精河流域徑流變化特征及其對(duì)降水變化的響應(yīng)

董煜 張立山 陳學(xué)剛

摘要：利用精河水文站1964年-2012年徑流、降雨數(shù)據(jù)，采用M-K檢驗(yàn)、累積曲線模型及交叉小波分析等方法，對(duì)艾比湖流域精河的徑流、降水的變化特征及多時(shí)間尺度相關(guān)進(jìn)行分析，并定量分析了降水變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率。精河年徑流量總體上徑流呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明顯；降雨總體上呈增加趨勢(shì)，且增加趨勢(shì)明顯。精河年徑流量與降水量在多時(shí)間尺度上存在顯著相關(guān)關(guān)系，且以正相關(guān)關(guān)系為主，顯著相關(guān)區(qū)域集中在1986年-1991年在2～4 a的周期帶、1985年-1990年的7 a周期帶、2002年-2011年的 4～5 a周期帶。分析認(rèn)為，近50年來(lái)該流域降水變化對(duì)徑流增加的貢獻(xiàn)率平均為68.4%。

關(guān)鍵詞：徑流；降水；M-K檢驗(yàn)；交叉小波分析；精河流域

中圖分類(lèi)號(hào)：P332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2016）04-0060-05

Abstract：Based on the annual runoff and precipitation data of Jinghe Hydrological Station from 1964 to 2012 in Jinghe River，the paper studied the changing trend and multi-time scale correlation between the annual runoff and precipitation by using the methods of Mann-Kendall test，cross-wavelet test and double mass curve，and the effects of the precipitation change on runoff was also quantitatively analyzed.The results showed that runoff increased insignificantly and precipitation increased significantly，respectively.The multi time scale correlativity was significant between the annual runoff and precipitation in Jinghe River，which was dominated by positive correlation.The significantly correlated regions were the 2～4-year periods during 1986-1991，the 7-year periods during 1985-1990，and the 4～5 year periods during 2002-2011.The result of double mass analysis showed that the increases of runoff in JingheRiver was mainly attributed to precipitation change，and its contribution was 68.4%.

Key words：runoff；precipitation；Mann-Kendall test；cross-wavelet analysis；Jinghe River

河川徑流的時(shí)空變化直接影響區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及生態(tài)環(huán)境安全[1-3]，其受氣象條件、下墊面性質(zhì)、地形地貌以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等多種要素的影響 [4-5]，同時(shí)具有確定性變化和隨機(jī)性變化特性。水資源短缺已成為我國(guó)西北干旱地區(qū)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的主要限制因素。已有研究表明，該地區(qū)氣候由暖干向暖濕化變化的趨勢(shì)[6-7]，已對(duì)區(qū)內(nèi)徑流產(chǎn)生了明顯的影響[ 8-10]。因此在氣候暖濕變化的背景下，有必要研究干旱地區(qū)地表徑流的變化特征及氣候因素對(duì)徑流的影響程度，這對(duì)于干旱地區(qū)合理利用水資源、有效改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、建立先進(jìn)的現(xiàn)代水資源管理觀念、建設(shè)合理符合實(shí)際的干旱地區(qū)流域綜合管理體系具有現(xiàn)實(shí)意義。

艾比湖作為新疆最大的咸水湖，流入的河流因中上游生產(chǎn)、灌溉而大量引水，除博爾塔拉河、精河存在入湖徑流外，其他入湖河流如奎屯河、四棵樹(shù)河、古爾圖河等已斷流 [11]。入湖水量減少，導(dǎo)致湖面積萎縮，湖西北部的湖底干枯，使得鹽塵影響到整個(gè)艾比湖流域生態(tài)安全，對(duì)流域農(nóng)牧業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)及人體健康造成危害[12]。近年針對(duì)艾比湖流域入湖徑流開(kāi)展眾多研究，主要涉及博爾塔拉河、精河徑流與氣溫、降雨關(guān)系、年徑流變化等問(wèn)題[13-19]。但對(duì)于精河月徑流的變化特征趨勢(shì)及是否存在突變變化、徑流對(duì)降水的定量響應(yīng)研究相對(duì)較少。本文采用累積距平、M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)、交叉小波分析等方法，對(duì)徑流與降雨在年際多時(shí)間尺度以及徑流對(duì)降水變化的水文響應(yīng)進(jìn)行分析研究。

1 研究區(qū)域及資料來(lái)源

精河起源于天山山脈婆羅科努山北麓，由南向北流入艾比湖[17]，整個(gè)流域位于精河縣境內(nèi)[20]，流域面積2 150 km²，河流全長(zhǎng)114 km，多年平均年徑流量4.75×10⁸m³，流域范圍介于東經(jīng)81°46′-83°51′E、北緯44°02′-45°10′N(xiāo)。烏圖精河與冬都精河是精河的主要支流，流域地形由南向北部?jī)A斜，主要由山地、洪積地貌、沖積-湖積地貌構(gòu)成，精河縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)主要位于沖積-湖積平原（圖1）。該流域位于中緯度地帶，屬于溫帶干旱荒漠類(lèi)型的大陸性氣候，春季氣溫回升快且不穩(wěn)定，多低溫降雪天氣，秋季降溫迅速。大風(fēng)天氣多出現(xiàn)在春秋兩季，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)生活帶來(lái)諸多影響。

研究數(shù)據(jù)來(lái)源于精河水文站1964年-2012年的逐月徑流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及降水量逐月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（精河水文站位于44°22′N(xiāo)，82°55′E，海拔為619.2 m）。

2 研究方法

Mann-Kendal是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，亦稱(chēng)無(wú)分布檢驗(yàn)，主要特點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，不受少數(shù)異常值的干擾，計(jì)算簡(jiǎn)單、檢測(cè)范圍寬、定量化程度高，是突變檢測(cè)方法中常用的方法，具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[21]。利用在Mann-Kendall進(jìn)行單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)時(shí)，統(tǒng)計(jì)量Zc為正值時(shí)，表示研究序列呈增加趨勢(shì)，Zc為負(fù)值時(shí)表示研究序列呈減少趨勢(shì)。

運(yùn)用Morlet小波變化研究精河徑流與降雨的多時(shí)間尺度的變化特征，小波能量譜定義為

交叉小波分析由交叉譜分析與小波變換兩種方法結(jié)合而產(chǎn)生的一種在時(shí)頻域中分析兩個(gè)信號(hào)相關(guān)性的分析方法[24]，通過(guò)降雨和徑流序列的小波系數(shù)相乘計(jì)算交叉小波譜，可以將降雨和徑流的相關(guān)性關(guān)系在不同的時(shí)間尺度上顯示出來(lái)[25]。

運(yùn)用交叉小波變換譜分析，進(jìn)一步從多時(shí)間尺度的角度研究徑流與降雨在時(shí)頻域中的相關(guān)性，并運(yùn)用置信水平為95%的紅噪聲總體譜進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

流域降水與徑流變化是否一致可以通過(guò)徑流-降水雙累積曲線直觀表示，雙累積曲線呈現(xiàn)為直線，表示降水與徑流變化存在一致性，如果直線發(fā)生偏移，則表示研究流域的降水徑流特征發(fā)生了變化[26]。

3 結(jié)果分析

3.1 精河徑流量與降水量的趨勢(shì)分析

精河年均徑流量（圖2）為4.75×10⁸m³，最大徑流量出現(xiàn)在1988年，為6.01×10⁸m³，最小徑流值出現(xiàn)在1992年，為3.68×10⁸m³，絕對(duì)變化幅度為2.33×10⁸m³。1964年至2012年間，年徑流量呈波動(dòng)變化，但總體上呈增加趨勢(shì)，年徑流增加率為0.176 m³/（s·10a）。流域內(nèi)降水量呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，平均每年增加0.990 8 mm。多年平均降雨量為150.4 mm，最大降水量出現(xiàn)在2003年（249.8 mm），最小值出現(xiàn)在2008年（98.8 mm），絕對(duì)變化幅度為151 mm。通過(guò)圖2的降雨量及徑流量線性趨勢(shì)變化分析，精河徑流量的變化與降水量的變化趨勢(shì)大致相符。

根據(jù)M-K趨勢(shì)分析，年徑流量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Zc =0.844 74Z0.05=1.96，增加趨勢(shì)明顯。

在圖3中，精河9月份徑流量檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量大于0.05水平下的顯著性檢驗(yàn)，這表明在1964年至2012年49年序列中9月份徑流變化呈顯著增加趨勢(shì)。同理，11月份徑流變化與9月相同。2月、7月、8月的徑流量的Zc值處于于0與-1.96之間，表示這三個(gè)月徑流量雖然呈減少趨勢(shì)，但趨勢(shì)變化不顯著。而其他月份的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量值介于0與1.96之間，表明徑流量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)但不顯著。對(duì)于降水量，2月份降雨在49年序列中表現(xiàn)為顯著增加，其他月份在49年序列沒(méi)有顯著變化。

3.2 精河徑流及降雨的多尺度相關(guān)分析

3.2.1 徑流量與降水量年內(nèi)分配特征

從精河域徑流的年內(nèi)分配特征來(lái)看（圖4），徑流主要集中在夏季的6、7、8三個(gè)月，占到年徑流量的63%；在1至5月、9至12月的徑流較少，最大月徑流量為7月。

精河流域降水的年內(nèi)分配特征顯示，降水主要集中在4月-8月，5個(gè)月的降水占到年降水量的69%，1月-3月、9月-12月的降水量較少，與精河最大徑流量月相比，兩者的月分配特征變化存在差異，月降水變化最大值比徑流的變化提前。

3.2.2 徑流量與降水量多尺度特征

應(yīng)用交叉小波對(duì)精河徑流與降水的變化特征及二者不同時(shí)間尺度相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，進(jìn)一步加深對(duì)精河的水文特征了解。

對(duì)精河流域徑流、降水采用Morlet小波函數(shù)進(jìn)行小波變換，得到年徑流及降水的連續(xù)小波譜，見(jiàn)圖5。圖中深色區(qū)為95%置信區(qū)，表示功率譜與置信水平為95%的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜的比值大于1。

從圖5中可以看出，在95%的置信度下：年均徑流量存在3個(gè)顯著周期，分別為1～5 a左右（1964年-1973年）、1～6 a左右（2001年-2012年）和1～7 a左右（1982年-1996年）的周期；降雨只存在1～7 a左右的顯著周期（1977年-2012年）。徑流與降雨在時(shí)頻域中都存在著顯著的、不同尺度的周期。徑流在1～6 a及1～7 a尺度的周期顯著性最高，周期尺度范圍較大。降水的顯著周期與徑流存在一定的差異，通過(guò)置信度95%的顯著性的區(qū)域，降水周期較徑流周期長(zhǎng)，但兩者高能量區(qū)表現(xiàn)出比較好的一致性，且降雨周期尺度涵蓋了徑流的大部分尺度的周期，在小波分析中高能量譜的范圍基本包含了徑流和降水的高能量區(qū)，說(shuō)明流域徑流變化對(duì)降水變化具有積極的響應(yīng)。

圖6中，用實(shí)線和虛線分別表示正、負(fù)相關(guān)關(guān)系，點(diǎn)劃線表示正相關(guān)與負(fù)相關(guān)關(guān)系界線，反映精河年徑流量與降水量之間在不同時(shí)間尺度下相關(guān)性關(guān)系。深色區(qū)域表示小波功率譜與置信水平為95%的紅噪聲總體譜的比值大于1，表示徑流與降雨呈顯著性相關(guān)關(guān)系。

從交叉小波譜看，1964年-2012年精河年降水量與徑流量在不同時(shí)間尺度上以正相關(guān)關(guān)系為主。

3.3 精河降雨變化對(duì)徑流的影響分析

圖7顯示，自1980年開(kāi)始，精河徑流-降水雙累積曲線發(fā)生偏移?？梢詫⑶€發(fā)生偏移前的時(shí)間設(shè)定為基準(zhǔn)期，表示精河徑流受自然因素影響，為天然徑流量。確定基準(zhǔn)期為1964年至1980年，并根據(jù)累積曲線對(duì)精河徑流劃分不同時(shí)段。

依據(jù)基準(zhǔn)期年降水和年徑流資料，建立基準(zhǔn)期內(nèi)的徑流序列R和降水序列P的相關(guān)方程，其方程為：R=0.9152P +178.43，r=0.962。

由年降水量與年徑流量的相關(guān)方程，計(jì)算得出精河不同時(shí)段的徑流量，可近似代表天然徑流量。用基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)與不同時(shí)段的天然徑流量的差值，為此時(shí)段降水變化對(duì)徑流變化的影響值；基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)值與各時(shí)段實(shí)測(cè)值的差值減去降水變化的影響值即為其他因素對(duì)徑流變化的影響值。分析表1可以看出，降水是徑流變化的主要影響因素，影響率平均大于68%，這與相關(guān)研究成果一致[17，20]。因?yàn)閿?shù)據(jù)來(lái)源的水文站為山口水文站，其上游受人類(lèi)影響相對(duì)綠洲帶要較小。其他影響因素可能是溫度、冰川積雪、地表覆被、蒸發(fā)量等原因。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）精河年徑流量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明顯；年降水量總體上呈增加趨勢(shì)，且增加趨勢(shì)明顯。在1964年至2012年49年中，徑流在9月、11月，降雨在2月呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，徑流降雨在其余月份未有顯著增加或減少變化。

（2）精河年徑流量與降水量在多時(shí)間尺度存在顯著相關(guān)關(guān)系，并以正相關(guān)為主，顯著相關(guān)區(qū)域主要集中在1986年-1991年在2～4 a的周期帶、1985年-1990年的7 a周期帶、2002年-2011年的4～5 a周期帶。

（3）通過(guò)運(yùn)用降水-徑流雙累積曲線分析了降水對(duì)徑流變化的影響率，說(shuō)明49年來(lái)，精河降水是導(dǎo)致精河徑流發(fā)生變化的主要因素，對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)率平均為68.4%。

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