巴音沟河近60年出山口年径流量演变规律

刘 艺, 雷晓云, 马红刚, 邢 坤, 吕姣姣

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院, 乌鲁木齐 830052; 2.石河子巴音沟河流域管理处, 新疆 石河子 832000)



巴音沟河近60年出山口年径流量演变规律

刘 艺1, 雷晓云1, 马红刚2, 邢 坤1, 吕姣姣1

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院, 乌鲁木齐 830052; 2.石河子巴音沟河流域管理处, 新疆 石河子 832000)

对径流演变规律的研究是水资源合理利用、水利规划的前提。以新疆典型山溪河流巴音沟河黑山头水文站1956—2014年的年径流序列为基础，采用累积距平法、Mann-Kendall突变检验法、小波分析方法，对巴音沟河流域年径流量的变化趋势、突变特征、周期演变规律进行了研究。结果表明：(1) 近60年来巴音沟河流域年径流量有缓慢上升趋势，并且呈现出一定的阶段性。(2) 近60年来巴音沟河流域年径流量变化在1958—1960年和2003年两个时间段发生突变。1958—1960年是径流由多变少的突变时段，2003年是径流由少变多的突变时段。(3) 巴音沟河流域年径流量主要存在7年，11年，30年的主周期，且30年时间尺度周期最明显，是河流的第一主周期。

径流; 累积距平; Mann-Kendall; 小波分析; 巴音沟河

径流是流域水量平衡方程中的重要组成部分，研究径流的变化规律对于了解该流域地表水资源的变化趋势及水资源合理开发利用具有重要现实意义。新疆巴音沟河是干旱区典型的中小型山溪性河流，多年平均径流量3.07亿m3，其是兵团第八师巴音沟河灌区的主要水源，同时承担着沙湾县及独山子部分工业、农业及生活供水任务，对当地经济社会发展及生态系统保护起着至关重要的作用[1]。然而，目前国内对巴音沟河出山口径流量的时序变化规律研究成果少有报道，在新疆执行最严格水资源管理制度的背景下，我们对巴音沟河流域年径流量的变化趋势、突变特征、周期演变规律进行系统的研究，可为流域水资源的合理利用、水利规划提供理论依据和技术支持，同时该研究成果也可为干旱区中小河流的同类研究提供借鉴。

1　流域概况

巴音沟河流域位于新疆天山北坡中段，准噶尔盆地南缘，东与金沟河相邻，西与奎屯河接壤，南抵依连哈比尔尕山脉的冰峰雪岭，北达古尔班通古特沙漠。其地理位置为东经84°45′—85°27′，北纬43°29′—44°58′。河流水网发育，成树状水系。发源于乌苏县境内，由卡哈尔阿特、阿冬萨拉、哈尔莫仁、阿勒泰沙拉、依克马斯吐及东测沙湾县境内的巴依什果勒、乌拉斯台等七条主要支流汇集而成，自西南流向东北，全长160 km。巴音沟河流域集水面积为1 579 km2，森林覆盖面积51 km2。最大年径流量为4.33亿km3，最小年径流量2.22亿km3。全年径流量分配：春季3—5月0.19亿km3，占全年6.55%；夏季6—8月2.28亿km3，占全年72.19%；秋季9—11月0.52亿km3，占全年16.70%；冬季12—2月0.14亿km3，占全年4.57%。其径流以冰川雪源消融补给为主，降雨补给次之。

巴音沟河自上游到下游历史上共建立过喇嘛庙、二道沟、黑山头、安集海大桥四个水文站。本文以出山口黑山头水文站1956—2014年的年径流序列为基础资料，采用累积距平法、Mann-Kendall突变检验法、小波分析方法[2-4]，对径流的变化趋势、突变特征、周期演变规律进行分析，从多个角度揭示其径流演变规律[5]。

2　研究方法

2.1趋势分析

累积距平法[6-7]能够反映径流量在不同时代的阶段变化[8]。对于序列x，其某一时刻t的累积距平为：

(1)

将n个时刻的累积距平值全部算出，即可绘出累积距平曲线进行趋势分析。累积距平曲线比较直观，从曲线明显的上下起伏，可以准确判断其长期显著的演变趋势及持续性变化[9]。

2.2突变分析

本文采用Mann-Kendall非参数统计检验法[10-11]来确定巴音沟河流域年径流量的突变点。该方法的优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于类型变量和顺序变量，计算比较简便[12]。对于具有n个样本量的时间序列x，构造秩序列：

(2)

秩序列Sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数。

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：

(3)

式中：UF1=0，E(Sk)，var(Sk)是累计数Sk的均值和方差。在x1，x2，…，xn相互独立，且具有相互连续分布时，可由下式分别求得：

(4)

(5)

UFk服从标准正态分布，它是按时间序列x顺序x1，x2，…，xn计算出的统计量序列，给定显著性水平a，查正态分布表，得出相应的Ua值。按时间序列x的逆序xn，xn-1，…，x1，再重复上述过程，同时使UBk=-UF(n-k)，k=1，2，…，n-1，UBn=0。

将UFk，UBk两个统计量序列曲线和给定显著性水平下的临界值Ua绘制在一张图上，根据三者在图上显示出来的相互关系，判定是否发生突变以及突变发生的时间等[13]。

2.3周期分析

小波分析方法应用于分析水文序列时可以给出不同层次的变化尺度及变化时间[14]。Morlet小波为复数小波，其实部和虚部相位相差π/2，消除了实数小波在变换过程中系数模的震荡，目前应用最为广泛。所以，本文拟采用Morlet小波[15]来分析巴音沟河流域径流序列的多时间尺度特性，Morlet小波的函数为：

ψ(t)=π-1/4etω0te-t2/2

(6)

式中：ω0——常数；t——虚部。

给定的小波函数ψ(t)，时间序列f(t)∈L2(R)的连续小波变换为：

(7)

将时间域上的关于a(尺度)的所有小波系数的平方进行积分，即为小波方差。小波方差随时间的变化过程为小波方差图，它反映了波动的能量随尺度的分布，可以用来确定径流时间序列存在的主要周期[16]。其计算公式为：

(8)

3　结果与分析

3.1变化趋势

由巴音沟河流域1956—2014年径流年际变化过程线(图1)可知，近60年来流域年径流量呈缓慢上升趋势，且表现出一定的周期性；在此基础上，累积距平曲线(图2)更好地呈现出了流域径流量年际变化的阶段性，具体可以分为如下4个时段(持续时间为5 a及以上)：1956—1966年为径流增加时期，到1966年达到近60 a来的最大值，累积距平为1.944亿m3；1967—1974年为径流波动时期，在该时段内，持续丰水和枯水时间较短，丰枯交替出现。波动程度较小，径流累积距平极差仅为0.433亿m3；1975—1997年为径流显著减少时期，到1997年达到近60 a来的最小值，径流累积距平为-5.576亿m3；随后从1998年开始，年径流量又开始增多，到2012年达到近60 a的第二个极大值，径流累积距平为1.105亿m3，1998—2014年为径流显著增加时期。

图1　巴音沟河流域径流年际变化过程线

图2　巴音沟河流域年径流量累积距平曲线

3.2突变特征

采用Mann-Kendall非参数统计检验法分析了巴音沟河流域年径流序列的突变情况，如图3所示。分析图可知，在给定的显著性水平α=0.05，临界值=±1.96的条件下，1956—1970年UF统计变量基本都大于零，说明径流变化有上升趋势，且UF统计曲线落在临界值之内，说明径流变化不显著，呈平缓上升趋势。1971—2006年UF统计变量均小于零，说明径流变化有下降趋势。其中，1985—1999年UF统计曲线超过了临界值，表明径流变化有明显的下降趋势。2006—2014年UF统计变量又大于零，说明径流变化有上升趋势，但UF统计曲线仍落在临界值之内，径流上升趋势不明显。图3中，UF和UB统计曲线在两条临界线之间的部分相交于1958年、1960年和2003年，代表突变发生的年份，说明近60 a来巴音沟河流域年径流量变化在1958—1960年和2003年两个时间段发生突变。1958—1960年是径流由多变少的突变时段，2003年是径流由少变多的突变时段。

3.3周期演变

采用Morlet小波对巴音沟河流域近60年来黑山头站年径流量进行周期演变分析，得到径流时间序列的小波变换系数实部图，见图4。实部图中的实线表示小波变换系数为正值，这时径流偏丰；虚线表示小波变换系数为负值，这时径流偏枯。由图可见，流域年径流量变化主要存在5～7 a，10～13 a，27～30 a周期振荡。在5～7 a的特征尺度下，丰枯交替特别频繁，且1983—1987年周期特征没有体现出；在10～13 a的特征尺度下，20世纪70年代中期之前表现为10 a左右的特征尺度，20世纪70年代之后表现为11 a左右的特征尺度；27～30 a的特征尺度在整个研究时段内表现最为明显，呈现出非常规律的年径流量偏多偏少的交替，并且主要以30 a左右的波动周期为主。

图3　巴音沟河流域Mann-Kendall径流突变检验图

图4　巴音沟河流域年径流量小波变换系数实部图

图5是巴音沟河流域年径流量变化的小波方差图，小波方差的大小表示某一尺度成分的多少，反映它所对应时间尺度的周期是否明显，小波方差值越大，它所对应的时间尺度的周期越明显。小波方差图反映了能量随时间尺度的分布，可以确定径流时间序列的主要周期。由图可知，流域年径流量主要存在7 a，11 a，30 a的主周期，且30 a时间尺度上小波方差值最大，周期最明显，是河流的第一主周期。

在此基础上，图6给出了年径流量在7 a，11 a和30 a时间尺度下小波变换系数实部图，在a=7和11的尺度下，径流丰枯变化和突变点可以准确地给出，平均每3～4 a发生一次丰枯交替。在a=30的尺度下，1963—1971年、1980—1988年、1999—2008年各时段为正相位，表示径流偏多；而1956—1962年、1972—1979年、1989—1998年、2009—2014年为负相位，表示径流偏少；突变点在1962年、1971年、1979年、1988年、1998年、2008年。

图5　巴音沟河流域年径流量小波方差图

图6　年径流量在7 a、11 a和30 a时间尺度下小波变换系数实部图

4　结 论

(1) 巴音沟河流域1956—2014年径流年际变化过程线表明，近60 a来流域年径流量呈缓慢上升趋势；累积距平分析更好地呈现出了流域径流量年际变化的阶段性，具体可以分为如下4个时段(持续时间为5 a及以上)：1956—1966年为径流增加时期；1967—1974年为径流波动时期；1975—1997年为径流显著减少时期；1998—2014年为径流显著增加时期。

(2) Mann-Kendall突变检验结果显示：在给定的显著性水平α=0.05，临界值=±1.96的条件下，UF和UB统计曲线在两条临界线之间的部分相交于1958年、1960年和2003年，代表突变发生的年份，说明近60年来巴音沟河流域年径流量变化在1958—1960年和2003年两个时间段发生突变。1958—1960年是径流由多变少的突变时段，2003年是径流由少变多的突变时段。

(3) 小波分析结果为：小波变换系数实部图表明近60 a来巴音沟河流域年径流量的变化主要存在5～7 a，10～13 a，27～30 a周期振荡，结合小波方差图上呈现的三个峰值的位置和大小，可知流域年径流量主要存在7 a，11 a，30 a的主周期，且30 a时间尺度周期最明显，是河流的第一主周期。

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Characteristics of Runoff from Mountainous Watershed of Bayingou River Basin in Recent 60 Years

LIU Yi1, LEI Xiaoyun1, MA Honggang2, XING Kun1, LÜ Jiaojiao1

(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052,China; 2.ManagementCenterofBayingouRiverinShihezi,Shihezi,Xinjiang832000,China)

Runoff evolution pattern research is the premise of the rational use of water resources and water resources planning. Bayingou River is a typical mountain stream river in Xinjiang. According to the time series data of annual runoff at the Heishantou hydrological station of the Bayingou River from 1956 to 2014, we used accumulated anomaly, Mann-Kendall test and wavelet analysis to diagnose the runoff change trend, mutation characteristics and cycle evolution pattern. The results showed as follows. (1) Annual runoff was slowly rising trend. (2) In recent 60 years, annual runoff mutations happened in 1958—1960 and 2003. From 1958—1960 to 2003, the runoff kept sloping down, but began to climb up since 2003. (3) The principal periods of annual runoff of the Bayingou River were 7 years, 11 years and 30 years, and the 30 years period is the most obvious.

runoff; accumulated anomaly; Mann-Kendall; wavelet analysis; Bayingou River

2015-06-24

2015-07-19

国家自然科学基金项目(U1178301)“天山中段玛纳斯河流域融雪机理及其径流过程模拟的研究”;新疆水利水电工程重点学科基金(XJzdxk2010-02-12)

刘艺(1990—),女,河南驻马店人,硕士研究生,主要从事水文水资源方面的研究。E-mail:xjly6672@163.com

雷晓云(1961—),女,湖南常宁人,教授,博士生导师,主要从事水文及水资源高效利用方面的研究工作。E-mail:leixiaoyun888@163.com

P333

A

1005-3409(2016)02-0139-04