疏勒河流域径流量和输沙量变化规律

魏 霞, 杨正华, 张振鹏, 路志强, 孙 超, 王 强, 牟 极, 马春霞

(1.兰州大学 资源环境学院, 兰州 730000; 2.甘肃省水利厅 水土保持中心, 兰州 730020; 3.甘肃省水文站, 兰州 730000)

径流和输沙是一种重要的水文现象,径流量和输沙量变化是全球共同关注的问题[1]。作为重要地表水资源的径流量是制约西北干旱地区可持续发展的主要瓶颈[2-4]。输沙量客观反映流域水土流失强度变化的重要指标[5],是河流健康和水环境影响的重要因素[6]。径流量和输沙量主要受流域气候条件、下垫面类型和人类活动强度等因素影响[5,7]。近年来,在全球变暖和高强度人类活动影响的大背景下,流域水文气象和下垫面条件发生了剧烈变化,致使一些河流的径流量和输沙量大幅减少,尤其是黄河流域的输沙量从20世纪每年16亿t锐减至21世纪的每年2.5亿t左右[6-8]。但内陆河流域水系的径流量和输沙量变化趋势却不相同,比如,石羊河年径流总体呈明显下降趋势,黑河呈略有增加趋势[9]。疏勒河位于祁连山西段,是河西走廊第二大内陆河水系[10-11],在我国西部生态安全和经济发展中有着十分重要的战略地位[2,12]。然而,目前,有关疏勒河的研究主要集中在上游出山径流的变化及其对气候变化的影响方面[13-16],对疏勒河流域径流量和输沙量变化规律的系统研究较少涉及。鉴于此,本文分析疏勒河流域径流输沙变化的趋势性、突变性和周期性等规律,研究对区域生态环境修复治理、西部生态安全战略实施具有重要意义。

1 研究区概况

疏勒河流域位于祁连山西段,位于东经96°15′—98°30′E,北纬39°40′—41°00′N,东起白杨河,西止于党河,是河西走廊三大内陆河流域之一,干流全长945 km,流域面积4.13万km2,党河是其最大的支流[5]。流域属典型大陆性荒漠型气候,四季多风,冬季寒冷,昼夜温差大,是我国极度干旱的地区之一。年均降水量为40.2～57.5 mm,主要集中在6—9月[17],年均蒸发量为2 577.4～2 653.2 mm,年均气温为6.9～8.8℃[18]。植被覆盖差,以戈壁和裸岩石质地为主,生态环境十分脆弱。流域内有世界文化遗产——莫高窟、月牙泉、阳关和玉门关等,是我国“一带一路”生态文明建设实施的重要节点区域[18]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

根据收集到的径流泥沙资料,本研究选取疏勒河干流的昌马堡站、潘家庄站,党河的党城湾站等3个水文站的实测径流泥沙资料进行分析。表1为所选水文站详细信息。

表1 疏勒河流域代表水文站特征值Table 1 Hydrological Characteristic Values of Representative Stations in Shule River Basin

2.2 研究方法

采用线性趋势分析和5 a滑动平均方法,分析年径流和年输沙年际变化趋势并检验其显著性水平,具体方法描述见文献[1,19];采用Mann-Kendall(M-K)非参数突变检验分析法确定年径流量和年输沙量存在的突变点,具体计算方法详见参考文献[1,20-21];采用小波分析法研究径流输沙周期变化特征,具体计算方法详见参考文献[22-23]。

3 结果与分析

3.1 径流量和输沙量趋势分析

图1和图2分别为所选疏勒河流域3个代表性水文站实测年径流量和年输沙量线性趋势和滑动平均变化图。由图1A可知,1956—2016年昌马堡站的实测年径流量呈明显增大趋势(p<0.001)。从5 a滑动曲线可知,1972—1997年昌马堡年径流量偏小,年平均径流量为8.78×108m3,1998年后的径流量明显增加,1998—2016年的年平均径流量为13.03×108m3,相比1972—1997年增加了48.4%。由图1B可知,潘家庄1956—2016年的实测径流量呈现上升趋势,且通过了0.05显著性检验。从5 a滑动曲线可知1972—1976年、1983—1998年的径流量偏小,平均径流量分别为2.18×108m3,2.13×108m3,2002年后的径流量明显增加,2002年以后的年径流量为3.54×108m3,相比1972—1976年、1983—1998年分别增加了62.4%和66.2%。由图1C可知,党城湾1966—2016年实测径流量呈现上升趋势,且通过了0.001显著性检验。从5 a滑动曲线可知,1971—1976年和1997—2016年的径流量偏小,年径流量分别为3.06×108m3,3.74×108m3,1981—1994年径流量偏大,年平均径流量分别为3.88×108m3,相比1971—1976年、1997—2016年分别增加了26.8%和3.7%。

图1 疏勒河流域代表水文站径流量线性趋势和滑动平均

图2 疏勒河流域代表水文站输沙量线性趋势和滑动平均

由图2A可知,昌马堡1956—2016年的实测年输沙量呈现上升趋势(p<0.05)。从5 a的滑动平均可知,昌马堡的年输沙量在1973—1976年、1982—1994年、2008—2015年偏小,年均输沙量分别为187.2万t,235.1万t,335.6万t,1995—2007年的输沙量明显增加,年均输沙量为492.8万t,相比1973—1976年、1982—1994年、2008—2015年分别增加了163.2%,109.6%,46.8%。由图2B可知,潘家庄1959—2016年的实测年输沙量呈现上升趋势,但是上升趋势不明显,从5 a的滑动平均可知、1972—1976年、1982—1994年、2009—2016年的年输沙量偏小,年输沙量分别为132.14万t,123.71万t,221.75万t,1995—2007年输沙量增加,年输沙量333.92万t,相对于1972—1976年、1982—1994年、2009—2016年增加了152.7%,169.9%,50.6%。由图2C可知,党城湾1972—2016年实测输沙量呈现上升趋势,但上升趋势不明显。从5 a滑动曲线可知1982—1994年、2001—2005年、2011—2016年的输沙量偏小,分别为58.82万t,68.7万t,1996—2000年、2006—2010年的年输沙量较大,分别为93.38万t,124.54万t。

综上可知,疏勒河流域3个代表水文站的径流量都呈现显著的增加趋势,昌马堡站、潘家庄站和党城湾站的径流量分别通过了0.001,0.05,0.001的显著性检验。疏勒河流域3个代表水文站的输沙量都呈现增加趋势,但仅有昌马堡站的输沙量递增趋势通过了0.05显著性水平检验,其余两站的递增趋势均不显著。此外,由图1A和1B的纵坐标可知,疏勒河干流从上游到下游径流量和输沙量均呈现逐渐减小的趋势。

3.2 径流量和输沙量突变分析

图3和图4为3个水文站年径流量和年输沙量的Mann-Kendall(MK)统计量序列图。由图3A可知,昌马堡站年径流量M-K值的UF曲线呈波动递增趋势,1998年后呈现显著直线增大趋势,且这种趋势在2001年以后超过0.05显著水平临界线,此外,根据曲线UF和UB交点可知昌马堡站年径流量突变发生在1999年。

图3 疏勒河流域代表水文站年径流量Mann-Kendall统计值

图4 疏勒河流域代表水文站年输沙量Mann-Kendall统计值

由图3B可知,潘家庄站年径流量M-K值的UF曲线在1956—1997年呈波动递减趋势,且1975年超过0.05显著水平临界线。1998年后呈明显递增趋势,且在1998—2006年递增趋势超过0.05显著性水平临界线;由曲线UF和UB交点可知,潘家庄站年径流量在2016年发生突变。由图3C可知,党城湾站年径流量M-K值的UF曲线在1968年后呈递减趋势,这种趋势在1984年后超过0.05显著水平临界线;由曲线UF和UB交点可知,党城湾站年径流量在1981年发生突变。

由图4A可知,昌马堡站输沙量M-K值的UF曲线呈波动上升趋势,且这种趋势在2010—2012年超过0.05显著水平临界线,根据UF和UB交点可知,昌马堡站输沙量突变发生在1998年。由图4B可知,潘家庄站年输沙量M-K值的UF曲线在1959—1962年呈显著下降趋势,年输沙量递减,1962年后呈波动式递增趋势,表明潘家庄年输沙量呈上升趋势,但这种趋势仅在2010—2012年超过0.05显著水平临界线,由曲线UF和UB交点可知,潘家庄站年输沙量突变发生在1998年。由图4C可知,党城湾站年输沙量M-K值的UF曲线在1972—1975年呈递减趋势,这种趋势在1973—1975年超过0.05显著水平临界线。1975—2016年呈现递增趋势,但仅在1976年超过0.05显著水平临界线。由于曲线UF和UB无交点,故党城湾站年输沙量无突变发生。

综上可知,疏勒河流域3个代表站的年径流量均发生突变,昌马堡站、潘家庄站和党城湾站的径流量发生突变的年份分别为1999年,2016年,1981年,疏勒河干流昌马堡站和潘家庄站的输沙量在1998年发生突变,但是支流党河党城湾站的输沙量未发生突变。突变的发生与流域的气象因素(降雨和温度)和下垫面人类活动(水库水电站的修建、引水工程、河道采砂等)有关,但是由于未收集到流域内水土保持措施的逐年实施资料,故无法深入分析突变发生主要影响因素,但此研究可为该流域的径流输沙变化规律的归因分析提供重要参考。

3.3 径流量和输沙量周期分析

通过对3个代表性水文站径流量和输沙量小波系数实部等值线分析可得:昌马堡站径流量存在50～60 a,25～35 a,10～15 a,5～10 a,0～5 a共5类时间尺度的周期变化。径流在50～60 a尺度上经历了由正相位变负相位的循环变化,在25～35 a尺度上经历了5次振荡,在10～15 a,5～10 a,0～5 a的尺度上频繁变化,且具有全局性特征。昌马堡年径流量的主周期为58 a,31 a,14 a,9 a和5 a,其中,58 a主周期的小波方差最大,说明径流在58 a时间尺度上周期性最显著,58 a时间尺度上的年径流变化周期为38 a。潘家庄站径流量存在55～65 a,30～40 a,10～15 a共3类时间尺度的周期变化。55～65 a尺度经历了由正相位变负相位的循环变化,在30～40 a尺度经历了5次振荡,在10～15 a尺度具有全局性特征。潘家庄站径流量的主周期为59 a,32 a和14 a,其中,59 a主周期的小波方差最大,说明潘家庄站年径流在59 a时间尺度上周期性最显著,59 a时间尺度上的年径流变化周期为38 a。党城湾实测年径流量变化存在50～60 a,35～50 a,0～8 a共3类时间尺度的周期变化,党城湾径流量的主周期为55 a,42 a和5 a,其中,55 a主周期的小波方差最大,说明党城湾径流在55 a时间尺度上周期性最显著,但55 a超出了研究时域50 a,故42 a主周期控制着党河径流变化,42 a时间尺度上的年径流变化周期为26 a。

输沙量周期特征与径流量周期特征基本一致,存在40～55 a,20～25 a,10～15 a,5～10 a,0～5 a共5类时间尺度的周期变化。10～15 a和0～5 a两个时间尺度具有全局性。输沙量主周期为48 a,23 a,14 a,7 a和5 a,其中,48 a主周期小波方差最大,说明输沙量在48 a时间尺度上周期性最显著,48 a时间尺度上的年输沙量变化周期为32 a。输沙量周期变化与径流量较为一致,存在30～50 a,10～20 a,0～10 a等3类尺度周期变化,其中30～50 a和10～20 a经历了5次振荡,在0～10 a尺度具有全局特征。潘家庄站输沙量的主周期为37 a,14 a,8 a和5 a,其中,37 a主周期的小波方差最大,说明37 a时间尺度上周期性最显著,37 a时间尺度上的年输沙量变化周期为24 a。党城湾实测输沙量变化存在10～20 a,5～10 a的两类尺度的周期变化,党城湾输沙量的主周期为16 a和8 a,其中,16 a主周期的小波方差最大,说明党城湾径流在16 a时间尺度上的周期性最显著,16 a时间尺度上的年输沙量变化周期为10 a。

综上可知,疏勒河流域3个代表站昌马堡站、潘家庄站和党城湾站的径流量和输沙量都呈现出多时间尺度的演化特征,昌马堡站的径流量变化主周期分别为58 a,31 a,14 a,9 a和5 a,第一主周期58 a时间尺度上的年径流变化周期为38 a,输沙量主周期为48 a,23 a,14 a,7 a和5 a,第一主周期48 a时间尺度上的年输沙量变化周期为32 a;潘家庄站流量变化的主周期为59 a,32 a和14 a的周期性,第一主周期59 a时间尺度上的年径流变化周期为38 a,输沙量主周期为37 a,14 a,8 a和5 a,第一主周期37 a时间尺度上的年输沙量变化周期为24 a;党城湾径流量的主周期为42 a和5 a,42 a主周期时间尺度上的年径流变化周期为26 a,输沙量主周期为16 a和8 a,16 a时间尺度上的年输沙量变化周期为10 a。

4 讨 论

本研究对疏勒河干流和主要支流党河的3个水文站长时间序列的实测年径流量和年输沙量变化规律特征进行了分析,结果表明年径流量和年输沙量都呈现增加趋势,这主要是因为全球变暖,冰川积雪消融的缘故,因为疏勒河的径流补给一部分来自降雨,一部分来自冰川积雪的消融,研究结果与李培都[9]的研究结果一致,均认为疏勒河的径流量存在增加趋势,但有关疏勒河的输沙研究较少,严宇红的研究也认为疏勒河的输沙存在递增趋势[6]。

研究表明昌马堡站、潘家庄站和党城湾站实测年径流量突变的分别发生于1999年、2016年和1982年,昌马堡站和潘家庄站的输沙量突变均发生于1998年,党城湾的输沙没有突变。已有关于疏勒河径流泥沙突变的研究有,孙美萍等认为昌马堡站径流量在1999年发生突变[2],郭小琴等认为党城湾站径流量1977年发生突变[24],孙栋元等认为昌马堡站和潘家庄站年流量分别于1998年、2012年突变[10],李培都等认为昌马堡站、潘家庄站和党城湾站径流量分别于2004年、2010年、1983年发生突变[9],严宇红等[6]认为昌马堡站、潘家庄站、党城湾站输沙量突变都发生于1998年。本研究结果与已有研究结果存在出入的主要原因是所采用的实测径流输沙资料系列长度不同所致,比如严宇红采用的实测资料系列是建站至2012年,李培都等[10]采用的实测资料系列是1972—2011年,孙美萍等[2]采用的是1954—2016等。

疏勒河流域昌马堡年径流量的主周期为58 a,31 a,14 a,9 a和5 a,潘家庄站径流量存在59 a,32 a,14 a的周期性,党城湾径流量存在42 a,5 a的周期性。昌马堡年输沙量主周期为48 a,23 a,14 a,7 a和5 a,潘家庄站输沙量存在37 a,14 a,8 a和5 a的周期性,党城湾输沙量存在16 a,8 a的周期性。这个结果与李培都等[9]对疏勒河流域径流周期变化的研究所得结论基本一致。存在出入的主要原因还是采用时间系列不同,李培都等采用的实测资料系列是1972—2011年。

5 结 论

(1) 3个水文站的径流量和输沙量均存在增大的趋势,且径流量增大的趋势均大于相应站的输沙量增加趋势,昌马堡站、潘家庄站和党城湾站的径流量增加趋势分别通过了0.001,0.05,0.001的显著性检验。仅有昌马堡站的输沙量递增趋势通过了0.05显著性水平检验,其余两站的递增趋势均不显著。

(2) 除支流党河党城湾站的输沙量未发生突变以外,3个水文站的径流量和输沙量均有突变发生,昌马堡站、潘家庄站和党城湾站径流分别在1999年、2016年和1982年发生突变,昌马堡站和潘家庄站的输沙量突变均发生于1998年;同一水文站输沙量的突变的发生滞后于径流量的突变。

(3) 疏勒河流域3个代表站昌马堡站、潘家庄站和党城湾站的径流量和输沙量都呈现出多时间尺度的演化特征,昌马堡径流量主周期为58 a,31 a,14 a,9 a和5 a,潘家庄径流量的主周期为59 a,32 a,14 a的周期性,党城湾径流主周期为42 a和5 a。昌马堡输沙量主周期为48 a,23 a,14 a,7 a和5 a,潘家庄输沙量主周期为37 a,14 a,8 a和5 a,党城湾输沙量主周期为16 a和8 a。