1978-2011年呼圖壁河徑流的變化趨勢

王 嵐, 劉志輝,3,4, 姚俊強, 張文娜, 王 元

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 新疆 烏魯木齊 830046;

2.新疆大學 教育部綠洲生態重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830046; 3.新疆大學 干旱生態

環境研究所, 新疆 烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區可持續發展國際研究中心, 新疆 烏魯木齊 830046)

?

1978-2011年呼圖壁河徑流的變化趨勢

王 嵐1,2, 劉志輝1,2,3,4, 姚俊強1,2, 張文娜1,2, 王 元1,2

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 新疆 烏魯木齊 830046;

2.新疆大學 教育部綠洲生態重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830046; 3.新疆大學 干旱生態

環境研究所, 新疆 烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區可持續發展國際研究中心, 新疆 烏魯木齊 830046)

摘要：[目的] 分析新疆維吾爾自治區呼圖壁河徑流變化特征與長期變化趨勢,為制定科學合理的呼圖壁地區水資源供需平衡發展戰略提供理論支撐。[方法] 采用變差系數法、距平累積法、Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗法及Morlet連續復小波變換對呼圖壁河石門水文站1978—2011年實測日流量資料進行分析。[結果] 呼圖壁河徑流的年內變化主要受降水與氣溫的影響,其主要徑流產生于5—9月,汛期為6—8月,徑流量占全年徑流量的69.4%,枯水期為12月至次年3月。呼圖壁河的Cspan平均值為0.149。近34 a來徑流量整體呈現出不顯著的增加趨勢，徑流量的年際變化小,年際間持續枯水與持續豐水的時間幾乎相同。此外,呼圖壁河年徑流存在4個較為顯著的周期波動,其中18和29 a分別為徑流量年際變化的第Ⅰ、第Ⅱ主周期。 [結論] 呼圖壁河近34 a來徑流量呈增加趨勢,徑流量的年際變化呈現出較為顯著的周期性,徑流量的年內分配很不均勻。

關鍵詞：呼圖壁河; 實測日流量資料; 徑流量變化; 趨勢分析; Morlet連續復小波變換

天山北麓是新疆經濟最發達的地區，天山北麓經濟帶在全疆有著舉足輕重的影響，但水資源短缺、水環境退化以及人類活動空間的不連續性，使得此區域的水資源承載力相對較低。據施雅風[1]研究，新疆天山西部地區在全球氣候變暖背景下氣候轉向暖濕,徑流量連續多年增加。同時有研究證明1987—2000年間，新疆主要26條河流中有77%徑流量增加，而其中的65%分布于新疆北部[2]。與此同時，秦大河[3]提出在西北地區，即使未來降水增加20%也不可能改變干旱缺水的狀況。這就迫切要求我們實現水資源的統一管理，實現水資源的優化配置和可持續發展。

呼圖壁河是天山北麓中段第二大河流，它既是呼圖壁縣、自治區種牛場、農六師芳草湖總場及兵團3個團場農業灌溉和人民群眾生活用水的重要保證，同時還是維系該地區生態環境穩定和促進社會經濟可持續發展的根本性水資源基礎。因此，研究呼圖壁河徑流變化特征與趨勢，對制定科學合理的呼圖壁地區水資源供需平衡發展戰略以實現該地區水資源可持續利用與發展具有重要意義。鑒于此，本文采用距平累積法、Mann—Kendall非參數秩次相關檢驗法及Morlet連續復小波變換法等分析方法對呼圖壁河石門站1978—2011年日徑流、氣溫、降水資料進行分析，得出呼圖壁河該時期的徑流變化特征及長期變化趨勢，以期對天山北麓河流的徑流研究提供參考。

1材料與研究方法

1.1　研究區概況

新疆呼圖壁河流域位于天山北坡中段、準噶爾盆地南緣，介于86°05′—87°06′E，43°07′—45°20′N。呼圖壁河發源于喀拉烏成山，自南向北流動,最終消失于沙漠中，全長258 m，流域面積10 254.68 km2[4-5]。呼圖壁河共有一級支流20多條，其中除10條支流有冰川和永久積雪分布外，其他支流都以冬、春季季節性積雪消融和夏季降水為主要補給來源。據統計,全流域有大小冰川239條，年消融量達5.24×107m3，冰川補給量占全年徑流量的11.5%[4]。

呼圖壁河流域屬于典型的大陸性氣候，氣候干燥，冬冷夏熱，日溫差大，光照充足，雨量稀少，蒸發量大，既有中溫帶大陸性干旱氣候特征，又有垂直氣候特征。呼圖壁河主河道在中山區形成后，經中山區、戈壁平原區，在沖積扇緣、泉水溢出帶的芨芨壩處再分為2條河，即西河和東河，這2條河上分別建有大、小海子水庫。流域自上而下有石門水文站、青年渠首及芨芨壩分水閘站。其中石門站以上河道縱比降達23.16%，該站集水面積1 840 km2，平均高程2 984 m，年徑流量4.71×108m3，占全流域年徑流量的93.16%[5]。呼圖壁河流域水系及主要控制站分布見圖1。

圖1　呼圖壁河流域水系及高程分布

1.2　數據來源

本文選用呼圖壁河出山口水文站——石門水文站1978—2011年的實測日流量資料為數據來源，該資料來自新疆維吾爾自治區水文水資源局信息中心，對原始資料進行了嚴格的質量控制，可認為是基本消除了人為因素對河流徑流量影響的實測資料。

1.3　研究方法

河流徑流特征變化包括徑流量變化、徑流分配特征變化和徑流演變特征與趨勢變化[6]。本文以上述數據為研究資料，采用變差系數Cv[7]分析呼圖壁河年徑流量變化特征，并采用距平累積方法劃分時段，運用Mann—Kendall非參數秩次相關檢驗法分析徑流量年際變化趨勢，同時選用Morlet連續復小波變換來分析徑流時間序列的多時間尺度特征。

變差系數Cv是水文統計中的一個重要參數,用來說明水文變量長期變化的穩定程度。年徑流量的Cv值反映年徑流量總體系列的離散程度，Cv值大，年徑流的年際變化劇烈，易發生洪澇災害，對于水資源的利用不利；Cv值小，年徑流量的年際變化小，有利于徑流資源的利用。其計算公式如下：

(1)

距平累積法[8]要求先計算每年的徑流量距平，然后按年序依次累加，得到距平累積序列，最后按時間序列繪制變化曲線。現有理論[9]認為，當距平累積值持續增大(即曲線呈連續上升趨勢)時，表明該時段內徑流量距平持續為正；當距平累積值保持不變(曲線與橫坐標基本平行)時，表明該時段內徑流量距平持續為零即保持平均；當距平累積值持續減小(曲線呈連續下降趨勢)時，表明該時段內徑流量距平持續為負。

非參數Mann—Kendall趨勢檢驗法(簡稱M—K法)[10-12]是用來評估水文要素時間序列趨勢的常用檢驗方法之一。在時間序列隨機獨立的假定條件下，其檢驗統計量公式為：

(2)

式中：UF1=0，E(Sk)和var(Sk)分別為Sk的均值和方差； UFi——標準正態分布，它是按時間序列x1,x2,…,xn計算出的統計量序列，給定顯著性水平α，若|UFi|>α，則表明序列存在明顯的趨勢變化。用M-K檢驗進行突變分析時，只需按時間序列x逆序xn,…,x2,x1，再重復上述過程，同時使UFk=-UBk(k=n,n-1,…,1) ，分析繪出的UFk，UBk曲線，當它們超過臨界線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk，UBk兩條曲線出現交點，且交點處于臨界線之間，那么交點對應的值便是突變開始的時間。

小波分析[13]的基本思想是用一簇小波函數系來表示或逼近某一信號或函數。因此，小波函數是小波分析的關鍵，它是指具有震蕩性、能夠迅速衰減到零的一類函數，即小波函數ψ(t)∈L2(R)且滿足：

(3)

式中：ψ(t)——基小波函數，它可通過尺度的伸縮和時間軸上的平移構成一簇函數系：

ψa,b(t)=|a|-1/2ψ(t-b/a)(a,b∈R,a≠0)

(4)

式中：ψa,b(t)——子小波；a——尺度因子，反映小波的周期長度；b——平移因子，反應時間上的平移。

若ψa,b(t)是由式(4)給出的子小波，對于給定的能量有限信號f(t)∈L2(R)，其連續小波變換為：

(5)

(6)

設函數f(kΔt)，(t=1,2,…,N)，Δt——取樣間隔。將小波系數的平方值在b域上積分，就可得到小波方差，即

(7)

小波方差隨尺度a的變化過程，稱為小波方差圖。由式(7)可知，它能反映信號波動的能量隨尺度a的分布。因此，小波方差圖可用來確定信號中不同種尺度擾動的相對強度和存在的主要時間尺度，即主周期。

2結果與分析

2.1　徑流量變化特征

2.1.1年徑流變化特征通過計算得到石門站同時期Cv平均值為0.149，處于較低水平。由于中國內陸河流域除山地外Cv值一般在0.2~0.3，由此表明呼圖壁河年徑流量的年際變化小。呼圖壁河Cv值偏小的原因是呼圖壁河是以高山冰雪融水和降水混合補給的河流，在氣溫較高降水偏少的年份，冰雪融水補給量增加，降水補給量減少；相反，在氣溫較低降水偏豐的年份，冰雪融水補給量減少，降水補給量增加。而呼圖壁河年徑流量的年際變化小，更有利于河流水資源的有效開發利用。

圖2　1978-2011年石門站年徑流量變化

圖2給出了1978—2011年34 a間呼圖壁河石門站天然徑流量變化過程。從圖中可看出呼圖壁河流域34 a間年徑流量變化的總體特征有不顯著的增加趨勢。分階段來看，1978—1997年20 a間徑流變化較平穩，有微弱的增加趨勢；1998—2002年5 a間徑流增加趨勢最明顯；2003—2011年9 a間徑流經過2003—2006年3 a的短暫減少后，從2008年開始又呈現出增加趨勢。其中徑流量最大值、最小值分別出現在1998和1986年，具體值為6.23×108和3.63×108m3。

2.1.2徑流變化的階段性呼圖壁河34 a(1978—2011年)序列天然徑流量距平累積年際變化過程如圖3所示。按徑流量年際變化過程，呼圖壁河1978—2011年天然徑流序列可分為如下幾個階段：2個顯著的枯水期即1978—1986，2002—2006年；1個顯著的平水期即1986—1995年；2個顯著的豐水期即1995—2002，2006—2011年。這5個時期平均徑流量分別為4.12×108，4.66×108，4.72×108，5.52×108和5.01×108m3，各時期平均徑流量較多年平均變率分別為-14.33%，-3.08%，-1.88%，14.68%和4.16%。從圖3中還可看出，呼圖壁河天然年徑流量年際間持續枯水與持續豐水的時間幾乎相同。

2.2　徑流年內分配特征

從呼圖壁河年內月徑流量的分布狀況圖中(圖4)可看出呼圖壁河徑流量的年內分配很不均勻，主要徑流產生于5—9月，汛期為6—8月，占全年徑流量的69.4%，最枯季為12月至次年3月。同時呼圖壁河流域降水也主要集中在4—8月，降水極大值出現在7月，5—7月降水量占全年降水量的49.3%，最枯季為12月至次年2月。此外，流域年內月均溫6，7，8月最高，12月至次年2月最低。由此可見，呼圖壁河流域月徑流量的年內分布特征與降水量及氣溫的年內分布類似，這是由于呼圖壁河的天然徑流主要來源于夏季降水和高山冰雪融水，其徑流的年內變化主要受降水與氣溫的影響。

圖3　石門站年徑流量距平累積趨勢

圖4　石門站年內月徑流量、月降水量、月均氣溫分布

2.3　徑流變化趨勢

運用M—K趨勢檢驗法對呼圖壁河1978—2011年年徑流變化趨勢和突變特征進行分析，結果如圖5所示：

從圖5中可以看出，34 a間呼圖壁河徑流量呈增加趨勢，增加幅度為3.26×107m3，這種變化趨勢在整個時間序列上存在階段性特征。20世紀70年代末至80年代中期呼圖壁河徑流變化趨勢在波動中保持平穩，從80年代開始呈現明顯上升趨勢，20世紀90年代末這種上升趨勢超過0.001 顯著性水平(U0.001=2.56)的臨界值。從UF和UB曲線看年徑流量在1987年發生突變，表現出明顯增加態勢，隨后這種態勢逐漸變緩，1998—2004年增加趨勢更加明顯，2005年以后這種增加態勢又有所減弱。

2.4　徑流時間序列的多時間尺度特征

采用Morlet小波分析法對呼圖壁河年徑流進行周期性檢驗，Morlet復數小波在時域和頻域都有較好局部性。圖6是將其與上述年徑流序列的距平過程代入到小波變換公式中，用不同的a，b來計算Wf(a,b)，最終得到的關于Wf(a,b)的二維等值線圖。

在小波變化域中以等值線的形式將反映年徑流波動的能量曲面投影到(a-b)平面上，波動曲面上的點值與等值線上的點值將一一對應，可以用小波變換系數Wf(a,b)實部的值來反映其大小，波動曲面上凹凸頂點在(a-b)平面上的投影即為波動極值點[14]。圖6展示了在小波變化域中小波變換系數Wf(a,b)的實部圍繞基準面上下波動的變化情形，也反映了在不同尺度下小波系數所表征的年徑流隨時間豐、枯交替的變化特性以及突變點的具體位置。

圖5　1978-2011年石門站年徑流量的M-K檢驗

圖6　石門站年徑流小波系數等值線

由圖6可以清楚的看到徑流演化過程中存在的多時間尺度特征。總的來說，在呼圖壁河徑流演變過程中存在著23~29，12~18以及4~6 a的3類尺度的周期變化規律。其中，在23~29 a尺度上出現了枯—豐交替的準一次震蕩；在12~18 a時間尺度上存在準4次震蕩。同時，還可以看出以上兩個尺度的周期變化在整個分析時段表現的非常穩定，具有全域性；而4~6 a尺度的周期變化，在1980—1987和1998—2005年這兩個時期表現的較為穩定。

將不同時間尺度下的小波系數代入式(7)可得徑流變化的小波方差，以小波方差為縱坐標，時間尺度a為橫坐標，繪制出石門站年徑流小波方差圖(圖7)。小波方差圖能反映徑流時間序列的波動能量隨尺度a的分布情況，用來確定徑流演化過程中存在的主周期[15]。

圖7中存在4個較為明顯的峰值，它們依次對應著29，18，13和5 a的時間尺度。其中，最大峰值對應著18 a的時間尺度，說明18 a左右的周期震蕩最強，為流域年徑流變化的第一主周期；29 a時間尺度對應著第二峰值，為徑流變化的第二主周期，第三、第三峰值分別對應著13和5 a的時間尺度，它們依次為流域徑流的第三和第四主周期。這說明上述4個周期的波動控制著流域徑流在整個時間域內的變化特征。

圖7　石門站年徑流小波方差

為了詳細說明石門站年徑流豐、枯交替變化的波動特性，通過在圖6上固定尺度a(a=13,a=18,a=29)的值，作小波變換系數Wf(a,b)的實部隨時移b變化的過程線[16]，如圖8(a—c)所示。圖8b與圖8c可被分別稱為第一、第二主周期趨勢圖。圖8b顯示，在18 a特征時間尺度上，流域徑流變化的平均周期為12 a左右，大約經歷了3個豐—枯轉換期；而在29 a特征時間尺度上如圖8c所示，流域的平均變化周期為17 a左右，大約2個周期的豐—枯變化

3結論與討論

1978—2011年，呼圖壁河年徑流量整體呈現出不顯著的增加趨勢，在1987年發生突變，表現出增加態勢，隨后這種態勢逐漸顯著起來。同時其年際變化較小，年際變化過程可分為2個顯著的枯水期、1個顯著的平水期和2個顯著的豐水期。呼圖壁河徑流的年內變化主要受降水與氣溫的影響，年內分配很不均勻，集中于5—9月，汛期為6—8月，枯水期為12月至次年3月，該特點與降水量及氣溫的年內分布類似。呼圖壁河年徑流還表現出較為顯著的周期性，且第Ⅰ、第Ⅱ主周期為18，29 a，但受氣候變化與人類活動的影響，存在一定的不確定性。

河流徑流變化趨勢通常都與降水、洪水或者其他氣候因子相結合進行分析，文中僅從水文學角度對呼圖壁河徑流變化趨勢進行系列分析，其中關于年徑流量Cv平均值、豐枯水期的劃分、年徑流量的增加趨勢與耿峻嶺[4]、白東明[5]、普宗朝[17]等的研究結果一致。而文中對于呼圖壁河徑流量變化周期的研究采用在研究水文水資源時間序列變化特征上得到廣泛應用的小波分析法，較為詳盡地分析并初步確定了第一、第二主周期及主周期尺度上的豐枯轉換周期。但由于其他研究者對于該河徑流量變化周期的研究很少，因此文中的研究結果還有待進一步驗證。另外，文中研究采用的數據資料雖然從1978年至2011年跨越了34 a的時間序列，但為了提高研究結論的可靠性，必須進一步獲取更長時間序列和更多站點的徑流資料。

圖8　不同時間尺度下石門站年徑流小波系數實部時移變換過程線

河流徑流變化趨勢除受氣候變化影響較大外，還受到人類活動的影響。隨著全球變暖，人類活動影響更加的廣泛與深入，如大力興修水庫、水電站，對于河流天然徑流變化趨勢及周期性分析的不確定性增大，因此，在未來的研究中要充分考慮人類活動的影響，明確其程度，合理對河流水資源進行配置和保護。

[參考文獻]

[1]施雅風,沈永平,胡汝驥.西北氣候由暖干向暖濕轉型的信號、影響和前景初步探討[J].冰川凍土,2002,24(3):219-226.

[2]迪麗努爾·阿吉,艾克巴爾.新疆主要河流徑流量變化的時空特征研究[J].干旱區資源與環境,2009,23(11):100-104.

[3]秦大河,丁一匯,王紹武,等.中國西部生態環境變化與對策建議[J].地球科學進展,2002,17(3):314-319.

[4]耿峻嶺,高玲,陳建江,等.新疆呼圖壁河流域水文特征分析[J].干旱區研究,2005,22(3):371-376.

[5]白東明,李衛紅,郝興明,等.新疆呼圖壁河流域徑流時序變化特征[J].中國水土保持科學,2007,5(3):19-23.

[6]劉曉黎,黃強,呂玉潔,等.洮河流域徑流變化特征分析[J].干旱區資源與環境,2008,22(9):97-101.

[7]王振龍,陳璽,郝振純,等.淮河干流徑流量長期變化趨勢及周期分析[J].水文,2011,31(6):79-85.

[8]曹建延,秦大河,羅勇.長江源區年徑流量變化分析[J].水科學進展,2007,18(1):29-33.

[9]穆興民,李靖,王飛,等.黃河天然徑流量年際變化過程分析[J].干旱區資源與環境,2003,17(2):1-5.

[10]郭小芹,劉明春,錢莉.從Mann—Kendall特征看石羊河流域降水量的演變規律[J].干旱區地理,2010,33(4):593-599.

[11]宋小燕,穆興民,高鵬,等.松花江哈爾濱站近100年來徑流量變化趨勢[J].自然資源學報,2009,24(10):1803-1809.

[12]秦年秀,姜彤,等.長江流域徑流趨勢變化及突變分析[J].長江流域資源與環境,2005,14(5):589-594.

[13]呂靜渭,馬孝義,高文強.近70年來涇河年徑流量周期變化的小波分析[J].人民黃河,2010,32(2):49-51.

[14]蔣艷,周成虎,程維明.新疆阿克蘇河流域年徑流時序特征分析[J].地理科學進展,2005,24(1):87-96.

[15]蔣曉輝,劉昌明,黃強.黃河上中游天然徑流多時間尺度變化及動因分析[J].自然資源學報,2003,18(2):142-147.

[16]劉冀,董曉華,李帥.基于小波消噪的徑流趨勢變化對比分析[J].水電能源科學,2009,27(9):4-7.

[17]普宗朝,張山清,李景林,等.氣候變化對呼圖壁河徑流量的影響[J].沙漠與綠洲氣象,2007,1(5):44-47.

Runoff Variation Trend of Hutubi River During 1978-2011

WANG Lan1,2, LIU Zhihui1,2,3,4, YAO Junqiang1,2, ZHANG Wenna1,2, WANG Yuan1,2

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China; 2.KeyLaboratoryofOasisEcologyMinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China; 3.InstituteofAridEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China; 4.InternationalCenterforDesertAffairsResearchonSustainableDevelopmentinAridandSemi-aridLands,Urumqi,Xinjiang830046,China)

Abstract：[Objective] The variation characteristics and long-term trends of Hutubi river were analyzed for providing theoretical support for the development, which is the strategy of supply and demand balance of water resources in Hutubi area of Xinjiang Wei Autonomous Region. [Methods] The measured data of daily runoff from Shimen hydrological station of Hutubi river during 1978—2011 were analyzed by using the methods of coefficient of variation, anomalies accumulation, Man—Kendall nonparametric rank correlation test and continuous complex Morlet wavelet transform. [Results] Changes in the Hutubi river runoff during the year was mainly affected by precipitation and temperature. Its main runoff derived from May to September, and its flood season from June to August accounted for 69.4% of the annual runoff, the low flow season was from December to March of the next year. Hutubi river average coefficient of variation was 0.149 during the 34 years.The annual runoff overall showed slight increasing trend. The annual runoff variation of Hutubi river was small, its continuous low water was almost identical with the duration of the wet among years. Besides, there were four more significant cycle fluctuations of the runoff. The 18-year was the first main cycle of runoff change, and the 29-year was the second.[Conclusion] In recent 34 years, the runoff was increased in Hutubi river. At the same time, the interannual variation of runoff showed obvious periodicity. In addition, the runoff annual distribution was serious uneven.

Keywords:Hutubi river; measured daily runoff data; runoff variation; trend analysis; continuous complex Morlet wavelet transform

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0062-06

中圖分類號：TV121

通信作者：劉志輝(1957—),男(漢族),新疆石河子市人,博士，教授，主要從事水文水資源、資源環境與空間決策支持、GIS等研究。E-mail:lzh@xju.edu.cn。

收稿日期：2014-04-18修回日期：2014-05-18

資助項目：水利部公益性行業科研專項經費項目“內陸干旱區實施最嚴格水資源管理關鍵技術”(201301103); 國家自然科學基金面上項目“天山北坡典型流域積雪—凍土水熱耦合中融水產匯流機制研究”(41171023)

第一作者：王嵐(1989—),女(漢族),陜西省寶雞市人,碩士研究生,研究方向為水文水資源。E-mail:chulan123456@126.com。