,黨城灣的輸沙沒有突變。已有關于疏勒河徑流泥沙突變的研究有,孫美萍等認為昌馬堡站徑流量在1999年發(fā)生突變[2],郭小琴等認為黨城灣站徑流量1977年發(fā)生突變[24],孫棟元等認為昌馬堡站和潘家莊站年流量分別于1998年、2012年突變[10],李培都等認為昌馬堡站、潘家莊站和黨城灣站徑流量分別于2004年、2010年、1983年發(fā)生突變[9],嚴宇紅等[6]認為昌馬堡站、潘家莊站、黨城灣站輸沙量突變都發(fā)生于1998年。本研究結果與已有研究結果存在出入的主要原因是所采用的實測徑流輸沙資料系列長度不同所致,比如嚴宇紅采用的實測資料系列是建站至2012年,李培都等[10]采用的實測資料系列是1972—2011年,孫美萍等[2]采用的是1954—2016等。

疏勒河流域昌馬堡年徑流量的主周期為58 a,31 a,14 a,9 a和5 a,潘家莊站徑流量存在59 a,32 a,14 a的周期性,黨城灣徑流量存在42 a,5 a的周期性。昌馬堡年輸沙量主周期為48 a,23 a,14 a,7 a和5 a,潘家莊站輸沙量存在37 a,14 a,8 a和5 a的周期性,黨城灣輸沙量存在16 a,8 a的周期性。這個結果與李培都等[9]對疏勒河流域徑流周期變化的研究所得結論基本一致。存在出入的主要原因還是采用時間系列不同,李培都等采用的實測資料系列是1972—2011年。

5 結 論

(1) 3個水文站的徑流量和輸沙量均存在增大的趨勢,且徑流量增大的趨勢均大于相應站的輸沙量增加趨勢,昌馬堡站、潘家莊站和黨城灣站的徑流量增加趨勢分別通過了0.001,0.05,0.001的顯著性檢驗。僅有昌馬堡站的輸沙量遞增趨勢通過了0.05顯著性水平檢驗,其余兩站的遞增趨勢均不顯著。

(2) 除支流黨河黨城灣站的輸沙量未發(fā)生突變以外,3個水文站的徑流量和輸沙量均有突變發(fā)生,昌馬堡站、潘家莊站和黨城灣站徑流分別在1999年、2016年和1982年發(fā)生突變,昌馬堡站和潘家莊站的輸沙量突變均發(fā)生于1998年;同一水文站輸沙量的突變的發(fā)生滯后于徑流量的突變。

(3) 疏勒河流域3個代表站昌馬堡站、潘家莊站和黨城灣站的徑流量和輸沙量都呈現出多時間尺度的演化特征,昌馬堡徑流量主周期為58 a,31 a,14 a,9 a和5 a,潘家莊徑流量的主周期為59 a,32 a,14 a的周期性,黨城灣徑流主周期為42 a和5 a。昌馬堡輸沙量主周期為48 a,23 a,14 a,7 a和5 a,潘家莊輸沙量主周期為37 a,14 a,8 a和5 a,黨城灣輸沙量主周期為16 a和8 a。