葉爾羌河徑流演變規(guī)律與變異特征

何 兵， 高 凡， 閆正龍， 藍(lán) 利

(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. 陜西測(cè)繪地理信息局， 陜西 西安 710054)

1 研究背景

近百年來(lái)全球平均地表溫度上升0.85℃[1-2]，氣候變化疊加不斷增強(qiáng)的人類(lèi)活動(dòng)，全球范圍內(nèi)流域、陸面、海洋等水文循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了顯著變化[3]。河川徑流作為水文循環(huán)的基本環(huán)節(jié)和水量平衡的基本要素，受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)驅(qū)使，徑流序列產(chǎn)生了不同程度變異，導(dǎo)致干旱、洪水、高溫?zé)崂说葮O端水文事件頻發(fā)，不僅威脅全球水安全，而且制約人類(lèi)生存與發(fā)展。此外，徑流序列變異導(dǎo)致其一致性假設(shè)破壞，對(duì)于水文分析與模擬以及水資源規(guī)劃與利用極為不利。因此，科學(xué)認(rèn)識(shí)以徑流為主要指征的水循環(huán)過(guò)程及其變化，是合理利用水資源的前提，對(duì)于認(rèn)識(shí)水文機(jī)理，應(yīng)對(duì)徑流變化具有重要價(jià)值。

中國(guó)氣候變化與全球氣候變化總趨勢(shì)一致。1987年起，新疆以天山西部為主的地區(qū)出現(xiàn)了氣候向暖濕化轉(zhuǎn)型的強(qiáng)勁信號(hào)[4-5]。干旱區(qū)內(nèi)陸河流產(chǎn)流于山區(qū)，耗散于綠洲和荒漠，山區(qū)徑流主要補(bǔ)給來(lái)源是冰川積雪融水和山區(qū)降水，對(duì)氣候變化格外敏感，區(qū)域微小的氣候變化即會(huì)引起徑流量較大幅度的波動(dòng)[6]。研究干旱區(qū)內(nèi)陸河流出山口徑流序列演變規(guī)律與變異特征，對(duì)于識(shí)別氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響下的水文循環(huán)響應(yīng)機(jī)理、科學(xué)管理和合理調(diào)度干旱區(qū)水資源具有重要的理論及實(shí)踐意義。

葉爾羌河地處塔里木盆地西南部，是塔里木盆地西部最大的河流，也是塔里木河源流之一，灌溉著新疆最大的綠洲。由于塔里木河屬于純耗散型河流，本身不產(chǎn)流，因此，葉爾羌河徑流序列的變化事關(guān)塔里木盆地西部綠洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展和荒漠生態(tài)保育[7]。關(guān)于我國(guó)西北干旱區(qū)及新疆氣候變化研究成果較多[8]，已有研究指出，新疆暖濕化轉(zhuǎn)型信號(hào)顯著，新疆大多數(shù)內(nèi)陸河流域包括葉爾羌河流域氣溫、降水的變化特征與新疆氣候變化趨勢(shì)一致[7]。然而，基于此背景下的葉爾羌河徑流序列響應(yīng)及突變、變異診斷成果較少，且已有研究多集中于應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法分析徑流序列的特征值、趨勢(shì)性、持續(xù)性、周期性及突變點(diǎn)方面。黃強(qiáng)等[8]認(rèn)為，水文學(xué)中的變異點(diǎn)和突變點(diǎn)是不同的，變異點(diǎn)是突變點(diǎn)，突變點(diǎn)不一定是變異點(diǎn)。凌紅波等(2012)[6]、張賢芳等(2012)[7]、程立崢等(2008)[9]、孫本國(guó)等(2006)[10]、王修內(nèi)等(2012)[11]通過(guò)對(duì)葉爾羌河出山口不同時(shí)間尺度徑流序列的突變分析結(jié)果均顯示，1993年為徑流序列的突變點(diǎn)。然而，該突變點(diǎn)是否是變異點(diǎn)，尚無(wú)定論?；诖?，本研究在前人研究基礎(chǔ)上，選取葉爾羌河源流區(qū)出山口卡群水文站1957-2015年59a實(shí)測(cè)月徑流序列，采用年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cn、相對(duì)變化幅度Cm、集中度Cd、集中期D、年際徑流均值、最大流量及出現(xiàn)時(shí)間、最小流量及出現(xiàn)時(shí)間、年際極值比等多指標(biāo)，運(yùn)用累積距平法、Mann-Kendall法、R/S法等多方法，在揭示葉爾羌河徑流演變規(guī)律基礎(chǔ)上，采用非線(xiàn)性分析方法——排列熵法(Permutationentropy，PE)進(jìn)行徑流序列變異點(diǎn)診斷，以期在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上認(rèn)識(shí)氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)影響下的葉爾羌河徑流演變規(guī)律、變異特征及驅(qū)動(dòng)因素，其成果對(duì)實(shí)現(xiàn)全流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

葉爾羌河是新疆18條大河(多年平均徑流量10×108m3以上)之一，發(fā)源于喀喇昆侖山北坡，河源至河口全長(zhǎng)1 078km，為塔里木河流域“四源一干”水系格局的重要組成部分，多年平均河川徑流量68.75×108m3(見(jiàn)圖1)。葉爾羌河屬典型的西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流，徑流補(bǔ)給來(lái)源主要為冰川融雪補(bǔ)給(占70%左右)，海拔5 000m以上的高山帶年產(chǎn)水量占卡群水文站年徑流量的74.3%，自卡群水文站出山口控制斷面以下為徑流耗散區(qū)，形成2.5×104km2綠洲區(qū)，同時(shí)也是河流開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵河段，擁有新疆最大、全國(guó)第四的葉爾羌河灌區(qū)(灌溉面積0.5×104km2)，同時(shí)，受冰雪融水的季節(jié)性影響，葉爾羌河徑流主要集中在6-9月(約占全年徑流總量的80%)。

隨著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，水資源開(kāi)發(fā)利用程度不斷提高，河流春灌缺水、夏洪突出，鹽漬及沙化趨勢(shì)加劇，向塔里木河生態(tài)輸水嚴(yán)重不足，平原水庫(kù)蒸發(fā)滲漏損失嚴(yán)重，水資源供需矛盾突出，生產(chǎn)生活擠占生態(tài)用水等共同構(gòu)成了葉爾羌河現(xiàn)存的水資源開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)保護(hù)問(wèn)題。

圖1 葉爾羌河水系及水文站示意圖

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選取葉爾羌河出山口水文站——卡群水文站1957-2015年共59a實(shí)測(cè)月徑流序列資料、以及1962-2015年共53a實(shí)測(cè)月降水和氣溫序列資料。卡群水文站位于葉爾羌河下游出山口，地理坐標(biāo)為N37.98°、E76.90°，測(cè)站海拔1 370m，控制斷面以上河長(zhǎng) 645km，集水面積50 248km2。

2.3 研究方法

流域水文循環(huán)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，河川徑流量受氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)影響，其時(shí)間序列變化過(guò)程具有階段性、趨勢(shì)性和突變性等特征。本研究采用多指標(biāo)、多方法分析葉爾羌河出山口卡群水文站近60年徑流序列的演變規(guī)律與變異特征，限于篇幅關(guān)系，本研究采用的指標(biāo)及方法見(jiàn)表1，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)。

表1 本研究運(yùn)用的指標(biāo)及方法一覽表

徑流年內(nèi)分配的不均勻性由年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cn、相對(duì)變化幅度Cm指標(biāo)反映；徑流年內(nèi)分配的集中程度由集中度Cd和集中期D指標(biāo)反映；徑流年內(nèi)過(guò)程的變化趨勢(shì)運(yùn)用Mann-Kendall法；徑流年際特征及年際變化的起伏程度采用年際徑流均值、最大流量及出現(xiàn)時(shí)間、最小流量及出現(xiàn)時(shí)間、年際極值比指標(biāo)反映；徑流年際變化趨勢(shì)、階段性和持續(xù)性分別運(yùn)用Mann-Kendall法、累積距平法、R/S法進(jìn)行分析；在此基礎(chǔ)上，分別運(yùn)用常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析方法Mann-Kendall法和非線(xiàn)性分析方法——排列熵法(Permutationentropy，PE)診斷葉爾羌河年徑流序列的突變點(diǎn)和變異點(diǎn)并進(jìn)行兩種方法診斷結(jié)果的對(duì)比；運(yùn)用相關(guān)分析法進(jìn)行徑流序列變異的歸因分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流變化特征分析

3.1.1 徑流年內(nèi)變化特征分析 葉爾羌河卡群水文站1957-2015年近60年多年平均徑流量年內(nèi)分配過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖2，可以看出，其年內(nèi)徑流過(guò)程線(xiàn)呈明顯“單峰型”，年內(nèi)分配極不均勻，且主要集中在6-9月，徑流量達(dá)53.03×108m3，占年總徑流量的79.4%；從徑流年內(nèi)分配過(guò)程線(xiàn)的季節(jié)變化看，夏季徑流量>秋季徑流量>冬季徑流量>春季徑流量，徑流量主要集中在夏季，占全年徑流量68.05%。

圖2 卡群水文站多年平均徑流量年內(nèi)分配過(guò)程線(xiàn)

年份CrCnCdCm極值比1957-19601961-19701971-19801981-19901991-20002001-20102011-2015多年平均0.660.580.590.650.580.580.560.581.211.161.221.231.161.141.041.170.670.660.680.660.650.640.590.6522.0116.8219.9218.6414.9214.8913.4316.931.521.881.771.712.091.641.492.17

葉爾羌河卡群水文站按年代際劃分的徑流年內(nèi)分配指標(biāo)特征值見(jiàn)表2、圖3。葉爾羌河出山口徑流年內(nèi)分配各特征值變化趨勢(shì)大致相同即呈波動(dòng)減小趨勢(shì)。在顯著水平α=0.05、臨界值±1.96條件下，采用Mann-kendall法分析各指標(biāo)變化趨勢(shì)，結(jié)果表明各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)量U<0且U>Uα/2=-1.96(見(jiàn)表3)，各指標(biāo)波動(dòng)減小趨勢(shì)不顯著，在20世紀(jì) 50年代至80年代呈波動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)入20世紀(jì)90年代，特別是2000年后，各指標(biāo)呈現(xiàn)出不顯著減小趨勢(shì)，指示徑流年內(nèi)分配趨于均勻化。

圖3 卡群水文站年代際劃分的徑流年內(nèi)分配特征值變化過(guò)程線(xiàn)

CrCnCdCm極值比-1.25-1.65-1.55-1.85-0.75

3.1.2 徑流年際變化特征分析 葉爾羌河卡群水文站1957-2015年徑流量變化過(guò)程見(jiàn)圖4?？ㄈ核恼径嗄昶骄鶑搅髁繛?6.04×108m3，年最大徑流量和最小徑流量分別為94.93×108m3(2012年)和43.82×108m3(1965年)，極值比2.17。年徑流量呈鋸齒形波動(dòng)狀態(tài)，且呈增多趨勢(shì)。

圖4 葉爾羌河卡群水文站年徑流變化過(guò)程線(xiàn)及M-K趨勢(shì)圖

依據(jù)R/S法[11]，葉爾羌河卡群斷面1957-2015年長(zhǎng)系列Hurst指數(shù)H=0.51>0.5，指示該徑流序列呈微弱的正持續(xù)性，即徑流變化呈微弱的持續(xù)增加趨勢(shì)。依據(jù)累積距平法[17]，葉爾羌河卡群斷面1957-2015年徑流序列呈顯著的階段性變化特征(見(jiàn)圖5)，其中，1957-1961年和1993-2015年為顯著的徑流增加時(shí)段，表現(xiàn)為兩個(gè)顯著豐水期；1961-1984年為徑流頻繁波動(dòng)且呈微減少趨勢(shì)時(shí)段，該時(shí)段徑流量呈豐枯交替且總體上豐水期小于枯水期的變化特征； 1984-1993年為徑流量顯著減少階段，即進(jìn)入枯水期?？傮w看，年徑流量累積距平值絕大多數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明在此期間持續(xù)枯水年多于豐水年。

圖5 葉爾羌河卡群水文站1957-2015年徑流累積距平分析

3.2 徑流突變分析

運(yùn)用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法分析葉爾羌河卡群斷面長(zhǎng)系列(1957-2015)年徑流變化的突變特征，Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，在顯著水平α=0.05、臨界值為±1.96的條件下，其統(tǒng)計(jì)量U=2.57>Uα/2=1.96>0，UF和UB曲線(xiàn)在1959-2015年前后期波動(dòng)明顯，在1997年UF和UB曲線(xiàn)有1個(gè)交點(diǎn)，且UF隨后呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，表明1997年徑流發(fā)生了突變，并且在20世紀(jì)90年代后徑流量呈波動(dòng)增多趨勢(shì)。

圖6 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果

3.3 徑流變異點(diǎn)診斷

基于Mann-Kendall法進(jìn)行時(shí)間序列的突變特征診斷會(huì)因不同時(shí)間序列長(zhǎng)度得到不同的判斷結(jié)果，因此，無(wú)法辨識(shí)徑流序列是發(fā)生了位相或頻率變化還是序列本質(zhì)發(fā)生了變化[12,21-22]，且無(wú)法判斷突變點(diǎn)是否是變異點(diǎn)。本文采用變異點(diǎn)診斷的非線(xiàn)性方法——排列熵法(Permutationentropy，PE)進(jìn)行葉爾羌河卡群斷面徑流序列的變異點(diǎn)診斷。排列熵法算法簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，可以有效辨識(shí)變異點(diǎn)性質(zhì)及變異年份位置，是一種有效的徑流變異診斷方法。運(yùn)用該法，基于卡群水文站1957-2015年59a月徑流時(shí)間序列，取滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度L=5a(60個(gè)月)，滑動(dòng)步長(zhǎng)h=1a，嵌入維數(shù)m=5，計(jì)算每個(gè)滑動(dòng)窗口下的PE值，結(jié)果見(jiàn)圖7。可以看出，排列熵值變化在1980年處于頻繁波動(dòng)狀態(tài)，1980年后出現(xiàn)了明顯的峰谷變化趨勢(shì)，其中1997年為極小值，說(shuō)明徑流序列在1997年發(fā)生了變異，在變異年前后均呈現(xiàn)下降-上升交替出現(xiàn)的情形。Mann-Kendall法和PE法均驗(yàn)證1997年為該徑流序列的突變點(diǎn)，也是變異點(diǎn)。為進(jìn)一步驗(yàn)證排列熵法的可靠性，計(jì)算該突變年前后徑流量序列的均值。計(jì)算結(jié)果表明，1997年前徑流量均值為63.30×108m3,1997年后為71.79×108m3,1997年前后徑流量均值相差8.49×108m3，說(shuō)明突變年前后徑流量相差較大，突變后徑流趨于增加，進(jìn)一步驗(yàn)證1997年為徑流序列變異點(diǎn)。

圖7 卡群水文站PE檢驗(yàn)結(jié)果

流域徑流變化既受長(zhǎng)期氣候因素演變影響，也與人類(lèi)活動(dòng)有關(guān)，二者對(duì)于徑流量變化都具有重要價(jià)值。葉爾羌河卡群水文站以上基本無(wú)人為灌溉和分流，受人類(lèi)干擾較小，影響徑流變化的主要因素是氣候因素，其源流區(qū)氣溫、降水的變化決定了地表徑流的年內(nèi)年際變化和空間分布差異。已有文獻(xiàn)指出[9,23-24],葉爾羌河流域降水量主要集中在6-9月，且7-8月降水量與年徑流量呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系；全球氣候變暖和新疆暖濕化轉(zhuǎn)型趨勢(shì)下，塔里木盆地的氣候變化呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)差異，主要表現(xiàn)在年和冬季氣溫與年和夏季降水的顯著增加趨勢(shì)，同時(shí)，葉爾羌河氣溫暖濕化轉(zhuǎn)型趨勢(shì)顯著，并與新疆及整個(gè)西北地區(qū)氣候變化一致。本研究根據(jù)卡群水文站1962-2015年逐月徑流、氣溫和降水資料，分析葉爾羌河出山口徑流量與氣溫、降水相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)表4)。從表4可以看出，徑流量與年平均氣溫、年平均降水表現(xiàn)為不顯著正相關(guān)關(guān)系，其中，徑流量與年平均氣溫相關(guān)系數(shù)大于與年平均降水相關(guān)系數(shù)；徑流量與夏季平均氣溫，尤其是7-8月平均氣溫表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.80和0.81；徑流量與夏季平均降水量，尤其是7-8月平均降水量表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.54和-0.57。綜合分析表明，氣溫，特別是夏季7-8月平均氣溫為葉爾羌河徑流量變化的主要影響因素，且在1995年前后發(fā)生突變[12,25]。由于葉爾羌河徑流主要來(lái)源于冰川融雪補(bǔ)給(占77.4%)，又由于氣溫對(duì)葉爾羌河徑流量變化的影響主要是通過(guò)影響其冰川和積雪融水速度來(lái)間接影響徑流量，且冰川積雪融水具有滯后性，因此，對(duì)徑流變化影響具有滯后性，故氣溫在1995年發(fā)生突變后徑流在1997年發(fā)生了突變，且該突變點(diǎn)為變異點(diǎn)。

表4 葉爾羌河卡群站1962-2015年徑流量與

注：“*”表示通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)，即表現(xiàn)為顯著。

4 結(jié)論及建議

(1)葉爾羌河卡群水文站長(zhǎng)系列(1957-2015年)徑流年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在6-9月，占年總徑流量的79.4%，反映徑流年內(nèi)分配的各指標(biāo)Cr、Cn、Cd、Cm長(zhǎng)系列(1957-2015年)變化趨勢(shì)大致相同，均呈微弱的波動(dòng)減小趨勢(shì)，但趨勢(shì)性不顯著，各指標(biāo)在20世紀(jì)90年代后，特別是進(jìn)入2000年后，均表現(xiàn)出不顯著減少趨勢(shì)，表明徑流年內(nèi)分配趨于均勻化。

(2)葉爾羌河卡群水文站長(zhǎng)系列(1957-2015年)年徑流量變化呈顯著增多趨勢(shì)且為正持續(xù)性(H=0.51>0.5)，呈現(xiàn)出明顯的階段性變化特征，其中1957-1961年和1993-2015年為顯著徑流增加時(shí)段，總體看，1957-2015年持續(xù)枯水年多于豐水年。

(3)采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法分析得出，徑流序列在1997年發(fā)生了突變，PE變異點(diǎn)檢驗(yàn)證實(shí)了該徑流序列在1997年發(fā)生了變異，即突變點(diǎn)為變異點(diǎn)，突變年前后徑流量均值相差8.49×108m3，突變后徑流序列趨于增加趨勢(shì)。

(4)葉爾羌河卡群水文站以上基本無(wú)人為灌溉和分流，受人類(lèi)干擾較小，影響徑流變化的主要因素是氣候因素，相關(guān)分析結(jié)果表明，氣溫，特別是夏季7-8月平均氣溫(相關(guān)系數(shù)為0.81)為葉爾羌河徑流量變化的主要影響因素，且在1995年前后發(fā)生突變。由于葉爾羌河徑流主要來(lái)源于冰川融雪補(bǔ)給(占77.4%)，又由于氣溫對(duì)葉爾羌河徑流量變化的影響主要是通過(guò)影響其冰川和積雪融水速度來(lái)間接影響徑流量，且冰川積雪融水具有滯后性，因此，對(duì)徑流變化影響具有滯后性，故氣溫在1995年發(fā)生突變后徑流在1997年發(fā)生了突變，且該突變點(diǎn)也為變異點(diǎn)。

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