和田河源流地表径流特征分析
2015-03-27努尔买买提居买
努尔买买提·居买
(塔里木河流域干流管理局中游管理处, 新疆 喀什 841000)
和田河源流地表径流特征分析
努尔买买提·居买
(塔里木河流域干流管理局中游管理处, 新疆 喀什 841000)
本文收集了和田河源流玉龙喀什河同古孜洛克水文站和喀拉喀什河乌鲁瓦提水文站历年径流资料，借助非参数Mann-Kendall单调趋势检验、小波分析等方法，探究了和田河源流出山口地表径流特征。
和田河; 趋势; 突变; 周期性; 集中性
干旱区内陆河地表径流主要形成于山区冰雪消融，其产流过程与降水、温度、蒸发等气候因素密切相关，表现出复杂的非线性特征，隐含着趋势性、周期性、突变等特征[1]。和田河发源于塔克拉玛干沙漠南部的喀喇昆仑山和昆仑山山脉，是塔里木河三大源流之一，其径流变化过程在干旱区内陆河流域中具有典型性。在全球气候变暖大背景下，本文以和田河为研究对象，分别收集了和田河两条源流玉龙喀什河同古孜洛克水文站和喀拉喀什河乌鲁瓦提水文站历年径流资料，利用非参数检验、小波变换等方法分析其地表径流量的趋势性、突变性、周期性、集中性等，探索和田河径流变化的内在规律，研究结果对于指导流域水资源分配和维护塔里木河生态环境具有重要意义。
1 研究区概况
和田河流域位于塔里木盆地西南部，流域上游为崇山峻岭，终年积雪，下游为广阔的戈壁沙漠，流域绝大部分呈荒漠景观。和田河是目前唯一穿越塔克拉玛干沙漠的河流，是南北贯通的绿色走廊，也是目前塔里木盆地绿色走廊中保存最好的一条自然生态体系。和田河源流有两支：东支为玉龙喀什河，发源于昆仑山；西支为喀拉喀什河，发源于喀喇昆仑山。流域总面积48870km2，喀拉喀什河全长808km，玉龙喀什河全长513km。和田河多年平均出山口径流量为43.67亿m3。其中，玉龙喀什河同古孜洛克水文站多年平均径流量为22.19亿m3，喀拉喀什河乌鲁瓦提水文站多年平均径流量为21.48亿m3。和田河流域水系分布下页见图1。
图1 和田河流域水系分布示意图
2 资料来源及分析方法
2.1 资料来源
收集了和田河源流出山口水文站同古孜洛克(1962—2008年)和乌鲁瓦提(1957—2008年)水文站径流量资料，资料由塔里木河流域管理局提供。
2.2 分析方法
2.2.1 非参数检验
采用非参数Mann-Kendall单调趋势检验和Mann-Whitney阶段转换检验，分析径流资料时间序列上的变化趋势及突变显著程度。以上两种非参数检验方法无须事先假定样本的统计分布，也不受少数异常值干扰。其原假设H0为样本时间序列变化趋势(突变)不显著，备择假设H1待测时间序列变化趋势(突变)显著[2]。
2.2.2 小波分析
利用小波分析探讨径流量时间序列上的周期性变化特征[3]。小波函数为一组震荡变换的伸缩平移基。将小波母函数ψ(t)进行伸缩平移，就可以得到一组函数序列ψ(t)：
(1)
式中a——伸缩因子;
τ——平移因子;
ψ(t)——子小波。
Morlet小波函数为复数小波，其表达式为
ψ(t)=eictet2/2
(2)
式中c——常数；
i——虚部。
小波变换是把基本小波的函数做位移后，再在不同的尺度域下对待分析信号做内积。将函数f(t)∈L(R)在小波基下展开，得到f(t)的连续小波变换表达：
(3)
2.2.3 集中度指数
集中度指数用来表达径流量集中程度以及集中的重心所在的月份。将月径流看作向量，一年365天大体看作一个圆周(360°)，每天近似于0.986°为向量的方位角，表示向量的方向，径流量大小为向量的长度，以1月份径流向量的位置为0°，并按30°等差角递增[4]。其计算公式为
(4)
(5)
则集中度为
(6)
式中R(i)——年内各月平均径流量；
θ——月份所代表的角度。
3 和田河流域地表径流特征分析
3.1 和田河地表径流趋势分析
采用非参数Mann-Kendall单调趋势性检验，分析和田河两条源流年径流量变化趋势(见表1)。
表1 和田河径流的非参数Mann-Kendal单调趋势检验
注 统计变量Z0>0，表示增加趋势；Z0<0，表示减小趋势，Z0的绝对值Z0.05>1.96表明增加或减少趋势显著。A表示在α=0.05显著水平下接受原假设H0。
从表1可知，同古孜洛克水文站检验统计量Z0=-0.21，表明玉龙喀什河年径流量呈轻微下降趋势；Z0的绝对值小于Z0.05=1.96，表明下降趋势不显著；从拟合方程看，下降速率为-0.020亿m3/年。乌鲁瓦提水文站检验统计量Z0=0.30，表明喀拉喀什河年径流量呈轻微上升趋势；Z0的绝对值小于Z0.05=1.96，说明上升趋势也不显著；从方程看，上升速率为0.012亿m3/年。和田河两条源流在时间尺度上径流变化趋势存在差异，但总体变化趋势较稳定，未出现显著的增加或减小。
3.2 和田河地表径流突变分析
和田河同古孜洛克和乌鲁瓦提水文站历年径流变化过程见图2。
图2 和田河流径流量突变变化
从图2可以看出，同古孜洛克和乌鲁瓦提水文站年际间径流量变化幅度较大。但两站分别在1978年和1993年存在减小和增加的转变。这种变化是否显著，可借助非参数Mann-Whitney阶段性变换进行检验(见表2)。
由表2可知，同古孜洛克和乌鲁瓦提水文站径流突变检验统计量Z0分别为0.963和0.949，均小于Z0.05=
表2 和田河径流量的Mann-Whitney突变检验
注A表示接受原假设H0；显著水平α=0.05。
1.96，表明同古孜洛克和乌鲁瓦提水文站分别在1978年和1993年的径流突变均不显著。对突变点前后两时段年径流序列进行统计分析(见表3)。
表3 和田河径流量分段时间序列统计
由表3可知，和田河同古孜洛克和乌鲁瓦提水文站在1978年和1993年径流量分别呈-1.601亿m3和1.203亿m3的变化幅度。
3.3 和田河径流量周期性分析
小波分析是一种信号的时间尺度分析方法，具有多分辨率的特点，可以看到每一时刻在各周期中所处的位置，能够较好地分析数据序列随时间的变化情况，借助小波变换的时频局部化优势可以准确地找到时间序列的大小时间尺度周期，从而作为水文系统分析预测的重要依据。利用小波分析方法对同古孜洛克和乌鲁瓦提水文站径流周期性进行分析(见图3)。
图3 和田河径流量小波变化曲线(图中虚线为95%置信水平)
图3给出了同古孜洛克和乌鲁瓦提水文站年径流序列的小波方差(图3左)和主周期尺度小波系数(图3右)曲线。小波方差的大小可以指示出径流序列的周期尺度，小波方差出现极值的时间尺度即为径流变化的周期，小波方差的极值越大，周期性越明显。从图3左可知，同古孜洛克水文站和乌鲁瓦提水文站径流在95%置信水平下分别存在6年和8年的显著周期。小波系数曲线可以准确地反映径流序列在某一周期尺度上的变化，从小波系数值的正负可以看出该年径流量的多少，小波系数值为正表明径流处于丰水期，小波系数为负表明径流处于枯水期。从图3右可知，同古孜洛克水文站和乌鲁瓦提水文站总体分别在6年和8年的周期下呈“丰—枯”波动变化。
借助小波方差对同古孜洛克水文站和乌鲁瓦提水文站径流显著周期下的显著时段进行分析(见图4)。
图4 和田河径流显著周期下的显著时段(图中直线为95%置信水平)
图4中小波方差大于95%置信水平线时，即为显著时段。从图4可以看出，同古孜洛克水文站在1966—1984年、1990—1997年和2002—2007年三个时段的周期性表现显著；乌鲁瓦提水文站在1960—1968年和1973—1984年两个时段周期性表现显著。
3.4 和田河径流量年内各月径流过程分析
和田河同古孜洛克水文站和乌鲁瓦提水文站多年平均年内径流分配过程见图5。
图5 和田河多年平均年内月径流过程
从图5可以看出，和田河年内1—8月径流量呈递增趋势，8月达到峰值，9—12月径流量呈递减趋势。据统计，同古孜洛克水文站和乌鲁瓦提水文站汛期6月、7月、8月径流量分别占年总径流量的79.3%和70.4%，说明和田河年内径流过程具有明显的季节性特征。
借助非参数Mann-Kendall 单调趋势检验对同古孜洛克水文站和乌鲁瓦提水文站各月份历年的径流变化趋势进行分析(见表4)。
表4 和田河逐月径流量的Mann-Kendall单调趋势
注 统计变量Z0>0，为增加趋势；Z0<0，为减小趋势，Z0的绝对值Z0.05>1.96表明增加或减少趋势显著；Z0的绝对值Z0.05>2.58表明增加或减少趋势极显著。R表示拒绝原假设H0，A表示接受原假设H0。
从表4可以看出，同古孜洛克水文站除8月径流呈减小趋势外，其余月份径流量均呈增加趋势，其中4—9月的径流量变化趋势不显著。乌鲁瓦提水文站除7月和8月径流量呈减小趋势外，其余月份径流量均呈增加趋势，其中6月、7月和9月径流变化趋势不显著。乌鲁瓦提水文站7月和8月径流量呈下降趋势，尤其8月径流量呈显著下降趋势，可能与乌鲁瓦提水库建成后削减汛期洪峰有关。总体来看，和田河两条源流年内多数月份径流量表现为增加趋势，这在非汛期表现得更为突出；汛期个别月份径流量表现为减小趋势。
3.5 源流年径流量的集中性分析
集中度指数可以较好地反映河川径流的年内分布特征。利用该指数结合非参数Mann-Kendall 单调趋势检验，分析同古孜洛克水文站和乌鲁瓦提水文站的集中度指数变化趋势(见表5)。
表5 和田河径流量集中度指数的Mann-Kendall单调趋势检验
注 统计变量Z0>0，为增加趋势；Z0<0，为减小趋势，Z0的绝对值Z0.05>1.96表明增加或减少趋势显著；Z0的绝对值Z0.05>2.58表明增加或减少趋势极显著。R表示拒绝原假设H0。
由表5可知，同古孜洛克水文站和乌鲁瓦提水文站年径流量集中性指数的检验统计量Z0分别为-2.02和-4.24，说明两水文站径流量集中性均呈下降趋势，其中同古孜洛克水文站集中性下降趋势达显著水平(1.96
4 结 论
a.玉龙喀什河年径流量呈微递减趋势，年递减率为0.020亿m3；喀拉喀什河年径流量呈微递增趋势，年递增率为0.012亿m3。
b.玉龙喀什河年径流量在1978年呈不显著的减少突变，突变量为-1.601亿m3；喀拉喀什河年径流量在1993年呈不显著的增多突变，突变量为1.203亿m3。
c.玉龙喀什河和喀拉喀什河年径流量分别存在6年和8年的丰枯变化周期。
d.玉龙喀什河年内8月径流量呈减小趋势，其余月份呈增加趋势；喀拉喀什河7月和8月径流量呈减小趋势，其余月份呈增加趋势。
e.玉龙喀什河和喀拉喀什河年内月径流过程均趋于均匀化，喀拉喀什河均匀化程度更为显著。
[1] 刘新华，徐海量，凌红波,等.阿克苏河源流区径流量与降水量丰枯变化和相关性研究[J]．冰川冻土，2013，35(3):741-750.
[2] 丁贞玉，马金珠．石羊河流域出山口径流特征及其与山区气候变化相关关系分析[J]．资源科学，2007，29(3):53-58.
[3] 李彦彬，尤凤，徐建新,等.黄河径流变化规律的小波分析[J].水利水电技术，2012(1):17-21.
[4] 凌红波，徐海量，张青青,等.叶尔羌河年径流量与降水量的集中性及相关性分析[J].中国沙漠，2012，32(6):1757-1764.
Analysis on direct surface runoff features of Hetian River source
Nuermaimaiti Jumai
(TarimRiverBasinTrunkAdministrationMiddleReachesManagementOffice,Kashgar841000,China)
In the paper, annual runoff data of Hetian River source Yurunkax River Tonggumeiluoke Hydrological Station and Karakax River Wuluwati Hydrological Station is collected, nonparametric Mann-Kendall monotonic trend test, wavelet analysis and other methods are adopted for exploring ground surface runoff characteristics of Hetian River source flowing out of the mountain.
Hetian River; trend; mutation; periodically; concentration
10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2015.03.007
TV213.2
B
1005-4774(2015)03-0029-05
