气候变化对新疆黄水沟流域径流过程的影响

魏光辉

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

0 引言

全球气候变化涉及自然生态系统和人类生产生活各方面，已成为世界范围内亟待解决的重大课题［1］.由于气候变化必将改变河川径流大小及其空间分布，故而开展气候变化对河川径流的影响研究，对于合理开发利用水资源、促进区域经济社会可持续发展和生态环境保护具有重大意义［2］.

当前，国内学者对气候变化与径流的影响展开了大量研究工作.例如，迪丽努尔·阿吉［3］等对新疆博尔塔拉河流域气候、径流趋势及突变进行了研究，表明径流对降水与气温变化的响应较显著;张永勇［4］等采用SWAT模型模拟了石羊河流域气候变化对水文情势的影响，发现降水和潜在蒸散发是影响径流量的主要因素;刘彩红［5］等建立了黄河源区径流对气候变化的响应与预测模型，并根据气候模式输出数据，对未来流量进行了预估;李斌［6］采用非参数M－K检验及滑动t检验对洮儿河流域中上游径流、降水及潜在蒸散发的趋势及突变点进行了研究，发现气候因素变化对流域水文过程的影响约占45%;李金标［7］通过主成分分析法和回归分析方法分析了石羊河流域气候变化和人类活动对出山口径流的影响;蒋艳［8］等运用M－K检验、小波分析法和EOF分析法研究了塔里木河流域源流区历史水文过程及区域气候时空变化，发现冰川融水是径流的主要补给来源，气温、降水量和蒸发量呈现增加趋势，径流随气温和蒸发量变化较为敏感;蔡玉林［9］等采用陆地表面模型VIC水循环模式模拟了鄱阳湖流域不同情景下气候变化对径流的影响，结果表明鄱阳湖流域水量30年、60年、90年后将可能增加 11.7%、25.08%和 39.06%.

黄水沟位于新疆和静县境内，是下游和静县生产生活的重要水源，也是博斯腾湖的主要补给水源.因此，开展黄水沟流域气候变化对径流的影响研究，对流域水资源的合理开发利用、经济社会的可持续发展及干旱区绿洲生态保护意义重大.此外，考虑到降水和气温是气候变化的主要体现，气温的作用主要是引起流域蒸发的变化，降水的作用主要是在流域下垫面上引起水量的垂向和横向再分布.故本文选取黄水沟流域的巴仑台气象站1961－2013年共计53 a的逐月气温和降水资料，以及同期黄水沟水文站(位于巴仑台气象站下游约37km，黄水沟出山口处)逐月径流资料，采用线性回归、Mann－Kendall检验及R/S法对研究区近53 a来气温、降水及径流变化进行分析，以期为流域水资源规划利用及生态环境保护提供参考.

1 研究区概况

黄水沟位于新疆和静县境内，其发源于天山中部的天格尔山南坡，为雨雪混合型河流，尾闾注入博斯腾湖.流域地理坐标介于 42°12'～43°09'N、85°55'～86°54'E之间，海拔3600 m以上为终年积雪;海拔2000～3600 m高程为流域降雨径流形成区，地表植被以草甸草原为主;海拔2000 m至出山口段，植被覆盖较差.河流出山口(黄水沟水文站)以上流域面积4311 km2，河长110 km，多年平均径流量2.87亿m3(1956－2013年系列).黄水沟水文站下游约12 km为黄水沟分洪闸，分洪闸将黄水沟分为东、西两条支流，东支注入博斯腾湖大湖，西支汇入开都河.

黄水沟是和静县及新疆生产建设兵团第二师22团、23团国民经济社会发展的主要水源，也是下游博斯腾湖水系的重要补给源，对区域经济社会发展和生态环境保护起着不可忽视的作用.本文采用新疆巴仑台气象站 (42°40'N，86°20'E，海拔1752.5 m)1961－2013年共计53 a的逐月气温和降水资料，以及同期黄水沟水文站(地理坐标86°14'E，42°27'N，海拔 1320 m)逐月径流数据，分析流域气候变化对径流过程的影响.

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

黄水沟流域山区代表站巴仑台气象站数据来自巴音郭楞蒙古自治州气象局，时间尺度为1961－2013年.径流数据选取同时段黄水沟出山口控制站——黄水沟水文站的各年逐月径流量数据，该数据来自新疆巴州水文水资源勘测局.

2.2 研究方法

2.2.1 Mann－Whitney检验

在Mann－Whitney检验中，设时间序列变量X=(Xl，X2，…，Xn)及子序列 Y=(X1，X2，…，Xn1)，Z=(Xn1+1，Xn1+2，…，Xn1+n2)，统计量 Zc 计算如下［10］:

式中:r(xt)为时间序列变量的秩;若－Z1－a/2≤Zc≤Z1－a/2，则接受原假设，认为变量存在阶段跳跃，反之则不存在;Z1－a/2为给定检验水平a所对应的标准正态分位数，a=0.01 时，Z1－a/2为2.57;a=0.05 时，Z1－a/2为 1.96.

2.2.2 R/S 法

R/S 法计算步骤如下［11］:

设时间序列变量x(t)，其均值序列为:

累积离差:

极差:

标准差:

Mandelbrotetal通过分析得出具有普适性的指数律:

式中:H为Hurst指数，当H=0.5时，表明时间序列变量为相互独立、方差有限的随机序列;当0＜H＜0.5时，表明时间序列变量的变化趋势与过去相反;当H ＞0.5时，表明时间序列的变化趋势与过去一致［12］.

2.2.3 Mann － Kendall法

Mann－Kendall法(以下简称M－K法)为非参数检验法，广泛应用于气象、水文时间序列趋势分析与突变检验［13，14］.检验统计量 z值计算式如下:

其中，s值计算式为:

式中:xi和xj为时间序列变量;n为时间序列长度;tp为第p个数对应的捆绑值;z为趋势检验统计量，z大于零，表明时间序列呈增加趋势，反之减小.若|z|＞z1－a/2，则认为时间序列变量存在显著性趋势.

此外，M－K法可用于时间序列变量突变点检验，详见文献［15］.

2.2.4 一元线性趋势分析

水文气象要素的倾向率采用一元线性回归方程来表述，即:

式中:Yi—要素拟合值;

ti—时间序列;

a0—常数项;

b—线性趋势项(即年倾向率).

3 黄水沟流域山区气候变化特征分析

3.1 温度变化特征

温度累积距平曲线可以用来表征温度的年际变化，当距平曲线向下变化时，表示进入降温期，向上变化表示进入升温期.检验黄水沟流域山区年均气温的突变，对于研究黄水沟径流变化具有重要意义.黄水沟山区巴仑台气象站1961－2013年温度变化、累积距平曲线及Mann－Whitney检验结果分别(见图1，见表1).

图1 黄水沟流域山区1961－2013年温度变化与累积距平

表1 黄水沟流域1961－2013年温度变化Mann－Whitney检验结果

由图1可知，黄水沟流域山区温度在1997年发生明显的升温跃变，并且近53 a来总体呈增长趋势.由累积距平曲线可知(图1(b))，山区温度变化大致可分为2个阶段:1961－1996年，该阶段温度总体偏低(累积距平曲线值持续减小)，属于降温期;1997－2013年，该阶段温度升高(累积距平曲线值呈现增加趋势)，为升温期，变化总体呈现“V”字型.

对年际温度变化进行Mann－Whitney检验(见表 1).结果表明，统计量 Zc为 3.66，临界统计值 Z0.01为2.57，温度发生跃变趋势，并达到极显著水平.黄水沟山区1961－1996年多年平均温度6.16℃;1997－2013年多年平均气温为7.58℃，比突变前升高1.42℃.整体而言，1961－2013 年温度平均值6.61℃，年均温度递增率为0.0345℃/a(通过了置信度为0.05的显著性检验).

利用M－K法检验分析黄水沟流域山区年均温度突变点(见图2).可知，年均温度突变点只有1个(交叉点年份为1997年)，通过与累积距平曲线(见图1)计算结果对比，两者分析结果完全一致，这也从侧面验证了M－K检验的正确性.

根据M－K趋势分析，计算得z值为2.93(z0.01=2.57)，表明年均温度具有显著增加趋势，这也与一元线性回归法分析结果相一致.

此外，根据 R/S分析原理，利用式(2)～式(6)，进行最小二乘拟合，得到黄水沟流域山区年均温度的Hurst指数(见图3).由图3可知，黄水沟流域年均温度的 Hurst指数为0.8865，大于0.5，表明年均温度具有持续性，即在未来一段时间内温度仍然会持续增加.

图2 年均温度M－K突变点检验

图3 年均温度Hurst指数

3.2 降水变化特征

按照同样方法，对黄水沟流域山区1961－2013年降水变化特征进行分析.山区降水变化、累积距平曲线及Mann－Whitney检验结果分别(见图4，表2).

图4 黄水沟流域山区1961－2013年降水变化与累积距平

表2 黄水沟流域山区1961－2013年降水量变化Mann－Whitney检验结果

由图4可知，黄水沟流域山区年降水量在1989年发生明显增加的跃变，并且近53 a来总体呈增长趋势.由累积距平曲线可知(图4(b))，山区年降水量变化大致可分为2个阶段:1961－1988年，该阶段降水量总体偏低(累积距平曲线持续减小)，属于降水偏枯期;1989－2013年，该阶段降水量增加(累积距平曲线呈现增加趋势)，属于降水偏丰期，年降水量变化总体呈现“V”字型.

对年降水量变化进行Mann－Whitney检验(见表1).结果表明，统计量Zc为3.27，大于临界统计值Z0.01，降水量发生跃变，并达到极显著水平.黄水沟山区1961－1988年多年平均降水量189.11 mm;1989－2013年多年平均降水量为232.12 mm，比突变前增加43.01 mm.整体而言，1961－2013年降水量平均值209.4 mm，递增率为0.793 mm/a(未通过置信度为0.05的显著性检验).

M－K突变检验分析表明(见图5):年降水量突变点只有1个，发生在1989年，通过与累积距平曲线(图4)计算结果对比，两者结果一致.

根据M－K趋势分析，计算得z值为1.84(z0.01=2.57)，表明年降水量没有显著增加趋势，这与表2中计算结果相一致.

此外，根据R/S分析原理，得到黄水沟山区年降水量的Hurst指数(见图6).由图6可知，黄水沟山区年降水量的 Hurst指数为0.6792，大于0.5，表明年降水量具有持续性，即在未来一段时间内降水量仍然会持续增加.

4 黄水沟年径流变化特征分析

黄水沟水文站1961－2013年径流量变化、累积距平曲线及Mann－Whitney检验结果分别(见图7，表3).

图5 年降水量M－K突变点检验

图6 年降水量Hurst指数

图7 黄水沟1961－2013年径流变化与累积距平

表3 黄水沟1961－2013年径流变化Mann－Whitney检验结果

由图7可知，黄水沟年径流量在1996年发生突变，并且近53 a来径流总体呈增长趋势.由累积距平曲线可知(图7(b))，径流量变化大致可分为2个阶段:1961－1995年，该阶段径流量总体偏少(累积距平曲线值持续减小)，属于枯水期;1996－2013年，该阶段径流量总体偏多(累积距平曲线值呈现增加趋势)，属于丰水期，径流变化大体呈现“V”字型.

此外，对黄水沟水文站年径流进行Mann－Whitney检验(见表3).结果表明，统计量 Zc为3.63，大于临界值 Z0.01=2.57，年径流发生跃变趋势，并达到极显著水平.黄水沟1961－1995年平均径流2.522 亿 m3，变异系数 0.215.1996 －2013 年多年平均径流量为3.555亿m3，比跃变前增加1.033亿m3，变异系数0.386.就整体而言，1961－2013年径流平均值为2.873亿m ，递增率为0.0188亿m/a，变异系数0.357，径流量年际变化较大，究其原因，主要是因为黄水沟径流补给以山区降水为主.

利用M－K法检验黄水沟年径流突变点(见图8).由该图可知，年径流量M－K检验突变点只有1个(交叉点年份为1996年)，这与累积距平曲线(图7)计算结果一致.

根据M－K趋势分析，计算得统计量z值为2.35(z0.01=2.57，z0，05=1.96)，表明年径流量具有显著增加趋势，这与表3计算结果相一Z致.

根据R/S分析原理，得到黄水沟水文站年径流的Hurst指数(见图9).由该图可知，年径流的Hurst指数为 0.6533，大于 0.5，表明年径流具有持续性，即在未来一段时间内径流仍然会持续增加.

图8 年径流量M－K突变点检验

图9 年径流量Hurst指数

5 黄水沟径流变化对气候的响应

5.1 气候变化与径流的关系

根据巴仑台气象站1961－2013年的年均气温、降水量以及同期黄水沟水文站年径流资料，对气候因素与径流进行相关分析(见表4).

表4 径流与各气候因素的相关性

由于各气候因素与径流间的关系较为复杂，单个气候因素与径流间存在不同程度的简单相关关系，但这种相关关系又包含有其他气候因素的影响.因此，可以采用偏相关分析法解决该问题.偏相关分析就是固定其他变量不变，而研究某两个变量间相关性的统计分析方法，通常用偏相关系数来表示两个变量偏相关的性质与程度［16］.因此，由表4可知，降水量对径流的影响最大(偏相关系数r=0.7673)，温度影响较小(偏相关系数 r=0.4353)，上述2因素均通过了显著性为0.01的统计检验，表明均是影响径流的主要气候因素.

5.2 径流对气候变化的响应

为表征温度与降水量对黄水沟径流的综合影响，采用偏最小二乘回归方程［17］对上述变量进行量化分析，结果见下式:

式中:Q—年径流量，亿m3;

t—年均气温，℃;

R—年降水量，mm.

经检验，回归方程相关系数为 0.802，F=12.57，通过显著性水平为0.01的检验，说明方程及各因素的方程贡献是显著的.图10为实测值与模拟值的对比曲线，多数年份拟合很好，模型平均相对误差为10.66%(最大相对误差31.92%，最小相对误差0.21%)，表明该方程用于研究区年径流的预测具有较高可信度.同时也说明黄水沟山区气候变化是径流变化的主要驱动力.

图10 黄水沟年径流量实测值与模拟值对比

根据所建的偏最小二乘回归模型，将黄水沟流域温度与降水量的多年平均值，代入回归方程，求得此时黄水沟径流量，在此基础上，计算得到不同气候因子对径流的敏感性:降水量不变，温度增加1℃时，黄水沟径流增加12.8%;温度不变，降水量增加10%，此时径流增加4.5%，这说明径流对流域气温与降水量变化的响应均较为显著.

6 讨论

(1)本文对于气候因素的分析，仅考虑了温度与降水量这2个因素的影响，实际上径流变化也会受到流域蒸散发量、下垫面状况(土地利用类型与植被覆盖情况)等因素的影响，在今后的研究中，应当结合气象资料与卫星影像资料，将流域蒸散发与下垫面因素引入研究，以提高分析的准确性.

(2)由于黄水沟径流是下游和静县社会生产、生活及生态环境用水的重要水源，下一步应加强未来气候变化下的水资源预测及水资源供需分析.

7 结论

本文利用黄水沟山区巴仑台气象站1961－2013年逐月气温与降水量资料以及同期出山口水文站逐月径流资料，进行气候、径流的趋势分析及突变检验，并探讨其响应关系，得到如下结论:

(1)黄水沟流域年均温度在1997年产生极显著突变，这与年均温度累积距平曲线及M－K法分析结果完全一致;突变后时段内年均气温显著高于突变前年均气温;近53年来，年均温度具有显著增加趋势，倾向率为0.0345℃/a;年均温度Hurst指数H为0.8865，大于0.5，表明未来一段时间内仍将持续增加.

(2)黄水沟山区年降水量在1989年产生极显著突变;突变后时段内年降水量显著高于突变前时段内年降水量;近53年来，年降水量无显著增加趋势，倾向率为0.793 mm/a;年降水量Hurst指数 H为0.6792，大于 0.5，表明未来一段时间内仍将持续增加.

(3)黄水沟年径流在1996年产生极显著突变;突变后时段内年均径流显著高于突变前时段内年均径流;近53年来，年径流具有显著增加趋势，倾向率为0.0188 亿 m3/a;年径流 Hurst指数 H 为0.6533，大于0.5，表明未来一段时间内仍将持续增加.

(4)偏相关分析结果表明，降水量对径流的影响最大(偏相关系数r=0.7673)，温度影响较小(偏相关系数r=0.4353)，上述2因素均通过了显著性为0.01的统计检验，表明均是影响径流的主要气候因素.

(5)径流敏感性分析表明，降水量不变，温度增加1℃时，黄水沟径流将增加12.8%;当温度不变，降水量增加10%时，径流量将增加4.5%;这说明径流对流域气温与降水量变化的响应均较为显著.

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