近50年博斯腾湖水位变化特征分析

郭梦京, 周孝德, 李 鹏, 程圣东, 陈勇民

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室, 西安710048; 2.新疆环境保护科学研究院, 乌鲁木齐 830011)



近50年博斯腾湖水位变化特征分析

郭梦京1, 周孝德1, 李 鹏1, 程圣东1, 陈勇民2

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室, 西安710048; 2.新疆环境保护科学研究院, 乌鲁木齐 830011)

以干旱区博斯腾湖为研究对象，依据博斯腾湖1956—2012年期间的水位监测数据，采用小波分析及Mann-Kendall(M-K)趋势检验等统计学方法，揭示了近50 a博斯腾湖水位变化趋势及规律。结果显示：博斯腾湖1956—2012年水位变化分为3个阶段下降(1956—1987年)—上升(1988—2002年)—下降(2003—2012年)，其中1956—1987年水位下降了3.39 m；1988—2002年上升了3.7 m；2003—2012年再次下降了3.21 m。水位总体上呈现出显著的下降趋势，且通过了α=0.05时的显著性检验。就其周期性变化规律而言，博斯腾湖水位存在18 a的主周期，而38 a的周期由于水位资料序列有限难以确定，需要更长的资料序列进行分析验证。

博斯腾湖; 水位变化; 小波分析; M-K趋势检验

湖泊是区域生态环境的重要组成部分，对于降水、湖泊入流、蒸发等水文气象要素的变化非常敏感，且易受到气候变化及人类活动的干扰。因此，湖泊可以作为一个天然“指示器”来反映区域的生态环境状况以及气候变化[1-3]。博斯腾湖地处干旱区，作为新疆重要的内陆生态系统，其水资源量的变化会直接影响区域的生态环境[4-6]。水位变化可以直观反映出水资源量的变化，水位的持续下降会导致湖滨湿地的减少、植被退化、破环生物多样性和渔业资源；而水位的持续升高会引起淹没农田，土壤盐渍化，增加洪水风险等[7]。因此，博斯腾湖水位变化对其生态环境具有重要的影响。本文主要依据博斯腾1956—2012年的水位数据，借助小波分析以及Mann-Kendall统计检验的方法，揭示博斯腾湖近50 a水位变化变化趋势及变化规律，为博斯腾湖水资源管理及生态环境保护提供依据。

1 研究区概况

博斯腾湖(北纬41°56′—42°14′，东经86°40′—87°26′)位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古族自治州境内，属于中生代断陷湖，曾是我国最大的内陆淡水湖。其水域辽阔，东西长达55 km，南北宽约25 km，形似一把不规则的镰刀，在水位为1 048.5 m时，水面面积为1 210.5 km2，容积为90亿m3，平均水深8 m，最深为17 m。湖盆呈深碟状，中间底平，靠近湖岸水深急剧变浅，总蓄水量8.8 km3，湖泊平均停留时间4.8 a。博斯腾湖流域气候主要受夏季西风带影响，高蒸发率、低降水。湖水地区年平均气温6.3℃，潜在蒸发量高达2 000 mm，年平均降雨量只有70 mm。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本文选取博斯腾湖1956—2012年月尺度水位数据(主要来源于新疆塔里木河流域管理局以及新疆环境保护科学研究院)，采用小波分析和Mann-Kendall趋势检验等统计学方法，借助Matlab软件对博斯腾湖水位变化特性进行分析。

2.2 研究方法

2.2.1 小波分析 小波分析(wavelet analysis)也称多分辨分析，是近几年国际上十分热门的一个前沿领域，被认为是傅里叶分析方法的突破性进展[8-9]。小波分析的基本思路是按照不同的尺度或分辨率来分解信号。小波分析的巨大优势在于借助时频局部化功能剖析时间序列内部精细结构[10-11]。小波是指具有振荡性，能够迅速衰减到零的一类函数，即：

(1)

对满足一定条件的ψ(t)，伸缩和平移构成一簇函数系：

(2)

(3)

由此可见，小波变化函数是通过对母小波的伸缩和平移得到的。小波变换的离散形式为：

(4)

式中：Δt——取样间隔；n——样本量。离散化的小波变换构成标准正交系，从而扩充了时间应用的领域。

小波函数ψ(t)可以取不同形式。本文采用Morlet小波作为母小波函数进行变换，其基本形式为：

(5)

当c取较大值时，上式中第2项远小于第1项，省略第二项。其子小波为：

(6)

Morlet小波函数是经一个Gaussion函数平滑而得到的周期函数，所以，其伸缩尺度a与傅立叶分析中的周期T有一一对应关系。

(7)

将时间域上的所有小波系数的平方积分，即小波方差：

(8)

小波方差随尺度a的变化过程称为小波方差图，它反映了波动的能量随尺度的分布，借此可能确定一个时间序列中存在的主要时间尺度，可以用来分析序列变化的主要周期成分。

2.2.2 Mann-Kendall统计检验方法 Mann-Kendall统计检验方法是一种非参数统计方法，是由H.B.Mann和M.G.Kendall于1945年所发展的[12-13]。其特点是不需要先假定样本的统计分布，也不受少数异常值的干扰。该方法是目前被广泛应用在水质、径流、温度、降水等水文气象时间序列的明显趋势变化分析[14-15]。Mann-Kendall(MK)检验方法的表达式具体如下。

对于一个连续的时间序列x1,x2，…,xn，MK检验法的秩序列dk可以为：

(9)

(10)

将dk标准化，可得到

(11)

3 结果与分析

3.1 水位变化特征

3.1.1 年际变化特征 博斯腾湖水位在过去的57 a发生了巨大的变化。从博斯腾湖1956—2012年水位变化可以看出(图1)，其呈现出下降—上升—下降的变化过程，且有两个明显的间断点，第一个在1987年，另一个在2002年。依据这两个明显的间断点，可以将水位变化过程分为3个时间阶段；1956—1987年(时段I)；1988—2002年(时段Ⅱ)；2003—2012年(时段Ⅲ)。博斯腾湖水位在第I时段呈现出波浪式的下降，从1956年的1 048.34 m下降到1987年的1 044.95 m。在这32 a的时间里水位下降了3.39 m，平均每年下降0.11 m/a。随后，其水位迅速上升，在2002年达到1 048.65 m。在此期间，其水位上升了3.7 m，平均每年上升0.25 m/a，仅用了15 a的时间就恢复到了1956年的水平。然而，此后的10 a里水位又再次下降了3.21 m，平均每年下降0.32 m/a。到2012年，其水位为1 045.44 m仅仅比历史最低水位高出0.6 m，相比1956年水位下降了约2.9 m，平均每年下降0.05 m/a。

图1 博斯腾湖1956—2012年水位变化

3.1.2 年内变化特征 根据博斯腾湖月尺度的水位数据进行多年平均处理，得到不同时段的月平均水位(图2)。博斯腾湖水位年内变化在不同时段呈现不同的变化趋势，从近57 a的多年月平均值来看，在每年的2—9月期间，水位均在1 047 m以上，最高水位出现在每年的4月，最低值出现在11月，季节变化明显。在4—9月期间，7月水位相对较低。博斯腾湖的水位年内变化曲线体现出双峰特征，1—4月水位逐渐升高，然后至6月逐渐下降，主要原因可能是农业灌溉使水量大增，减少了入湖流量而增加了出湖流量；6—8月又升高形成第二个峰值，此后水位开始回落，11月达到最低值。

图2 不同时段博斯腾湖月水位变化

从不同时段来看，第I时段博斯腾湖月水位变化趋势与多年平均类似，最高水位出现在4月份，最低值在11月，平均水位在1 047 m以上，最高值月最低值相差仅0.21 m，该时段水位变化相对稳定。第Ⅱ时段博斯腾湖月水位变化总体呈现出上升趋势，最高水位出现在9月，最低值在1月，平均水位为1 046.8 m，最高值与最低值相差0.4 m。在1—12月期间，水位在1—9月持续上升，其余月份均在下降，在12月水位为1 046.86 m，相比1月高出0.23 m，说明湖泊整体处于蓄水状态。第Ⅲ时段月水位变化整体呈现下降趋势，最高水位出现在4月，而最低水位在12月，平均水位为1 046.5 m，相比前两个时段，水位明显下降。在1—12月期间，水位在1—4月上升了仅仅0.07 m，而5—12月下降了近0.5 m，说明湖泊整体处于放水状态。

3.2 水位变化趋势

为了进一步分析年水位变化趋势，对年水位序列进行MK趋势分析，分析结果见表1和图3。MK检验结果显示，检验值Z为-4.11，β值为0.04。当α=0.05时，Z1-α/2=1.96，而|Z|>|Z1-α/2|，表明1956—2012年博斯腾湖水位总体表现为显著的下降趋势，通过了α=0.05时的显著性检验。

表1 水位Mann-Kendall 趋势检验结果

由图3可知，1956—1966年的水位变化趋势并没有超过显著性水平0.05的临界线，表明在此期间水位变化趋势并不显著，水位在1959年和1964年呈现出短暂的上升趋势。1966年之后，水位下降的趋势超过了显著性水平0.05的临界线，表明1966年后水位下降趋势显著，虽然在1995—2002年水位呈现短暂的上升趋势，但是并没有超过显著性水平0.05的临界线。水位UF线和UB线恰好在信度线之间交叉于1966年，此交叉点说明水位的下降是一种突变现象，突变开始的时间是1966年。

3.3 水位变化规律

采用Morlet小波对博斯腾湖1956—2010年标准化水位序列资料进行连续小波变换，从而分析其水位变化规律。从图4可以看出，水位小波方差存在两个峰值，表明博斯腾湖水位存在18 a和38 a的周期。从水位的小波变换系数的实部来看(图5)，在10～30 a的时间尺度上，周期振荡比较明显，水位经历了高—低—高—低的循环变化，在其它时段则表现不明显。1967年、1987年、2002年以及2010年附近振荡表现强烈，其中1967年和2002年附近小波变换系数为正表明水位较高，而1987年和2010年附近小波变换系数为负，表明水位较低。水位最明显的振荡周期在18 a的时间尺度附近，结合小波方差的两个峰值，说明18 a为水位变化的主周期，第二个周期为38 a。其中38 a时间尺度的周期由于水位资料序列有限难以确定，因此，需要更长的资料序列进行分析验证。

图3 博斯腾湖水位趋势检验

图4 博斯腾湖水位序列小波方差

图5 博斯腾湖水位小波变换系数等值线

3.4 水位变化原因分析

3.4.1 入湖水量与水位 博斯腾湖属于吞吐型湖泊，它既是开都河的尾闾也是孔雀河的源头。已有的研究成果表明[16-18]，开都河径流占博斯腾湖入湖总径流量的85%左右，是博斯腾湖主要的补给水源，因此，开都河径流量的增加或减少直接影响博斯腾湖水位的上升或下降。开都河的水源补给主要是以冰川融水加少量的降水补给，其流域拥有722条冰川[19]，冰雪补水占开都河多年平均径流的44.2%。然而，随着全球气候变暖，新疆作为全球气候变暖的典型地区，自1987年以来，气候由暖干向暖湿转换，使得山区降水量增加，加之气温升高，冰川消退，从而导致开都河径流量增大。而2003年以来，气候持续变暖导致降水量发生变化，一些中小冰川由于前期的消融而逐渐消失，最终致使开都河径流量下降。

3.4.2 气候变化对水位的影响 近50 a来博斯腾湖地区的年均气温和年降水总体上保持上升趋势，2000年后增温十分明显[20-21]，是主要的升温时期。邱辉等研究发现，气温季节性在过去的50 a发生了明显变化[20]，主要表现为冬季气温总体上升，夏季气温相对稳定，冬季与夏季温差逐渐减小，季节性呈变弱趋势。气温的异常使得区域降水也发生明显变化，吴敬禄等研究发现，博斯腾湖地区1988—2010年降水量平均值与1959—1987年相比，增加了约22%；1988—2010年降水量处于近50 a来的最高值，但2000年以来降水量有下降趋势[18]，而1987年以来，博斯腾湖水位的升高，主要反映了入湖流量的增加。刘丽梅等分析了近50 a博斯腾湖的水量收支发现，1958—2010年期间开都河入湖水量及降水补给量占总入湖水量的95%和5%，而湖面蒸发量与孔雀河出湖水量占总出湖水量的57%和43%[22]。由此表明，气候变化对博斯腾湖水位的影响主要表现为气温的升高导致湖面蒸发量的上升。

3.4.3 人类活动对水位的影响 博斯腾湖水位波动变化的另一个因素是人类活动。人类活动主要包括农田灌溉、水利工程建设等。统计资料显示[18,23]，20世纪50年代，由于大量开荒造田，耕地面积不断上涨。1949年焉耆盆地内灌溉面积约1.0万hm2，1958年上升到3.24万hm2，而1972年扩大到9.8万hm2，至2010年已达到20万hm2以上，近60 a里灌溉面积增加了近20倍。由于耕地面积的不断增长，灌溉引水量也随之增加。在1949年灌溉引水量为3.0亿m3，仅仅占开都河年径流量的6%～8%。而1958—2010年灌区的引水量从8.2亿m3上升到11.98亿m3，占开都河流量的20%～40%，个别年份甚至高达60%以上[23]。由于引水量的不断增加，使得开都河入湖水量减少。1960s年平均引水量为10.14亿m3，到1970s增加到12.15亿m3，而1990s引水量减少到9.85亿m3。在1986年之后，由于当地政府实施了科学有效的灌溉管理措施，提高了灌溉水利用系数，使得灌溉定额明显下降，灌溉水利用系数从1985年的0.35上升到2009年的0.56[24]。此外，水利工程也会对博斯腾湖水位产生影响。如1975年为了满足孔雀河下游灌溉用水量的增加，修建了从开都河直接引水到孔雀河的解放一渠，使得入湖水量减少；1982年和2009年在博斯腾湖西南角分别建立东西扬水泵站，扬水泵的启用增加了出湖水量，出湖/入湖流量比例从31.7%(1958—1981年)增加至50.4%(1982—2010年)[23]，表明水利工程设施对博斯腾湖水位产生了直接影响。

4 结 论

(1) 博斯腾湖近57 a水位变化整体波动较大，且呈现出下降—上升—下降的变化过程。其中1956—1987年期间水位下降了3.39 m，平均每年下降0.11 m/a；1988—2002年期间水位迅速上升，其水位上升了3.7 m，平均每年上升0.25 m/a；2003—2012年水位又再次下降了3.21 m，平均每年下降0.32 m/a。水位年内变化曲线呈现出双峰特征，1—4月水位逐渐升高，然后至6月逐渐下降；6—8月又升高形成第二个峰值，此后水位开始回落，11月达到最低值。

(2) 年水位序列Mann-Kendall趋势分析结果显示，1956—2012年博斯腾湖水位总体表现为显著的下降趋势，通过了α=0.05时的显著性检验。

(3) 水位变化小波分析结果表明，水位存在18 a和38 a时间尺度的周期变化规律，其中在10～30 a的时间尺度上，周期振荡比较明显，表明年均水位存在18 a的主周期，而38 a的周期由于水位资料序列有限难以确定，因此，需要更长的资料序列进行分析验证。

(4) 博斯腾湖水位变化是气候和人类活动共同影响的结果。气候变化的影响主要表现在气温的升高引起开都河径流量的增加以及博斯腾湖湖面蒸发量的上升，而人类活动的影响主要表现在农业灌溉用水量的增减以及湖泊出水量的控制。

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Investigation of the Changes in the Water Level of Bosten Lake in the Past 50 Years

GUO Mengjing1, ZHOU Xiaode1, LI Peng1, CHENG Shengdong1, CHEN Yongmin2

(1.StateKeyLaboratoryBaseofEco-HydraulicEngineeringinAridArea,Xi′anUniversityofTechnology,Xi′an710048,China; 2.XinjiangAcademyofEnvironmentalProtectionScience,Urumqi830011,China)

This paper was purposed to analyze the change characteristics of lake level in the Bosten Lake during the past 50 years. The lake is located in the arid area. In this paper, the methods of wavelet analysis and Mann-Kendall test were employed, and the data of water level from 1956 to 2012 were also used to analyze the changes of lake level. The results show that the variations of lake level can be divided into three periods, falling (1956—1987), rising(1988—2002) and falling (2003—2012). To be specific, the lake level declined by 3.39 m from 1956 to 1987. Then, it rose by 3.7 m from 1988 to 2002. Afterwards, it declined again by 3.21 m from 2003 to 2012. Based on the Mann-Kendall test, the lake level shows the significant decreasing trend with a significance test at the leve of 0.05. The primary change period of lake level was 18 a by using the Morlet wavelet analysis. In addition, there was another period of 38 a in terms of the lake level. It was difficult to determine this period due to the limitation of lake level data series. Therefore, the more data series of lake levels need to be tested and verified.

Bosten Lake; water level variation; wavelet analysis; Mann-Kendall test

2014-11-20

2015-01-06

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2012CB723201);水利部公益性行业科研专项经费项目“小流域淤地坝坝系防洪风险评价技术项目” (201201084);水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室开放课题基金(2014003,2014004)

郭梦京(1986—),男,山西运城人,博士,主要从事环境水力学及环境保护研究。E-mail:guomengjing@163.com

P343.3

1005-3409(2015)02-0052-06