新疆瑪納斯河徑流統(tǒng)計(jì)特征分析

艾來(lái)提江·謝熱甫丁

（烏魯木齊水文勘測(cè)局，新疆 烏魯木齊 830000）

瑪納斯河地處于準(zhǔn)噶爾盆地中南部南緣，是新疆和西北北方干旱的代表性內(nèi)河。瑪納斯河流域已經(jīng)恢復(fù)為新疆最大的農(nóng)業(yè)用水地區(qū)和中國(guó)第四大灌溉區(qū)。新疆具有非常典型的地理?xiàng)l件，氣候特點(diǎn)，但是，由于水資源的過(guò)度消耗，大量農(nóng)業(yè)農(nóng)用水取自瑪納斯河，原本用于維持生態(tài)平衡的生態(tài)用水也被人們開(kāi)發(fā)利用于生活用水中。水資源供需的矛盾日復(fù)一日的加大，大量開(kāi)發(fā)地表水資源導(dǎo)致瑪納斯流域內(nèi)的地下水水位急速下降，植被覆蓋度大量降低，河流和湖泊的面積縮減，土地出現(xiàn)沙漠化。如何將瑪納斯河流域的水資源進(jìn)行合理化的可持續(xù)利用已經(jīng)成為了該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略因素[1]。

1 研究區(qū)概況

瑪納斯河地處于新疆中部，流域總面積為26.55萬(wàn)km2，東邊發(fā)源于塔西河，西邊到達(dá)巴音郭河，南至伊拉哈大廈，北至馬納斯湖，河流的總長(zhǎng)度達(dá)到450 km。由于瑪納斯流域在大陸腹地的干旱地區(qū)，主要的氣候特點(diǎn)為干旱。河流的徑流主要由高山地區(qū)的融雪產(chǎn)生，瑪納斯地區(qū)有6條支流，全年總流量222 億 m3。

2 研究方法

2.1 年內(nèi)分配不均勻系數(shù)

年內(nèi)降雨不均勻系數(shù)Cut，計(jì)算公式為[1]：

式中：Crt為降雨量的年內(nèi)不均勻系數(shù)；Ui為各個(gè)月份的平均降雨量；U為年內(nèi)月均降雨量。Crt數(shù)值越大，下一年的月降水量差異越大，年內(nèi)分布不均。徑流的年平均分布也用這個(gè)系數(shù)來(lái)衡量。

2.2 完全調(diào)節(jié)系數(shù)

完全調(diào)節(jié)系數(shù)的公式為：

式中：σ 為年內(nèi)流量均方差；R（i）為月平均流量，m3/s；r為年平均流量；Cur為完全調(diào)節(jié)系數(shù)。

2.3 集中度和集中期

通過(guò)矢量運(yùn)算法，可以計(jì)算出年降雨量的集中度與集中期的取值。降雨集中度是指以矢量形式累積的每個(gè)月的流出量，各成分的合計(jì)占年流出量的比例。意義是反映年流出量。降雨集中期是指流出矢量的合成后的方向，各個(gè)月反映了年間流出集中度的中心出現(xiàn)的月份，用每個(gè)月總量的和比的arctan角來(lái)表示。集中度和集中期的計(jì)算方式是將一年內(nèi)所有月份的徑流作為為矢量，月徑流量的大小是矢量的長(zhǎng)度，將12個(gè)月按360°均分為矢量的方向，將月徑流分解為X、Y方向的分量，然后分別進(jìn)行X、Y方向的矢量合成[3]：

式中：RCDyear為年徑流集中度；RCPyear為年徑流集中期；Rx，Ry為降雨徑流的分量。

復(fù)合矢量的方向指示最大月徑流發(fā)生的月份，即集中期，集中度反映了集中期徑流值與年總徑流的比例。

2.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文利用瑪納斯河上部的肯斯瓦特水文站1955年～2015年徑流、降水及氣溫資料，資料來(lái)自水利部信息中心，為同步系列資料，對(duì)測(cè)站個(gè)別缺失資料進(jìn)行插補(bǔ)延展。

3 研究結(jié)果

3.1 徑流量年際變化

由圖1可以看出，1965年～1975年瑪納斯河的徑流量與年均值相差不大，1955年～1965年和1975年～1995年的平均徑流量的值比年均徑流量的值均要小，1996年～2015年的平均徑流量大于年平均徑流量?，敿{斯河的最大年徑流量產(chǎn)生于1999年，為21.3億m3。徑流最小值出現(xiàn)于1991年約為9.17億m3。1970年的徑流量比1960年總計(jì)消減了約8.7%。1980年后，徑流量比1970年平均增長(zhǎng)超過(guò)2.53%，1990年比1980年升高13.24%，2000年以后，徑流量比20世紀(jì)90年代平均增長(zhǎng)約5.13%，近年來(lái)，全國(guó)平均年徑流量比1970年增長(zhǎng)約2.87%，由于流域氣溫逐年增高，融雪量增加，導(dǎo)致該流域的徑流趨勢(shì)呈現(xiàn)出持續(xù)增大的趨勢(shì)。

圖1 徑流量年際變化圖

3.2 徑流不均勻性分析

徑流年分布會(huì)表現(xiàn)出一定的季節(jié)性規(guī)律，根據(jù)瑪納斯河流域1955年～2015年的月徑流資料，按公式計(jì)算得到年分配的不均勻系數(shù)C，見(jiàn)圖2。

圖2 均勻性的年內(nèi)分配圖

由圖2可以看出，徑流不均勻系數(shù)CL隨時(shí)間推移而減小，說(shuō)明瑪納斯河年徑流分布趨于均勻，而年徑流分布則充分調(diào)整了系數(shù)Cr；隨著時(shí)間推移，曲線波動(dòng)趨勢(shì)與非均勻系數(shù)基本一致，說(shuō)明兩個(gè)系數(shù)的變化規(guī)律是一致的。從1995年～2005年，這兩個(gè)系數(shù)都表現(xiàn)出很強(qiáng)的波動(dòng)性，顯示出較強(qiáng)的異質(zhì)性和年內(nèi)的集中分布。從1955年～1995年，這兩個(gè)系數(shù)呈鋸齒狀波動(dòng)和下降趨勢(shì)，說(shuō)明當(dāng)年內(nèi)徑流量的總體分布逐漸減弱?？傮w來(lái)看，瑪納斯河年徑流量非均勻性波動(dòng)呈下降趨勢(shì)。

3.3 集中度與變化幅度

根據(jù)瑪納斯河多年徑流資料，繪制了不同時(shí)段的月平均徑流曲線和年徑流分布特征指數(shù)表。如圖3所示，徑流分布的曲線在六月下旬出現(xiàn)一年中唯一的一個(gè)最高值。6月～8月的徑流量占比較高，總計(jì)占全年的73.65%。僅7月份的流量就達(dá)到了全年的1/3左右。主要原因是6月～8月為夏季，氣溫較高，高山融雪所產(chǎn)生的地表徑流變多，由此造成流域內(nèi)的徑流量變大，待積雪融化達(dá)到上限時(shí)，徑流量也會(huì)出現(xiàn)高峰值，因此，徑流量曲線在全年呈現(xiàn)出徑流唯一最大值且產(chǎn)匯流時(shí)間長(zhǎng)的獨(dú)特現(xiàn)象。

圖3 月平均徑流、降雨曲線

根據(jù)上述公式及多年徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 集中度與集中期計(jì)算表

由表1可以看出，隨著時(shí)間的推移，瑪納斯河年徑流趨勢(shì)分布呈現(xiàn)出先增加再減少再增加的趨勢(shì)。自1976年后，該徑流量總體呈上升趨勢(shì)，主要由于氣溫升高產(chǎn)生的融雪量增加。此外，1990年以前，人類對(duì)瑪納斯河流域上游的干預(yù)相對(duì)較小，使得徑流濃度較高。隨著社會(huì)的發(fā)展，流域水資源的開(kāi)發(fā)和水利設(shè)施的增加，對(duì)流域徑流分布產(chǎn)生了多方面的影響。由上表1可以看出，其分布濃度約為67.9%，最大濃度為69.1%，最小濃度為66.3%?？傮w來(lái)看，該流域的徑流量有明顯的降低趨勢(shì)。流域集中期主要集中在七月上旬，不同年份的集中期呈現(xiàn)逐漸提前的趨勢(shì)。

3.4 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)

對(duì)于瑪納斯河1955年～2015年的徑流，除Mann-Kendall參數(shù)外，還采用統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)繪制了UF和UB曲線[5]。當(dāng)UF或UB＞0時(shí)，徑流序列呈上升趨勢(shì)，當(dāng)小于0時(shí)，徑流序列呈下降趨勢(shì)。Mann-kendll非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明，當(dāng)徑流序列超過(guò)臨界值線時(shí)，徑流變化趨勢(shì)較為明顯。變異的開(kāi)始時(shí)間是UB曲線和UF曲線之間的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，曲線的交點(diǎn)必須在臨界區(qū)域內(nèi)[6]。如圖4所示，根據(jù)瑪納斯河年流量的Mann-kendll試驗(yàn)曲線，年流量逐年增加，突變時(shí)間為1995年，交叉口處于臨界區(qū)，但不顯著。2000年以來(lái)，年流量大幅度增加。

圖4 瑪納斯河年徑流量Mann-Kendall檢驗(yàn)曲線

表2考慮變異點(diǎn)的年徑流趨勢(shì)檢驗(yàn)

圖5考慮變異點(diǎn)的趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

表2和圖5分別給出了考慮變化點(diǎn)的瑪納斯河年徑流序列趨勢(shì)試驗(yàn)結(jié)果。1995年以前的徑流序列統(tǒng)計(jì)Un=-0.49表明，1956年～1995年徑流序列有下降趨勢(shì)，但不顯著。1995年以后，徑流序列增加，并通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。因此，瑪納斯流域的徑流量的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為不顯著趨勢(shì)，但在1995年后明顯呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)?？梢詫?995年作為刻畫(huà)年徑流序列變化非均勻性的年份。

4 結(jié)論

本文利用數(shù)學(xué)方法將瑪納斯河的年徑流量進(jìn)行分析。結(jié)果表明，年徑流序列的不均勻系數(shù)和年分布的完全調(diào)整系數(shù)呈下降趨勢(shì)，年徑流分布逐漸趨于均勻。年內(nèi)分布濃度隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)。1995年為徑流序列的變異年，在1995年前后的流域年徑流序列變異較大；Mann-Kendall檢驗(yàn)分析表明，年徑流序列變異點(diǎn)后，時(shí)間段序列的變化趨勢(shì)顯著，診斷結(jié)果表明，1995年是瑪納斯河年徑流序列變化的可靠年份。