和田河上游62 a径流演变特征分析

卢震林，白云岗，余其鹰

(1.新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049；2.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

新疆和田河是补给塔里木河的重要河流，是“和田绿洲”生存的命脉，其径流主要补给来源于冰川积雪融水和山区降水，耗散于荒漠绿洲。和田河丰枯情况直接影响着绿洲内的经济活动，同时影响向塔里木河下游的生态输水[1]。1987年以后，新疆地区出现了气候向暖湿化转型的信号[2]，针对和田河地区所处的特殊地理环境及独特水文水资源系统，众多学者对和田河流域从多方面开展了研究[3-8]。如张晓伟[9]2007年分析发现和田河径流量呈减少趋势；2010年褚桂红、史文娟等利用和田河上游1957—2005年径流数据分析地表径流也呈现出递减趋势[10]。科学认识和田河径流变化特征及演变趋势，对和田河流域生态修复及社会经济可持续发展具有重要的意义。因此，本文选用和田河源流乌鲁瓦提和同古孜洛克水文站1957—2018年62 a长系列天然径流资料，采用M-K趋势及突变检验和小波分析等方法，对和田河源流径流年内年际变化、趋势性及周期进行分析，旨为和田河流域水资源高效利用提供参考。

1 研究区概况

和田河流域位于我国新疆南端，喀喇昆仑山和昆仑山北麓，塔里木盆地南部边缘，和田河南向北流入塔里木盆地，穿越塔克拉玛干沙漠，最终汇入塔里木河。和田河由东西两大支流组成，即西支喀拉喀什河和东支玉龙喀什河。玉龙喀什河在出山口处设有同古孜洛克水文站，玉龙喀什河全长504 km。喀拉喀什河在出山口处设有乌鲁瓦提水文站，喀拉喀什河全长808 km。两支流在阔什拉什汇合后称和田河。和田河干流始于阔什拉什，终于肖夹克，全长319 km，宽0.6～3.3 km，属于季节性河流，汛期多洪水，其他季节干旱，洪枯悬殊，使得河床易冲易淤，河道呈游荡型(如图1所示)。由于上游和田绿洲社区经济用水不断增加，造成下游干流水量日益减少，地下水位下降，直接威胁塔里木河流域“绿色走廊”的稳定与生存。

图1 和田河流域图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

根据和田地区水文勘测局水文站控制情况，本文选取乌鲁瓦提和同古孜洛克两水文站作为分析计算的代表站，运用1957—2018年62 a长系列天然径流资料进行分析预测。资料具有良好的代表性和可靠性。

2.2 分析方法

Mann-Kendall检验法是一种非参数检验方法(简称M-K检验)，可分析长时间序列的趋势与突变，有样本不必遵从某一特定分布、结果不受少数异常值干扰的优点,因此得到了广泛的应用[11-12]。利用Mann-Kendall统计值Z进行趋势统计的显著性检验，先假设该序列无趋势，通过双尾检验，在给定显著水平下，于正态分布表中查临界值Z1-α/2，当|Z|Z1-α/2，则拒绝原假设，即认为趋势显著。Z为正时表示序列呈上升趋势，Z为负时表示序列呈下降趋势，Z的绝对值越大，说明序列变化趋势越显著。利用Mann-Kendall统计值UFK和UBK，分析绘制出UFK和UBK曲线图，若UFK的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势；当它们超过信度线时，即表示存在明显的上升或下降趋势；若UFK和UBK的交点位于信度线之间，则此点可能就是突变点的开始。

2.2.2 小波分析

小波分析是一种新型信号时频局部化的分析方法，能够提取出径流序列中反映其变化规律的成分[13-14]。本文选用Morlet小波对研究区径流序列进行周期性分析。Morlet基本小波函数形式如式(1):

(1)

将基本小波函数ψ(t)经过伸缩和平移得到一簇函数ψa,b(t)，如式(2):

a,b∈R，a≠0

(2)

式中:ψ(t)为分析小波；a为尺度参数，反映小波的周期；b为时间参数，表示波动在时间上的位移。

将时间域上关于尺度a的所有小波系数的平方进行积分，即得到小波方差。小波方差公式(3)为：

(3)

在一定尺度下表示时间序列中该尺度周期波动的强弱和能量的大小。

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3 结果与分析

3.1 径流年内变化特征分析

将和田河两支流62 a径流序列分别按月进行整理，分析其月平均径流量和比例，结果见表1。

表1 和田河上游1957—2018年月径流分配表

由表1可知：7月喀拉喀什河月径流最大，占全年比例的28.18%，1月月径流最小，占全年比例的1.46%；而玉龙喀什河8月月径流最大，占全年比例的33.37%，2月月径流最小，占全年的0.99%。喀拉喀什河最大月径流出现在6—8月，占全年比例的68.42%，其余9个月占全年比例的31.58%；玉龙喀什河最大月径流也出现在6—8月，占全年的比例高达78.74%，其余9个月仅占全年比例的21.26%。按季节划分，夏季两河分别占全年比例的68.42%、78.74%，冬季最少,仅为3.10%、4.85%。喀拉喀什河月径流滞后于玉龙喀什河一个月，而且两河年内径流分布极不均匀。因此，和田河流域的不均匀径流会导致该流域汛期易涝，枯期易旱。

采用Mann-Kendall趋势检验法分析和田河两支流河年和季节径流变化趋势的显著性见表2。

表2 和田河支流季节径流变化趋势的显著性

由表2可知：喀拉喀什河和玉龙喀什河的春、秋、冬三季径流系列的M-K值大于0.05置信水平阈值1.96，呈显著性增加趋势；玉龙喀什河和喀拉喀什河夏季年径流系列的M-K值介于0.05置信水平阈值±1.96之间，呈非显著性变化趋势。其中,玉龙喀什河夏季年径流表现为微弱上升趋势，喀拉喀什河表现为微弱下降趋势，说明年内径流变化除夏季外，两河季节性径流趋势基本一致。

3.2 径流年际变化特征分析

为探究两河年际变化情况，按10 a时段进行分段分析，以1959—1968年为基准期，分5个时段作为对比期，分析各个时段的年径流较基准期的变化，见表3。

表3 喀拉喀什河和玉龙喀什河不同时段实测年径流对比基准期的变化

由表3可以看出：与基准期相比，1969—1978年和1999—2008年时段喀拉喀什河变化不明显，属于平水期；1979—1988年时段喀拉喀什河变化不明显，1989—1998年时段减少6.92%，进入平水期。1969—1978年和1999—2008年时段玉龙喀什河较基准期无变化；1979—1988年和1989—1998年时段较基准期减少11%～12%，进入枯水期。2009—2018年时段两河径流变化量较基准期增加16.44%～21.11%，进入丰水期。总的来看，喀拉喀什河变化幅度小；21世纪两河径流增大，对该流域水资源合理开发具有积极作用。

为明晰两河径流增大具体时间，需逐年分析径流情况。采用累积距平法绘制两支流62 a累积距平曲线，见图2。

图2 1957—2018年喀拉喀什河和玉龙喀什河年径流序列累积距平曲线

由图2可知，两河1957—1961年累积距平值持续增加，表明该时段距平值持续为正，处于丰水期。1962—1965年时段又开始持续下降，距平值呈减小趋势，处于枯水期。喀拉喀什河在1966—1985年时段经过1～3 a的丰枯交替后，1986—1999年时段基本表现为枯水年，2000—2009年时段经过3个丰枯交替循环后到2010年进入丰水期。1966—1980年时段，喀拉喀什河丰水期和枯水期亦每1～3 a交替进行，呈现了“丰水-枯水-丰水”的现象。1981—2009年时段累积距平值波动频繁，总体呈下降趋势， 2010年过后又开始呈上升趋势，进入丰水期。总之，玉龙喀什河的枯水年略多于丰水年；2010年过后两河持续表现为丰水年，这与较基准期的分析2009—2018年时段分析一致。为明晰其原因，对两河流径流进行突变分析。

3.3 突变分析

应用Mann-Kendall法对喀拉喀什河、玉龙喀什河62 a年径流序列进行突变检验，结果见图3、图4，其中UFk表示顺序统计值，UBk表示逆序统计值。

图3 喀拉喀什河突变检验

图4 玉龙喀什河突变检验

由图3可知：1958—1962年喀拉喀什河表现为上升趋势，之后5 a下降明显；1968—1991年又表现为上升趋势，1992—2005年又表现为下降趋势；2006—2018年上升趋势明显，2018年统计值大于1.96，呈明显增加趋势。由图4可知：玉龙喀什河径流序列在1957—1963年径流表现为上升趋势，1962年达到峰值；1964—2009年变化趋势稳定，除个别年份外，均表现为下降趋势，于2010年发生突变，之后变化频繁。突变点亦发生在60～90年代后期亦呈显著上升趋势。突变点发生在2010年。总体上，玉龙喀什河上升趋势大于喀拉喀什河，且均在2010年发生突变；在2010年后发生突变，突变后表现为持续上升趋势，解释了前两部分时段增加和累积距平表现为丰水年的原因。

对突变点进行线性分析，分别对两站进行突变点前后进行均值分析比较，结果如图5。

图5 和田河支流年径流趋势变化

由图5可知，在两河年径流趋势上升的情况下，2010年后的平均值高于之前约5亿m3。突变年与累积距平持续增长年份相吻合，这与全球气候变暖和近年降水增加有很大关系。

3.4 径流特征周期分析

采用Morlet小波分析法分别对和田河支流62 a径流序列进行周期性分析，得到年径流序列小波变换系数的二维等值线图(如图6所示)和小波分析方差图(如图7所示)。

图6 和田河支流年径流小波分析

图7 和田河支流年径流小波方差

由图6可知：喀拉喀什河在4～5 a左右时间尺度上震荡显著，在所研究的时段中经历了10次“丰-枯”循环交替，且震荡稳定；在25～30 a左右的时间尺度上存在着“丰-枯-丰-枯”的周期变化，且震荡最为显著，预计在2018年后还会有丰水年出现，且丰水年时间5 a左右。玉龙喀什河在4～6 a左右时间尺度上，周期震荡十分显著，存在11个“丰-枯”交替，但交替循环不稳定；在9 a左右的时间尺度上震荡情况略低于5 a，在1980年以前存在“枯-丰-枯-丰” 交替循环，之后到2005年表现为丰水年，预计在2018年以后会表现为丰水年。结合小波分析方差图(图7)可知：喀拉喀什河存在一个峰值为28 a的第一主周期和峰值为5 a的第二主周期；玉龙喀什河存在4 a和9 a的明显峰，即4 a为第一主周期，9 a为第二主周期。

总之，不同时间尺度下的丰枯交替变化情况不同，径流变化以第一周期为主，第二周期为辅。截至2018年，两河均表现为丰水年，径流还会持续增加一段时间，这有利于下游水资源合理开发利用。

4 结 论

(1)基于和田河上游1957—2018年径流序列进行分析，研究表明：年径流量呈微弱增加趋势，在2010年两支流发生突变，呈微若增加趋势。

(2)从年内径流分布来看，两河在夏季径流最多，占全年比例的68.42%～78.74%，冬季最少仅为3.10%～4.85%，最大径流出现在7月、8月，最小径流出现在1、2月且年内分配极不均匀。除夏季外，春、秋、冬三季径流均表现为显著上升趋势。

(3)与基准期1959—1968年相比，喀拉喀什河和玉龙喀什河不同时段变化量较大，1979—1988年两河增减不同，其余时段增减相同，2009—2018年时段两河增加明显，玉龙喀什河变化幅度大。

(4)Morlet小波和M-K突变检验表明：喀拉喀什河以28 a为第一主周期，5 a为第二主周期；玉龙喀什河第一主周期为4 a，第二主周期为9 a；两河均在2018年后继续出现丰水年。2010年出现突变，突变前后两河径流均值相差5亿m3。