瑪納斯河徑流演變的驅(qū)動因素研究

錢立鵬，劉長征，易佳昕

（石河子大學，新疆 石河子 832003）

瑪納斯河是新疆北部重要河川，全長450 km，徑流量的變化深刻影響著該流域的生態(tài)環(huán)境。2019年，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第八師水利局發(fā)布消息稱，將對瑪納斯河實施生態(tài)綜合治理。研究近年來影響瑪納斯河徑流量演變的驅(qū)動因素，對該流域生態(tài)治理和區(qū)域政策調(diào)控有一定指導意義。

國內(nèi)外學者利用現(xiàn)代統(tǒng)計方法探討了不同河川流域徑流量演變規(guī)律及其影響因素，取得了一定成果。在眾多因素中，地形因素對黃河流域［1－2］、長江流域［3－5］、珠江流域［6］等的徑流量變化有明顯影響。氣象因素，如降雨量［7－9］、蒸散發(fā)量［10－11］、氣溫［12－13］在大量河川徑流量演變中被探討。近年來，人類活動的加劇引起眾多流域徑流量時空分布特征的變化，促使研究者探究人類活動與徑流量時空演變的定量關(guān)系［7，14－19］。定量確定研究區(qū)影響徑流演變的主要驅(qū)動因素并采取相應治理措施，對研究區(qū)水資源調(diào)控和管理有重要意義。

本文以瑪納斯河為研究對象，通過2000—2016年的日平均徑流量實測數(shù)據(jù)和外部影響因素，系統(tǒng)探討導致徑流量演變的驅(qū)動因素，應用統(tǒng)計分析方法定量揭示不同驅(qū)動因素對徑流量演變的影響，以期為該流域生態(tài)綜合治理和保護提供一定的科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域位于天山北麓中段，準噶爾盆地西南部，北緯43°27′—45°21′、東經(jīng)85°01′—86°32′。流域呈扇形分布，地勢南高北低，高程范圍為170～4 898 m；年平均降水量為100～200 mm，年平均水面蒸發(fā)量為1 500～2 100 mm，年平均氣溫為4.7～5.7℃，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，流域面積約為3.099萬km2，積雪融水是瑪納斯河徑流的重要來源。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與分析

瑪納斯河流域2000—2016年的徑流量數(shù)據(jù)來自瑪納斯河中游肯斯瓦特站采集的日平均徑流量，共計6 205條，氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象局數(shù)據(jù)中心（http：／／data.cma.cn／site／index.html），空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺（http：／／pm25.in／），空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)在一定程度上代表了人類在流域內(nèi)的工業(yè)活動，隨機性因素來源于第七師農(nóng)業(yè)部，植被分布、30 m分辨率的DEM等輔助資料來自GoogleEarth、地理空間數(shù)據(jù)云，并經(jīng)過ArcGIS 10.2的處理。采樣點位置主要在瑪納斯河中、下游，氣象數(shù)據(jù)和隨機性資料的獲取盡可能接近肯斯瓦特站。

對所有數(shù)據(jù)進行時間一致性處理，剔除時間無法對應的數(shù)據(jù)，隨機性因素做啞變量［20］處理，得到6 100條位置信息和時間一致性準確的樣本數(shù)據(jù)。

1.3 參數(shù)選擇與數(shù)據(jù)處理

參照國內(nèi)外研究成果［3，11，13－15］，本文選擇蒸散發(fā)量、降雨量、氣壓、濕度、氣溫反映研究區(qū)的氣象特點。基礎(chǔ)氣象因子影響流域內(nèi)水循環(huán)中的主干循環(huán)系統(tǒng)［15］。高程、坡長、坡向、坡度、垂直曲率、水平曲率、地形濕度指數(shù)、河流動能指數(shù)和植被指數(shù)反映研究區(qū)地形特點，在ArcGIS 10.2中提取生成。地形因子主要影響地表徑流和下墊面，進而影響研究區(qū)下游的人類活動和局部水循環(huán)系統(tǒng)。水資源利用反映隨機性因素對河川徑流演變的影響。隨機性因素的變化影響流域內(nèi)人類引水、耗水所構(gòu)成的水循環(huán)系統(tǒng)中的側(cè)支循環(huán)系統(tǒng)［6］。

2 結(jié)果和討論

2.1 描述性統(tǒng)計特征

不同年份研究區(qū)徑流量的統(tǒng)計特征見表1，由表1可知，研究區(qū)2000—2016年徑流量演變總體呈較平穩(wěn)趨勢。17 a間徑流量變異系數(shù)總體小于20%，具有低等程度的異質(zhì)性。2013年、2014年和2015年，年平均流量較大，在35 m3／s以上，其余年份均小于35 m3／s。除2004年外，2000—2006年徑流量的變異系數(shù)小于10%，具有低等程度的變異，2011年變異系數(shù)最大?？傮w上，2007—2016年，研究區(qū)徑流量具有中等程度的異質(zhì)性。從極差、半極差、方差、樣本校正平方和等指標來看，不同年份徑流量變化的分散程度較小，相同年份徑流量時空變化的分散程度較大。峰度系數(shù)和偏度系數(shù)反映徑流量的分散形狀。研究區(qū)相同年份徑流量的峰度系數(shù)大多為正值，表明一年中不同月份有大量極端徑流量分布，而偏度系數(shù)大多為負值，表明小徑流量的分布更加集中。

表1 不同年份研究區(qū)徑流量的統(tǒng)計特征

2.2 徑流時空變化的驅(qū)動因素

2.2.1 地形因素

由一般性統(tǒng)計分析結(jié)果，分兩個階段（2000—2010年和2011—2016年）比較徑流量與地形因素的顯著性關(guān)系和相關(guān)系數(shù)變化。表2為兩階段相關(guān)性分析的結(jié)果。第一階段，徑流量與坡長、坡向、高程、水平曲率和植被指數(shù)均未達到顯著性相關(guān)關(guān)系。2003年，徑流量與坡度呈顯著性相關(guān)關(guān)系（p＜0.05），在此后的幾年中，徑流量與坡度再未呈現(xiàn)顯著性關(guān)系，表明徑流量受坡度變化的影響相對較小。2000—2010年徑流量與垂直曲率、河流動能指數(shù)分別呈顯著性、極顯著性（p＜0.01）正相關(guān)關(guān)系，表明徑流量隨著垂直曲率和河流動能指數(shù)增加而發(fā)生大幅變化。第二階段，徑流量與坡長、坡向、坡度、高程、水平曲率和植被指數(shù)依舊無顯著性相關(guān)關(guān)系，表明徑流量變化受地形因子的影響極小。2011—2016年徑流量與垂直曲率、河流動能指數(shù)分別呈極顯著性（p＜0.01）正相關(guān)關(guān)系。而地形濕度指數(shù)對徑流量變化的影響呈明顯下降趨勢，徑流量變化受地形濕度指數(shù)影響越來越小。

表2 不同年份徑流量與地形因素的相關(guān)系數(shù)

2.2.2 氣象因素

表3為2000—2016年徑流量與氣象因素的相關(guān)性分析結(jié)果。結(jié)果顯示，徑流量與降雨量和氣溫大部分年份呈極顯著性正相關(guān)關(guān)系，與蒸散發(fā)量呈極顯著性負相關(guān)關(guān)系，表明徑流量變化程度隨著降雨量增大和氣溫升高而增大。隨著蒸散發(fā)量增大，徑流量減少，但其變化率增大。原因之一是該流域補水主要來源于上游天山積雪融水，這也是氣溫對徑流量變化有長期極顯著性正相關(guān)的原因。

表3 不同年份徑流量與氣象因素的相關(guān)系數(shù)

2.2.3 隨機性因素

影響徑流量變化的隨機性因素主要是人類活動。2010年中游出山口處肯斯瓦特水電站開始修建，同時下游沖積扇區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉方式也在變化。分2000—2010年和2011—2016年兩個階段進行徑流量演變對比研究。表4為兩階段徑流量演變與隨機性因素的相關(guān)性分析結(jié)果。第一階段的徑流量與灌溉面積呈極顯著性相關(guān)關(guān)系。第二階段的徑流量與灌溉面積及空氣質(zhì)量都達到顯著性、極顯著性相關(guān)關(guān)系。從第一階段到第二階段，徑流量與灌溉面積和空氣質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)總體上呈上升趨勢，表明徑流量變化受隨機性因素的影響日益增大。

表4 不同年份徑流量與隨機因素的相關(guān)系數(shù)

2.2.4 主控因素分析

為進一步定量揭示各驅(qū)動因素對徑流量變化的影響，對各影響因素進行了回歸分析校正。表5、表6分別為2000年、2016年徑流量影響因素方差分析和因子分析結(jié)果。

表5 2000年徑流量影響因素方差分析及因子分析

表6 2016年徑流量影響因素方差分析及因子分析

2000—2016年，地形因素對徑流量變化的貢獻率下降7.4%；氣象因素貢獻率在2016年相較于2000年下降了8%；隨機性因素與徑流量關(guān)系從2000年的顯著性相關(guān)關(guān)系變?yōu)?016年的極顯著性相關(guān)關(guān)系，對徑流量演變的貢獻率由2000年31.2%上升至2016年58.1%，說明隨機性因素對徑流量變化的貢獻率越來越大，表明人類活動對研究區(qū)徑流量變化的影響不斷增強。

上述分析表明，2000—2016年，徑流量受地形因素影響程度下降，氣象因素對徑流量變化的貢獻率在60%左右，隨機性因素的影響程度顯著增強。

3 結(jié) 論

應用因子分析、方差分析等統(tǒng)計學方法，定量研究了瑪納斯河2000—2016年日徑流量的變化受地形因素、氣象因素和隨機性因素的影響，最終得出如下結(jié)論。

（1）2000—2016年以來，瑪納斯河徑流量變化由受地形因素、氣象因素和隨機性因素共同影響變?yōu)楦鼉A向于受氣象因素和隨機性因素的影響，氣象因素對徑流量變化影響最大，另外，盡管地形因素對徑流量變化的影響下降，但也不容忽視。

（2）隨機性因素對徑流量變化的影響日益顯著，尤其是2011年以后，隨機性因素已成為影響瑪納斯河流域徑流量演變的主控因素之一，原因之一是該區(qū)域日益擴大的人類活動。