新疆瑪納斯河徑流統計特征分析

艾來提江·謝熱甫丁

（烏魯木齊水文勘測局，新疆 烏魯木齊 830000）

瑪納斯河地處于準噶爾盆地中南部南緣，是新疆和西北北方干旱的代表性內河。瑪納斯河流域已經恢復為新疆最大的農業用水地區和中國第四大灌溉區。新疆具有非常典型的地理條件，氣候特點，但是，由于水資源的過度消耗，大量農業農用水取自瑪納斯河，原本用于維持生態平衡的生態用水也被人們開發利用于生活用水中。水資源供需的矛盾日復一日的加大，大量開發地表水資源導致瑪納斯流域內的地下水水位急速下降，植被覆蓋度大量降低，河流和湖泊的面積縮減，土地出現沙漠化。如何將瑪納斯河流域的水資源進行合理化的可持續利用已經成為了該地區的經濟發展的重要戰略因素[1]。

1 研究區概況

瑪納斯河地處于新疆中部，流域總面積為26.55萬km2，東邊發源于塔西河，西邊到達巴音郭河，南至伊拉哈大廈，北至馬納斯湖，河流的總長度達到450 km。由于瑪納斯流域在大陸腹地的干旱地區，主要的氣候特點為干旱。河流的徑流主要由高山地區的融雪產生，瑪納斯地區有6條支流，全年總流量222 億 m3。

2 研究方法

2.1 年內分配不均勻系數

年內降雨不均勻系數Cut，計算公式為[1]：

式中：Crt為降雨量的年內不均勻系數；Ui為各個月份的平均降雨量；U為年內月均降雨量。Crt數值越大，下一年的月降水量差異越大，年內分布不均。徑流的年平均分布也用這個系數來衡量。

2.2 完全調節系數

完全調節系數的公式為：

式中：σ 為年內流量均方差；R（i）為月平均流量，m3/s；r為年平均流量；Cur為完全調節系數。

2.3 集中度和集中期

通過矢量運算法，可以計算出年降雨量的集中度與集中期的取值。降雨集中度是指以矢量形式累積的每個月的流出量，各成分的合計占年流出量的比例。意義是反映年流出量。降雨集中期是指流出矢量的合成后的方向，各個月反映了年間流出集中度的中心出現的月份，用每個月總量的和比的arctan角來表示。集中度和集中期的計算方式是將一年內所有月份的徑流作為為矢量，月徑流量的大小是矢量的長度，將12個月按360°均分為矢量的方向，將月徑流分解為X、Y方向的分量，然后分別進行X、Y方向的矢量合成[3]：

式中：RCDyear為年徑流集中度；RCPyear為年徑流集中期；Rx，Ry為降雨徑流的分量。

復合矢量的方向指示最大月徑流發生的月份，即集中期，集中度反映了集中期徑流值與年總徑流的比例。

2.4 數據來源

本文利用瑪納斯河上部的肯斯瓦特水文站1955年～2015年徑流、降水及氣溫資料，資料來自水利部信息中心，為同步系列資料，對測站個別缺失資料進行插補延展。

3 研究結果

3.1 徑流量年際變化

由圖1可以看出，1965年～1975年瑪納斯河的徑流量與年均值相差不大，1955年～1965年和1975年～1995年的平均徑流量的值比年均徑流量的值均要小，1996年～2015年的平均徑流量大于年平均徑流量?，敿{斯河的最大年徑流量產生于1999年，為21.3億m3。徑流最小值出現于1991年約為9.17億m3。1970年的徑流量比1960年總計消減了約8.7%。1980年后，徑流量比1970年平均增長超過2.53%，1990年比1980年升高13.24%，2000年以后，徑流量比20世紀90年代平均增長約5.13%，近年來，全國平均年徑流量比1970年增長約2.87%，由于流域氣溫逐年增高，融雪量增加，導致該流域的徑流趨勢呈現出持續增大的趨勢。

圖1 徑流量年際變化圖

3.2 徑流不均勻性分析

徑流年分布會表現出一定的季節性規律，根據瑪納斯河流域1955年～2015年的月徑流資料，按公式計算得到年分配的不均勻系數C，見圖2。

圖2 均勻性的年內分配圖

由圖2可以看出，徑流不均勻系數CL隨時間推移而減小，說明瑪納斯河年徑流分布趨于均勻，而年徑流分布則充分調整了系數Cr；隨著時間推移，曲線波動趨勢與非均勻系數基本一致，說明兩個系數的變化規律是一致的。從1995年～2005年，這兩個系數都表現出很強的波動性，顯示出較強的異質性和年內的集中分布。從1955年～1995年，這兩個系數呈鋸齒狀波動和下降趨勢，說明當年內徑流量的總體分布逐漸減弱。總體來看，瑪納斯河年徑流量非均勻性波動呈下降趨勢。

3.3 集中度與變化幅度

根據瑪納斯河多年徑流資料，繪制了不同時段的月平均徑流曲線和年徑流分布特征指數表。如圖3所示，徑流分布的曲線在六月下旬出現一年中唯一的一個最高值。6月～8月的徑流量占比較高，總計占全年的73.65%。僅7月份的流量就達到了全年的1/3左右。主要原因是6月～8月為夏季，氣溫較高，高山融雪所產生的地表徑流變多，由此造成流域內的徑流量變大，待積雪融化達到上限時，徑流量也會出現高峰值，因此，徑流量曲線在全年呈現出徑流唯一最大值且產匯流時間長的獨特現象。

圖3 月平均徑流、降雨曲線

根據上述公式及多年徑流數據進行計算，結果見表1。

表1 集中度與集中期計算表

由表1可以看出，隨著時間的推移，瑪納斯河年徑流趨勢分布呈現出先增加再減少再增加的趨勢。自1976年后，該徑流量總體呈上升趨勢，主要由于氣溫升高產生的融雪量增加。此外，1990年以前，人類對瑪納斯河流域上游的干預相對較小，使得徑流濃度較高。隨著社會的發展，流域水資源的開發和水利設施的增加，對流域徑流分布產生了多方面的影響。由上表1可以看出，其分布濃度約為67.9%，最大濃度為69.1%，最小濃度為66.3%?？傮w來看，該流域的徑流量有明顯的降低趨勢。流域集中期主要集中在七月上旬，不同年份的集中期呈現逐漸提前的趨勢。

3.4 Mann-Kendall趨勢檢驗

對于瑪納斯河1955年～2015年的徑流，除Mann-Kendall參數外，還采用統計試驗繪制了UF和UB曲線[5]。當UF或UB＞0時，徑流序列呈上升趨勢，當小于0時，徑流序列呈下降趨勢。Mann-kendll非參數統計檢驗表明，當徑流序列超過臨界值線時，徑流變化趨勢較為明顯。變異的開始時間是UB曲線和UF曲線之間的時間節點，曲線的交點必須在臨界區域內[6]。如圖4所示，根據瑪納斯河年流量的Mann-kendll試驗曲線，年流量逐年增加，突變時間為1995年，交叉口處于臨界區，但不顯著。2000年以來，年流量大幅度增加。

圖4 瑪納斯河年徑流量Mann-Kendall檢驗曲線

表2考慮變異點的年徑流趨勢檢驗

圖5考慮變異點的趨勢檢驗結果

表2和圖5分別給出了考慮變化點的瑪納斯河年徑流序列趨勢試驗結果。1995年以前的徑流序列統計Un=-0.49表明，1956年～1995年徑流序列有下降趨勢，但不顯著。1995年以后，徑流序列增加，并通過顯著性檢驗。因此，瑪納斯流域的徑流量的變化趨勢表現為不顯著趨勢，但在1995年后明顯呈現出增加的趨勢?？梢詫?995年作為刻畫年徑流序列變化非均勻性的年份。

4 結論

本文利用數學方法將瑪納斯河的年徑流量進行分析。結果表明，年徑流序列的不均勻系數和年分布的完全調整系數呈下降趨勢，年徑流分布逐漸趨于均勻。年內分布濃度隨時間呈下降趨勢。1995年為徑流序列的變異年，在1995年前后的流域年徑流序列變異較大；Mann-Kendall檢驗分析表明，年徑流序列變異點后，時間段序列的變化趨勢顯著，診斷結果表明，1995年是瑪納斯河年徑流序列變化的可靠年份。