叶尔羌河径流演变规律与变异特征

何 兵， 高 凡， 闫正龙， 蓝 利

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052 ； 2. 陕西测绘地理信息局， 陕西 西安 710054)

1 研究背景

近百年来全球平均地表温度上升0.85℃[1-2]，气候变化叠加不断增强的人类活动，全球范围内流域、陆面、海洋等水文循环系统发生了显著变化[3]。河川径流作为水文循环的基本环节和水量平衡的基本要素，受气候变化和人类活动驱使，径流序列产生了不同程度变异，导致干旱、洪水、高温热浪等极端水文事件频发，不仅威胁全球水安全，而且制约人类生存与发展。此外，径流序列变异导致其一致性假设破坏，对于水文分析与模拟以及水资源规划与利用极为不利。因此，科学认识以径流为主要指征的水循环过程及其变化，是合理利用水资源的前提，对于认识水文机理，应对径流变化具有重要价值。

中国气候变化与全球气候变化总趋势一致。1987年起，新疆以天山西部为主的地区出现了气候向暖湿化转型的强劲信号[4-5]。干旱区内陆河流产流于山区，耗散于绿洲和荒漠，山区径流主要补给来源是冰川积雪融水和山区降水，对气候变化格外敏感，区域微小的气候变化即会引起径流量较大幅度的波动[6]。研究干旱区内陆河流出山口径流序列演变规律与变异特征，对于识别气候变化和人类活动影响下的水文循环响应机理、科学管理和合理调度干旱区水资源具有重要的理论及实践意义。

叶尔羌河地处塔里木盆地西南部，是塔里木盆地西部最大的河流，也是塔里木河源流之一，灌溉着新疆最大的绿洲。由于塔里木河属于纯耗散型河流，本身不产流，因此，叶尔羌河径流序列的变化事关塔里木盆地西部绿洲经济发展和荒漠生态保育[7]。关于我国西北干旱区及新疆气候变化研究成果较多[8]，已有研究指出，新疆暖湿化转型信号显著，新疆大多数内陆河流域包括叶尔羌河流域气温、降水的变化特征与新疆气候变化趋势一致[7]。然而，基于此背景下的叶尔羌河径流序列响应及突变、变异诊断成果较少，且已有研究多集中于应用统计方法分析径流序列的特征值、趋势性、持续性、周期性及突变点方面。黄强等[8]认为，水文学中的变异点和突变点是不同的，变异点是突变点，突变点不一定是变异点。凌红波等(2012)[6]、张贤芳等(2012)[7]、程立峥等(2008)[9]、孙本国等(2006)[10]、王修内等(2012)[11]通过对叶尔羌河出山口不同时间尺度径流序列的突变分析结果均显示，1993年为径流序列的突变点。然而，该突变点是否是变异点，尚无定论。基于此，本研究在前人研究基础上，选取叶尔羌河源流区出山口卡群水文站1957-2015年59a实测月径流序列，采用年内分配完全调节系数Cr、年内分配不均匀系数Cn、相对变化幅度Cm、集中度Cd、集中期D、年际径流均值、最大流量及出现时间、最小流量及出现时间、年际极值比等多指标，运用累积距平法、Mann-Kendall法、R/S法等多方法，在揭示叶尔羌河径流演变规律基础上，采用非线性分析方法——排列熵法(Permutationentropy，PE)进行径流序列变异点诊断，以期在较长时间尺度上认识气候变化与人类活动影响下的叶尔羌河径流演变规律、变异特征及驱动因素，其成果对实现全流域社会经济、水资源开发利用和生态环境保护可持续发展具有重要意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

叶尔羌河是新疆18条大河(多年平均径流量10×108m3以上)之一，发源于喀喇昆仑山北坡，河源至河口全长1 078km，为塔里木河流域“四源一干”水系格局的重要组成部分，多年平均河川径流量68.75×108m3(见图1)。叶尔羌河属典型的西北干旱区内陆河流，径流补给来源主要为冰川融雪补给(占70%左右)，海拔5 000m以上的高山带年产水量占卡群水文站年径流量的74.3%，自卡群水文站出山口控制断面以下为径流耗散区，形成2.5×104km2绿洲区，同时也是河流开发利用的关键河段，拥有新疆最大、全国第四的叶尔羌河灌区(灌溉面积0.5×104km2)，同时，受冰雪融水的季节性影响，叶尔羌河径流主要集中在6-9月(约占全年径流总量的80%)。

随着流域经济社会的发展，水资源开发利用程度不断提高，河流春灌缺水、夏洪突出，盐渍及沙化趋势加剧，向塔里木河生态输水严重不足，平原水库蒸发渗漏损失严重，水资源供需矛盾突出，生产生活挤占生态用水等共同构成了叶尔羌河现存的水资源开发利用与生态保护问题。

图1 叶尔羌河水系及水文站示意图

2.2 数据来源

本研究选取叶尔羌河出山口水文站——卡群水文站1957-2015年共59a实测月径流序列资料、以及1962-2015年共53a实测月降水和气温序列资料。卡群水文站位于叶尔羌河下游出山口，地理坐标为N37.98°、E76.90°，测站海拔1 370m，控制断面以上河长 645km，集水面积50 248km2。

2.3 研究方法

流域水文循环是一个复杂的过程，河川径流量受气候变化与人类活动影响，其时间序列变化过程具有阶段性、趋势性和突变性等特征。本研究采用多指标、多方法分析叶尔羌河出山口卡群水文站近60年径流序列的演变规律与变异特征，限于篇幅关系，本研究采用的指标及方法见表1，详见参考文献。

表1 本研究运用的指标及方法一览表

径流年内分配的不均匀性由年内分配完全调节系数Cr、年内分配不均匀系数Cn、相对变化幅度Cm指标反映；径流年内分配的集中程度由集中度Cd和集中期D指标反映；径流年内过程的变化趋势运用Mann-Kendall法；径流年际特征及年际变化的起伏程度采用年际径流均值、最大流量及出现时间、最小流量及出现时间、年际极值比指标反映；径流年际变化趋势、阶段性和持续性分别运用Mann-Kendall法、累积距平法、R/S法进行分析；在此基础上，分别运用常规统计分析方法Mann-Kendall法和非线性分析方法——排列熵法(Permutationentropy，PE)诊断叶尔羌河年径流序列的突变点和变异点并进行两种方法诊断结果的对比；运用相关分析法进行径流序列变异的归因分析。

3 结果与分析

3.1 径流变化特征分析

3.1.1 径流年内变化特征分析 叶尔羌河卡群水文站1957-2015年近60年多年平均径流量年内分配过程线见图2，可以看出，其年内径流过程线呈明显“单峰型”，年内分配极不均匀，且主要集中在6-9月，径流量达53.03×108m3，占年总径流量的79.4%；从径流年内分配过程线的季节变化看，夏季径流量>秋季径流量>冬季径流量>春季径流量，径流量主要集中在夏季，占全年径流量68.05%。

图2 卡群水文站多年平均径流量年内分配过程线

年份CrCnCdCm极值比1957-19601961-19701971-19801981-19901991-20002001-20102011-2015多年平均0.660.580.590.650.580.580.560.581.211.161.221.231.161.141.041.170.670.660.680.660.650.640.590.6522.0116.8219.9218.6414.9214.8913.4316.931.521.881.771.712.091.641.492.17

叶尔羌河卡群水文站按年代际划分的径流年内分配指标特征值见表2、图3。叶尔羌河出山口径流年内分配各特征值变化趋势大致相同即呈波动减小趋势。在显著水平α=0.05、临界值±1.96条件下，采用Mann-kendall法分析各指标变化趋势，结果表明各指标统计量U<0且U>Uα/2=-1.96(见表3)，各指标波动减小趋势不显著，在20世纪 50年代至80年代呈波动状态，进入20世纪90年代，特别是2000年后，各指标呈现出不显著减小趋势，指示径流年内分配趋于均匀化。

图3 卡群水文站年代际划分的径流年内分配特征值变化过程线

CrCnCdCm极值比-1.25-1.65-1.55-1.85-0.75

3.1.2 径流年际变化特征分析 叶尔羌河卡群水文站1957-2015年径流量变化过程见图4。卡群水文站多年平均径流量为66.04×108m3，年最大径流量和最小径流量分别为94.93×108m3(2012年)和43.82×108m3(1965年)，极值比2.17。年径流量呈锯齿形波动状态，且呈增多趋势。

图4 叶尔羌河卡群水文站年径流变化过程线及M-K趋势图

依据R/S法[11]，叶尔羌河卡群断面1957-2015年长系列Hurst指数H=0.51>0.5，指示该径流序列呈微弱的正持续性，即径流变化呈微弱的持续增加趋势。依据累积距平法[17]，叶尔羌河卡群断面1957-2015年径流序列呈显著的阶段性变化特征(见图5)，其中，1957-1961年和1993-2015年为显著的径流增加时段，表现为两个显著丰水期；1961-1984年为径流频繁波动且呈微减少趋势时段，该时段径流量呈丰枯交替且总体上丰水期小于枯水期的变化特征； 1984-1993年为径流量显著减少阶段，即进入枯水期。总体看，年径流量累积距平值绝大多数为负值，说明在此期间持续枯水年多于丰水年。

图5 叶尔羌河卡群水文站1957-2015年径流累积距平分析

3.2 径流突变分析

运用Mann-Kendall突变检验法分析叶尔羌河卡群断面长系列(1957-2015)年径流变化的突变特征，Mann-Kendall突变检验结果见图6。从图6可以看出，在显著水平α=0.05、临界值为±1.96的条件下，其统计量U=2.57>Uα/2=1.96>0，UF和UB曲线在1959-2015年前后期波动明显，在1997年UF和UB曲线有1个交点，且UF随后呈波动上升趋势，表明1997年径流发生了突变，并且在20世纪90年代后径流量呈波动增多趋势。

图6 Mann-Kendall突变检验结果

3.3 径流变异点诊断

基于Mann-Kendall法进行时间序列的突变特征诊断会因不同时间序列长度得到不同的判断结果，因此，无法辨识径流序列是发生了位相或频率变化还是序列本质发生了变化[12,21-22]，且无法判断突变点是否是变异点。本文采用变异点诊断的非线性方法——排列熵法(Permutationentropy，PE)进行叶尔羌河卡群断面径流序列的变异点诊断。排列熵法算法简单，计算速度快，从系统动力学角度出发，可以有效辨识变异点性质及变异年份位置，是一种有效的径流变异诊断方法。运用该法，基于卡群水文站1957-2015年59a月径流时间序列，取滑动窗口长度L=5a(60个月)，滑动步长h=1a，嵌入维数m=5，计算每个滑动窗口下的PE值，结果见图7。可以看出，排列熵值变化在1980年处于频繁波动状态，1980年后出现了明显的峰谷变化趋势，其中1997年为极小值，说明径流序列在1997年发生了变异，在变异年前后均呈现下降-上升交替出现的情形。Mann-Kendall法和PE法均验证1997年为该径流序列的突变点，也是变异点。为进一步验证排列熵法的可靠性，计算该突变年前后径流量序列的均值。计算结果表明，1997年前径流量均值为63.30×108m3,1997年后为71.79×108m3,1997年前后径流量均值相差8.49×108m3，说明突变年前后径流量相差较大，突变后径流趋于增加，进一步验证1997年为径流序列变异点。

图7 卡群水文站PE检验结果

流域径流变化既受长期气候因素演变影响，也与人类活动有关，二者对于径流量变化都具有重要价值。叶尔羌河卡群水文站以上基本无人为灌溉和分流，受人类干扰较小，影响径流变化的主要因素是气候因素，其源流区气温、降水的变化决定了地表径流的年内年际变化和空间分布差异。已有文献指出[9,23-24],叶尔羌河流域降水量主要集中在6-9月，且7-8月降水量与年径流量呈负相关的关系；全球气候变暖和新疆暖湿化转型趋势下，塔里木盆地的气候变化呈现出显著的季节差异，主要表现在年和冬季气温与年和夏季降水的显著增加趋势，同时，叶尔羌河气温暖湿化转型趋势显著，并与新疆及整个西北地区气候变化一致。本研究根据卡群水文站1962-2015年逐月径流、气温和降水资料，分析叶尔羌河出山口径流量与气温、降水相关关系(见表4)。从表4可以看出，径流量与年平均气温、年平均降水表现为不显著正相关关系，其中，径流量与年平均气温相关系数大于与年平均降水相关系数；径流量与夏季平均气温，尤其是7-8月平均气温表现出显著正相关关系，相关系数分别为0.80和0.81；径流量与夏季平均降水量，尤其是7-8月平均降水量表现出显著负相关关系，相关系数分别为-0.54和-0.57。综合分析表明，气温，特别是夏季7-8月平均气温为叶尔羌河径流量变化的主要影响因素，且在1995年前后发生突变[12,25]。由于叶尔羌河径流主要来源于冰川融雪补给(占77.4%)，又由于气温对叶尔羌河径流量变化的影响主要是通过影响其冰川和积雪融水速度来间接影响径流量，且冰川积雪融水具有滞后性，因此，对径流变化影响具有滞后性，故气温在1995年发生突变后径流在1997年发生了突变，且该突变点为变异点。

表4 叶尔羌河卡群站1962-2015年径流量与

注：“*”表示通过0.05显著性水平检验，即表现为显著。

4 结论及建议

(1)叶尔羌河卡群水文站长系列(1957-2015年)径流年内分配极不均匀，主要集中在6-9月，占年总径流量的79.4%，反映径流年内分配的各指标Cr、Cn、Cd、Cm长系列(1957-2015年)变化趋势大致相同，均呈微弱的波动减小趋势，但趋势性不显著，各指标在20世纪90年代后，特别是进入2000年后，均表现出不显著减少趋势，表明径流年内分配趋于均匀化。

(2)叶尔羌河卡群水文站长系列(1957-2015年)年径流量变化呈显著增多趋势且为正持续性(H=0.51>0.5)，呈现出明显的阶段性变化特征，其中1957-1961年和1993-2015年为显著径流增加时段，总体看，1957-2015年持续枯水年多于丰水年。

(3)采用Mann-Kendall突变检验法分析得出，径流序列在1997年发生了突变，PE变异点检验证实了该径流序列在1997年发生了变异，即突变点为变异点，突变年前后径流量均值相差8.49×108m3，突变后径流序列趋于增加趋势。

(4)叶尔羌河卡群水文站以上基本无人为灌溉和分流，受人类干扰较小，影响径流变化的主要因素是气候因素，相关分析结果表明，气温，特别是夏季7-8月平均气温(相关系数为0.81)为叶尔羌河径流量变化的主要影响因素，且在1995年前后发生突变。由于叶尔羌河径流主要来源于冰川融雪补给(占77.4%)，又由于气温对叶尔羌河径流量变化的影响主要是通过影响其冰川和积雪融水速度来间接影响径流量，且冰川积雪融水具有滞后性，因此，对径流变化影响具有滞后性，故气温在1995年发生突变后径流在1997年发生了突变，且该突变点也为变异点。

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