新疆阿克蘇河流域洪水演變趨勢研究

蔣軍新，蔡 明，徐永軍，方功煥，李 稚，陳永金

（1.新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆阿克蘇843000；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，新疆烏魯木齊830011；3.聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東聊城252059）

0 引言

洪水災(zāi)害是一種突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)生頻率高、危害嚴(yán)重的氣候災(zāi)害［1］。在過去幾十年，世界各地因洪水造成的損失多達(dá)數(shù)百億美元，造成幾千人死亡［1］。因此，洪水變化研究成為水文學(xué)中的熱點(diǎn)，如洪水頻率與演變分析、洪水工程設(shè)計、洪水預(yù)估與預(yù)警等［2-5］。

在氣候變化背景下，天山山區(qū)水循環(huán)與水文過程發(fā)生了改變，洪水的發(fā)生特征與演變趨勢也相應(yīng)發(fā)生了變化［4，6］。阿克蘇河發(fā)源于天山南坡，由高山區(qū)冰川融水、積雪融水和降水共同補(bǔ)給，對氣候變化響應(yīng)敏感［7］，是北半球中緯度高山區(qū)最具代表性的河流。理解阿克蘇河流域洪水變化對于理解氣候變化背景下中緯度高寒山區(qū)的洪水演變過程具有重要意義。

阿克蘇河擔(dān)負(fù)著850萬畝農(nóng)田的灌溉，養(yǎng)育了阿克蘇地區(qū)維吾爾族、漢族、回族、蒙古族、哈薩克族、柯爾克孜族等150萬人口［8］。近300年來旱洪災(zāi)害呈增加趨勢，且洪水事件較干旱事件明顯［9］。洪水的發(fā)生頻率和強(qiáng)度增強(qiáng)，有記錄的3次最強(qiáng)洪水均發(fā)生在1990年以來［10-11］。毛煒嶧等［12］指出阿克蘇河的洪水與0℃層高度密切相關(guān)；沈永平等［13］分析了近百年來阿克蘇河流域麥茨巴赫冰川湖潰決突發(fā)洪水的演變，發(fā)現(xiàn)冰湖潰決突發(fā)洪水的總量由20世紀(jì)70年代的1×108m3增加到1990年代以來的3×108～4×108m3。隨著氣候變化，阿克蘇河流域的洪水變的更加復(fù)雜，暴雨洪水和融冰融雪洪水發(fā)生了改變。同時，隨著冰川加速融化，末端退縮或平均冰川厚度減薄，導(dǎo)致冰川作用區(qū)的冰湖面積增大，冰湖潰決災(zāi)害事件增多［14］，嚴(yán)重威脅下游公路、橋梁、水電站、水庫等水利工程及工農(nóng)業(yè)發(fā)展［15-16］。在氣候變化背景下，研究阿克蘇河流域的洪水變化趨勢及形成機(jī)制對下游綠洲環(huán)境及財產(chǎn)安全保護(hù)有重要意義。

本文基于長時間序列的阿克蘇河流域逐日出山口流量數(shù)據(jù)，利用塊最大值抽樣方法和超定量閾值（POT）抽樣方法提取了有器測資料以來阿克蘇河流域兩條支流的洪水事件，分析了洪水強(qiáng)度和發(fā)生時間的變化趨勢，并解析了年和季節(jié)最大洪水與氣候變化的關(guān)系。研究成果不僅可服務(wù)于地方防洪與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃，而且對理解天山洪水演變趨勢及災(zāi)害評估可以提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 阿克蘇河流域

阿克蘇河屬于典型的北半球中緯度高山河流，流域總面積5×104km2。阿克蘇河有兩條支流，其中，西支為托什干河，北支為庫瑪拉克河，兩條支流的多年平均徑流量分別為26.63×108m3和47.88×108m3（圖1）。阿克蘇河是唯一一條常年向塔里木河輸水的河流，多年平均下泄塔里木河水量為35.61×108m3，占塔里木河干流補(bǔ)給量的70%～80%，是塔里木河干流最大的補(bǔ)給來源［17］。

阿克蘇河主要由降水、冰川與積雪融水和基巖裂隙水補(bǔ)給［18］。由于補(bǔ)給類型的多樣性，阿克蘇河流域的洪水類型也復(fù)雜多樣，不僅包括暴雨洪水，還有冰川積雪融水產(chǎn)生的洪水和冰川湖潰決突發(fā)洪水。其中，冰湖潰決突發(fā)洪水主要發(fā)生在庫瑪拉克河上的麥茨巴赫冰川湖。麥茲巴赫湖位于中國—吉爾吉斯斯坦邊界的天山托木爾—汗騰格里山區(qū)，在北伊利爾切克冰川表面，受阻于南伊利爾切克冰川并接受來自兩支冰川的融水蓄積而成［15，19-20］（圖1）。麥茲巴赫湖是天山山區(qū)典型的冰川堵塞湖，長3.4 km，寬1.2 km，面積4 km2，平均水深44 m［19］。麥茲巴赫湖的排水機(jī)制主要為冰內(nèi)和冰下水道擴(kuò)大排水［13，21-23］。只有溫度上升到0℃以上時才能產(chǎn)生消融。冰湖潰決突發(fā)洪水受水位和入湖水溫度的雙重影響，當(dāng)達(dá)到一定條件時便發(fā)生潰決。

圖1 阿克蘇河流域水系分布與麥茲巴赫冰川湖位置Fig.1 The hydrological system of the Aksu River and the location of the Metzbach Lake

本文用到的水文數(shù)據(jù)是庫瑪拉克河協(xié)合拉水文站和托什干河沙里桂蘭克水文站的1958—2011年的日流量數(shù)據(jù)（圖1），用來提取阿克蘇河兩條支流的洪水事件。由于阿克蘇河的西大橋水文站受人類活動影響較大，人為調(diào)控因素較強(qiáng)，本文僅分析兩條支流的洪水變化特征，不考慮干流的洪水變化。本文用到的氣象數(shù)據(jù)是有長時間序列的阿克蘇氣象站和阿合奇氣象站的1958—2011年的日氣溫和日降水?dāng)?shù)據(jù)（圖1），分別代表庫瑪拉克河和托什干河的氣候情況。

1.2 阿克蘇河流域洪水提取方法

塊最大值采樣方法就是取一個時間步長（如年、季節(jié)、月份等）內(nèi)的最大日流量作為洪水事件（公式1），但是該方法容易忽略該步長內(nèi)發(fā)生的低于最大洪水事件的其他較大洪水信息，而且對于沒有發(fā)生洪水的時間步長，塊最大值法同樣采集了樣本數(shù)據(jù)［24］。為了克服塊最大值抽樣所具有的缺陷，本文同時利用POT采樣方法對塊最大值采樣進(jìn)行補(bǔ)充，例如洪水發(fā)生次數(shù)、相應(yīng)量級以及峰現(xiàn)時間等信息。本方法在干旱區(qū)內(nèi)陸河流域得到了較好的應(yīng)用［11，25］。

式中：Qi為第i個時間步長（如第i年，第i個春季等）內(nèi)提取的洪水事件，q1，q2，…，qj，…，qn為第i時間步長內(nèi)的日流量序列。

POT方法通過選取超過某一閾值的流量，組成洪水極值序列。閾值的選取非常重要，但是目前還缺乏公認(rèn)的客觀方法［26］。選擇洪峰的主要思路是：在連續(xù)的峰值流量過程中，只能選擇一個最大的峰值。由于阿克蘇河屬于典型的季節(jié)性河流，夏季流量高，冬季低，本文分別考慮不同季節(jié)的流量特征，通過測試不同的閾值，以逐漸增加到作為洪水發(fā)生閾值的備選值［27］。另外，兩個洪峰還必須滿足洪峰獨(dú)立性標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合年平均洪水發(fā)生次數(shù)，選擇滿足平均發(fā)生次數(shù)在1.60～3.00范圍內(nèi)的較大流量作為閾值［28］，最終選取作為不同季節(jié)的閾值，進(jìn)而選取出阿克蘇河流域洪水極值事件的序列［24，29-30］。在形成序列前，采用美國水資源協(xié)會提出的判別標(biāo)準(zhǔn)對洪峰獨(dú)立性進(jìn)行判別［式（2）］。

式中：D為連續(xù)兩個洪峰的間隔時間；A為兩條支流的匯流面積，單位為平方英里，合2.59 km2；Q1和Q2分別為連續(xù)兩個洪峰的量級，單位為m3·s-1?？紤]到不同流域的匯流時間，兩條支流的兩次洪水事件的時間應(yīng)該不小于13 d。不滿足上述條件的連續(xù)洪峰中，只取其中最大一次洪峰。

1.3 洪水變化趨勢檢驗方法

本研究利用非參數(shù)Mann-Kendall秩次統(tǒng)計方法來分析阿克蘇河兩條支流的年和季節(jié)最大洪水的變化趨勢。非參數(shù)Mann-Kendall趨勢檢驗方法廣泛的應(yīng)用于水質(zhì)、徑流、溫度、降水等水文氣象時間序列的趨勢變化檢驗中，其特點(diǎn)是不必先假定樣本的統(tǒng)計分布，在趨勢分析中具有廣泛的應(yīng)用［31-32］。Mann-Kendall秩 次 統(tǒng) 計 方 法 可 用 下 式表示：

其中：

式中：xk、xi為連續(xù)的數(shù)據(jù)值；n為數(shù)據(jù)資料的長度，本文為年數(shù)。在Mann-Kendall檢驗中，當(dāng)|Zc|＞Z1-α/2時，拒絕零假設(shè)。其中，Z1-α/2為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)方差；α為顯著性檢驗水平；Zc為正值表示增加趨勢。當(dāng)Zc的絕對值大于1.28、1.64、2.32時分別表示通過了信度90%、95%、99%的顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于POT方法的洪水事件選取

根據(jù)阿克蘇河兩條支流的年內(nèi)分布特征（圖2），11月—翌年4月為庫瑪拉克河的干季，5—10月為濕季。對于托什干河，由于融雪水占比較高，4月份流量較高，春季洪峰明顯，因此，本文將11月—翌年3月定義為托什干河的干季，4—10月為濕季。利用POT采樣方法，確定協(xié)合拉干季和濕季的閾值均為即77 m3·s-1和730 m3·s-1。在1958—2011年，基于此閾值選取的洪水事件在庫瑪拉克河共出現(xiàn)106次，其中干季17次，濕季89次。托什干河沙里桂蘭克站干季和濕季的閾值分別為40 m3·s-1和360 m3·s-1，在1958—2011年共出現(xiàn)112次洪水事件，其中干季14次，濕季98次，平均每年發(fā)生洪水次數(shù)為2.07次。

圖2 庫瑪拉克河協(xié)合拉水文站和托什干河沙里桂蘭克水文站年內(nèi)流量分布（a）、（c）和年洪水發(fā)生次數(shù)-POT采樣閾值關(guān)系圖（b）、（d）Fig.2 The intra-annual distribution of streamflow（a），（c）and the relationship between the POT thresholds and flood times（b），（d）of the Xiehela station of the Kumarak River and the Shaliguilank station of the Toshgan River

根據(jù)利用POT方法提取的庫瑪拉克河的106次洪水過程和托什干河的112次洪水流量過程，兩條河流的洪水平均持續(xù)時間（從開始上漲到完全消退）分別為10.4 d和8.8 d，上漲時間分別為5.8 d和4.1 d，下降時間分別為4.6 d和4.7 d。其中，庫瑪拉克河的最高洪水持續(xù)時間可達(dá)26 d，從1988年11月26日起漲，在12月12日達(dá)到洪峰，12月22日結(jié)束；托什干河的最高洪水持續(xù)時間為21 d，從1967年4月11日起漲，在4月26日達(dá) 到 峰 值，5月2日結(jié)束。

不同補(bǔ)給類型河流的洪水的年內(nèi)分布不同。以融冰融雪水補(bǔ)給為主的庫瑪拉克河，洪水主要發(fā)生在7—8月，其中7月和8月的洪水發(fā)生次數(shù)分別為37和42次，占洪水總發(fā)生次數(shù)的74.5%。對于托什干河，洪水主要發(fā)生在6—8月，分別發(fā)生了27、32和20次洪水事件，占洪水總發(fā)生次數(shù)的70.5%（圖3）。

圖3 庫瑪拉克河協(xié)合拉水文站和托什干河沙里桂蘭克水文站洪水發(fā)生年內(nèi)分布Fig.3 Intra-annual distribution of flood occurrence at the Xiehela station of the Kumarak River and the Shaliguilank station of the Toshgan River

2.2 基于POT方法的阿克蘇河洪水變化特征分析

阿克蘇河流域兩條支流庫瑪拉克河和托什干河的洪水對降水的響應(yīng)過程可見圖4。由于庫瑪拉克河和托什干河的洪水主要發(fā)生在夏季，圖4僅給出第180～240 d的降水和洪水關(guān)系。協(xié)合拉水文站洪水發(fā)生前15 d降水相對較小，洪水受暴雨影響較小，而對于托什干河，洪水發(fā)生前的降水頻率和強(qiáng)度均較高。由此表明，托什干河更容易形成暴雨洪水，這與庫瑪拉克河和托什干河的徑流補(bǔ)給特點(diǎn)相關(guān)。庫瑪拉克河主要是冰川融水補(bǔ)給，而托什干河主要是降雨和融雪水補(bǔ)給，庫瑪拉克河的洪水對氣溫變化更為敏感［33-35］。

圖4 庫瑪拉克河和托什干河的洪水與降水關(guān)系Fig.4 Relationship between the timing of floods and precipitation of the Kumarak River and the Toshgan River

2.3 基于塊最大值法方法的阿克蘇河洪水變化趨勢

對于庫瑪拉克河，年最大洪水表現(xiàn)出總體增加趨勢，增加速率為8.48 m3·s-1，Mann-Kendall趨勢檢驗的Zc值可達(dá)3.425，顯著性水平為P＜0.01。對于春季最大洪水，同樣表現(xiàn)為增加趨勢，Zc值為2.104，顯著性水平為P＜0.05。夏季最大洪水的變化特征與年最大洪水變化特征類似。對于秋季最大洪水，Zc值為-1.388，表現(xiàn)為不顯著下降趨勢（表1和圖5）。

對于托什干河，年最大洪水表現(xiàn)出總體不顯著增加趨勢，增加速率為3.40 m3·s-1，Mann-Kendall趨勢檢驗的Zc值為1.567。雖然四個季節(jié)的洪水均表現(xiàn)為增加趨勢，但是只有春季、秋季和冬季的洪水表現(xiàn)為顯著增加趨勢，Zc值分別為2.328、2.209和4.619。夏季最大洪水雖然也表現(xiàn)為增大趨勢，但是沒有通過顯著性檢驗。

分析庫瑪拉克河和托什干河的洪水與氣候因子的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，庫瑪拉克河的春季洪水與最高連續(xù)7 d氣溫具有相同的變化特征，二者的相關(guān)性較強(qiáng)，Spearman相關(guān)系數(shù)為0.44（圖5和表1），推測庫瑪拉克河春季洪水主要是由融雪水補(bǔ)給為主。夏季、秋季和冬季洪水大小也與7 d最高氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，并且夏季的洪水大小與氣溫的相關(guān)性通過了顯著性檢驗（P＜0.05）。這主要是由于庫瑪拉克河夏季徑流由冰川融水補(bǔ)給為主，冰川融水補(bǔ)給比例高達(dá)60%［36］。值得注意的是，冬季最大洪水在1988年和1996年分別達(dá)到了528 m3·s-1和720 m3·s-1，遠(yuǎn)大于冬季最大洪水的中位數(shù)值38.7 m3·s-1，這是由于在1988年和1996年的12月份發(fā)生了冰湖潰決突發(fā)洪水，導(dǎo)致河道流量驟增。由于庫瑪拉克河的洪水大部分與麥茲巴赫冰川湖的潰決相關(guān)，而本冰川湖的潰決與氣溫和降水沒有直接關(guān)系［22，37］，而與冰壩的穩(wěn)定性、湖面溫度、補(bǔ)給速度、冰川內(nèi)部儲存水的快速釋放有關(guān)［23］，具有非常強(qiáng)的隨機(jī)性，因此，洪水的變化規(guī)律與最高連續(xù)7 d氣溫和最高連續(xù)3 d降水的變化規(guī)律不甚一致。托什干河的冰川面積相對較小，僅占流域面積的3.43%，冰川融水徑流不足出山口徑流量的20%［33］?？傮w來看，托什干河的洪水增加與氣溫關(guān)系微弱，而受最高連續(xù)3 d降水量影響較大。秋季洪水的增加主要是由于最高連續(xù)3 d降水增加所致。

圖5 庫瑪拉克河和托什干河年際和各季節(jié)洪水、最高連續(xù)7 d氣溫（T7）和最高連續(xù)3 d降水（P3）的變化趨勢Fig.5 The annual and seasonal variations of flood magnitude，seven-day maximum temperature，and three-day maximum precipitation in the Kumarak River and the Toshgan River

表1 庫瑪拉克河和托什干河最大洪水變化的Mann-Kendall檢驗結(jié)果，以及洪水與最高連續(xù)7 d氣溫（T7）和最高連續(xù)3 d降水（P3）之間的相關(guān)系數(shù)Table 1 Trend analysis of the annual and seasonal maximum floods of the Kumarak River and the Toshgan River based on the Mann-Kendall test.The correlation coefficients between flood magnitude and seven-day maximum temperature，three-day maximum precipitation were shown.The superscript star（*）and（**）represent the p-value of the trend analysis or the correlation are less than 0.01 or 0.05，respectively

2.4 基于POT方法的阿克蘇河流域洪水發(fā)生時間變化特征

庫瑪拉克河和托什干河的洪水發(fā)生次數(shù)有增加的趨勢，并且有略提前的趨勢（圖6）。對于庫瑪拉克河，1958—2011年共發(fā)生7次10年一遇的洪水，發(fā)生日期分別為1983年8月21日、1987年8月19日、1994年7月23日、1996年8月14日、1997年7月31日、1999年7月31日和2005年7月15日，對應(yīng)的最高洪峰流量分別為1 700 m3·s-1、1 600 m3·s-1、2 180 m3·s-1、1 590 m3·s-1、1 710 m3·s-1、1 850 m3·s-1和1 620 m3·s-1。對于托什干河，1958—2011年共發(fā)生5次10年一遇的洪水，分別發(fā)生在1969年8月3日、1995年5月10日、1995年6月8日、1999年7月31日和2001年8月17日，對應(yīng)的最高流量分別為989 m3·s-1、1 020 m3·s-1、922 m3·s-1、1 270 m3·s-1和1 110 m3·s-1，對應(yīng)的重現(xiàn)期分別為20年、23年、15年、58年和33年?？梢钥闯觯瑤飕斃撕雍屯惺哺珊痈邚?qiáng)度洪水事件在20世紀(jì)90年代以來頻繁發(fā)生，分別占有器測資料以來總發(fā)生次數(shù)的71%和80%。

圖6 阿克蘇流域洪水發(fā)生時間變化特征Fig.6 Variations of flood magnitude and timing of the Kumarak River（a）and the Toshgan River（b）from 1958 to 2011.The flood timings of the Kumarak River and the Toshgan River of specific period were shown in subplot（c）and（d）

在年內(nèi)分布上，以冰川融水補(bǔ)給為主的庫瑪拉克河的洪水事件趨向于提前發(fā)生，而以積雪融水洪水和暴雨洪水為主的托什干河的洪水發(fā)生時間變得更加分散，表現(xiàn)為春季洪水發(fā)生提前而秋季洪水發(fā)生推遲。這主要是由于在全球變暖背景下，阿克蘇河流域的溫度不斷上升，庫瑪拉克河的冰川融化速度加快，融水增多，導(dǎo)致夏季洪水提前，濕季洪水事件的平均發(fā)生時間約提前了6 d［圖6（c）］。而對于托什干河，主要是4—5月份的洪水有提前趨勢，主要是由于春季融雪水增加所致，平均洪水發(fā)生時間提前了18 d［圖6（d）］。

3 結(jié)論

阿克蘇河流域的產(chǎn)匯流機(jī)制復(fù)雜，多數(shù)洪水屬于混合型洪水。通過分析1958年以來的洪水變化趨勢，可以得出以下結(jié)論：

（1）阿克蘇河流域的庫瑪拉克河和托什干河季節(jié)性強(qiáng)，當(dāng)用POT方法提取洪水事件時，分枯水期和豐水期采用不同的洪水閾值可以更加實(shí)際的提取出洪水事件。在1958—2011年，庫瑪拉克河和托什干河分別提取出洪水事件106次和112次，其中干季分別為17和14次，濕季分別為89和98次。

（2）1958—2011年庫瑪拉克河和托什干河的洪水均表現(xiàn)出增加趨勢。除了庫瑪拉克河的秋季最大洪水表現(xiàn)出降低趨勢外，兩河的季節(jié)洪水均表現(xiàn)為不同程度的增加態(tài)勢。10年一遇洪水事件絕大多數(shù)發(fā)生在20世紀(jì)90年代以后。

（3）在洪水發(fā)生時間上，庫瑪拉克河的濕季洪水發(fā)生時間有提前趨勢，而對于以暴雨產(chǎn)流和融雪產(chǎn)流為主的托什干河，春季洪水的發(fā)生時間有提前趨勢而秋季洪水發(fā)生時間有推后現(xiàn)象，洪水發(fā)生時間更加分散，為水資源管理者帶來挑戰(zhàn)。對于以冰川融水補(bǔ)給為主的庫瑪拉克河，春季、夏季洪水發(fā)生與最高連續(xù)7 d氣溫相關(guān)，而托什干河年洪水以及春季和秋季洪水的發(fā)生與最高連續(xù)3 d降水量相關(guān)。