近60 a渭干河上游与黑孜河交汇处水沙变化特征及影响因素分析

张明旺，侍克斌，朱跃亮，孔选昭，姚海坤

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆克孜尔水库管理局，新疆 阿克苏 842313)

在气候变化和人类活动的共同影响下，流域的整个水循环正在发生重大变化[1]。水沙是河流系统的最基本要素，水沙的年内分配及年际变化规律是水利部门掌握河流特征的重要基础。一方面，水沙的年内分配决定了水利工程的运行和调度方式，以及河流上游和下游的河槽演变过程;另一方面，水沙的年际变化在一定程度上揭示了长期以来自然及人类活动影响下的河流变化规律。因此，研究水沙变化特征具有十分重要的科学意义[2-3]。

近年来，对流域内的水沙问题研究逐渐深入，如：姚文艺等[4]对黄河百年水沙变化进行分析，发现近30 a泥沙主要减于中游，而径流主要减于上游，水沙搭配关系趋好；杨永利[5]对大洋河沙里站近50 a的泥沙径流资料进行研究，发现输沙量存在明显的下降趋势，径流量的下降趋势不显著；张辉等[6]分析淮河干流水沙变化特征，淮河干流年径流量没有明显增加或减小趋势，但来沙量表现出明显的减少趋势；叶晨等[7]以五华河30 a的径流、泥沙和降雨为研究对象，发现降雨变化对径流、泥沙变化的影响为73%和21%，人类活动对径流、泥沙变化的影响为27%和79%；冉大川等[8]对黄河头道拐多年平均径流、输沙量的增减幅度进行研究，发现同时期输沙量减少趋势更明显，灌区引水和支流水土保持综合治理减沙作用明显；胡春宏等[9]分析了中国主要河流代表站总径流量和总输沙量的变化趋势，发现自然条件以及人类活动是影响中国主要河流水沙变化的关键性因素；赵广举等[10]分析皇甫川流域水沙变化特征，结果表明人类活动对流域水沙变化的贡献占主导因素；赵秀兰等[11]分析祖厉河流域的水沙及周期变化,为当地的水资源管理及水土流失治理提供科学依据。

水沙变化特性及其影响因素的研究一直是国内外众多学者关注的重点。在前人的研究中，确定趋势性及突变点的方法大多为单一方法，缺乏相互印证，相互对比。因此，本文采用线性趋势估计法、Mann-Kendall秩次相关检验法分析渭干河上游与黑孜河交汇处水沙序列的趋势性；采用有序类聚法、Mann-Kendall非参数检验方法和滑动t检验法分析其水沙序列的突变性；采用双累积曲线法定量分析降水及人类活动对其径流量和输沙量的影响程度。分析渭干河上游与黑孜河交汇处多年来的水沙变化规律及其影响因素，可为水库的优化运行调度、水沙预测及清淤工作提供一定的基础数据，具有重要的理论意义和参考价值。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

克孜尔水库是渭干河灌区上游最大的水库控制工程，它承担着下游农业灌溉和生活用水安全保障的重要责任。入库水沙主要来自于哈尔克他乌山脉的干流木扎提河及支流克孜河，干流木札提河由卡木斯浪河、台勒外丘克河及卡拉苏河汇合而成。本文研究数据来自于干流木札提河及支流卡木斯浪河、台勒外丘克河、卡拉苏河、克孜河上的各水文站点，研究区域水系及站点分布见图1。文中选择克孜尔水库1960年至2017年入库逐年实测径流量与输沙量资料作为基础数据进行水沙变化分析。

图1 渭干河流域水系及水文站网分布图

1.2 研究方法

1.2.1 趋势性分析 研究首先使用线性趋势估计法[12]分析克孜尔水库上游径流和输沙序列的长期变化趋势，然后应用Mann-Kendall秩次相关检验法[13]识别水文时间序列趋势[14]。

1.2.2 突变性分析 首先采用Mann-Kendall参数检验法分析水库上游径流和输沙序列的突变性，接着采用有序聚类法和滑动t检验法[15]检验水沙序列的突变性。非单一的确定方法避免了结果的偶然性，提高了结果的精度，相互印证对比，综合3种判定方法最终确定突变点。

1.2.3 周期性分析 采用基于小波分析的EMD周期分析方法，EMD方法可以平滑复杂的序列，从原始序列中提取出一系列具有不同层次的波动，并获得具有不同尺度的多个IMF分量。这是一种有效的筛选方法，可以逐步分解序列中不同尺度的波动和趋势分量[16]。

2 结果与分析

2.1 水库水沙特性分析

2.1.1 趋势性分析 分析图2-A可知，多年径流量总体上呈上升趋势，年径流量上升的趋向率为1.165×108m3/10a，用Mann-kendall秩次相关检验法，确定径流量变化趋势的显著程度，径流量上升趋势显著(表1)。该流域的径流来源主要为冰川积雪融水，随着全球气候变暖现象逐渐加剧，冰川每年的消融量也逐渐变大，导致河流的径流量呈上升趋势，与分析结果相统一。

分析图2-B可知，多年输沙量总体呈上升趋势，年输沙量上升的趋向率为104.3×104t/10 a，用Mann-kendall秩次相关检验法，确定输沙量变化趋势的显著程度，输沙量上升趋势不显著(表1)。河流的含沙量与当地的土地利用类型有关，由于该地区的土地利用类型逐渐增多，土壤挠动问题变得尤为突出，导致进入河道的泥沙量增多。同时，洪水的发生频率在近些年也增加，洪水冲刷地表，携带大量的疏松土壤进入河流，使河流的输沙量也呈上升趋势。

表1 克孜尔水库上游流域年径流量与年输沙量趋势性分析结果

图2 径流量与输沙量年际变化过程线

2.1.2 突变性分析 使用有序类聚法分析年径流量序列的突变，推估年径流量序列的分割点，并计算年径流序列的总离差平方和Sn(τ)与分割点τ之间的关系曲线(图3-B)。初步分析年径流量的变异点，最小的年份是1995年，第二小的年份是1993年；为进一步分析变异点的显著性，使用非参数检验方法Mann-kendall对变异点的显著性进行检验(3-A)，突变的时间是1994年；采用滑动t检验法对突变点进行检验(图3-C)，突变的时间是1994年；结合以上的分析数据，确定克孜尔水库年径流量序列的突变年份为1994年。

图3 径流量突变性分析

利用有序类聚法对年输沙量序列进行突变分析，推估年输沙量序列的分割点，计算得到年输沙序列总离差平方和Sn(τ)与分割点τ的关系曲线(图4-B)，初步分析年径流量的变异点，最小值为1977年，第二小值为1976年；为进一步分析变异点的显著性，使用非参数检验方法Mann-Kendall对变异点的显著性进行检验(图4-A)，曲线的交点在1966年、2008年与2009年之间；采用滑动t检验法对突变点进行检验(图4-C)，突变的时间是1978年、1991年和1992年；输沙序列的突变性检验经多种方法计算未能达到相统一的结论，这是因为克孜尔水库的建成时间为1992年，当水库建成以后，泥沙由于建筑物的阻拦，改变了其原来的运移状态，输沙量的突变年份与克孜尔水库的修建存在一定的关联性，在多种方法判定的基础上，最终确定克孜尔水库年输沙量序列的突变年份为1992年。

图4 输沙量突变性分析

2.1.3 周期性分析 1960～2017年克孜尔水库上游流域径流量序列为非平稳序列，可以分解为3个具有不同波动周期的IMF分量和1个Res趋势分量(图5)，反映了克孜尔水库上游流域径流量变化复杂的时间尺度特征。

图5 克孜尔水库上游流域年径流量序列EMD分解

第一个本征模态函数IMF1具有最大振幅，最高频率和最短波长，IMF2和IMF3分量的幅度逐渐减小，频率逐渐减小，波长逐渐增大。

Res分量显示了年径流量的总体变化趋势，并且可以看出多年来有明显的上升趋势。

为进一步获得各IMF分量准确的周期特点，在EMD分解得到IMF分量的基础上，对各分量进行Morlet小波分析。利用matlab软件编程，得到各IMF分量的小波方差图，见图6。

由图6可知，IMF1分量具有两个明显的峰值，时间尺度为6～9 a，准周期为7 a；IMF2分量具有较高的峰值，时间尺度为15～18 a，准周期为17 a；而IMF3分量有一个峰值，时间尺度为26～32 a，准周期均为30 a。分析显示了克孜尔水库上游年径流量变化呈复杂的多时间尺度性，本结论可为克孜尔水库未来的水资源配置、防洪减灾和抗旱提供科学指导。

图6 年径流量EMD分量的小波方差

克孜尔水库上游流域1960～2017年间的输沙量序列为非平稳序列，可以分解为4个具有不同波动周期的IMF分量和1个Res趋势分量(图7)，反映了克孜尔水库上游流域输沙量变化的复杂的多时间尺度性；

图7 克孜尔水库上游流域年输沙量序列EMD分解

第一个本征模函数IMF1具有最大振幅，最高频率和最短波长。IMF2，IMF3和IMF4的分量幅度逐渐减小，频率逐渐减小，波长逐渐增大；

Res分量显示了年输沙量的总体变化趋势，可以看出多年来有明显的上升趋势。

为进一步获得各IMF分量准确的周期特点，在EMD分解得到IMF分量的基础上，对各分量进行Morlet小波分析。利用matlab软件编程，得到各IMF分量的小波方差图(图8)。

由图8可知，IMF1分量具有两个明显的峰值，时间尺度为5～7 a，其准周期为6 a；IMF2分量存在一个明显的峰值，时间尺度为10～13 a，其准周期为11 a；IMF3分量存在一个明显的峰值，时间尺度为25～28 a，其准周期为26 a；IMF4分量无峰值。分析显示了克孜尔水库上游年输沙量变化呈复杂的多时间尺度性，本结论可为克孜尔水库的优化调度运行及排沙清淤延长水库寿命提供帮助。

图8 年输沙量EMD分量的小波方差

2.2 影响因素分析

2.2.1 气候活动和人类活动对径流量及输沙量影响程度 为了区分人类活动和降水对克孜尔水库上游水沙变化的影响，首先对克孜尔水库上游1960～2017年的年径流量和输沙量进行突变性检验，将突变年份之前的阶段视为仅有降雨影响的基准期，突变年份之后的时期视为有人类活动和降雨共同作用的时期(图9)。由前部分计算结果所示，1960～2017年克孜尔水库上游径流量的突变年份为1994年，输沙量的突变年份为1992年，其次，用降水-径流量和降水-输沙量的双累积曲线对人类活动和降雨量对于径流量和输沙量的贡献进行模拟回归分析(表2)。通过降水-径流量和降水-输沙量双累积曲线拟合方程得出一个计算值，计算值与实测值的差值即为人类活动贡献(表3)。

表2 克孜尔水库上游降水-径流量和降水-输沙量双累积曲线线性模拟评估

表3 克孜尔水库上游突变年份前后时期降水和人类活动的贡献率

图9 累积降水量与累积径流量、累积输沙量双累积曲线

从1960年到2012年，与计算出的累计径流量相比，实测累积径流量减少了72.73亿m3。径流量在突变年份之后，实测累积径流量增加了0.82亿m3。人类活动对上游径流量增加的贡献率占-385.37%，而降水量对径流量增加的贡献率占485.37%。结果表明：在克孜尔水库上游径流量突变年份之后，降水对径流量的影响比人类活动大。克孜尔水库上游流域内的人口密度不是很大，靠近河流的尽头是冰川的发源地，人类活动很少，此处的径流量受降水的影响很明显，降水是此区域的主要影响因素。

从1960年到2012年，与计算出的累计输沙量相比，实测累积输沙量增加了819.47万t。输沙量在突变年份之后，实测累积输沙增加了585.9万t。人类活动对上游输沙量增加的贡献率占26.43%，而降雨量对径流量的增加贡献率占73.57%。结果表明：在克孜尔水库上游输沙量在突变年份之后，降水是影响输沙量的主要因素。此区域地表植被的覆盖率不是很高，气温较高，蒸发量很大，一定程度上导致地表土壤疏松，在降水时候会冲刷地表，带走疏松的土壤进入河道；此区域的水土保持措施不是很完善，随着时间的推移，原有的水土保持措施已渐渐失去了当初的效果，不能满足当前的需求，需结合现状进一步推进水土保持工作的开展。

2.2.2 太阳活动对径流量与输沙量的影响 采用前文的基于小波分析法的EMD分解周期法，求解出太阳活动的小波方差分析图(图10)。由图10可知，IMF1分量具有两个明显的峰值，其准周期为16 a和31 a；IMF2分量存在一个明显的峰值，其准周期为31 a；IMF2分量无明显峰值；IMF4分量存在一个明显的峰值，其准周期为23 a。

图10 太阳黑子活动EMD分量的小波方差图

克孜尔水库上游年径流量存在7 a、17 a、30 a左右的主周期，第一主周期是30 a。在15～18 a和26～32 a尺度上，年径流量和太阳黑子相对数序列具有相似的主周期，但两个周期在较短的时间尺度上是不同的。以年径流量变化为代表的7 a周期与黑子活动无关，而17 a和30 a周期应主要受黑子活动影响，并且与黑子活动密切相关。径流量的增大会影响河流中携带的泥沙，进一步影响克孜尔水库的入库输沙量，输沙量的周期波动性与径流量紧密相关，径流量的变化受到太阳活动的影响，输沙量同时也因径流量的变化而受到影响。

2.2.3 ENSO对径流量及输沙量的影响分析 厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-Southern Oscillation，ENSO)是热带太平洋最显著的海气耦合信号，暖、冷位相分别表现为厄尔尼诺事件和拉尼娜事件[17]。ENSO事件在南疆地区表现的周期性为：20世纪1980年之前和20世纪90年代末期表现出6 a的周期性，20世纪80年代到90年代中期表现出准4 a的周期变化，1995年后这种周期有变长的趋势。这与克孜尔水库水沙变化的6～9 a的短周期一致，可以推测出克孜尔水库水沙受ENSO信号的调节。分析二者之间的关系，可以发现水沙变化周期相比较ENSO事件具有3～4 a的滞后，这是因为ENSO对新疆雨季降水的影响具有明显的滞后性，新疆降水和ENSO之间存在着一种物理的遥相关关系[18]。

3 讨论

水沙变化趋势性分析方法主要包括双累积曲线法、滑动平均法以及Spearman秩相关分析法等[19]；水沙变化突变性分析主要采用Pettitt检验法、Mann-Kendall非参数秩检验法、水文情势突变指标法及有序聚类法等[20-21]；水沙周期性分析主要采用灰谱分析、EMD分解、极大熵谱分析以及小波分析法等[22-23]。本文对趋势性判断采用的是线性趋势法及Mann-Kendall秩次检验法，得到的结果与实际情况相符合，对于水沙的未来趋势预测还有待深入研究，依据其过去的数据分析未来趋势；对突变点采用有序类聚法、Mann-kendall非参数检验方法和滑动t检验法分析其突变的年份，在文中对径流量的突变检验结果可以得到统一结论，对输沙量的突变检验结果偏差很大，需要结合水库的实际情况进行判断。本文采取的3种突变检验方法是否适合输沙序列的突变检验，还需要深入研究。水沙序列周期的分析采用基于小波分析的EMD分解方法，其重要的环节为数据系列的分解，经典模态分解在本文已做阐述，对水沙序列分解的方法不同，其精度是否会提高，仍需继续研究。本文主要分析了降水、人类活动、太阳活动及ENSO现象对水沙变化的影响，至于其他影响水沙变化的因素还需进一步研究。对于克孜尔水库上游流域而言，大气环境变化导致的冰川融水也会对其流域的水沙变化造成一定的影响，靠冰川积雪融水补给河流，是该流域的一大特色，需要深入研究。

4 结论

1) 克孜尔水库坝址处入库径流量及输沙量整体上均呈增加趋势。坝址处入库径流量及输沙量发生由少至多的突变年份分别为1994年、1992年。入库径流量存在3种时间长度，表现为6～9 a、15～18 a、26～32 a，周期具体表现为7 a、17 a、30 a；输沙量存在3种时间长度，表现为5～7 a、10～13 a、25～28 a，周期具体表现为6 a、11 a、26 a；径流量及输沙量的第一主周期分别为30 a、26 a。

2) 径流量在突变年份之后，实测累积径流量增加0.82×108m3，人类活动对径流量增加贡献率占-385.37%，而降水对径流量的增加贡献率占485.37%；输沙量在突变年份之后，实测累积输沙增加585.9×104t。人类活动对输沙量增加的贡献率占26.43%，而降水对输沙量的增加贡献率占73.57%。

3) 年径流量变化表现的7 a周期与太阳黑子活动关系不大，而17 a和30 a周期应主要是受太阳黑子活动的影响，与太阳黑子活动关系紧密。克孜尔水库水沙受ENSO信号的调节，水沙变化周期相比较ENSO事件具有3～4 a的滞后，这是因为ENSO对新疆雨季降水的影响具有明显的滞后性。