玉龙喀什河径流及气象因子演变规律及特征分析

2021-03-19秦胜英卢震林余其鹰

水利与建筑工程学报 2021年1期

张勇，秦胜英，卢震林，余其鹰，3

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆和田 848000；2.新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐 830049；3.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052)

气温升高和降水变化是全球气候变化的主要指标，也会严重影响水文过程[1]。IPCC第五次评估报告中指出全球地表气温将升高0.30℃～0.48℃，全球变暖预计在2030年—2052年间达到1.50℃[2-3]，气候变暖加剧沿海极端水文事件发生，诱发内陆山洪泥石流，此外，气候变暖还会影响降水、地表蒸散发、冰川积雪融化速率和河川径流等时空变化特征[4]。在西北干旱地区，人类活动和气候变化是影响径流的最主要因素，但是相比而言，气候变化对径流影响更大[5]。近年来，随着人们对和田河关注程度的提高，对其径流、气候等问题的研究也随之增加。薛强等[6]利用MOD10A2积雪产品数据与数字高程、气象数据结合分析地形、气象因素对新疆和田河流域山区积雪覆盖的影响。郑吉莉[7]基于TRMM数据的和田河流域降水变化特征与径流的关系。2013年，买合皮热提·吾拉木等[8]以喀拉喀什河流域洪水灾害为研究对象，对流域内洪水灾害的成因、类型、规律和特点做了简要分析，探讨了不同月份洪灾的关联关系。众多学者都针对和田河流域做了深入研究，但近10年来，实测资料相对齐全的玉龙喀什河的径流及气象因子演变规律的研究尚不多见。玉龙喀什河地处和田河上游，玉龙喀什河的径流量直接影响到和田绿洲及新疆塔里木河流域的用水稳定性[9]。在全球变暖的大背景下，玉龙喀什河径流及气象因子演变特征与之前有何异同？影响地表径流变化主要成因有无变化？这些问题均需要通过深入研究该河径流及气象因子的变化情况予以回答。

因此，本文依据实测径流及数据，采用数理统计和Mann-Kendall检验分析其变化趋势及突变点，采用Morlet小波分析法分析其周期性，运用Pearson相关系数分析气象因子对径流变化的影响，采用Holt模型对未来5年径流及气象因子的变化趋势进行有效预测，旨在为促进流域社会经济可持续发展，保障水资源的可持续利用及保护“绿色走廊”提供可续依据。

和田河发源于昆仑山和喀喇山，由南向北穿越塔克拉玛干沙漠流向塔里木河，和田河流域位于新疆塔里木盆地南缘。玉龙喀什河为和田河的一级支流，地理坐标为北纬38°15′～35°25′、东经81°41′～79°22′，玉龙喀什河全长504 km，是和田地区径流量最大的河流，流域面积20 274.2 km2(见图1)。据《中国冰川目录》记载，玉龙喀什河有1 300多条冰川，总覆盖度20.30%，冰川储量410.324 6 km3[10]。玉龙喀什河流域属于暖温带荒漠气候，全年干旱少雨，夏季炎热，冬季寒冷，昼夜温差极大。春夏两季沙尘暴严重，光照充足，多年平均气温10.6℃，年平均日照时长达3 000 h以上，所以多年平均蒸发量3 175.9 mm，而多年平均降水量仅为38.4 mm。径流主要补给形式为高山区的固体降水和积雪、冰川融水以及地下水，径流年内分配不均，夏季约占全年总径流量80%，故夏季洪涝灾害和冬春两季干旱灾害制约着当地农业发展[11]。

图1 玉龙喀什河示意图

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

本文采用玉龙喀什河同古孜洛克水文站1980年—2018年实测径流资料，中国气象局气象提供的逐日气温、蒸发、和降水资料进行分析研究。同古孜洛克站位于玉龙喀什河出山口处，地理坐标为东经79°54′52″，北纬36°48′33″。水文站控制面积14 575 km2，为国家重要水文站，且在研究时段内均在相同下垫面、水位-流量关系多呈单一曲线。研究时段内经历了多个完整的丰水、枯水周期，且大致对称分布，为保证实测径流资料的完整性，通过水文年鉴及附近流域水文站对缺测记录进行了插补。

1.2 研究方法

运用M-K非参数检验、累积距平曲线，研究玉龙喀什河1980年—2018年气象因子和径流变化趋势，采用M-K突变检验研究各个因子间的突变年；运用Morlet小波分析法进行周期变化特征分析；采Pearson相关分析法分析气温、降水与径流的相关关系，最后通过Holt模型对未来趋势进行预测。

1.2.1 Mann-Kendall趋势检验和突变检验

Mann-Kendall检验法是一种非参数统计检验法[11-12]，广泛应用于水文相关的时间序列变化研究，该方法具有样本不需要遵从一定的分布，样本不受少数异常值干扰的优点，而且计算简单，是目前较为常用的趋势诊断方法，本文运用该方法对径流及气象数据进行趋势性分析和突变检验。

1.2.2 小波分析

小波分析是一种新型信号时频局部化的分析方法，能够提取出径流序列中反映其变化规律的成分[13]，小波函数是小波分析的关键。Morlet 小波具有良好的时、频域局部性，不仅可展现径流时间序列的精细结构，还能将隐含在序列中随时间变化的周期变化显现出来。因此，本文选用Morlet小波对研究区径流序列进行周期性分析，Morlet基本小波函数形式如下：

(1)

将基本小波函数ψ(t)经过伸缩和平移得到一簇函数：

(2)

式中:ψ(t)为分析小波；a为尺度函数，反映小波的周期；b为时间参数，表示波动在时间上的位移。

1.2.3 霍尔特模型

霍尔特指数平滑法在预测中被广泛应用，是一种高级的指数平滑方法[14-15]。这种方法最突出的优点是对具有趋势变动的时间数列，不用二次指数平滑，而是对趋势数据直接进行平滑并对原时间数列进行预测。本研究运用该方法对未来5年径流及气象因子进行分析预测，该方法有两个平滑公式和一个预测公式。两个平滑公式分别对时间数列的两种因素进行。其公式分别为：

Lt=αxi+(1-α)(Lt-1+Tt-1)

(3)

Tt=β(Lt-Lt-1)+(1-β)Tt-1

(4)

时间序列预测时用预测公式：

ft,k=Lt+kTt

(5)

式中：α和β为平滑参数；xi为实际观察值；k为外推预测时期数。公式(5)是对时间数趋势因素的平滑式；公式(5)对趋势增量的平滑式。

2 径流量及气象因子的变化规律

2.1 时间变化规律

通过同古孜洛克1980年—2018年径流及各气象因子累积距平线过程图(见图2)可知：图2(a)中1980年—1992年径流表现为持续下降趋势，即进入枯水期，1993年—2008年表现为1 a～3 a的丰枯交替变化，波动十分剧烈，但整体表现为下降趋势，2009年—2018年是径流明显增加阶段，进入长达10 a的丰水期；图2(b)中1980年—1986年年降水呈下降趋势，即进入枯水年，1987年—1993年经过两次丰枯交替后又呈持续下降趋势至2000年，在研究时段内已达到降水最低值，2001年开始，受暖湿化影响，降水表现为持续上升趋势，进入丰水年。降水是影响径流大小的直接因素，从图2(a)和图2(b)可以看出，2009年后降水和径流具有相同增减变化的趋势。蒸发也是影响径流的因素之一，玉龙喀什河流域属于温带大陆性气候，夏季温度的高低以及风速的大小是蒸发量变化的“晴雨表”；图2(c)中1980年—2002年蒸发量表现为持续上升趋势，2003年—2018年期间除2006年—2008年表现为上升趋势，其余年份表现为持续下降趋势，蒸发量呈“双峰型”；图2(d)中，温度变化呈“V”型，以1996年为界限，表现出先减后增的变化。

总体上看出径流、降水、蒸发和气温在研究时间内以21世纪2000年为分界线表现出两极化变化趋势，这主要与全球变暖，人类活动有直接关系，为研究时段演变特征及突变时间，需对时间序列做出趋势性及突变分析。

2.2 Mann-Kendall检验

运用1980年—2018年径流及气象因子进行趋势检验和突变检验结果见表1、图3。M-K检验中，当统计量|Zc|>1.96时，说明变化趋势显著，Zc大于0则表示为上升趋势，小于0则表现为下降趋势。由表1可知：径流量、降水量和气温均呈显著增加趋势，径流量多年平均值为23.22×108m3，标准差为5.14×108m3，检验统计量Zc=2.76>1.96，表明径流增加趋势显著；同理，降水、气温呈显著增加趋势；蒸发量呈显著下降趋势，平均值为2 958.78 mm，蒸发量为降水量的127倍。

气候变化和人类活动是影响西北干旱地区径流最主要因素，同古孜洛克水文站位于出山口，基本不受人类活动干扰，所以径流量的变化主要取决于降水量和气温变化，降水是地表径流直接感知因素，气温升高促进冰川加速融化，加速地表冻土融化，促进地表径流增加。

图2 玉龙喀什河径流及气象因子累积距平曲线图

表1 Mann-Kendall趋势检验结果

M-K突变检验中，UFk大于0则表示为上升趋势，小于0则表现为下降趋势，当UFk和UBk交点位于置信度(±1.96)之间，则此点即为突变年。由图3可以看出：图3(a)中的UFk曲线中的Z统计量在2000年以前基本为负值，即表明径流量在2000年以前呈下降趋势，2000年以后Z统计值为正值，即表现为上升趋势，交点对应于2005年，且在置信度之间，即2005年为突变点，2014年后呈显著上升趋势，在前文累积距平中可以看出2004年为径流最低点，2005年后是径流明显增加年份，因此可以判断2005年是径流突变点。图3(b)中的UFk曲线中1985年、1986年表现为下降趋势，其余年份均表现为上升趋势，突变点发生在2002年，2012年后亦呈显著上升趋势，突变时间与董弟文等[11]研究结果一致。图3(c)突变点发生在1999年，除1984年—1987年表现为上升趋势，其余年份均表现为下降趋势。图3(d)1980年—1985年表现为下降趋势，其余年份表现为上升趋势， 2001年后上升趋势显著，突变点发生在1999年，本研究结论与李海涛等[16]研究结果(和田地区气温在1994年发生突变，1996年以后变化显著)基本一致，因时间序列变化，存在3年差异。

径流、降水和气温突变后分别以2.01×108m3/10 a、13.33 mm/10 a、0.62℃/10 a增幅增加(趋势图见图3)，蒸发则以-211.83 mm/10 a幅度减小，突变检验图和累积距平结果一致。由此可见，径流突变滞后于降水3年，滞后于气温5年，说明山区径流量变化要迟滞于平原地区。

2.3 周期分析

对各径流及气象因子采用Morlet小波变化，在等高线图中闭合中心对应于径流变化中心，深色表示减少趋势，浅色表示增加趋势。利用1980年—2018年同古孜洛克站的径流及各气象因子分别进行周期分析，由Morlet小波实部时频分布等高线图(见图4)可以看出：图4(a)年径流量存在3 a～4 a左右的年际变化周期和11 a～12 a左右的年代际周期，3 a～4 a左右的年际变化周期在20世纪90年代至21世纪20年代震荡强烈，11 a～12 a左右的周期在20世纪90年代末震荡明，可判断在未来一段时间内径流仍然以偏多趋势持续。图4(b)在20世纪80年代至90年代4 a左右震荡强烈，11 a～12 a左右的时间尺度震荡强烈，说明以4 a左右尺度下降水在未来呈增加趋势，但在11 a～12 a尺度下可能以减小趋势出现，图4(c)存在5 a～6 a、10 a、16 a～17 a左右的主周期，以5 a～6 a、10 a左右的周期变化最为显著，以5 a～6 a为主周期主要发生在21世纪10年代至20年代，以 10 a左右为中心尺度主要发生在20世纪80年代至20世纪末，在5 a～6 a尺度下表明蒸发量在未来可能出现增加趋势，10 a左右尺度下表现为减小趋势；图4(d)存在2 a、7 a左右的主周期，其中以7 a的年际变化周期在20世纪末至21世纪20年代内震荡最为显著，以2 a左右主周期的年代际变化在20世纪80年代最为显著，7 a尺度下的气温在未来将继续持续增高。结合降水及气温周期变化分析，在未来一段时间内径流将仍然以增加趋势呈现，未来可对流域内水资源科学调度作出合理分配。

图3 玉龙喀什河年径流及气象因子M-K突变检验

3 径流与气象因子相关性

Pearson相关系数能精确的反映变量之间的相关程度，通过径流与气象因子的相关分析(见表2)发现，径流与降水和气温间呈正相关，相关系数分别为0.27、0.42，径流与气温的相关性通过0.01的显著水平，径流与蒸发呈负相关，通过0.05的显著水平，降水与蒸发呈极显著的相关性。降水与蒸发的相关系数为-0.71，且显著相关，这是因为降水增加时，引起周围气温下降，由此引发蒸发量减少。综合累积距平曲线和M-K检验可知，自21世纪以来气温呈极显著增加趋势，降水显著增加，由此可判定影响径流增加的主要因素是气温，其次是降水。

表2 径流与气象因子相关性

4 径流量及气象因子分析与预测

利用1980年—2018年玉龙喀什河同古孜洛克站的径流、降水、蒸发、气温数据分析其39 a变化趋势如图5所示，由图可知径流、气温、降水均呈现增加趋势，而蒸发呈下降趋势，与M-K检验趋势一致。

图4 玉龙喀什河径流及气象因子Morlet小波实部时频分布等高线

图5 玉龙喀什河径流及气象因子变化趋势

建立霍尔特模型对趋势数据直接进行平滑并对原时间数列进行预测，玉龙喀什河的径流、降水、蒸发、气温等情况，计算结果如表3所示，分析表3可知：径流量的BIC(正态化)值为3.26×108m3，模型拟合度较高，预测值与多年平均值的差值均为正，且在未来5 a内会呈缓慢上升趋势，预测时间内径流值逐年增加，说明喀拉喀什河在未来5 a内仍将处于丰水期，径流量较为充足；降水量的BIC值为7.49 mm，模型拟合度较高，预测值与多年平均值的差值亦为正值，进一步说明径流值上升的趋势；蒸发量的BIC值为11.38 mm，模型拟合度极高，预测值与多年平均值的差值为负，且未来5a预测值呈下降趋势，蒸发量的下降有利于径流的增加；温度的BIC值为-1.02℃，模型拟合度极高，预测值与多年平均值的差值为正，预计在未来5 a温度也呈上升趋势，温度上升会促进玉龙喀什河的冰川融化，增加了地表径量，与径流预测值相符合。