近50年玛纳斯河径流时序变化特征

付树卿

(石河子水文勘测局，新疆 石河子 832000)



近50年玛纳斯河径流时序变化特征

付树卿

(石河子水文勘测局，新疆 石河子 832000)

[摘要]玛纳斯河径流是供给玛纳斯河流域绿洲的重要水资源。本文依据玛纳斯河上游肯斯瓦特水文站1959～2010年实测径流资料，采用趋势线、Morlet小波分析以及Mann-Kendall突变检验法分析了近50年玛纳斯河径流年内、年际多时间尺度下的变化特征及其未来的变化趋势。结果表明：(1)玛纳斯河径流年内分配极不均匀，主要集中在6～8月份，占多年平均径流量的70%左右，四季中夏季径流量最大，冬季径流最小；(2)径流年际变化大，具有明显的周期性与阶段性，经历了几个显著的丰枯时期，并存在32年、10年左右的主周期；(3)近50年玛纳斯河径流总体呈增加趋势，从1995年开始发生突变，在2000年达到显著水平，即玛纳斯河进入丰水期，径流的变化对流域洪水出现的频次有一定影响。

[关键词]玛纳斯河流域；径流；突变检验；小波分析

近年来在全球气候变暖和人类活动加剧的双重影响下，造成河川径流大幅度减少，流域水循环更为复杂，导致植被面积减少、土地荒漠化、地下水位下降及河道断流等一系列生态环境问题，这些问题严重影响到人类的正常生活，越来越受到国际社会的关注。玛纳斯河是该地区绿洲生存的命脉，属于冰川融雪及降水混合补给型河流，流域上游山区形成的径流和大气降水是供给中下游平原地区的主要水资源，维持着流域经济社会系统和生态环境系统的发展[1]。

目前人们对玛纳斯河流域平原区景观植被面积的动态变化、气候变化对水文循环的影响等方面己经做了大量研究，取得了阶段性成果，但是流域径流变化过程及其与水文极端事件洪水发生频次之间的定量关系研究较少[2]；因此，本文研究玛纳斯河径流年内、年际动态变化规律有助于深入了解区域水资源的变化特点及趋势，为流域水资源的合理开发利用和生态环境保护提供合理的科学依据，具有重要的实践指导意义。

1资料和方法

1.1研究区概况及数据来源

玛纳斯河流域源于新疆天山北麓，准葛尔盆地南缘，地理位置为：东经85°01′～86°32′，北纬43°27′～45°21′，其南部是著名的天山山地，北接古尔班通古特大沙漠，地形南高北低，平均高程3 022 m，流域总面积19 800 km2，冰川面积608.25 km2。流域内共有大小5条内陆河流，从东至西依次为:塔西河、玛纳斯河、宁家河、金沟河、巴音沟河[3]，玛纳斯河由西南向东北流，经煤窑水文站，向东接纳清水河子后转向北流，经肯斯瓦特水文站后又转向东北，最后流经红山嘴水文站进入玛纳斯河灌区，是准噶尔盆地南缘最大的一条冰川融雪及降水混合补给型河流，全长约27 km。玛纳斯河流域上流山区形成的径流是供给中下流地区的重要水资源，维持着流域经济社会系统和生态系统的发展。

肯斯瓦特水文站是玛纳斯河流域水文观测的代表站，始设于1955年5月，地理位置位于北纬43°58′，东经85°57′，集水而积4 637 km2[3]。故本文采用该站点1959～2010年近50年的径流资料。

1.2研究分析方法

1.2.1Mann-Kendall突变检验

本次径流趋势突变性检验采用Mann-Kendall非参数秩次相关检验法，此方法优点在于检测范围宽，也不受少数异常值的干扰，并且计算方便，近20年国际上关于Mann-Kendall方法应用研究的实例非常之多，己经广泛用于检验分析水文气象资料的趋势变化，其统计量为：

(1)

式中：秩序列Sk是i时刻大于j时刻个数的累积值，E(Sk)，Var(Sk)是累积数Sk的均值和方差，所有UFk组成一条曲线UF；将同样的方法用到反序列中，得到另一条曲线UB。通过分析统计序列UFk和进一步分析序列x的趋势变化，可以明确突变的时间，指出突变的区域[4]。

1.2.2Morlet复值小波分析

近年来小波分析方法被广泛应用到各种研究分析领域，其具有良好的时、频局部化特性，可以给出数据序列随时间推移的变动状况，可以分析同一频率的周期突变现象。通过Morlet复值小波对该站径流系列进行连续小波变换，可得到小波变换系数的实部、虚部等信息，通过分析这些信息，揭示玛纳斯河径流变化的多时间尺度结构[5]。小波函数为一组震荡变换的伸缩平移基ψaτ，将小波母函数ψ(t)行伸缩平移，就可以得到一组函数序列ψ(t)，其表达式为：

(2)

式(2)中：a，τ∈R，a>0，a为伸缩因子，τ为平移因子，ψ(t)为子小波。

Morlet小波函数为复数小波，其表达式为:

(3)

式(3)中：c为常数，i表示虚部。

2结果与分析

2.1径流时间演变特征

2.1.1径流年内变化特征

由玛纳斯河流域径流、降水年内分配曲线(图1)可知，玛纳斯河1～7月径流流量逐渐增加，8～12月径流流量逐渐减少，同时该流域径流的年内分配极不均匀，径流主要集中在6～8月份，占多年平均径流量的70%左右，与降水量主要集中在4～8月份相近；由此可见，降水量多，气温高冰川融雪多，径流量就偏大，说明降水和冰川融雪是玛纳斯河径流的主要补给来源；对比径流量与降水量可以看出，虽然5月份降水量比较多，占到了全年降水量的12.9%，但是由于冰川融雪少，导致径流量偏小，7～8月有明显的冰川融雪补给，降水对径流补给贡献下降；季节分配上，夏季降水与冰川融雪多，径流量最丰，冬季由于气温低导致河流封冰，加之冰川融雪少，所以径流最枯，说明玛纳斯河流域径流的年内分配很大程度上取决于其补给来源。

图1　玛纳斯河流域径流、降水年内分配曲线

2.1.2径流年际变化特征

由玛纳斯河年际径流变化曲线(图2)可知，该河流1959～2010年平均径流量为12.59亿 m3，最大值出现在1999年，达到20.19亿 m3，最小值出现在1992年，为9.357亿 m3。70年代径流量比60年代减少9.3%，80年代比70年代平均增加2.72%，90年代比80年代增加14.98%，2000～2008年平均比90年代又增加5.04%。其趋势方程为，变化倾向率为0.609亿 m3/10a，说明近50年玛纳斯河年平均径流量总体呈增加趋势。

图2　玛纳斯河流域年际径流变化曲线

评价径流年际变化的特征通常采用年径流不均匀系数和年际极值比来表示。是评价径流量年际变化的重要指标，其值大小直接说明了径流年际变化的起伏程度，值越大表示年际径流量变化剧烈，对水资源利用和抗旱防汛工作不利，反之则表示径流的年际变化平缓；年际极值比反映了年内径流量最大值与最小值比的倍数关系，显示径流量的不均匀程度，越大表明径流量年际变化越不均匀[6]。年径流不均匀系数公式如下：

(4)

式中:n为观测年数；Ki为第i年的年径流变率。

表1　玛纳斯河流域径流变化特征值

由计算结果表1可以看出，玛纳斯河流域径流的年际不均匀系数和极值比都比较小，说明近50年玛纳斯河年际径流变化起伏程度比较均匀平缓，对水资源利用和抗旱防汛工作有利。

2.2径流突变特征分析

由玛纳斯河流域年际径流量Mann-Kendall突变检验曲线(图3)可知，玛纳斯河年径流量从20世纪90年代开始逐渐增加，在1995年发生突变，即从1995年玛纳斯河开始趋于丰水趋势，但是没有达到显著水平，在2000年值大于，即超过临界值线，说明玛纳斯河年径流量从2000年开始显著上升，即玛纳斯河进入丰水期。

2.3径流变化对洪水频次的影响

统计流域超标准洪水(超标准洪水是指超过年最大洪峰流量多年平均值的洪水)出现的频次可以反映出洪水发生的频繁程度并进行年际间的比较分析[7]，统计结果见图4，从图中可知肯斯瓦特站1959～2010年中共发生超标准洪水17次，在径流1995年发生由枯到丰的突变后，超标准洪水共发生10次，占全部超标准洪水出现次数的58.8%，1995年后超标准洪水出现的次数明显增多，尤其是1996～2002年连续7年出现超标准洪水，其中肯斯瓦特站1999年发生了1 100 m3/s的特大洪水，说明玛纳斯河径流发生由枯到丰的变化后大洪水出现的频次和强度都在明显增加。

图3　玛纳斯河流域年际径流量

注：|UF|=1.96为0.05信度临界值

图4　玛纳斯河不同年代超标准洪水出现的频次

图5　玛纳斯河年际径流量小波变换

2.3径流周期性分析

从玛纳斯河1959～2010年平均径流的Morlet小波函数变换结果(图5)可以分析得出，小波变换图中上部等值线相对稀疏，对应较长时间尺度周期的振荡，而下部等值线相对密集，对应较短时间尺度周期的振荡；图中信号的强弱通过小波系数的正负来表示，以0等值线为界，正数值越大代表径流量偏多为丰水期，负数值越大代表径流量偏少为枯水期。在35～45年的时间尺度上径流经历了“丰—枯—丰”三个阶段的交替变化，同时可以看出，在1959～2010年整个时间段内，玛纳斯河流域年径流量主要存在10年和32年左右的显著周期性变化。

3结语

(1)玛纳斯河径流年内分配极不均匀，主要集中在6～8月份，2月份处于最低值，6月份急剧增加，7月份达到最大值，8月份有所减少，直到12月份再次出现极小值；按季节分析夏季径流量最丰，冬季径流最枯，降水和冰川融雪是玛纳斯河径流的主要补给来源，径流在年内分配很大程度上取决于其补给来源的变化情况；

(2)近50年玛纳斯河年均径流量为12.59亿 m3(1959～2010年)，其变化倾向率为0.609亿 m3/10a，总体呈增加趋势，特别是20世纪90年代中后期径流量显著增加，期间径流演变过程具有明显的突变特征，突变发生在1995年，即玛纳斯河从1995年开始进入丰水期；径流的变化对流域洪水出现的频次有一定影响，随着径流发生由枯到丰的变化后流域超标准洪水出现的频次和强度都在明显增加；

(3)运用Morlet小波分析发现玛纳斯河流域年径流变化具有明显的阶段性与周期性。年均径流序列经历了几个显著的丰枯变化，并且呈现出32年，10年左右的显著周期性变化，以32年为主周期推算玛河径流变化，可知目前玛纳斯河流域正处于大时间尺度上的丰水期，估计持续到2018年左右。

参考文献

[1]WANG Yan, DING YongJian, YE BaiSheng et al.,2013.Contributions of climate and human activities to changes in runoff of the Yellow and Yangtze rivers from 1950 to 2008.Science China Earth Sciences,56(8):1398-1412.

[2]唐湘玲，吕新，李俊峰.近50年玛纳斯河流域径流变化规律分析[J].干旱区资源与环境.2011.25(5):124-129.

[3]王薇，陈伏龙，何新林，等. 玛纳斯河肯斯瓦特以上流域近55年降水量变化特性分析[J].干旱区资源与环境.2013.27(5):163-168.

[4]符淙斌，王强.气候突变的定义和检测方法[J].大气科学.1992.16(4):482 -493.

[5]王文圣，丁晶，李跃清.水文小波分析山[M].北京:化学工业出版社.2005.

[6]蒋艳，周成虎，程维明.新疆阿克苏河流域年径流时序特征分析[J].地理科学进展.2005.24(1):87-94.

[7]吴素芬,张国威.新疆河流洪水与洪灾的变化趋势[J].冰川冻土.2003,(25)2: 199-202.

[中图分类号]TV121+.2

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)02-0151-03

[作者简介]付树卿(1972-)，女，甘肃甘谷人，工程师，主要从事水文水资源勘测工作。

[收稿日期]2016-03-26