新疆玛纳斯河径流统计特征分析

艾来提江·谢热甫丁

（乌鲁木齐水文勘测局，新疆 乌鲁木齐 830000）

玛纳斯河地处于准噶尔盆地中南部南缘，是新疆和西北北方干旱的代表性内河。玛纳斯河流域已经恢复为新疆最大的农业用水地区和中国第四大灌溉区。新疆具有非常典型的地理条件，气候特点，但是，由于水资源的过度消耗，大量农业农用水取自玛纳斯河，原本用于维持生态平衡的生态用水也被人们开发利用于生活用水中。水资源供需的矛盾日复一日的加大，大量开发地表水资源导致玛纳斯流域内的地下水水位急速下降，植被覆盖度大量降低，河流和湖泊的面积缩减，土地出现沙漠化。如何将玛纳斯河流域的水资源进行合理化的可持续利用已经成为了该地区的经济发展的重要战略因素[1]。

1 研究区概况

玛纳斯河地处于新疆中部，流域总面积为26.55万km2，东边发源于塔西河，西边到达巴音郭河，南至伊拉哈大厦，北至马纳斯湖，河流的总长度达到450 km。由于玛纳斯流域在大陆腹地的干旱地区，主要的气候特点为干旱。河流的径流主要由高山地区的融雪产生，玛纳斯地区有6条支流，全年总流量222 亿 m3。

2 研究方法

2.1 年内分配不均匀系数

年内降雨不均匀系数Cut，计算公式为[1]：

式中：Crt为降雨量的年内不均匀系数；Ui为各个月份的平均降雨量；U为年内月均降雨量。Crt数值越大，下一年的月降水量差异越大，年内分布不均。径流的年平均分布也用这个系数来衡量。

2.2 完全调节系数

完全调节系数的公式为：

式中：σ 为年内流量均方差；R（i）为月平均流量，m3/s；r为年平均流量；Cur为完全调节系数。

2.3 集中度和集中期

通过矢量运算法，可以计算出年降雨量的集中度与集中期的取值。降雨集中度是指以矢量形式累积的每个月的流出量，各成分的合计占年流出量的比例。意义是反映年流出量。降雨集中期是指流出矢量的合成后的方向，各个月反映了年间流出集中度的中心出现的月份，用每个月总量的和比的arctan角来表示。集中度和集中期的计算方式是将一年内所有月份的径流作为为矢量，月径流量的大小是矢量的长度，将12个月按360°均分为矢量的方向，将月径流分解为X、Y方向的分量，然后分别进行X、Y方向的矢量合成[3]：

式中：RCDyear为年径流集中度；RCPyear为年径流集中期；Rx，Ry为降雨径流的分量。

复合矢量的方向指示最大月径流发生的月份，即集中期，集中度反映了集中期径流值与年总径流的比例。

2.4 数据来源

本文利用玛纳斯河上部的肯斯瓦特水文站1955年～2015年径流、降水及气温资料，资料来自水利部信息中心，为同步系列资料，对测站个别缺失资料进行插补延展。

3 研究结果

3.1 径流量年际变化

由图1可以看出，1965年～1975年玛纳斯河的径流量与年均值相差不大，1955年～1965年和1975年～1995年的平均径流量的值比年均径流量的值均要小，1996年～2015年的平均径流量大于年平均径流量。玛纳斯河的最大年径流量产生于1999年，为21.3亿m3。径流最小值出现于1991年约为9.17亿m3。1970年的径流量比1960年总计消减了约8.7%。1980年后，径流量比1970年平均增长超过2.53%，1990年比1980年升高13.24%，2000年以后，径流量比20世纪90年代平均增长约5.13%，近年来，全国平均年径流量比1970年增长约2.87%，由于流域气温逐年增高，融雪量增加，导致该流域的径流趋势呈现出持续增大的趋势。

图1 径流量年际变化图

3.2 径流不均匀性分析

径流年分布会表现出一定的季节性规律，根据玛纳斯河流域1955年～2015年的月径流资料，按公式计算得到年分配的不均匀系数C，见图2。

图2 均匀性的年内分配图

由图2可以看出，径流不均匀系数CL随时间推移而减小，说明玛纳斯河年径流分布趋于均匀，而年径流分布则充分调整了系数Cr；随着时间推移，曲线波动趋势与非均匀系数基本一致，说明两个系数的变化规律是一致的。从1995年～2005年，这两个系数都表现出很强的波动性，显示出较强的异质性和年内的集中分布。从1955年～1995年，这两个系数呈锯齿状波动和下降趋势，说明当年内径流量的总体分布逐渐减弱。总体来看，玛纳斯河年径流量非均匀性波动呈下降趋势。

3.3 集中度与变化幅度

根据玛纳斯河多年径流资料，绘制了不同时段的月平均径流曲线和年径流分布特征指数表。如图3所示，径流分布的曲线在六月下旬出现一年中唯一的一个最高值。6月～8月的径流量占比较高，总计占全年的73.65%。仅7月份的流量就达到了全年的1/3左右。主要原因是6月～8月为夏季，气温较高，高山融雪所产生的地表径流变多，由此造成流域内的径流量变大，待积雪融化达到上限时，径流量也会出现高峰值，因此，径流量曲线在全年呈现出径流唯一最大值且产汇流时间长的独特现象。

图3 月平均径流、降雨曲线

根据上述公式及多年径流数据进行计算，结果见表1。

表1 集中度与集中期计算表

由表1可以看出，随着时间的推移，玛纳斯河年径流趋势分布呈现出先增加再减少再增加的趋势。自1976年后，该径流量总体呈上升趋势，主要由于气温升高产生的融雪量增加。此外，1990年以前，人类对玛纳斯河流域上游的干预相对较小，使得径流浓度较高。随着社会的发展，流域水资源的开发和水利设施的增加，对流域径流分布产生了多方面的影响。由上表1可以看出，其分布浓度约为67.9%，最大浓度为69.1%，最小浓度为66.3%。总体来看，该流域的径流量有明显的降低趋势。流域集中期主要集中在七月上旬，不同年份的集中期呈现逐渐提前的趋势。

3.4 Mann-Kendall趋势检验

对于玛纳斯河1955年～2015年的径流，除Mann-Kendall参数外，还采用统计试验绘制了UF和UB曲线[5]。当UF或UB＞0时，径流序列呈上升趋势，当小于0时，径流序列呈下降趋势。Mann-kendll非参数统计检验表明，当径流序列超过临界值线时，径流变化趋势较为明显。变异的开始时间是UB曲线和UF曲线之间的时间节点，曲线的交点必须在临界区域内[6]。如图4所示，根据玛纳斯河年流量的Mann-kendll试验曲线，年流量逐年增加，突变时间为1995年，交叉口处于临界区，但不显著。2000年以来，年流量大幅度增加。

图4 玛纳斯河年径流量Mann-Kendall检验曲线

表2考虑变异点的年径流趋势检验

图5考虑变异点的趋势检验结果

表2和图5分别给出了考虑变化点的玛纳斯河年径流序列趋势试验结果。1995年以前的径流序列统计Un=-0.49表明，1956年～1995年径流序列有下降趋势，但不显著。1995年以后，径流序列增加，并通过显著性检验。因此，玛纳斯流域的径流量的变化趋势表现为不显著趋势，但在1995年后明显呈现出增加的趋势。可以将1995年作为刻画年径流序列变化非均匀性的年份。

4 结论

本文利用数学方法将玛纳斯河的年径流量进行分析。结果表明，年径流序列的不均匀系数和年分布的完全调整系数呈下降趋势，年径流分布逐渐趋于均匀。年内分布浓度随时间呈下降趋势。1995年为径流序列的变异年，在1995年前后的流域年径流序列变异较大；Mann-Kendall检验分析表明，年径流序列变异点后，时间段序列的变化趋势显著，诊断结果表明，1995年是玛纳斯河年径流序列变化的可靠年份。