巴音溝河近60年出山口年徑流量演變規律

劉 藝, 雷曉云, 馬紅剛, 邢 坤, 呂姣姣

(1.新疆農業大學 水利與土木工程學院, 烏魯木齊 830052; 2.石河子巴音溝河流域管理處, 新疆 石河子 832000)

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巴音溝河近60年出山口年徑流量演變規律

劉 藝1, 雷曉云1, 馬紅剛2, 邢 坤1, 呂姣姣1

(1.新疆農業大學 水利與土木工程學院, 烏魯木齊 830052; 2.石河子巴音溝河流域管理處, 新疆 石河子 832000)

對徑流演變規律的研究是水資源合理利用、水利規劃的前提。以新疆典型山溪河流巴音溝河黑山頭水文站1956—2014年的年徑流序列為基礎，采用累積距平法、Mann-Kendall突變檢驗法、小波分析方法，對巴音溝河流域年徑流量的變化趨勢、突變特征、周期演變規律進行了研究。結果表明：(1) 近60年來巴音溝河流域年徑流量有緩慢上升趨勢，并且呈現出一定的階段性。(2) 近60年來巴音溝河流域年徑流量變化在1958—1960年和2003年兩個時間段發生突變。1958—1960年是徑流由多變少的突變時段，2003年是徑流由少變多的突變時段。(3) 巴音溝河流域年徑流量主要存在7年，11年，30年的主周期，且30年時間尺度周期最明顯，是河流的第一主周期。

徑流; 累積距平; Mann-Kendall; 小波分析; 巴音溝河

徑流是流域水量平衡方程中的重要組成部分，研究徑流的變化規律對于了解該流域地表水資源的變化趨勢及水資源合理開發利用具有重要現實意義。新疆巴音溝河是干旱區典型的中小型山溪性河流，多年平均徑流量3.07億m3，其是兵團第八師巴音溝河灌區的主要水源，同時承擔著沙灣縣及獨山子部分工業、農業及生活供水任務，對當地經濟社會發展及生態系統保護起著至關重要的作用[1]。然而，目前國內對巴音溝河出山口徑流量的時序變化規律研究成果少有報道，在新疆執行最嚴格水資源管理制度的背景下，我們對巴音溝河流域年徑流量的變化趨勢、突變特征、周期演變規律進行系統的研究，可為流域水資源的合理利用、水利規劃提供理論依據和技術支持，同時該研究成果也可為干旱區中小河流的同類研究提供借鑒。

1　流域概況

巴音溝河流域位于新疆天山北坡中段，準噶爾盆地南緣，東與金溝河相鄰，西與奎屯河接壤，南抵依連哈比爾尕山脈的冰峰雪嶺，北達古爾班通古特沙漠。其地理位置為東經84°45′—85°27′，北緯43°29′—44°58′。河流水網發育，成樹狀水系。發源于烏蘇縣境內，由卡哈爾阿特、阿冬薩拉、哈爾莫仁、阿勒泰沙拉、依克馬斯吐及東測沙灣縣境內的巴依什果勒、烏拉斯臺等七條主要支流匯集而成，自西南流向東北，全長160 km。巴音溝河流域集水面積為1 579 km2，森林覆蓋面積51 km2。最大年徑流量為4.33億km3，最小年徑流量2.22億km3。全年徑流量分配：春季3—5月0.19億km3，占全年6.55%；夏季6—8月2.28億km3，占全年72.19%；秋季9—11月0.52億km3，占全年16.70%；冬季12—2月0.14億km3，占全年4.57%。其徑流以冰川雪源消融補給為主，降雨補給次之。

巴音溝河自上游到下游歷史上共建立過喇嘛廟、二道溝、黑山頭、安集海大橋四個水文站。本文以出山口黑山頭水文站1956—2014年的年徑流序列為基礎資料，采用累積距平法、Mann-Kendall突變檢驗法、小波分析方法[2-4]，對徑流的變化趨勢、突變特征、周期演變規律進行分析，從多個角度揭示其徑流演變規律[5]。

2　研究方法

2.1趨勢分析

累積距平法[6-7]能夠反映徑流量在不同時代的階段變化[8]。對于序列x，其某一時刻t的累積距平為：

(1)

將n個時刻的累積距平值全部算出，即可繪出累積距平曲線進行趨勢分析。累積距平曲線比較直觀，從曲線明顯的上下起伏，可以準確判斷其長期顯著的演變趨勢及持續性變化[9]。

2.2突變分析

本文采用Mann-Kendall非參數統計檢驗法[10-11]來確定巴音溝河流域年徑流量的突變點。該方法的優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算比較簡便[12]。對于具有n個樣本量的時間序列x，構造秩序列：

(2)

秩序列Sk是第i時刻數值大于j時刻數值個數的累計數。

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統計量：

(3)

式中：UF1=0，E(Sk)，var(Sk)是累計數Sk的均值和方差。在x1，x2，…，xn相互獨立，且具有相互連續分布時，可由下式分別求得：

(4)

(5)

UFk服從標準正態分布，它是按時間序列x順序x1，x2，…，xn計算出的統計量序列，給定顯著性水平a，查正態分布表，得出相應的Ua值。按時間序列x的逆序xn，xn-1，…，x1，再重復上述過程，同時使UBk=-UF(n-k)，k=1，2，…，n-1，UBn=0。

將UFk，UBk兩個統計量序列曲線和給定顯著性水平下的臨界值Ua繪制在一張圖上，根據三者在圖上顯示出來的相互關系，判定是否發生突變以及突變發生的時間等[13]。

2.3周期分析

小波分析方法應用于分析水文序列時可以給出不同層次的變化尺度及變化時間[14]。Morlet小波為復數小波，其實部和虛部相位相差π/2，消除了實數小波在變換過程中系數模的震蕩，目前應用最為廣泛。所以，本文擬采用Morlet小波[15]來分析巴音溝河流域徑流序列的多時間尺度特性，Morlet小波的函數為：

ψ(t)=π-1/4etω0te-t2/2

(6)

式中：ω0——常數；t——虛部。

給定的小波函數ψ(t)，時間序列f(t)∈L2(R)的連續小波變換為：

(7)

將時間域上的關于a(尺度)的所有小波系數的平方進行積分，即為小波方差。小波方差隨時間的變化過程為小波方差圖，它反映了波動的能量隨尺度的分布，可以用來確定徑流時間序列存在的主要周期[16]。其計算公式為：

(8)

3　結果與分析

3.1變化趨勢

由巴音溝河流域1956—2014年徑流年際變化過程線(圖1)可知，近60年來流域年徑流量呈緩慢上升趨勢，且表現出一定的周期性；在此基礎上，累積距平曲線(圖2)更好地呈現出了流域徑流量年際變化的階段性，具體可以分為如下4個時段(持續時間為5 a及以上)：1956—1966年為徑流增加時期，到1966年達到近60 a來的最大值，累積距平為1.944億m3；1967—1974年為徑流波動時期，在該時段內，持續豐水和枯水時間較短，豐枯交替出現。波動程度較小，徑流累積距平極差僅為0.433億m3；1975—1997年為徑流顯著減少時期，到1997年達到近60 a來的最小值，徑流累積距平為-5.576億m3；隨后從1998年開始，年徑流量又開始增多，到2012年達到近60 a的第二個極大值，徑流累積距平為1.105億m3，1998—2014年為徑流顯著增加時期。

圖1　巴音溝河流域徑流年際變化過程線

圖2　巴音溝河流域年徑流量累積距平曲線

3.2突變特征

采用Mann-Kendall非參數統計檢驗法分析了巴音溝河流域年徑流序列的突變情況，如圖3所示。分析圖可知，在給定的顯著性水平α=0.05，臨界值=±1.96的條件下，1956—1970年UF統計變量基本都大于零，說明徑流變化有上升趨勢，且UF統計曲線落在臨界值之內，說明徑流變化不顯著，呈平緩上升趨勢。1971—2006年UF統計變量均小于零，說明徑流變化有下降趨勢。其中，1985—1999年UF統計曲線超過了臨界值，表明徑流變化有明顯的下降趨勢。2006—2014年UF統計變量又大于零，說明徑流變化有上升趨勢，但UF統計曲線仍落在臨界值之內，徑流上升趨勢不明顯。圖3中，UF和UB統計曲線在兩條臨界線之間的部分相交于1958年、1960年和2003年，代表突變發生的年份，說明近60 a來巴音溝河流域年徑流量變化在1958—1960年和2003年兩個時間段發生突變。1958—1960年是徑流由多變少的突變時段，2003年是徑流由少變多的突變時段。

3.3周期演變

采用Morlet小波對巴音溝河流域近60年來黑山頭站年徑流量進行周期演變分析，得到徑流時間序列的小波變換系數實部圖，見圖4。實部圖中的實線表示小波變換系數為正值，這時徑流偏豐；虛線表示小波變換系數為負值，這時徑流偏枯。由圖可見，流域年徑流量變化主要存在5～7 a，10～13 a，27～30 a周期振蕩。在5～7 a的特征尺度下，豐枯交替特別頻繁，且1983—1987年周期特征沒有體現出；在10～13 a的特征尺度下，20世紀70年代中期之前表現為10 a左右的特征尺度，20世紀70年代之后表現為11 a左右的特征尺度；27～30 a的特征尺度在整個研究時段內表現最為明顯，呈現出非常規律的年徑流量偏多偏少的交替，并且主要以30 a左右的波動周期為主。

圖3　巴音溝河流域Mann-Kendall徑流突變檢驗圖

圖4　巴音溝河流域年徑流量小波變換系數實部圖

圖5是巴音溝河流域年徑流量變化的小波方差圖，小波方差的大小表示某一尺度成分的多少，反映它所對應時間尺度的周期是否明顯，小波方差值越大，它所對應的時間尺度的周期越明顯。小波方差圖反映了能量隨時間尺度的分布，可以確定徑流時間序列的主要周期。由圖可知，流域年徑流量主要存在7 a，11 a，30 a的主周期，且30 a時間尺度上小波方差值最大，周期最明顯，是河流的第一主周期。

在此基礎上，圖6給出了年徑流量在7 a，11 a和30 a時間尺度下小波變換系數實部圖，在a=7和11的尺度下，徑流豐枯變化和突變點可以準確地給出，平均每3～4 a發生一次豐枯交替。在a=30的尺度下，1963—1971年、1980—1988年、1999—2008年各時段為正相位，表示徑流偏多；而1956—1962年、1972—1979年、1989—1998年、2009—2014年為負相位，表示徑流偏少；突變點在1962年、1971年、1979年、1988年、1998年、2008年。

圖5　巴音溝河流域年徑流量小波方差圖

圖6　年徑流量在7 a、11 a和30 a時間尺度下小波變換系數實部圖

4　結 論

(1) 巴音溝河流域1956—2014年徑流年際變化過程線表明，近60 a來流域年徑流量呈緩慢上升趨勢；累積距平分析更好地呈現出了流域徑流量年際變化的階段性，具體可以分為如下4個時段(持續時間為5 a及以上)：1956—1966年為徑流增加時期；1967—1974年為徑流波動時期；1975—1997年為徑流顯著減少時期；1998—2014年為徑流顯著增加時期。

(2) Mann-Kendall突變檢驗結果顯示：在給定的顯著性水平α=0.05，臨界值=±1.96的條件下，UF和UB統計曲線在兩條臨界線之間的部分相交于1958年、1960年和2003年，代表突變發生的年份，說明近60年來巴音溝河流域年徑流量變化在1958—1960年和2003年兩個時間段發生突變。1958—1960年是徑流由多變少的突變時段，2003年是徑流由少變多的突變時段。

(3) 小波分析結果為：小波變換系數實部圖表明近60 a來巴音溝河流域年徑流量的變化主要存在5～7 a，10～13 a，27～30 a周期振蕩，結合小波方差圖上呈現的三個峰值的位置和大小，可知流域年徑流量主要存在7 a，11 a，30 a的主周期，且30 a時間尺度周期最明顯，是河流的第一主周期。

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Characteristics of Runoff from Mountainous Watershed of Bayingou River Basin in Recent 60 Years

LIU Yi1, LEI Xiaoyun1, MA Honggang2, XING Kun1, Lü Jiaojiao1

(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052,China; 2.ManagementCenterofBayingouRiverinShihezi,Shihezi,Xinjiang832000,China)

Runoff evolution pattern research is the premise of the rational use of water resources and water resources planning. Bayingou River is a typical mountain stream river in Xinjiang. According to the time series data of annual runoff at the Heishantou hydrological station of the Bayingou River from 1956 to 2014, we used accumulated anomaly, Mann-Kendall test and wavelet analysis to diagnose the runoff change trend, mutation characteristics and cycle evolution pattern. The results showed as follows. (1) Annual runoff was slowly rising trend. (2) In recent 60 years, annual runoff mutations happened in 1958—1960 and 2003. From 1958—1960 to 2003, the runoff kept sloping down, but began to climb up since 2003. (3) The principal periods of annual runoff of the Bayingou River were 7 years, 11 years and 30 years, and the 30 years period is the most obvious.

runoff; accumulated anomaly; Mann-Kendall; wavelet analysis; Bayingou River

2015-06-24

2015-07-19

國家自然科學基金項目(U1178301)“天山中段瑪納斯河流域融雪機理及其徑流過程模擬的研究”;新疆水利水電工程重點學科基金(XJzdxk2010-02-12)

劉藝(1990—),女,河南駐馬店人,碩士研究生,主要從事水文水資源方面的研究。E-mail:xjly6672@163.com

雷曉云(1961—),女,湖南常寧人,教授,博士生導師,主要從事水文及水資源高效利用方面的研究工作。E-mail:leixiaoyun888@163.com

P333

A

1005-3409(2016)02-0139-04