叶尔羌河流域水沙关系诊断与变异特征分析

居金浩，彭 亮，那扎凯提·托乎提，何 英，卫仁娟，马云飞

（1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐830052；2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐830054；3.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都610065；4.四川水利职业技术学院，四川 成都611230）

径流和输沙是流域系统中对人类活动和气候变化响应最为积极的部分，与河道演变、河湖关系、河势稳定等密切相关［1］。近年来，在全球气候变暖的大背景下，加之人类活动的加剧，国内外诸多流域的水沙变化明显［2-3］。Li等［4］研究发现世界上24%的大型河流径流量呈现明显变化，40%的大型河流输沙量呈现明显变化，71%的大型河流径流量的变化与降水量的变化显著相关；胡春宏等［5］指出黄河干流潼关水文站的年均输沙量从1919—1959年的16亿t，降至2001—2018年的2.44亿t，削减量约85%；诸多学者［6-7］采取分布式水文模型或累积量斜率变化率比较法定量估算人类活动与气候变化对水沙变化的影响程度，结果显示不同流域水沙变化对两者的响应程度并不一致，气候变化和人类活动均有可能成为影响水沙变化的决定性因素。

叶尔羌河约70%的径流补给量来源于冰川积雪消融，源流区气温上升造成研究区冰川积雪消融量增加［8］，直接导致径流量增加的同时，提高了河道内的含沙量。唐小雨等［9］、周红等［10］采用数理统计的方法探究叶尔羌河流域径流量、输沙量变化规律，结果表明流域内水沙丰枯同步频率较高，径流量与输沙量在总体上呈现明显上升趋势，且输沙量的增幅大于径流量的，但关于叶尔羌河流域水沙关系突变诊断及归因的研究较少。笔者利用该流域出山口卡群站1954—2015年的水沙资料，对流域水沙进行趋势分析和突变检验，通过滑动相关系数法和双累积曲线法对比验证水沙关系的突变年份，以期为分析气候变化和人类活动对叶尔羌河水沙的影响和河道水沙治理等提供技术依据。

1 研究区概况和方法

1.1 研究区概况

叶尔羌河源于喀喇昆仑山北坡，流域位于东经74°28′—80°54′、北纬34°50′—40°31′之间。叶尔羌河流域是塔里木河流域“四源一干”水系格局的主要组成部分，流域内有排名全国第四、新疆第一的叶尔羌河灌区。卡群站位于叶尔羌河下游出山口处，集水面积5万km2。叶尔羌河流域上游植被覆盖度低，河流泥沙含量一般较高，水沙问题突出，给下游叶尔羌河灌区内水生态修复和流域防洪减灾等工作造成很大影响。

1.2 研究数据

本研究采用叶尔羌河流域出山口卡群水文站1954—2015年共62 a实测月均径流量、月均输沙量和年降水量。

1.3 研究方法

1.3.1 模比系数差积曲线法

模比系数差积曲线与累积距平曲线相似，主要反映某一水文序列在不同时间段的变化趋势，呈现径流量和输沙量多年变化的丰枯交替周期。模比系数K i等于序列值x i与序列平均值¯x之比，模比系数差积值为∑（Ki-1）。模比系数差积图升高段代表河流处于丰水期、丰沙期，降低段表示河流处于枯水期、枯沙期。

1.3.2 滑动相关系数法

设有径流量X=（x1，x2，…，x n）和输沙量Y=（y1，y2，…，y n）两个序列，进行窗口大小为m年、步长为1 a的数据滑动，以降低特殊年份对分析结论产生的影响。首先计算第一个窗口X1=（x1，x2，…，x m）和Y1=（y1，y2，…，y m）两个子序列的Kendall相关系数r1，然后计算第二个窗口X2=（x2，x3，…，x m+1）和Y2=（y2，y3，…，y m+1）两个子序列的Kendall相关系数r2，依次得出其后子序列的Kendall相关系数，直至得到Xn-m+1=（x n-m+1，x n-m+2，…，x n）和Yn-m+1=（y n-m+1，y n-m+2，…，y n）两个子序列的Kendall相关系数r n，并绘制相关系数随时间（年份）变化曲线。Kendall相关系数反映X和Y两个序列的相关程度，故绘制的相关系数随时间变化曲线能很好地体现X和Y两个序列在不同时段的相关系数。基于此，我们可以认为曲线上明显的转折点即为X和Y的变异点，即年径流量和年输沙量相关程度发生变异。

1.3.3 双累积曲线法

（1）水沙关系突变点检验。双累积曲线可以判断序列之间的相关程度是否发生改变。绘制同期内径流量累积值与输沙量累积值的相关性曲线，若双累积曲线走势出现明显转变，则曲线转折点对应年份即为水沙相关度开始变化的年份。

（2）径流量变化归因分析。采用累积量斜率变化率比较法计算气候变化和人类活动对径流变化量的贡献率。设累积径流量与年份线性关系式斜率在拐点前后2个时期的年径流量分别为SRb和SRa，累积降水量与年份线性关系式的斜率在拐点前后2个时期的年降水量分别为SPb和SPa，则累积径流量斜率变化率为（SRa-SRb）/|SRb|，同样，累积降水量斜率变化率为（Spa-Spb）/|Spb|，那么降水量对径流量变化的贡献率Cp为

故人类活动对径流量变化的贡献率CH为

2 叶尔羌河径流量和输沙量变化特征

2.1 水沙基本状况

叶尔羌河流域出山口卡群站多年平均年径流量为67.10亿m3，年输沙量为3 028万t。叶尔羌河最大年径流量出现在2012年，为95.63亿m3；最大年输沙量出现在1999年，为8 562.32万t。流域内水沙丰枯期总体同步，但年径流量和年输沙量发生极值的年份不同，这与降雨和洪水等多种因素有关。由物理成因分析可知，1999年叶尔羌河上游突发冰川湖洪水，洪峰值达到6 070 m3/s，突发洪水使河流含沙量陡增，进而增加了河道输沙量，而径流量补给主要来自冰川融雪，故水沙出现极值的年份并不一致。

2.2 水沙不同年代年内四季变化规律分析

冰川融雪量随气温变化而变化，在年内四季分布极不均匀。各年代年内四季水沙距平统计见表1。由表1 可以看出，季尺度的水沙丰枯期同步性良好，水沙的季节性变化十分显著。夏季是径流量和输沙量贡献最主要的季节，距平百分比最高分别达到181.57%和281.89%。

表1 各年代年内四季水沙距平统计%

2.3 水沙丰枯变化分析

叶尔羌河水沙模比系数差积曲线见图1。由图1（a）可知，年径流量变化趋势以1993年为界分成前后两个时段。前一时段（1954—1993年）为年径流量下降的枯水期，其模比系数差积总体呈下降趋势，其中1962—1966年、1984—1993年急速下降，1967—1983年波动地平稳下降；后一时段（1994—2015年）为年径流量上升的丰水期，其模比系数差积总体呈上升趋势，其中1994—2004年曲线震荡升高，2005—2015年呈现陡升的态势。

由图1（b）可知，输沙量同样以1993年为界，划分为枯沙期和丰沙期，1954—1993年总体上呈下降趋势，为枯沙期，其中1954—1987年波动下降，1988—1993年呈急速下降趋势。1994—2015年总体呈明显升高趋势，其中1994—1998年为显著的丰沙期，1999—2011年为波动的丰沙期，2012—2015年为快速上升的丰沙期。对比水沙模比系数差积曲线可以看出年径流量和年输沙量的丰枯总体上同步。

2.4 水沙关系变异点诊断

采用滑动相关系数法对叶尔羌河流域卡群站水沙关系变异点进行诊断，结果见图2。由图2可知，叶尔羌河水沙相关关系于1993年发生明显转折，1993年之前平均滑动相关系数为0.62，1993年之后平均滑动相关系数为0.69，表明1993年之后的水沙相关关系强于1993年之前的水沙相关关系。

图1 水沙模比系数差积曲线

图2 基于滑动相关系数的水沙关系变异点检验

图3 基于双累积曲线的水沙关系变异诊断

为验证滑动相关系数法对水沙变异点的检验结果，采取双累积曲线法再次诊断叶尔羌河水沙关系变异点，并将两种结果进行对比。水沙双累积曲线见图3。由图3可知，双累积曲线的线性关系在1993年后发生了明显变化，结合滑动相关系数法分析结果判定水沙关系在1993年发生变异。在1993年之前，每增加1亿m3径流量，输沙量增加42.239万t；在1993年之后，每增加1亿m3径流量，输沙量增加50.623万t。变异后的水沙相关关系增强，表明径流量对输沙量的影响越来越明显，也印证了滑动相关系数法分析所得“1993年之后的水沙相关性强于1993年之前的”这一结论。

在全球气候变暖的背景下，新疆地区夏季零度层高度大体上呈上升态势，1993年后上升态势显著，对山区冰雪的冻融过程和河川径流产生直接影响。另一方面，流域内人口激增，社会经济快速发展的同时造成生态环境的破坏，植被覆盖度逐年降低，直接影响流域内的水土保持能力。

2.5 水沙归因分析

为定量估算气候变化和人类活动对叶尔羌河流域径流量、输沙量变化的贡献率，构建降水—径流、降水—输沙的双累积曲线模型。以1993年为降水—径流、降水—输沙关系的突变点，将1954—1992年视为基准期，该时段流域下垫面受人类活动的影响很小，1993—2015年作为变化期，该时段反映了气候变化和人类活动对径流量和输沙量的综合影响，然后进行气候变化和人类活动对径流量和输沙量贡献率的模拟回归分析。叶尔羌河流域降水—径流、降水—输沙双累积曲线见图4和图5。

图4 降水—径流双累积曲线

图5 降水—输沙双累积曲线

由图4、图5可以看出，1993年后的降水—径流和降水—输沙关系变化较为明显。变异后的降水量—径流量相关关系减弱，降水量对径流量的影响降低；变异后的降水量—输沙量相关关系减弱，降水量对输沙量的影响降低，间接表明人类活动对径流量、输沙量变化的影响增大，流域内人口激增，生态环境破坏等人类活动可能是造成这一影响的重要因素。

为进一步对叶尔羌河径流量和输沙量进行归因辨析，基于基准期的降水—径流关系、降水—输沙关系，依据式（1）、式（2）计算突变后降水变化和人类活动对径流量和输沙量变化的贡献率，统计数据见表2和表3。

表2 叶尔羌河径流量对降水变化和人类活动的响应

表3 叶尔羌河输沙量对降水变化和人类活动的响应

由表2可以看出，1993—2015年实测年均降水量较1954—1992年增加33.86 mm，实测年均径流量增加7.74亿m3。在1993—2015年，降水对径流量变化的影响量为36.03亿m3，占比54.23%；人类活动对径流量变化的影响量为30.40亿m3，占比45.77%。由表3可以看出，降水对输沙量变化的影响量为1 372.79万t，占比71.76%；人类活动对输沙量变化的影响量为540.27万t，占比28.24%。之前由降水—径流、降水—输沙双累积曲线分析得，降水对径流量和输沙量变化的影响表现为降低趋势，人类活动对径流量和输沙量变化的影响表现为上升趋势，但是降水因素仍是改变径流量和输沙量的主导因素。

3 结 论

基于卡群站1954—2015年径流量和输沙量数据，采用模比系数差积曲线法、滑动相关系数分析法和双累积曲线法等方法，进行径流量和输沙量年际变化趋势分析以及水沙关系突变点检验，主要结论如下。

（1）回归分析表明，水沙关系在1993年后变化明显。在1993年之前径流量每增加1亿m3输沙量相应增加42.239万t，在1993年之后径流量每增加1亿m3输沙量相应增加50.623万t。

（2）降水量对径流量和输沙量变化的影响表现为降低趋势，人类活动对径流量和输沙量变化的影响表现为上升趋势，但是降水因素仍是改变径流量和输沙量的主导因素。