胡林金，王 博，胡尚志，王永康

(1.新疆喀什水文水資源勘測(cè)局，新疆 喀什844000;2.新疆伽師縣水利局，新疆 喀什 844000;3.新疆巴州水文水資源勘測(cè)局，新疆 庫爾勒841000)

全球氣候變化已成為科學(xué)界極為關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一［1，2］。根據(jù)IPCC第四次評(píng)估報(bào)告，近100 a來全球氣溫升高了0.74℃，從而導(dǎo)致區(qū)域水資源系統(tǒng)時(shí)空再分配［3］。受全球變暖影響，中國西北部也發(fā)生了從暖干向暖濕化轉(zhuǎn)變的強(qiáng)勁信號(hào)［4～6］。塔里木河作為西北干旱區(qū)典型的純耗散型內(nèi)陸河，也是我國最大的內(nèi)陸河流域，干流不產(chǎn)流，徑流主要依靠源流山區(qū)降水與冰川融水補(bǔ)給，因此對(duì)氣候變化的響應(yīng)更為敏感。

葉爾羌河是塔里木河源流區(qū)最長(zhǎng)的河流，也是塔里木河干流水資源重要的補(bǔ)給來源，并在卡群水文站以上為源流產(chǎn)水區(qū)［7］。近年來，隨著該流域上、中游灌溉面積與人口的快速增加，水資源的過度開發(fā)利用已嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展［8～9］。然而有關(guān)葉爾羌河流域的研究相對(duì)還較少，但也有一些有意義的結(jié)論。如孫本國［10～11］等人利用流域內(nèi)氣象站點(diǎn)、水文站點(diǎn)分析得出:在全球氣候變暖的大背景下，流域內(nèi)氣溫升高，降水增加，呈現(xiàn)出明顯的增暖、變濕趨勢(shì);通過年代際分析，指出降水、年徑流量呈線性增加趨勢(shì);同時(shí)具有季節(jié)性特點(diǎn):夏季降水的線性增濕最為顯著，冬季呈不明顯的線性下降趨勢(shì)。以往的研究采用的方法主要是季節(jié)性變化、年代際變化和線性趨勢(shì)，本文欲引入趨勢(shì)分析和小波分析等方法對(duì)流域徑流量和降水量做進(jìn)一步研究。

此外，葉爾羌河徑流量年內(nèi)分配極不均勻，洪澇災(zāi)害頻繁。因此，加強(qiáng)流域內(nèi)降水量與徑流量的多尺度變化研究就顯得十分重要?；诖?，本文分析了葉爾羌河降水量與徑流量的趨勢(shì)和突變，并通過小波分析甄別了二者的主周期及未來變化趨勢(shì)，以期為實(shí)現(xiàn)該區(qū)水資源的可持續(xù)利用提供決策參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

葉爾羌河全長(zhǎng)1 097 km，徑流主要依靠高山冰雪融水補(bǔ)給，約占徑流總補(bǔ)給量的77.4%，其徑流量年內(nèi)分配極不均勻，6～8月份約占徑流總來水量的70%。

流域地處塔里木河流域西南部，天山南坡，且毗鄰塔克拉瑪干沙漠，地理坐標(biāo):34°50'～ 40°31'N，74°28'～ 80°54'E，流域總面積 9.89 ×104km2，耕地面積 7.53 ×106ha，人口1.9×106。流域內(nèi)多年平均降水量30～60 mm，并從山區(qū)至平原逐漸減少，溫度10.6℃ ～11.5℃，干旱少雨，為極端干旱氣候區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)收集

本文收集了葉爾羌河源卡群水文站1957—2009年的逐月徑流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及1957—2007年的降水量逐月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該站以上未經(jīng)人為灌溉和分流，受人類干擾較小，可看作天然徑流量。

1.3 分析方法

1.3.1 Mann － Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)

在Mann－Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)中，原假設(shè)認(rèn)為時(shí)間序列的增減趨勢(shì)或者突變不明顯;而備擇性假設(shè)認(rèn)為時(shí)間序列變化趨勢(shì)顯著［12］。從檢驗(yàn)?zāi)芰ι峡?，使用非參?shù) Mann－Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)要優(yōu)于參數(shù)t檢驗(yàn)，并且無須事先假定樣本的統(tǒng)計(jì)分布［13］。

1.3.2 小波分析

小波分析是一種窗口大小固定但形狀可變的時(shí)頻局部化分析方法，在時(shí)域和頻域上同時(shí)具有良好的局部性質(zhì)，能將水文時(shí)間序列分解成交織在一起的多尺度成分，并對(duì)不同尺度成分采用相應(yīng)粗細(xì)的時(shí)域取同步長(zhǎng)，能夠不斷地聚集到所研究對(duì)象的任意微小細(xì)節(jié)，同時(shí)在數(shù)學(xué)上具有嚴(yán)格意義的突變點(diǎn)診斷能力。因此，小波在水文學(xué)上的應(yīng)用越來越廣泛［14－15］。本文利用Morlet小波變換探討葉爾羌河流域源流區(qū)年降水量與徑流量的多時(shí)間尺度變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉爾羌河徑流量與降水量的趨勢(shì)分析

利用研究區(qū)近50 a的逐月實(shí)測(cè)徑流量與降水量數(shù)據(jù)，借助Mann－Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)對(duì)二者進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)(見表1)。

表1 葉爾羌河降水量與徑流量的Mann－Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)

在表1中，經(jīng)過Mann－Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)，葉爾羌河徑流量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量 Zc=1.11＜Z0.05=1.96(經(jīng)查表，在0.05顯著水平下，Z0.05=1.96)，表明其增加趨勢(shì)不顯著。對(duì)于降水量，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為2.92，表明其增加趨勢(shì)在0.05檢驗(yàn)水平下達(dá)到顯著水平。同時(shí)，根據(jù)累積距平曲線(見圖1)，葉爾羌河徑流量在1957—1961年呈輕微的增加趨勢(shì)，1962—1993年表現(xiàn)為水平狀，而1993年后累積距平線呈顯著增加趨勢(shì)。降水量的在1957—2007年波動(dòng)劇烈，具體在1957—1986年迅速下降后，于1987—1993年呈輕微的上升，而在1994—2001年波動(dòng)較為平緩，但在2001后轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的上升。

圖1 葉爾羌河源流區(qū)徑流量與降水量的累積距平

2.2 徑流量與降水量集中度指數(shù)的周期性分析

小波分析不僅可以找出不同時(shí)間尺度處的主周期，而且可以分辨出不同時(shí)間尺度處周期的位相和波動(dòng)強(qiáng)度。在圖2中，小波系數(shù)為正時(shí)，表明徑流量或降水量偏多，為豐水期;小波系數(shù)為負(fù)時(shí)為枯水期，而為0時(shí)意味著突變期。小波方差的波峰值意味著主周期所在的時(shí)間尺度。

圖2 徑流量與降水量的小波分析

在圖2中，葉爾羌河徑流量在年際變化以3和9 a周期為主，但以9 a最為顯著，這可通過徑流量的小波方差圖得以驗(yàn)證。同時(shí)，從該圖還可知，在年代際同時(shí)存在17 a的主周期。對(duì)于 9 a周期，徑流量在 1959—1962年、1966—1968年、1971—1973 年、1977—1979 年、1983—1985 年、1988—1990年、1994—1995年、1999—2001年和 2005—2007年年呈正位相，意味著豐水期，而其他時(shí)段為負(fù)位相，表明處于枯水期。17年主周期在1958、1970、1983、1996和2008年發(fā)生了5次豐枯突變。對(duì)于降水量，在年際以8 a的主周期為主，而在年代際以22 a周期最為顯著。由降水量的小波系數(shù)圖可知，8 a周期的小波系數(shù)位相呈正負(fù)周期性的交替振蕩。22 a周期在1985年發(fā)生了由枯至豐的突變。根據(jù)相關(guān)研究，研究區(qū)降水量與徑流量的周期變化與大尺度的北極濤動(dòng)、北大西洋濤動(dòng)等大氣環(huán)流及太陽黑子活動(dòng)存在一定的相關(guān)關(guān)系［16～21］。

2.3 徑流量與降水量的預(yù)測(cè)

由小波分析可知，葉爾羌河徑流量和降水量皆存在明顯的周期特性，考慮到二者的主周期長(zhǎng)度和小波預(yù)測(cè)的時(shí)效性，以徑流量9 a和降水量8 a的小波系數(shù)為建模依據(jù)，選擇10 a(2008～2017年)為預(yù)見期，對(duì)研究區(qū)徑流量與降水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。首先，對(duì)研究區(qū)徑流量與降水量的小波系數(shù)值進(jìn)行非線性擬合，得到以下方程:

利用上述方程，預(yù)測(cè)得到葉爾羌河降水量與徑流量在未來10 a(2008—2017年)的周期性變化(圖3)。根據(jù)圖3，徑流量在9 a周期處的2008—2011年和2015—2017年將處于枯水期，而降水量8 a周期在2008—2010年和2013—2015年將處于枯水期。

圖3 降水量與徑流量預(yù)測(cè)

在圖3中，葉爾羌河徑流量與降水量的變化趨勢(shì)存在不一致性，這看似與事實(shí)不符，究其原因，一方面由于葉爾羌河源流區(qū)以固體降水為主，積雪需長(zhǎng)時(shí)間消融，或者先進(jìn)入地下水然后經(jīng)過潛流才溢出，因而對(duì)徑流變化的影響具有滯后性［15］;另一方面，葉爾羌河源流徑流量主要依靠冰川與積雪融水補(bǔ)給，其冰雪融水占總補(bǔ)給量的77.4%［7］，因此徑流與氣溫的關(guān)聯(lián)性優(yōu)于降水量［11］。因此，在降水量增加時(shí)，氣溫的持續(xù)偏低將致使冰川與積雪融水減少，當(dāng)降水量的增加難以彌補(bǔ)冰川與積雪融水補(bǔ)給的損失量時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)徑流來水量的減少。

3 結(jié)語

通過對(duì)近50年葉爾羌河年徑流量與降水量進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論:

(1)葉爾羌河徑流量增加趨勢(shì)不顯著，而降水量呈顯著的增加趨勢(shì)。具體上，徑流量在1957—1961年呈輕微的增加趨勢(shì)，1962—1993年表現(xiàn)為水平狀，而1993年后累積距平線呈顯著增加趨勢(shì)。降水量的在1957—2007年波動(dòng)劇烈，具體在1957—1986年迅速下降后，于1987—1993年呈輕微的上升，而在1994—2001年波動(dòng)較為平緩，但在2001后轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的上升。

(2)葉爾羌河徑流量在年際變化以3和9 a周期為主，在年代際同時(shí)存在17 a的主周期。對(duì)于降水量，在年際以8年的主周期為主，而在年代際以22 a周期最為顯著。

(3)葉爾羌河徑流量在9 a周期處的2008—2011年和2015—2017年將處于枯水期，而降水量8 a周期在2008—2010年和2013—2015年將處于枯水期。

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