KZ河径流变异性识别与周期特征诊断

2019-05-27穆振侠郑淑文

水力发电 2019年2期

何英，彭亮，穆振侠，郑淑文

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052)

近十几年来，新疆气候变化总体特征表现为气温显著上升，以冬季变暖最为明显；降水量的增加以天山山区最为显著，四季降水量呈现一致的增加趋势，夏季增加趋势最明显[1-3]。目前，新疆正在加快新型工业化发展，农牧业现代化建设和新型城镇化进程处于关键时期，所以气候变化将会使新疆面临更高的灾害风险和处于更加脆弱的发展环境。

KZ河是喀什噶尔水系中最大的一条内陆河，是喀什地区重要的灌溉水源。因此，在全球气候变暖的大背景下，对KZ河年径流变异性和周期性的研究及其演化规律和趋势的分析和认识，可为KZ河流域的综合科学治理和水资源的合理开发利用提供理论依据。

1 流域概况

KZ河在新疆塔里木盆地西缘，是喀什噶尔水系中最大的一条内陆河，发源于吉尔吉斯斯坦境内海拔6 048 m的特拉普齐亚峰，河流由西向东流经疏附、喀什、疏勒、伽师、巴楚等县(市)，河道全长778 km，其中我国境内约400 km，从吉尔吉斯坦边界至卡甫卡出山口处长242 km，至布哈拉引水枢纽约400 km，平均比降为5.1%。

KZ河是典型的帕米尔高原混合型河流[4]，除去特拉普齐亚峰融雪补给，春夏还吸纳了许多天山和帕米尔高原山间谷地的雨水和泉水，多年平均径流量为21.45亿m3，最大年径流量为1998年的27.24亿m3，最小年径流量为1974年的14.43亿m3，悬移质多年平均输沙量1 388万t(卡甫卡测站30年水文资料)。KZ河上游冰川覆盖面积大，对河流的补偿调节作用大，径流年内分配不均匀，春季缺水，夏水丰沛。

KZ河冲积平原由冲积扇、冲积平原、干三角洲、托克拉克沙漠4部分组成，包括KZ河、恰克玛克河、布古孜河组成平原水系，地形趋势由西向东倾斜，是喀什主要农区之一。KZ河是喀什地区重要的灌溉水源。KZ河流域属于温带大陆性气候，远离海洋，深居内陆腹地，三面环山，气温日、年变化幅度较大；气候干燥，降水量小且蒸发强烈。

图1 KZ河流域水系示意

根据干流汇入，水文、地形、地貌等因素，KZ分为三段，牙师水文站以上为KZ河上游，牙师水文站以下至KLBL水文站河段为中游，KLBL水文站以下至天南维其克引水枢纽河段为下游，KZ河流域水系(见图1)。KLBL水文站于1958年4月设立，主要承担KZ河下游防洪、灌溉任务，兼顾发电。工程建成后，可为民族地区防洪安全提供保障，使下游平原灌区和喀什市防洪标准由不足5年一遇提高到50年一遇，降低洪水灾害，极大减轻农民的防洪负担；有效调节KZ河水资源，补充灌区春灌、冬灌水量，促进农业增产、农牧民增收；并可提供电力，缓解当地能源和电力不足矛盾。

为了较为真实客观的反映KZ河的河川径流变化规律，文中拟以KLBL水文站1958年～2010年间的年径流资料序列为基础，运用累积距平、Mann-Kendall检验法和有序聚类法进行径流变异性分析，运用小波分析法对径流周期特征进行诊断，以揭示其多年径流量的变化规律，为预测未来河流径流变化提供技术支撑。

2 径流年内、年际变化

2.1 年内变化

KZ河KLBL水文站径流年内分配极不均匀，存在明显的汛期(4月～9月)。1958年～2010年多年平均径流量为21.45亿m3，汛期径流量占全年总径流量的80.35%。从多年平均月径流量分配曲线看，年内径流出现的最大月份是7月，最大月径流量占年径流量的百分比为20.26%，径流出现的最小月份是1月，占全年径流量的2.50%。KLBL水文站连续最大3个月径流量出现在6月～8月，占年径流量的55.13%，这取决于其补给来源。由于KZ河流域位于欧亚大陆腹地，降水稀少且蒸发强烈，该流域最主要的径流补给来源为高山区的冰川和积雪，这就决定了KZ河流域的流量绝大部分都集中在温度较高的夏季。

径流分配的年代变化不明显，峰值均出现在7月。从径流年内分配曲线的形态看，都表现为单峰型。

2.2 年际变化

KZ河1958年～2010年年径流变差系数0.15，年际变化不大。据KLBL水文站实测资料，特丰水年1998年的年均流量为86.4 m3/s，特枯水年1974年的年均流量为45.8 m3/s，丰枯比达1.89。从径流累积距平图(见图2)可以看出，1960年～1965年为KZ河径流的显著持续枯水时段，1994年～2006年为显著的持续丰水时段，1966年～1993年为不连续的丰、枯交替变化时段。

图2 KZ河年径流累积距平曲线

3 径流趋势及跳跃特征

3.1 趋势特征

Mann-Kendall检验法(以下简称“M-K检验法”)最初由Mann和Kendall提出，是世界气象组织推荐且已广泛使用的一种非参数检验方法，学者们不断应用Mann-Kendall方法来分析降水、径流、气温和水质等要素时间序列的趋势变化。M-K检验不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于水文、气象等非正态分布的数据[5]。

本文采用M-K检验法对KZ河径流趋势进行显著性检验，计算过程如下。

原假设H0序列趋势变化不显著，则统计量

S=∑n-1i=1∑nj=i+1sign(xj-xi)

(1)

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

(2)

当样本容量n≥10时，统计量近似服从正态分布，其标准化后的量为

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

0S=0

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

(3)

在显著性水平α下，查标准正态分布表得临界值Zα/2，若Z>Zα/2，则拒绝原假设H0；否则，接受原假设H0。

经计算，S=2，Z=0.007 7，信度α=0.05时的临界值Zα/2=1.96，现Z=0.007 7

3.2 突变特征

采用有序聚类法[6-7]分析KZ河径流的突变特征。计算过程为

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为分割前离差平方和；Vn-τ为分割后离差平方和；xτ=1τ∑τt=1xt；xn-τ=1n-τ∑nt=τ+1xt；Sn(τ)为总离差平方和；τ为可能分割点。满足式(5)的τ记为τ0，即为突变点。

经计算，Sn(τ)和τ的关系如图3所示。由图3可看出，τ=20时，总离差平方和最小，对应的年份为1978年。1958年～1977年平均流量为19.47亿m3，1978年～2010年平均径流量为22.61亿m3，可见1978年后KZ河径流量有所增加。

图3 径流量的Sn(τ)～τ关系

4 径流周期分析

选用Morlet连续复小波变换来分析径流时间序列的多时间尺度特征。对延伸后标准化的年径流序列进行morlet连续复小波变换，计算小波系数，保留原年径流序列时段内的小波系数。通过小波系数及小波方差对KZ河流域年径流的周期进行分析和检验[8-10]。

4.1 年径流周期分析

小波系数实部等值线图可以反映径流序列不同时间尺度的周期变化及其在世界域中的分布，从而可以判断在不同时间尺度上径流的未来变化趋势。取小波系数的实部，以年份为横坐标，时间尺度为纵坐标绘制小波系数实部等值线图。1958年～2010年间KZ河KLBL站年径流量的小波变换系数的实部等值线见图4。当小波系数实部值为正数时，则为年径流丰水期；当小波系数实部值为负数时，则为年径流枯水期；当小波系数实部为0时，则为年径流量由枯水期向丰水期的转折点或由丰水期向枯水期的转折点。

为了清楚的了解年径流的变化规律，用颜色的深浅来代表年径流量的大小，颜色越深，年径流量越小；颜色越浅，年径流量越大。由图4可见，KZ河径流主要有3类周期变化规律，分别存在于5～10 a，12～18 a和22～28 a的时间尺度上。在22～28 a的尺度上年径流经历了枯→丰→枯→丰→枯→丰3次变换；在12～18 a的尺度上发生了6次丰水期到枯水期的变换；在5～10 a的尺度上共有12次丰、枯水期的变换。在全时段中年径流的12～18 a和22～28 a时间尺度都有清晰的变换规律。

图4 KZ河年径流小波系数实部等值线

从位相结构上看，在22～28 a时间尺度上，1958年～1965年为枯水期，1965年～1970年为丰水期，1970年～1980年为枯水期，1980年～1990年为丰水期，1990年～1995年为枯水期，1995年～2005年为丰水期，2005年～2010年为枯水期，且2005年以后等值线未闭合，说明2010年以后可能还存在连续几年的枯水期。在12～18 a时间尺度上，1958年～1961年、1966年～1971年、1976年～1980年、1985年～1990年、1995年～1998年、2004年～2006年为丰水期，1962年～1965年、1972年～1975年、1981年～1984年、1991年～1994年、1999年～2003年、2007年～2010年为枯水期。

4.2 年径流主周期检验

小波方差图能够反映年径流时间序列的波动能量随时间尺度的分布情况，可以用来确定径流演化过程中存在的主周期。图5即为KZ河径流量变化的小波方差图。通过小波方差计算结果，可以确定KZ河径流量变化中存在的主要时间尺度。由图5可以看出，在8、15 a和25 a时间尺度上出现3个峰值。25 a的时间尺度上出现最大峰值，称为第1主周期，表示径流量显著的周期变换发生在25 a左右；第2、3峰值出现在15 a和8 a尺度上，分别为流域径流的第2、3主周期。

图5 KZ河年径流小波系数方差

4.3 主周期分析

根据小波方差检验的结果，15 a和25 a左右的时间尺度为第1主周期和第2主周期，绘制第1、第2主周期所对应的小波系数实部过程线见图6。

图6 KZ河年径流变化的15、25 a时间尺度小波实部

从图6可以得出：在不同的时间尺度下，流域年径流存在的平均周期和丰、枯变化特征；在15 a时间尺度上，年径流变化经历了由丰到枯的交替循环变化过程，大约为6个周期，平均变化周期在10 a 左右；而在25 a特征时间尺度上，年径流经历了3个周期的丰-枯变化过程，平均变化周期在15 a左右。这与上述由小波系数实部等值线图分析的年径流变化过程一致。