叶尔羌河径流量与降水量的变化特征分析

胡林金，王 博，胡尚志，王永康

(1.新疆喀什水文水资源勘测局，新疆 喀什844000;2.新疆伽师县水利局，新疆 喀什 844000;3.新疆巴州水文水资源勘测局，新疆 库尔勒841000)

全球气候变化已成为科学界极为关注的热点问题之一［1，2］。根据IPCC第四次评估报告，近100 a来全球气温升高了0.74℃，从而导致区域水资源系统时空再分配［3］。受全球变暖影响，中国西北部也发生了从暖干向暖湿化转变的强劲信号［4～6］。塔里木河作为西北干旱区典型的纯耗散型内陆河，也是我国最大的内陆河流域，干流不产流，径流主要依靠源流山区降水与冰川融水补给，因此对气候变化的响应更为敏感。

叶尔羌河是塔里木河源流区最长的河流，也是塔里木河干流水资源重要的补给来源，并在卡群水文站以上为源流产水区［7］。近年来，随着该流域上、中游灌溉面积与人口的快速增加，水资源的过度开发利用已严重制约了当地的社会经济发展［8～9］。然而有关叶尔羌河流域的研究相对还较少，但也有一些有意义的结论。如孙本国［10～11］等人利用流域内气象站点、水文站点分析得出:在全球气候变暖的大背景下，流域内气温升高，降水增加，呈现出明显的增暖、变湿趋势;通过年代际分析，指出降水、年径流量呈线性增加趋势;同时具有季节性特点:夏季降水的线性增湿最为显著，冬季呈不明显的线性下降趋势。以往的研究采用的方法主要是季节性变化、年代际变化和线性趋势，本文欲引入趋势分析和小波分析等方法对流域径流量和降水量做进一步研究。

此外，叶尔羌河径流量年内分配极不均匀，洪涝灾害频繁。因此，加强流域内降水量与径流量的多尺度变化研究就显得十分重要。基于此，本文分析了叶尔羌河降水量与径流量的趋势和突变，并通过小波分析甄别了二者的主周期及未来变化趋势，以期为实现该区水资源的可持续利用提供决策参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

叶尔羌河全长1 097 km，径流主要依靠高山冰雪融水补给，约占径流总补给量的77.4%，其径流量年内分配极不均匀，6～8月份约占径流总来水量的70%。

流域地处塔里木河流域西南部，天山南坡，且毗邻塔克拉玛干沙漠，地理坐标:34°50'～ 40°31'N，74°28'～ 80°54'E，流域总面积 9.89 ×104km2，耕地面积 7.53 ×106ha，人口1.9×106。流域内多年平均降水量30～60 mm，并从山区至平原逐渐减少，温度10.6℃ ～11.5℃，干旱少雨，为极端干旱气候区。

1.2 数据收集

本文收集了叶尔羌河源卡群水文站1957—2009年的逐月径流实测数据及1957—2007年的降水量逐月实测数据，该站以上未经人为灌溉和分流，受人类干扰较小，可看作天然径流量。

1.3 分析方法

1.3.1 Mann － Kendall单调趋势检验

在Mann－Kendall单调趋势检验中，原假设认为时间序列的增减趋势或者突变不明显;而备择性假设认为时间序列变化趋势显著［12］。从检验能力上看，使用非参数 Mann－Kendall单调趋势检验要优于参数t检验，并且无须事先假定样本的统计分布［13］。

1.3.2 小波分析

小波分析是一种窗口大小固定但形状可变的时频局部化分析方法，在时域和频域上同时具有良好的局部性质，能将水文时间序列分解成交织在一起的多尺度成分，并对不同尺度成分采用相应粗细的时域取同步长，能够不断地聚集到所研究对象的任意微小细节，同时在数学上具有严格意义的突变点诊断能力。因此，小波在水文学上的应用越来越广泛［14－15］。本文利用Morlet小波变换探讨叶尔羌河流域源流区年降水量与径流量的多时间尺度变化特征。

2 结果与分析

2.1 叶尔羌河径流量与降水量的趋势分析

利用研究区近50 a的逐月实测径流量与降水量数据，借助Mann－Kendall单调趋势检验对二者进行趋势检验(见表1)。

表1 叶尔羌河降水量与径流量的Mann－Kendall单调趋势检验

在表1中，经过Mann－Kendall单调趋势检验，叶尔羌河径流量的检验统计量 Zc=1.11＜Z0.05=1.96(经查表，在0.05显著水平下，Z0.05=1.96)，表明其增加趋势不显著。对于降水量，其检验统计量为2.92，表明其增加趋势在0.05检验水平下达到显著水平。同时，根据累积距平曲线(见图1)，叶尔羌河径流量在1957—1961年呈轻微的增加趋势，1962—1993年表现为水平状，而1993年后累积距平线呈显著增加趋势。降水量的在1957—2007年波动剧烈，具体在1957—1986年迅速下降后，于1987—1993年呈轻微的上升，而在1994—2001年波动较为平缓，但在2001后转变为明显的上升。

图1 叶尔羌河源流区径流量与降水量的累积距平

2.2 径流量与降水量集中度指数的周期性分析

小波分析不仅可以找出不同时间尺度处的主周期，而且可以分辨出不同时间尺度处周期的位相和波动强度。在图2中，小波系数为正时，表明径流量或降水量偏多，为丰水期;小波系数为负时为枯水期，而为0时意味着突变期。小波方差的波峰值意味着主周期所在的时间尺度。

图2 径流量与降水量的小波分析

在图2中，叶尔羌河径流量在年际变化以3和9 a周期为主，但以9 a最为显著，这可通过径流量的小波方差图得以验证。同时，从该图还可知，在年代际同时存在17 a的主周期。对于 9 a周期，径流量在 1959—1962年、1966—1968年、1971—1973 年、1977—1979 年、1983—1985 年、1988—1990年、1994—1995年、1999—2001年和 2005—2007年年呈正位相，意味着丰水期，而其他时段为负位相，表明处于枯水期。17年主周期在1958、1970、1983、1996和2008年发生了5次丰枯突变。对于降水量，在年际以8 a的主周期为主，而在年代际以22 a周期最为显著。由降水量的小波系数图可知，8 a周期的小波系数位相呈正负周期性的交替振荡。22 a周期在1985年发生了由枯至丰的突变。根据相关研究，研究区降水量与径流量的周期变化与大尺度的北极涛动、北大西洋涛动等大气环流及太阳黑子活动存在一定的相关关系［16～21］。

2.3 径流量与降水量的预测

由小波分析可知，叶尔羌河径流量和降水量皆存在明显的周期特性，考虑到二者的主周期长度和小波预测的时效性，以径流量9 a和降水量8 a的小波系数为建模依据，选择10 a(2008～2017年)为预见期，对研究区径流量与降水量进行预测。首先，对研究区径流量与降水量的小波系数值进行非线性拟合，得到以下方程:

利用上述方程，预测得到叶尔羌河降水量与径流量在未来10 a(2008—2017年)的周期性变化(图3)。根据图3，径流量在9 a周期处的2008—2011年和2015—2017年将处于枯水期，而降水量8 a周期在2008—2010年和2013—2015年将处于枯水期。

图3 降水量与径流量预测

在图3中，叶尔羌河径流量与降水量的变化趋势存在不一致性，这看似与事实不符，究其原因，一方面由于叶尔羌河源流区以固体降水为主，积雪需长时间消融，或者先进入地下水然后经过潜流才溢出，因而对径流变化的影响具有滞后性［15］;另一方面，叶尔羌河源流径流量主要依靠冰川与积雪融水补给，其冰雪融水占总补给量的77.4%［7］，因此径流与气温的关联性优于降水量［11］。因此，在降水量增加时，气温的持续偏低将致使冰川与积雪融水减少，当降水量的增加难以弥补冰川与积雪融水补给的损失量时，便会出现径流来水量的减少。

3 结语

通过对近50年叶尔羌河年径流量与降水量进行分析，得到如下结论:

(1)叶尔羌河径流量增加趋势不显著，而降水量呈显著的增加趋势。具体上，径流量在1957—1961年呈轻微的增加趋势，1962—1993年表现为水平状，而1993年后累积距平线呈显著增加趋势。降水量的在1957—2007年波动剧烈，具体在1957—1986年迅速下降后，于1987—1993年呈轻微的上升，而在1994—2001年波动较为平缓，但在2001后转变为明显的上升。

(2)叶尔羌河径流量在年际变化以3和9 a周期为主，在年代际同时存在17 a的主周期。对于降水量，在年际以8年的主周期为主，而在年代际以22 a周期最为显著。

(3)叶尔羌河径流量在9 a周期处的2008—2011年和2015—2017年将处于枯水期，而降水量8 a周期在2008—2010年和2013—2015年将处于枯水期。

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