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和田河上游62 a徑流演變特征分析

2022-04-12 03:41盧震林白云崗余其鷹
關(guān)鍵詞:兩河喀拉玉龍

盧震林,白云崗,余其鷹

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院,新疆 烏魯木齊 830049;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052)

新疆和田河是補給塔里木河的重要河流,是“和田綠洲”生存的命脈,其徑流主要補給來源于冰川積雪融水和山區(qū)降水,耗散于荒漠綠洲。和田河豐枯情況直接影響著綠洲內(nèi)的經(jīng)濟活動,同時影響向塔里木河下游的生態(tài)輸水[1]。1987年以后,新疆地區(qū)出現(xiàn)了氣候向暖濕化轉(zhuǎn)型的信號[2],針對和田河地區(qū)所處的特殊地理環(huán)境及獨特水文水資源系統(tǒng),眾多學(xué)者對和田河流域從多方面開展了研究[3-8]。如張曉偉[9]2007年分析發(fā)現(xiàn)和田河徑流量呈減少趨勢;2010年褚桂紅、史文娟等利用和田河上游1957—2005年徑流數(shù)據(jù)分析地表徑流也呈現(xiàn)出遞減趨勢[10]??茖W(xué)認(rèn)識和田河徑流變化特征及演變趨勢,對和田河流域生態(tài)修復(fù)及社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。因此,本文選用和田河源流烏魯瓦提和同古孜洛克水文站1957—2018年62 a長系列天然徑流資料,采用M-K趨勢及突變檢驗和小波分析等方法,對和田河源流徑流年內(nèi)年際變化、趨勢性及周期進行分析,旨為和田河流域水資源高效利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

和田河流域位于我國新疆南端,喀喇昆侖山和昆侖山北麓,塔里木盆地南部邊緣,和田河南向北流入塔里木盆地,穿越塔克拉瑪干沙漠,最終匯入塔里木河。和田河由東西兩大支流組成,即西支喀拉喀什河和東支玉龍喀什河。玉龍喀什河在出山口處設(shè)有同古孜洛克水文站,玉龍喀什河全長504 km??κ埠釉诔錾娇谔幵O(shè)有烏魯瓦提水文站,喀拉喀什河全長808 km。兩支流在闊什拉什匯合后稱和田河。和田河干流始于闊什拉什,終于肖夾克,全長319 km,寬0.6~3.3 km,屬于季節(jié)性河流,汛期多洪水,其他季節(jié)干旱,洪枯懸殊,使得河床易沖易淤,河道呈游蕩型(如圖1所示)。由于上游和田綠洲社區(qū)經(jīng)濟用水不斷增加,造成下游干流水量日益減少,地下水位下降,直接威脅塔里木河流域“綠色走廊”的穩(wěn)定與生存。

圖1 和田河流域圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)和田地區(qū)水文勘測局水文站控制情況,本文選取烏魯瓦提和同古孜洛克兩水文站作為分析計算的代表站,運用1957—2018年62 a長系列天然徑流資料進行分析預(yù)測。資料具有良好的代表性和可靠性。

2.2 分析方法

Mann-Kendall檢驗法是一種非參數(shù)檢驗方法(簡稱M-K檢驗),可分析長時間序列的趨勢與突變,有樣本不必遵從某一特定分布、結(jié)果不受少數(shù)異常值干擾的優(yōu)點,因此得到了廣泛的應(yīng)用[11-12]。利用Mann-Kendall統(tǒng)計值Z進行趨勢統(tǒng)計的顯著性檢驗,先假設(shè)該序列無趨勢,通過雙尾檢驗,在給定顯著水平下,于正態(tài)分布表中查臨界值Z1-α/2,當(dāng)|Z|Z1-α/2,則拒絕原假設(shè),即認(rèn)為趨勢顯著。Z為正時表示序列呈上升趨勢,Z為負(fù)時表示序列呈下降趨勢,Z的絕對值越大,說明序列變化趨勢越顯著。利用Mann-Kendall統(tǒng)計值UFK和UBK,分析繪制出UFK和UBK曲線圖,若UFK的值大于0,則表明序列呈上升趨勢,小于0則表明呈下降趨勢;當(dāng)它們超過信度線時,即表示存在明顯的上升或下降趨勢;若UFK和UBK的交點位于信度線之間,則此點可能就是突變點的開始。

2.2.2 小波分析

小波分析是一種新型信號時頻局部化的分析方法,能夠提取出徑流序列中反映其變化規(guī)律的成分[13-14]。本文選用Morlet小波對研究區(qū)徑流序列進行周期性分析。Morlet基本小波函數(shù)形式如式(1):

(1)

將基本小波函數(shù)ψ(t)經(jīng)過伸縮和平移得到一簇函數(shù)ψa,b(t),如式(2):

a,b∈R,a≠0

(2)

式中:ψ(t)為分析小波;a為尺度參數(shù),反映小波的周期;b為時間參數(shù),表示波動在時間上的位移。

將時間域上關(guān)于尺度a的所有小波系數(shù)的平方進行積分,即得到小波方差。小波方差公式(3)為:

(3)

在一定尺度下表示時間序列中該尺度周期波動的強弱和能量的大小。

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3 結(jié)果與分析

3.1 徑流年內(nèi)變化特征分析

將和田河兩支流62 a徑流序列分別按月進行整理,分析其月平均徑流量和比例,結(jié)果見表1。

表1 和田河上游1957—2018年月徑流分配表

由表1可知:7月喀拉喀什河月徑流最大,占全年比例的28.18%,1月月徑流最小,占全年比例的1.46%;而玉龍喀什河8月月徑流最大,占全年比例的33.37%,2月月徑流最小,占全年的0.99%??κ埠幼畲笤聫搅鞒霈F(xiàn)在6—8月,占全年比例的68.42%,其余9個月占全年比例的31.58%;玉龍喀什河最大月徑流也出現(xiàn)在6—8月,占全年的比例高達(dá)78.74%,其余9個月僅占全年比例的21.26%。按季節(jié)劃分,夏季兩河分別占全年比例的68.42%、78.74%,冬季最少,僅為3.10%、4.85%??κ埠釉聫搅鳒笥谟颀埧κ埠右粋€月,而且兩河年內(nèi)徑流分布極不均勻。因此,和田河流域的不均勻徑流會導(dǎo)致該流域汛期易澇,枯期易旱。

采用Mann-Kendall趨勢檢驗法分析和田河兩支流河年和季節(jié)徑流變化趨勢的顯著性見表2。

表2 和田河支流季節(jié)徑流變化趨勢的顯著性

由表2可知:喀拉喀什河和玉龍喀什河的春、秋、冬三季徑流系列的M-K值大于0.05置信水平閾值1.96,呈顯著性增加趨勢;玉龍喀什河和喀拉喀什河夏季年徑流系列的M-K值介于0.05置信水平閾值±1.96之間,呈非顯著性變化趨勢。其中,玉龍喀什河夏季年徑流表現(xiàn)為微弱上升趨勢,喀拉喀什河表現(xiàn)為微弱下降趨勢,說明年內(nèi)徑流變化除夏季外,兩河季節(jié)性徑流趨勢基本一致。

3.2 徑流年際變化特征分析

為探究兩河年際變化情況,按10 a時段進行分段分析,以1959—1968年為基準(zhǔn)期,分5個時段作為對比期,分析各個時段的年徑流較基準(zhǔn)期的變化,見表3。

表3 喀拉喀什河和玉龍喀什河不同時段實測年徑流對比基準(zhǔn)期的變化

由表3可以看出:與基準(zhǔn)期相比,1969—1978年和1999—2008年時段喀拉喀什河變化不明顯,屬于平水期;1979—1988年時段喀拉喀什河變化不明顯,1989—1998年時段減少6.92%,進入平水期。1969—1978年和1999—2008年時段玉龍喀什河較基準(zhǔn)期無變化;1979—1988年和1989—1998年時段較基準(zhǔn)期減少11%~12%,進入枯水期。2009—2018年時段兩河徑流變化量較基準(zhǔn)期增加16.44%~21.11%,進入豐水期??偟膩砜?,喀拉喀什河變化幅度?。?1世紀(jì)兩河徑流增大,對該流域水資源合理開發(fā)具有積極作用。

為明晰兩河徑流增大具體時間,需逐年分析徑流情況。采用累積距平法繪制兩支流62 a累積距平曲線,見圖2。

圖2 1957—2018年喀拉喀什河和玉龍喀什河年徑流序列累積距平曲線

由圖2可知,兩河1957—1961年累積距平值持續(xù)增加,表明該時段距平值持續(xù)為正,處于豐水期。1962—1965年時段又開始持續(xù)下降,距平值呈減小趨勢,處于枯水期??κ埠釉?966—1985年時段經(jīng)過1~3 a的豐枯交替后,1986—1999年時段基本表現(xiàn)為枯水年,2000—2009年時段經(jīng)過3個豐枯交替循環(huán)后到2010年進入豐水期。1966—1980年時段,喀拉喀什河豐水期和枯水期亦每1~3 a交替進行,呈現(xiàn)了“豐水-枯水-豐水”的現(xiàn)象。1981—2009年時段累積距平值波動頻繁,總體呈下降趨勢, 2010年過后又開始呈上升趨勢,進入豐水期??傊?,玉龍喀什河的枯水年略多于豐水年;2010年過后兩河持續(xù)表現(xiàn)為豐水年,這與較基準(zhǔn)期的分析2009—2018年時段分析一致。為明晰其原因,對兩河流徑流進行突變分析。

3.3 突變分析

應(yīng)用Mann-Kendall法對喀拉喀什河、玉龍喀什河62 a年徑流序列進行突變檢驗,結(jié)果見圖3、圖4,其中UFk表示順序統(tǒng)計值,UBk表示逆序統(tǒng)計值。

圖3 喀拉喀什河突變檢驗

圖4 玉龍喀什河突變檢驗

由圖3可知:1958—1962年喀拉喀什河表現(xiàn)為上升趨勢,之后5 a下降明顯;1968—1991年又表現(xiàn)為上升趨勢,1992—2005年又表現(xiàn)為下降趨勢;2006—2018年上升趨勢明顯,2018年統(tǒng)計值大于1.96,呈明顯增加趨勢。由圖4可知:玉龍喀什河徑流序列在1957—1963年徑流表現(xiàn)為上升趨勢,1962年達(dá)到峰值;1964—2009年變化趨勢穩(wěn)定,除個別年份外,均表現(xiàn)為下降趨勢,于2010年發(fā)生突變,之后變化頻繁。突變點亦發(fā)生在60~90年代后期亦呈顯著上升趨勢。突變點發(fā)生在2010年??傮w上,玉龍喀什河上升趨勢大于喀拉喀什河,且均在2010年發(fā)生突變;在2010年后發(fā)生突變,突變后表現(xiàn)為持續(xù)上升趨勢,解釋了前兩部分時段增加和累積距平表現(xiàn)為豐水年的原因。

對突變點進行線性分析,分別對兩站進行突變點前后進行均值分析比較,結(jié)果如圖5。

圖5 和田河支流年徑流趨勢變化

由圖5可知,在兩河年徑流趨勢上升的情況下,2010年后的平均值高于之前約5億m3。突變年與累積距平持續(xù)增長年份相吻合,這與全球氣候變暖和近年降水增加有很大關(guān)系。

3.4 徑流特征周期分析

采用Morlet小波分析法分別對和田河支流62 a徑流序列進行周期性分析,得到年徑流序列小波變換系數(shù)的二維等值線圖(如圖6所示)和小波分析方差圖(如圖7所示)。

圖6 和田河支流年徑流小波分析

圖7 和田河支流年徑流小波方差

由圖6可知:喀拉喀什河在4~5 a左右時間尺度上震蕩顯著,在所研究的時段中經(jīng)歷了10次“豐-枯”循環(huán)交替,且震蕩穩(wěn)定;在25~30 a左右的時間尺度上存在著“豐-枯-豐-枯”的周期變化,且震蕩最為顯著,預(yù)計在2018年后還會有豐水年出現(xiàn),且豐水年時間5 a左右。玉龍喀什河在4~6 a左右時間尺度上,周期震蕩十分顯著,存在11個“豐-枯”交替,但交替循環(huán)不穩(wěn)定;在9 a左右的時間尺度上震蕩情況略低于5 a,在1980年以前存在“枯-豐-枯-豐” 交替循環(huán),之后到2005年表現(xiàn)為豐水年,預(yù)計在2018年以后會表現(xiàn)為豐水年。結(jié)合小波分析方差圖(圖7)可知:喀拉喀什河存在一個峰值為28 a的第一主周期和峰值為5 a的第二主周期;玉龍喀什河存在4 a和9 a的明顯峰,即4 a為第一主周期,9 a為第二主周期。

總之,不同時間尺度下的豐枯交替變化情況不同,徑流變化以第一周期為主,第二周期為輔。截至2018年,兩河均表現(xiàn)為豐水年,徑流還會持續(xù)增加一段時間,這有利于下游水資源合理開發(fā)利用。

4 結(jié) 論

(1)基于和田河上游1957—2018年徑流序列進行分析,研究表明:年徑流量呈微弱增加趨勢,在2010年兩支流發(fā)生突變,呈微若增加趨勢。

(2)從年內(nèi)徑流分布來看,兩河在夏季徑流最多,占全年比例的68.42%~78.74%,冬季最少僅為3.10%~4.85%,最大徑流出現(xiàn)在7月、8月,最小徑流出現(xiàn)在1、2月且年內(nèi)分配極不均勻。除夏季外,春、秋、冬三季徑流均表現(xiàn)為顯著上升趨勢。

(3)與基準(zhǔn)期1959—1968年相比,喀拉喀什河和玉龍喀什河不同時段變化量較大,1979—1988年兩河增減不同,其余時段增減相同,2009—2018年時段兩河增加明顯,玉龍喀什河變化幅度大。

(4)Morlet小波和M-K突變檢驗表明:喀拉喀什河以28 a為第一主周期,5 a為第二主周期;玉龍喀什河第一主周期為4 a,第二主周期為9 a;兩河均在2018年后繼續(xù)出現(xiàn)豐水年。2010年出現(xiàn)突變,突變前后兩河徑流均值相差5億m3。

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