新疆滾滾鐵里克河1960年～2019年徑流量分析

徐敬東

（阿克蘇水文勘測(cè)局,新疆 阿克蘇 843000）

1 引言

水資源與所有生物的基本生存息息相關(guān),影響著生態(tài)文明的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。河川徑流是人們生活用水和社會(huì)工業(yè)用水的主要來源,是制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[3-4]。徑流變化規(guī)律已成為現(xiàn)代水科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一,是實(shí)現(xiàn)流域水資源綜合管理和可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)工作[5-6]。

滾滾鐵里克河平時(shí)干旱無水,氣溫升高導(dǎo)致的融冰、融雪徑流大多入滲補(bǔ)給地下水,與夏季強(qiáng)降雨混合可能導(dǎo)致山洪爆發(fā),目前尚未被開發(fā)利用,無系列水文資料。因此本文選取卡拉蘇站的月平均徑流資料,對(duì)滾滾鐵里克河徑流變化特征進(jìn)行研究。運(yùn)用等值線圖法、同氣候帶流域平均高程與徑流深關(guān)系、地區(qū)綜合年徑流量模比系數(shù)法,推算滾滾鐵里克河年徑流量。

2 研究區(qū)概況

滾滾鐵里克河,又名古古提力克河、固古提尼克河,位于烏什縣境內(nèi)、科克留木蘇河?xùn)|側(cè),發(fā)源于天山南脈南麓,為托什干河左岸支流,山口以上河長(zhǎng)31 km,流域集水面積342 km2。地形東北高西南低,由東北向西南傾斜,山高谷深,山勢(shì)陡峭,高差達(dá)3500 m以上,屬典型的大陸性氣候,多年平均氣溫9.1℃,多年平均降水量104.8 mm。徑流主要來自于冰雪融水和暴雨及泉水補(bǔ)給。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

3.1.1 水文站網(wǎng)

根據(jù)水文產(chǎn)、匯流成因相似,地域相近,氣候條件一致,下墊面相近的原則,本次擬選用阿俄、克爾古提、拜城和卡拉蘇水文站的水文資料資料做參證,這些水文站的產(chǎn)、匯流條件基本滿足,其流域面積、流域形狀、下墊面情況也與工程所屬的流域相近。觀測(cè)項(xiàng)目包括水位、流量、降水、蒸發(fā)、氣溫、水質(zhì)等,資料系列長(zhǎng)度為33年以上連續(xù)系列,可以滿足設(shè)計(jì)需要。

3.1.2 水文資料

多年平均年徑流深、徑流系數(shù)、徑流離差系數(shù)、降水量、水面蒸發(fā)量等值線圖,包括多年平均懸移質(zhì)含沙量分布圖及侵蝕模數(shù)分區(qū)圖等來源于阿克蘇水文水資源勘測(cè)局已編制的阿克蘇河流域地表水資源評(píng)價(jià)成果及新疆水文總站。

3.2 研究方法

本文從徑流年際變化的趨勢(shì)性、突變性和徑流年內(nèi)分布的不均勻性、集中程度及變化幅度等方面研究卡拉蘇水文站的徑流變化特征。采用等值線圖法、同氣候帶流域平均高程與徑流深關(guān)系及地區(qū)綜合年徑流量模比系數(shù)法計(jì)算滾滾鐵里克河多年平均年徑流量。

（1）年際變化趨勢(shì)性研究：M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法[5-6]。

（2）年際變化突變性研究：M-K突變檢驗(yàn)法[7]。

（3）年內(nèi)分配特征研究：不均勻系數(shù)、集中期和集中度[8]、極值比[9]。

各研究方法的原理參考標(biāo)注文獻(xiàn),在此不再贅述。研究區(qū)季節(jié)和水文期劃分：春季為3月～5月、夏季為6月～8月、秋季為9月～11月、冬季為12月～次年2月；1月～3月為非汛期（汛前）、5月～9月為汛期、10月～12月為非汛期（汛后）。

3.3 選定參證站

表1為參證站模比系數(shù)匯總表,從表中可以看出以降水產(chǎn)流為主的卡浪溝呂克水文站2018年～2020年3年年徑流量普遍比多年平均值偏小,以冰川和永久性積雪為產(chǎn)流為主的拜城水文站（臺(tái)勒維丘克河）2018年～2020年三年年徑流量普遍比多年平均值偏大。產(chǎn)流（降水產(chǎn)流、冰雪產(chǎn)流）相近的卡拉蘇水文站、克爾古提水文站,其2018年～2020年年徑流分布型式與滾滾鐵里克河有較大的相似性和同步性?？ɡ藴蠀慰怂恼竞桶莩撬恼居捎诋a(chǎn)流方式有較大的差異,其2018年～2020年年徑流分布型式與烏依布拉克河存在一定的差異。

表1 參證站模比系數(shù)對(duì)比表

由于產(chǎn)流（補(bǔ)給來源）、匯流對(duì)年際、年內(nèi)變化起到了關(guān)鍵性作用,因此,應(yīng)采用以卡拉蘇水文站、克爾古提水文站為主,阿俄水文站一同輔助做參證站分析計(jì)算滾滾鐵里克河年際、年內(nèi)變化。但滾滾鐵里克河沒有長(zhǎng)系列水文資料,本次采用同一氣候帶卡拉蘇水文站資料做代表性分析,分析水文資料的代表性。

4 結(jié)果分析

4.1 徑流量年際變化

4.1.1 趨勢(shì)性分析

1960年～2019年卡拉蘇水文站徑流量年際變化趨勢(shì)見圖1。由圖1可見,1960年～2019年卡拉蘇水文站年平均徑流量在3.87 m3/s～15.4 m3/s之間波動(dòng),2002年的平均徑流量最大,2015年的平均徑流量最小,總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。從多年徑流量特征值來看,1960年～2019年卡拉蘇水文站多年平均年徑流量為2.46×108m3,徑流變差系數(shù)CV值為0.17。2002年為最豐年,年徑流量為4.825×108m3,1968年為最枯年,年徑流量為1.491×108m3。從中可見,徑流變差系數(shù)CV值較小,最豐水年徑流量為最枯水年徑流量的3.24倍,說明卡拉蘇河流域?yàn)榇淼耐愋土饔蚰陱搅髁磕觌H變化較大。

圖1 1960年～2019年卡拉蘇水文站徑流量年際變化趨勢(shì)

不同研究時(shí)期徑流年際變化M-K趨勢(shì)性診斷結(jié)果見圖2。若Z＞0,則徑流序列呈上升趨勢(shì)；反之則呈減小趨勢(shì)。圖2表明,徑流年際變化趨勢(shì)與線性擬合結(jié)果一致,水文站平均徑流量呈上升趨勢(shì),且通過0.05顯著性檢驗(yàn)。從不同季節(jié)的平均徑流量變化情況來看,春夏秋冬四季均呈上升趨勢(shì),春季呈不顯著上升趨勢(shì),夏秋冬三季均呈顯著上升趨勢(shì)。

圖2 卡拉蘇臺(tái)蘭水文站不同時(shí)期徑流年際變化M-K趨勢(shì)性診斷結(jié)果

4.1.2 突變性分析

本文對(duì)卡拉蘇水文站的徑流進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn),若UF（UB）＞0,徑流序列呈增大趨勢(shì),反之則呈減小趨勢(shì)。UF超過Uα臨界線的部分為發(fā)生突變的時(shí)間區(qū)域,需要重點(diǎn)關(guān)注[5]。UF和UB兩條曲線產(chǎn)生交點(diǎn)的時(shí)刻是突變開始的時(shí)間?？ɡK水文站年徑流量M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 1960年～2019年卡拉蘇臺(tái)蘭水文站年徑流量M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知,卡拉蘇水文站年平均徑流序列可能發(fā)生突變的年份為1960年～1975年、1977年、1983年、1984年、1985年、1987年～1992年、1994年～2019年,卡拉蘇水文站徑流量的UF曲線在1982年以前介于-1～1.96之間,表明變化曲線趨勢(shì)和突變不明顯。1982年以后UF曲線超過臨界值,表明徑流增加趨勢(shì)十分明顯。在0.05的置信水平下,卡拉蘇水文站的徑流在1981年左右發(fā)生突變。

4.2 徑流量年內(nèi)分配

把研究區(qū)劃分為7個(gè)時(shí)段,分別為1960年代、1970年代、1980年代、1990年代、2000年代、2010年代及全時(shí)期1960年～2019年,繪制各時(shí)段卡拉蘇水文站的徑流量年內(nèi)月平均分配過程線（圖4）。卡拉蘇水文站不同時(shí)間段年內(nèi)分配曲線均呈“單峰”形態(tài)。1970年代、1980年代、1990年代、2000年代及1960～年2019年的峰值出現(xiàn)在7月,而1960年代和2010年代的峰值出現(xiàn)在8月。多年平均徑流量季節(jié)分配比例為：春季占比15.54%,夏季占比63.47%,秋季占比16.14%,冬季占比4.85%。多年平均徑流量水文期分配比例為：汛前占比4.53%,汛期占比87.23%,汛后占比8.24%。

圖4 1960年～2019年不同時(shí)段卡拉蘇水文站徑流量年內(nèi)月平均分配過程線

綜合分析徑流年內(nèi)分配過程線（圖4）和年內(nèi)分配特征值（表2）,卡拉蘇水文站1960年代、1980年代、1990年代及2010年代徑流年內(nèi)不均勻系數(shù)都比1960年～2019年全時(shí)期高,可知卡拉蘇水文站4個(gè)時(shí)期的徑流量年內(nèi)分配比較不均勻,其中當(dāng)屬1990年代最為不均勻,2000年代徑流年內(nèi)分配在所有時(shí)期中最為均勻,在各時(shí)期的分配均勻程度中變化不明顯。在變化幅度方面,徑流量年內(nèi)相對(duì)變化幅度最大的是1990年代,相對(duì)變化幅度最小的是2000年代；在集中程度方面,徑流量年內(nèi)分配最為集中的是1990年代,集中程度最低的是2000年代,各時(shí)期的徑流量集中期皆分布在7月。2000年代徑流量年內(nèi)分配特征值與其他時(shí)期相比表現(xiàn)出明顯差異。

表2 1960年～2019年不同時(shí)段卡拉蘇水文站徑流年內(nèi)分配特征值

4.3 多年平均年徑流量計(jì)算

4.3.1 等值線圖法

滾滾鐵里克河為無資料地區(qū),按規(guī)范要求,對(duì)缺乏實(shí)測(cè)徑流資料地區(qū),多年平均年徑流深等值線圖法是推求調(diào)查斷面多年平均年徑流量的基本方法。本區(qū)域采用自治區(qū)水文局編制的新疆地表水資源評(píng)價(jià)1956年～2000年多年平均年徑流深等值線圖量算。此等值線圖在進(jìn)行阿克蘇水資源評(píng)價(jià)時(shí)已經(jīng)過水量平衡計(jì)算及合理性檢查。本文對(duì)該等值線圖進(jìn)行復(fù)核,成果較可靠。計(jì)算得到滾滾鐵里克河多年平均徑流深為185.32 mm,多年平均年徑流量6338.10×104m3。

4.3.2 同氣候帶流域平均高程與徑流深關(guān)系

流域平均高程采用《渭干河流域（拜城盆地）地表水資源評(píng)價(jià)》（1996年通過自治區(qū)水文局評(píng)審）量算值,徑流深采用建站～2020年平均徑流量計(jì)算值。根據(jù)渭干河流域5個(gè)水文站的平均高程與徑流深的關(guān)系,繪制平均高程～徑流深關(guān)系（圖5）。

圖5 渭干河流域各水文站流域平均高程～徑流深關(guān)系

經(jīng)量算滾滾鐵里克河流域出山口斷面以上平均高程2842 m,推算徑流深197.57 mm,徑流量6757×104m3。

4.3.3 地區(qū)綜合年徑流量模比系數(shù)法

本文選用與滾滾鐵里克河有相近的產(chǎn)流阿俄、卡拉蘇和克爾古提水文站歷年實(shí)測(cè)年徑流資料,做出徑流模比系數(shù)頻率曲線,求得設(shè)計(jì)流域參數(shù)變差系數(shù)CV、偏態(tài)系數(shù)CS及設(shè)計(jì)頻率值,結(jié)果見圖6、表3,并根據(jù)設(shè)計(jì)值推算出滾滾鐵里克河設(shè)計(jì)年徑流量。

圖6 地區(qū)綜合年徑流量模比系數(shù)頻率曲線

表3 滾滾鐵里克河設(shè)計(jì)年徑流量計(jì)算成果表 單位：104m3

5 結(jié)論

（1）1960年～2020年卡拉蘇水文站年平均徑流呈現(xiàn)上升趨勢(shì),多年徑流特征值表明以卡拉蘇河流域?yàn)榇淼耐愋偷牧饔蚰陱搅髁磕觌H變化較大。季節(jié)性變化方面,春季呈不顯著上升趨勢(shì),夏秋冬三季均呈顯著上升趨勢(shì)。結(jié)合M-K突變檢驗(yàn)法分析得到卡拉蘇水文站年平均徑流量在1981年發(fā)生突變。

（2）卡拉蘇水文站年內(nèi)分配過程線均呈“單峰”形態(tài)。多年平均徑流量季節(jié)分配比例中夏季占比最大,冬季占比最小。徑流量年內(nèi)相對(duì)變化幅度最大且分配最為集中的是1990年代。相對(duì)變化幅度最小且集中程度最低的是2000年代。

（3）三種方法中“地區(qū)綜合年徑流量模比系數(shù)法”成果稍大,其他兩法成果較為接近,為考慮供水保證,本次推薦采用“等值線圖法”計(jì)算成果作為滾滾鐵里克河設(shè)計(jì)徑流成果。