60多年來車爾臣河流域主要水文要素特征分析

關(guān)鍵詞：水文要素；Mann-Kendall方法；小波分析；趨勢(shì)檢驗(yàn)；車爾臣河

車爾臣河發(fā)源于新疆昆侖山北坡的木孜塔格峰，流經(jīng)且末、若羌兩縣，尾閭為臺(tái)特瑪湖，是塔里木盆地東南緣產(chǎn)水量最大的河流。車爾臣河流域總面積4.74萬km2，多年平均徑流量5.901億m3（且末水文站斷面）。流域行政區(qū)劃包括且末縣、若羌縣以及兵團(tuán)第二師37團(tuán)。流域內(nèi)地區(qū)生產(chǎn)總值共計(jì)31.23億元，總?cè)丝?.43萬人，城鎮(zhèn)化率45.8%，灌溉面積4.49萬hm2，主要種植糧食、棉花、油料、蔬菜和瓜果。

在全球氣候變暖背景下，氣溫、降水及徑流是反映氣候變化的主要水文變量，識(shí)別其趨勢(shì)特征并認(rèn)識(shí)其不同時(shí)間尺度上的變化規(guī)律是水循環(huán)演變研究的重要內(nèi)容。徑流是氣溫、降水變化的重要體現(xiàn)，也是自然界中水循環(huán)的主要環(huán)節(jié)。徑流量是陸地上最重要的水文要素之一，是水量平衡的基本要素。在西北內(nèi)陸干旱區(qū)，由于降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，河川徑流主要來自冰川融雪融冰，并通過山區(qū)水庫(kù)、攔河樞紐、輸水干渠（管道）等水利工程調(diào)蓄，適時(shí)、適量地輸送到人工綠洲，是綠洲生產(chǎn)、生活與生態(tài)的重要水源，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的命脈。任嬋月等采用Mann-Kendall趨勢(shì)分析法，檢測(cè)了全球4469個(gè)水文站點(diǎn)徑流變化趨勢(shì)，結(jié)果表明全球徑流變化以減少趨勢(shì)為主；王玉雪等基于Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)北運(yùn)河流域近51a的降水、徑流變化趨勢(shì)和突變特征進(jìn)行了分析；韓梅等基于十字河流域1961-2008年降水、徑流同期資料，用距平分析法、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)研究區(qū)降雨及主要河流演變趨勢(shì)進(jìn)行了分析；肉孜買買提·阿不來提基于新疆某河流1959-2015年氣溫、降水和年徑流資料，采用累積距平法、M-K檢驗(yàn)以及小波分析等方法分析了其年際變化特征；張琳娜采用泰森多邊形法與M-K突變檢驗(yàn)法對(duì)彬州市降雨徑流特征及變化趨勢(shì)進(jìn)行探討；呂樂婷等基于湯河1970-2014年的降水、徑流量數(shù)據(jù)，利用滑動(dòng)平均、相關(guān)分析、累積距平及M-K突變檢驗(yàn)法，對(duì)降水、徑流變化趨勢(shì)以及兩者間的關(guān)系進(jìn)行了分析；曹志宏等根據(jù)清源河流域1956-2016年觀測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用M-K、線性回歸法分析了6la的降水、徑流變化特征和規(guī)律；周海鷹等利用塔里木河流域近60a的地表徑流、氣溫和降水量資料，通過趨勢(shì)分析、突變檢驗(yàn)、年代際分析等方法分析了徑流時(shí)空變化，探討了徑流變化對(duì)氣溫、降水量變化的響應(yīng)；王軍等根據(jù)錫林浩特市氣象站和錫林河水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Mann-Kend-all法和線性回歸法分析了錫林河流域40a的降水、徑流變化特征和演變規(guī)律；黃惠娟等采用平?jīng)鏊恼練v年實(shí)測(cè)降水、徑流資料，通過基尼系數(shù)、Mann-Kend-all檢驗(yàn)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)涇河上游降水、徑流變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析；陳玉壯等以海流兔河為例，利用連續(xù)小波變換、多時(shí)相趨勢(shì)分析，并聯(lián)合利用離散小波變換和Mann-Kndall秩次檢驗(yàn)法對(duì)1957-2011年的年均徑流分別進(jìn)行了周期、趨勢(shì)以及趨勢(shì)結(jié)構(gòu)分析。

以上研究基于Mann-Kendall檢驗(yàn)、小波分析、累積距平等方法對(duì)氣溫、降水及徑流等主要水文要素在各自研究區(qū)的變化趨勢(shì)及周期等進(jìn)行了客觀分析計(jì)算，這一方面說明了上述研究方法的可行性與普適性，可以在其他研究領(lǐng)域與研究區(qū)進(jìn)行嘗試使用；另一方面，上述研究主要聚焦于我國(guó)中東部季風(fēng)影響區(qū)水文要素變化，但對(duì)于西北內(nèi)陸干旱區(qū)來說，雖有研究，但由于西北地區(qū)地廣人稀、地形條件差異大，各獨(dú)立流域水文氣象各有不同，導(dǎo)致其趨勢(shì)變化也千差萬別。新疆昆侖山北麓的車爾臣河，作為塔里木河流域“九源一干”的重要組成，與塔里木河干流及臺(tái)特瑪湖共同組成了一道綠色屏障，維系著塔里木盆地東南緣綠色走廊生態(tài)安全，是塔里木盆地東南緣且末一若羌新樓蘭經(jīng)濟(jì)帶高質(zhì)量發(fā)展的水資源支撐，同時(shí)也為流域糧食安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)同區(qū)發(fā)展提供水安全保障。迄今為止，關(guān)于車爾臣河流域主要水文要素演變、未來趨勢(shì)發(fā)展及周期變化的研究仍處于空白。開展車爾臣河徑流及氣溫、降水趨勢(shì)、突變檢驗(yàn)及周期分析，可了解未來該區(qū)域環(huán)境變化趨勢(shì)與原因，為流域水資源高效開發(fā)利用提供理論參考與決策依據(jù)。如根據(jù)河道來水情況開展不同來水頻率下水資源優(yōu)化配置，在豐水年實(shí)行彈性配置水量政策，增加糧食作物及荒漠生態(tài)植被供水量，為國(guó)家糧食安全與重要農(nóng)產(chǎn)品供給及流域荒漠生態(tài)保護(hù)修復(fù)提供水資源支撐。在枯水年對(duì)荒漠生態(tài)供水采取輪灌制度（3a或者2a實(shí)現(xiàn)荒漠生態(tài)植被補(bǔ)水）補(bǔ)水，確保生態(tài)植被不退化。車爾臣河流域位置見圖1。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)主要包括車爾臣河且末水文站（且末縣城旁）1957-2021年實(shí)測(cè)徑流資料及同期且末國(guó)家氣象站（且末縣城旁）降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)。

1.2研究方法

通過對(duì)車爾臣河多年長(zhǎng)系列徑流量、降水、溫度等水文氣象要素進(jìn)行分析，對(duì)其年際變化特征、年內(nèi)變化特征、周期性波動(dòng)特征以及趨勢(shì)性特征等進(jìn)行分析。

1.2.1趨勢(shì)分析

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法（以下簡(jiǎn)稱M-K法）是目前水文氣象數(shù)據(jù)分析常用的一種檢驗(yàn)時(shí)間序列變化趨勢(shì)、顯著性及突變點(diǎn)時(shí)間的檢驗(yàn)方法。在檢驗(yàn)時(shí)間序列的突變特性中，通過M-K法得到UFk和UBk兩條統(tǒng)計(jì)量序列曲線，置信度a=0.05時(shí)，將臨界值Uo.os=+1.96的兩條臨界直線繪制于同一張圖上，在臨界值內(nèi)兩條統(tǒng)計(jì)量曲線的交點(diǎn)即為突變開始時(shí)間。

Morlet小波對(duì)徑流序列小波分解后進(jìn)行多時(shí)間尺度分析。小波分析方法隨尺度a的變化過程稱為小波方差圖，其可以反映某一水文序列的多時(shí)間尺度波動(dòng)以及能量隨尺度變化的分布。小波方差圖中曲線的局部最優(yōu)點(diǎn)反映該序列的主要時(shí)間尺度，即主要周期。

2結(jié)果與分析

2.1徑流年際變化

且末水文站1957-2021年65a的實(shí)測(cè)年徑流資料顯示，多年平均流量為18.7m3·s-1，多年平均徑流量為5.901億m3。由圖2分析可知，1957-2021年車爾臣河徑流量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

通過對(duì)且末水文站1957-2021年共65a實(shí)測(cè)年徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出其主要特征值（見表1）。且末水文站徑流系列的變差系數(shù)（Cv）較小，為0.34，表明車爾臣河年際變化相對(duì)穩(wěn)定，偏差系數(shù)（Cs）為1.14。車爾臣河以冰川積雪融水補(bǔ)給為主，年極值比為3.8。

2.2徑流趨勢(shì)特征

利用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法檢驗(yàn)徑流時(shí)間序列的變化趨勢(shì)特征、顯著性及突變點(diǎn)，結(jié)果見圖3。圖3分析表明，1957-2021年車爾臣河徑流整體呈顯著增加趨勢(shì)，其中在1957-2003年處于上升、下降的波動(dòng)狀態(tài)，且呈下降趨勢(shì)的徑流量居多，而在2003年后徑流量整體呈增加趨勢(shì)，且在2013年開始超過了臨界值，表示為顯著增加；在2008年UF與UB兩條曲線產(chǎn)生了交點(diǎn)，在臨界值內(nèi)兩條統(tǒng)計(jì)量曲線的交點(diǎn)即為突變開始時(shí)間，即徑流量在2008年發(fā)生了突變。

2.3徑流周期性變化

采用小波分析對(duì)車爾臣河1957-2021年共65a的徑流序列進(jìn)行分析，小波方差圖和小波等值線圖見圖4和圖5。從小波方差圖分析可以看出，車爾臣河徑流過程存在兩個(gè)主周期，分別為11a和19a，通過小波實(shí)部圖可以看出在11a和19a的主周期下還存在7a和11a小周期。

2.4徑流豐枯變化

徑流豐枯程度的判定一般采用《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T 22482-2008）中的劃分標(biāo)準(zhǔn)，通常采用距平百分率（P）表示：當(dāng)Pgt;20%時(shí)，為豐水；當(dāng)10%

由表2可見，車爾臣河且末水文站各年徑流量中，豐水年占比29%（其中特豐年占20%，偏豐年占9%），平水年占比23%，枯水年占比48%（其中特枯年占34%，偏枯年占14%）。將多年徑流量按從大到小排序后，其中豐水年中特豐年臨界為2020年，徑流量為7.203億m3，偏豐年臨界為2021年，徑流量為6.630億m3；平水年臨界為2004年，徑流量為5.319億m3；偏枯年臨界為1991年，徑流量為4.820億m3，特枯年臨界為1963年，徑流量為3.070億m3。

綜合分析可知，豐水年來水量臨界值為6.630億m3，平水年來水量臨界值為5.319億m3，枯水年來水量臨界值為4.820億m3。

2.5降水和氣溫變化

基于且末氣象站收集的多年氣象要素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)1957-2016年以來的降水量與氣溫進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6與圖7。由圖分析可知，降水量呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，其中降水量最大的年份為2007年，降水量為54.3mm；氣溫總體也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

對(duì)且末氣象站降水量和氣溫的長(zhǎng)時(shí)間序列進(jìn)行分析，結(jié)果見圖8和圖9。分析表明從1963年開始降水量呈上升趨勢(shì)，在2010-2016年達(dá)到顯著性水平，呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)；氣溫于1960年呈下降趨勢(shì)，直到1979年氣溫開始呈上升趨勢(shì)，且于1990年超過臨界值，表現(xiàn)為顯著上升。

2.6主要水文要素關(guān)系分析

1957-2021年，車爾臣河徑流量整體呈顯著增加趨勢(shì)，這與降水量和氣溫的變化趨勢(shì)表現(xiàn)一致。其中徑流系列在1957-2003年間處于上升、下降的波動(dòng)狀態(tài)，而在2003年后徑流整體呈增加趨勢(shì)，且在2013年超過臨界值，表現(xiàn)為顯著增加。由圖3分析可見，徑流系列在2008年與UF和UB兩條曲線產(chǎn)生了交點(diǎn)，表明在此時(shí)間點(diǎn)發(fā)生了突變，即徑流量在2008年發(fā)生突變，這與降水量在2006年發(fā)生顯著增加呈現(xiàn)出一致性。根據(jù)圖3、圖8與圖9可以看出，車爾臣河流域徑流突變發(fā)生在2008年，氣溫突變發(fā)生在1993年，而降水突變分別發(fā)生在1964年與2012年，三者突變年份均不一致，這表明車爾臣河徑流突變?cè)驈?fù)雜，除受氣候變化影響，人類活動(dòng)可能對(duì)其也產(chǎn)生了重要影響。

通過對(duì)流域氣候變化與徑流進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析可知，流域年徑流量與降水量、溫度之間存在顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.355、0.413（置信度為0.05，樣本數(shù)量為60）。車爾臣河水主要來源為上游山區(qū)冰雪融水，受源流氣溫升高影響，冰雪融化加快，導(dǎo)致徑流增加，這間接證明了氣候變化會(huì)影響徑流從而起到調(diào)節(jié)作用。

3討論

由于車爾臣河流域僅有1個(gè)水文站、1個(gè)氣象站點(diǎn)，且均布設(shè)在出山口以下的平原區(qū)，缺乏高山區(qū)水文氣象長(zhǎng)期觀測(cè)資料，站點(diǎn)數(shù)據(jù)代表性不足，從而導(dǎo)致本研究成果不足以全面反映徑流與氣溫、降水的內(nèi)在響應(yīng)關(guān)系，下一步應(yīng)著重開展山區(qū)徑流與氣溫、降水的監(jiān)測(cè)與分析，以及氣候變化背景下流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及生態(tài)保護(hù)修復(fù)相關(guān)研究。

本文僅探討了氣候變化對(duì)車爾臣河徑流變化趨勢(shì)及演變規(guī)律的影響，而徑流變化還受到人類活動(dòng)（如水利工程建設(shè)、農(nóng)業(yè)灌溉、水土保持等）的影響，因此考慮氣候變化和人類活動(dòng)疊加對(duì)徑流變化的綜合影響（包括定量分析人類活動(dòng)、氣候變化對(duì)徑流的影響程度等）也是一個(gè)需要開展研究的問題。

車爾臣河徑流組成中，冰川融雪占比較大。在全球氣候變暖、冰川融雪加劇的背景下，未來車爾臣河來水更加具有不確定性。開展源流區(qū)冰川融雪調(diào)查、建立冰川融雪徑流模型、提高模型預(yù)報(bào)精度，同時(shí)規(guī)劃建設(shè)山區(qū)水庫(kù)，增加水庫(kù)調(diào)蓄水量，以實(shí)現(xiàn)流域水資源優(yōu)化配置，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展提供水資源支撐，也是亟需開展的一項(xiàng)工作。

4結(jié)論

（1）通過對(duì)且末水文站1957-2021年65a徑流長(zhǎng)時(shí)間序列進(jìn)行年際變化分析，得到徑流系列的變差系數(shù)為0.34，表明車爾臣河年際變化相對(duì)穩(wěn)定，偏差系數(shù)為1.14。

（2）車爾臣河1957-2021年間徑流量整體呈顯著增加趨勢(shì)，其中1957-2003年處于上升、下降的波動(dòng)狀態(tài)，且呈下降趨勢(shì)的徑流量居多，而在2003年后徑流量整體呈增加趨勢(shì)，且徑流量在2008年發(fā)生突變。

（3）通過對(duì)小波方差圖和小波等值線圖分析得到車爾臣河徑流過程存在11a和19a的顯著主周期，在主周期內(nèi)還存在7a和11a的小周期。

（4）基于距平百分率法分析得到豐水年來水量為6.630億m3，平水年來水量為5.319億m3，枯水年來水量為4.820億m3。

（5）車爾臣河降水呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中降水最大年份為2007年，降水量為54.3mm；氣溫也呈增加趨勢(shì)。降水在2010-2016年呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)；氣溫開始呈下降趨勢(shì)，直到1979年開始呈上升趨勢(shì)，且于1990年超過臨界值，表現(xiàn)為顯著上升。