何 英，彭 亮，穆振俠，鄭淑文

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052)

近十幾年來，新疆氣候變化總體特征表現(xiàn)為氣溫顯著上升，以冬季變暖最為明顯；降水量的增加以天山山區(qū)最為顯著，四季降水量呈現(xiàn)一致的增加趨勢，夏季增加趨勢最明顯[1-3]。目前，新疆正在加快新型工業(yè)化發(fā)展，農(nóng)牧業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)和新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程處于關(guān)鍵時(shí)期， 所以氣候變化將會使新疆面臨更高的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和處于更加脆弱的發(fā)展環(huán)境。

KZ河是喀什噶爾水系中最大的一條內(nèi)陸河，是喀什地區(qū)重要的灌溉水源。因此，在全球氣候變暖的大背景下，對KZ河年徑流變異性和周期性的研究及其演化規(guī)律和趨勢的分析和認(rèn)識，可為KZ河流域的綜合科學(xué)治理和水資源的合理開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 流域概況

KZ河在新疆塔里木盆地西緣，是喀什噶爾水系中最大的一條內(nèi)陸河，發(fā)源于吉爾吉斯斯坦境內(nèi)海拔6 048 m的特拉普齊亞峰，河流由西向東流經(jīng)疏附、喀什、疏勒、伽師、巴楚等縣(市)，河道全長778 km，其中我國境內(nèi)約400 km，從吉爾吉斯坦邊界至卡甫卡出山口處長242 km，至布哈拉引水樞紐約400 km，平均比降為5.1%。

KZ河是典型的帕米爾高原混合型河流[4]，除去特拉普齊亞峰融雪補(bǔ)給，春夏還吸納了許多天山和帕米爾高原山間谷地的雨水和泉水，多年平均徑流量為21.45億m3，最大年徑流量為1998年的27.24億m3，最小年徑流量為1974年的14.43億m3，懸移質(zhì)多年平均輸沙量1 388萬t(卡甫卡測站30年水文資料)。KZ河上游冰川覆蓋面積大，對河流的補(bǔ)償調(diào)節(jié)作用大，徑流年內(nèi)分配不均勻，春季缺水，夏水豐沛。

KZ河沖積平原由沖積扇、沖積平原、干三角洲、托克拉克沙漠4部分組成，包括KZ河、恰克瑪克河、布古孜河組成平原水系，地形趨勢由西向東傾斜，是喀什主要農(nóng)區(qū)之一。KZ河是喀什地區(qū)重要的灌溉水源。KZ河流域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?，遠(yuǎn)離海洋，深居內(nèi)陸腹地，三面環(huán)山，氣溫日、年變化幅度較大；氣候干燥，降水量小且蒸發(fā)強(qiáng)烈。

圖1 KZ河流域水系示意

根據(jù)干流匯入，水文、地形、地貌等因素，KZ分為三段，牙師水文站以上為KZ河上游，牙師水文站以下至KLBL水文站河段為中游，KLBL水文站以下至天南維其克引水樞紐河段為下游，KZ河流域水系(見圖1)。KLBL水文站于1958年4月設(shè)立，主要承擔(dān)KZ河下游防洪、灌溉任務(wù)，兼顧發(fā)電。工程建成后，可為民族地區(qū)防洪安全提供保障，使下游平原灌區(qū)和喀什市防洪標(biāo)準(zhǔn)由不足5年一遇提高到50年一遇，降低洪水災(zāi)害，極大減輕農(nóng)民的防洪負(fù)擔(dān)；有效調(diào)節(jié)KZ河水資源，補(bǔ)充灌區(qū)春灌、冬灌水量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)牧民增收；并可提供電力，緩解當(dāng)?shù)啬茉春碗娏Σ蛔忝堋?/p>

為了較為真實(shí)客觀的反映KZ河的河川徑流變化規(guī)律，文中擬以KLBL水文站1958年～2010年間的年徑流資料序列為基礎(chǔ)，運(yùn)用累積距平、Mann-Kendall檢驗(yàn)法和有序聚類法進(jìn)行徑流變異性分析，運(yùn)用小波分析法對徑流周期特征進(jìn)行診斷，以揭示其多年徑流量的變化規(guī)律，為預(yù)測未來河流徑流變化提供技術(shù)支撐。

2 徑流年內(nèi)、年際變化

2.1 年內(nèi)變化

KZ河KLBL水文站徑流年內(nèi)分配極不均勻，存在明顯的汛期(4月～9月)。1958年～2010年多年平均徑流量為21.45億m3，汛期徑流量占全年總徑流量的80.35%。從多年平均月徑流量分配曲線看，年內(nèi)徑流出現(xiàn)的最大月份是7月，最大月徑流量占年徑流量的百分比為20.26%，徑流出現(xiàn)的最小月份是1月，占全年徑流量的2.50%。KLBL水文站連續(xù)最大3個(gè)月徑流量出現(xiàn)在6月～8月，占年徑流量的55.13%，這取決于其補(bǔ)給來源。由于KZ河流域位于歐亞大陸腹地，降水稀少且蒸發(fā)強(qiáng)烈，該流域最主要的徑流補(bǔ)給來源為高山區(qū)的冰川和積雪，這就決定了KZ河流域的流量絕大部分都集中在溫度較高的夏季。

徑流分配的年代變化不明顯，峰值均出現(xiàn)在7月。從徑流年內(nèi)分配曲線的形態(tài)看，都表現(xiàn)為單峰型。

2.2 年際變化

KZ河1958年～2010年年徑流變差系數(shù)0.15，年際變化不大。據(jù)KLBL水文站實(shí)測資料，特豐水年1998年的年均流量為86.4 m3/s，特枯水年1974年的年均流量為45.8 m3/s，豐枯比達(dá)1.89。從徑流累積距平圖(見圖2)可以看出，1960年～1965年為KZ河徑流的顯著持續(xù)枯水時(shí)段，1994年～2006年為顯著的持續(xù)豐水時(shí)段，1966年～1993年為不連續(xù)的豐、枯交替變化時(shí)段。

圖2 KZ河年徑流累積距平曲線

3 徑流趨勢及跳躍特征

3.1 趨勢特征

Mann-Kendall檢驗(yàn)法(以下簡稱“M-K檢驗(yàn)法”)最初由Mann和Kendall提出，是世界氣象組織推薦且已廣泛使用的一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，學(xué)者們不斷應(yīng)用Mann-Kendall方法來分析降水、徑流、氣溫和水質(zhì)等要素時(shí)間序列的趨勢變化。M-K檢驗(yàn)不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)[5]。

本文采用M-K檢驗(yàn)法對KZ河徑流趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，計(jì)算過程如下。

原假設(shè)H0序列趨勢變化不顯著，則統(tǒng)計(jì)量

S=∑n-1i=1∑nj=i+1sign(xj-xi)

(1)

sign(xj-xi)=1ifxj-xi>0
0ifxj-xi=0
-1ifxj-xi<0

(2)

當(dāng)樣本容量n≥10時(shí)，統(tǒng)計(jì)量近似服從正態(tài)分布，其標(biāo)準(zhǔn)化后的量為

Z=(S-1)/n(n-1)(2n+5)/18S>0

0S=0

(S+1)/n(n-1)(2n+5)/18S<0

(3)

在顯著性水平α下，查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表得臨界值Zα/2，若Z>Zα/2，則拒絕原假設(shè)H0；否則，接受原假設(shè)H0。

經(jīng)計(jì)算，S=2，Z=0.007 7，信度α=0.05時(shí)的臨界值Zα/2=1.96，現(xiàn)Z=0.007 7

3.2 突變特征

采用有序聚類法[6-7]分析KZ河徑流的突變特征。計(jì)算過程為

Vτ=∑τt=1(xi-xτ)2
Vn-τ=∑nt=τ+1(xi-xn-τ)2
Sn(τ)=Vτ+Vn-τ

(4)

S*n=min1≤τ≤n-1{Sn(τ)}

(5)

式中，Vτ為分割前離差平方和；Vn-τ為分割后離差平方和；xτ=1τ∑τt=1xt；xn-τ=1n-τ∑nt=τ+1xt；Sn(τ)為總離差平方和；τ為可能分割點(diǎn)。滿足式(5)的τ記為τ0，即為突變點(diǎn)。

經(jīng)計(jì)算，Sn(τ)和τ的關(guān)系如圖3所示。由圖3可看出，τ=20時(shí)，總離差平方和最小，對應(yīng)的年份為1978年。1958年～1977年平均流量為19.47億m3，1978年～2010年平均徑流量為22.61億m3，可見1978年后KZ河徑流量有所增加。

圖3 徑流量的Sn(τ)～τ關(guān)系

4 徑流周期分析

選用Morlet連續(xù)復(fù)小波變換來分析徑流時(shí)間序列的多時(shí)間尺度特征。對延伸后標(biāo)準(zhǔn)化的年徑流序列進(jìn)行morlet連續(xù)復(fù)小波變換，計(jì)算小波系數(shù)，保留原年徑流序列時(shí)段內(nèi)的小波系數(shù)。通過小波系數(shù)及小波方差對KZ河流域年徑流的周期進(jìn)行分析和檢驗(yàn)[8-10]。

4.1 年徑流周期分析

小波系數(shù)實(shí)部等值線圖可以反映徑流序列不同時(shí)間尺度的周期變化及其在世界域中的分布，從而可以判斷在不同時(shí)間尺度上徑流的未來變化趨勢。取小波系數(shù)的實(shí)部，以年份為橫坐標(biāo)，時(shí)間尺度為縱坐標(biāo)繪制小波系數(shù)實(shí)部等值線圖。1958年～2010年間KZ河KLBL站年徑流量的小波變換系數(shù)的實(shí)部等值線見圖4。當(dāng)小波系數(shù)實(shí)部值為正數(shù)時(shí)，則為年徑流豐水期；當(dāng)小波系數(shù)實(shí)部值為負(fù)數(shù)時(shí)，則為年徑流枯水期；當(dāng)小波系數(shù)實(shí)部為0時(shí)，則為年徑流量由枯水期向豐水期的轉(zhuǎn)折點(diǎn)或由豐水期向枯水期的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

為了清楚的了解年徑流的變化規(guī)律，用顏色的深淺來代表年徑流量的大小，顏色越深，年徑流量越??；顏色越淺，年徑流量越大。由圖4可見，KZ河徑流主要有3類周期變化規(guī)律，分別存在于5～10 a，12～18 a和22～28 a的時(shí)間尺度上。在22～28 a的尺度上年徑流經(jīng)歷了枯→豐→枯→豐→枯→豐3次變換；在12～18 a的尺度上發(fā)生了6次豐水期到枯水期的變換；在5～10 a的尺度上共有12次豐、枯水期的變換。在全時(shí)段中年徑流的12～18 a和22～28 a時(shí)間尺度都有清晰的變換規(guī)律。

圖4 KZ河年徑流小波系數(shù)實(shí)部等值線

從位相結(jié)構(gòu)上看，在22～28 a時(shí)間尺度上，1958年～1965年為枯水期，1965年～1970年為豐水期，1970年～1980年為枯水期，1980年～1990年為豐水期，1990年～1995年為枯水期，1995年～2005年為豐水期，2005年～2010年為枯水期，且2005年以后等值線未閉合，說明2010年以后可能還存在連續(xù)幾年的枯水期。在12～18 a時(shí)間尺度上，1958年～1961年、1966年～1971年、1976年～1980年、1985年～1990年、1995年～1998年、2004年～2006年為豐水期，1962年～1965年、1972年～1975年、1981年～1984年、1991年～1994年、1999年～2003年、2007年～2010年為枯水期。

4.2 年徑流主周期檢驗(yàn)

小波方差圖能夠反映年徑流時(shí)間序列的波動(dòng)能量隨時(shí)間尺度的分布情況，可以用來確定徑流演化過程中存在的主周期。圖5即為KZ河徑流量變化的小波方差圖。通過小波方差計(jì)算結(jié)果，可以確定KZ河徑流量變化中存在的主要時(shí)間尺度。由圖5可以看出，在8、15 a和25 a時(shí)間尺度上出現(xiàn)3個(gè)峰值。25 a的時(shí)間尺度上出現(xiàn)最大峰值，稱為第1主周期，表示徑流量顯著的周期變換發(fā)生在25 a左右；第2、3峰值出現(xiàn)在15 a和8 a尺度上，分別為流域徑流的第2、3主周期。

圖5 KZ河年徑流小波系數(shù)方差

4.3 主周期分析

根據(jù)小波方差檢驗(yàn)的結(jié)果，15 a和25 a左右的時(shí)間尺度為第1主周期和第2主周期，繪制第1、第2主周期所對應(yīng)的小波系數(shù)實(shí)部過程線見圖6。

圖6 KZ河年徑流變化的15、25 a時(shí)間尺度小波實(shí)部

從圖6可以得出：在不同的時(shí)間尺度下，流域年徑流存在的平均周期和豐、枯變化特征；在15 a時(shí)間尺度上，年徑流變化經(jīng)歷了由豐到枯的交替循環(huán)變化過程，大約為6個(gè)周期，平均變化周期在10 a 左右；而在25 a特征時(shí)間尺度上，年徑流經(jīng)歷了3個(gè)周期的豐-枯變化過程，平均變化周期在15 a左右。這與上述由小波系數(shù)實(shí)部等值線圖分析的年徑流變化過程一致。

5 結(jié) 論

運(yùn)用累積距平、有序聚類、M-K檢驗(yàn)法及Morlet復(fù)小波函數(shù)分析方法等方法，研究了KZ河徑流變化的基本特征、變異規(guī)律以及周期變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)KZ河徑流存在明顯的汛期(4月～9月)，且汛期的徑流量占全年總徑流量的比值為80.35%。累積距平圖顯示，年徑流量存在明顯的持續(xù)枯水時(shí)段(1960年～1965年)和持續(xù)豐水時(shí)段(1994年～2006年)。

(2)KZ河年徑流存在不顯著的上升趨勢，1978年發(fā)生了一次跳躍。

(3)小波分析結(jié)果表明，近53年來，KZ河年徑流的變化存在5～10 a，12～18 a和22～28 a 3類尺度周期變化規(guī)律，在25 a的時(shí)間尺度上出現(xiàn)最大峰值，為第1主周期；第2、三峰值出現(xiàn)在15 a和8 a尺度上，分別為流域徑流的第2、3主周期。