塔里木河“三源一干”近60年径流演变规律分析

2019-08-01

水资源开发与管理 2019年7期

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆库尔勒 841000)

河川径流是保障人类生产、生活和维持生态平衡的基础性资源[1]。河川径流的变化直接影响着流域水资源的开发利用，进而影响国民经济与生态环境的协调发展[2]。因此，研究径流演变规律可为流域水资源规划利用及生态保护提供重要参考价值。

新疆塔里木河流域地处内陆干旱区，“荒漠绿洲，灌溉农业”是其显著特点。本文以塔里木河“三源一干”1960—2015年60余年的河川径流资料为基础，运用Mann-Kendall法、累积距平法、线性回归法等方法，分析了径流变化特征，变化的阶段性、趋势性及突变年份，以期对流域水资源的综合利用提供数据支撑和决策依据。

1 研究区概况

塔里木河流域地处新疆南疆，位于天山山脉与昆仑山、喀喇昆仑山山脉之间，流域总面积约102万km2，是中国最大的内陆河流域，流域水系见图1。流域内降水稀少、蒸发强烈，自然生态环境极为脆弱。历史上，塔里木河流域九大水系均有水汇入塔里木河干流，但受人类活动与气候变化影响，目前仅有阿克苏河、叶尔羌河与和田河常年有地表水汇入塔里木河干流。故本文分别选取阿克苏河协合拉水文站、叶尔羌河卡群水文站、和田河同古孜洛克水文站为代表分析塔里木河三源流径流变化特征，以塔里木河干流阿拉尔水文站为代表分析干流径流变化特征。

图1 塔里木河流域水系示意图

2 研究方法

2.1 年际趋势分析

河川径流年际趋势分析采用线性回归法，年际变化率即为趋势线斜率。公式如下[3]：

(1)

式中：θ为趋势斜率；n为估算年数；Ri为第i年的径流量；θ>0为径流量呈现增加趋势；θ<0为径流量呈现减少趋势。

2.2 距平累积法

年径流距平累积值可反映径流的阶段变化特征，计算公式如下[4]：

(2)

2.3 Mann-Kendall趋势检验

Mann-Kendall法是学术界广泛使用的时间序列趋势非参数检验法，假设某时间序列数据，利用Mann-Kendall法可计算得到两组数据序列UFk和UBk。若UFk大于0，表明数据序列呈增加趋势；反之则表明呈下降趋势；当其超过显著性水平线时，表明上升或下降趋势显著。如果UFk和UBk序列数据出现交点，且交点位于显著性水平线之间，则此点为突变点[5-6]。

3 结果与分析

3.1 径流年际变化特征

对流域内4个代表水文站1960—2015年的日径流数据进行整理分析，变差系数和极值比反映的是径流相对变化程度，这两个特征值大表示径流年际变化剧烈,径流资源的利用难度较大，需加强水利调节。反之，则表示径流年际变化较为平缓,利于水资源的开发利用。变差系数和极值比的大小主要取决于径流补给来源及流域调蓄能力。由表1可以看出，塔里木河干流径流年际变化剧烈，这对径流的开发利用产生了不利影响。

表1 塔里木河“三源一干”年径流统计特征值

三源流出山口及干流径流年际变化趋势见图2，三源流出山口径流量均有增加趋势，其中：阿克苏河增加趋势显著，线性倾斜率为0.39亿m3/年；叶尔羌河线性倾斜率为0.19亿m3/年，但趋势并不显著；和田河径流增长趋势不显著，为0.04亿m3/年；塔里木河干流来水量呈下降趋势，线性倾斜率为-0.12亿m3/年。根据地理条件，不论是山区还是山前平原区，降雨增加都将会引起径流增加，而温度对径流的影响，在山区和山前平原区是不同的。温度的增加会加速冰川融雪进程，增加出山口径流量，而在山前平原区，温度的增加则会造成蒸发的增大，从而减少径流。在过去的60余年，流域温度和降雨呈增加趋势，山区出山口径流也在增加。而在山前平原区，尽管过去60余年降雨有所增加，但径流还是呈减少趋势。

图2 塔里木河“三源一干”年径流量变化及趋势

由表2可以看出，阿克苏河出山口径流量在20世纪70年代经历一次降幅之后开始增长，特别是在20世纪90年代增长显著，进入21世纪后有所下降；而叶尔羌河和和田河出山口径流量在20世纪80年代出现降幅后一直保持增加趋势；塔里木河干流来水量基本保持下降趋势，到2010年后又大幅增加。

表2 塔里木河“三源一干”不同年代平均径流量

3.2 径流年内变异特征

塔里木河“三源一干”多年各月平均径流分布见图3，径流主要集中在6—9月，且在8月达到最大值，径流年内分布相对集中，从表3也可看出，阿克苏河和叶尔羌河的夏季径流分别占全年径流量的68.49%、68.27%，和田河夏季径流量占年径流量的78.73%，塔里木河干流夏季径流量占年径流量的63.89%；其次是秋季，约占全年径流量的12%～19%，春季和冬季最少，共占全年径流量的10%～17%。

图3 “三源一干”多年各月平均径流

表3 塔里木河“三源一干”径流年内分配

由表4可知，三源流冬季出山口径流各年代变化趋势与山区冬季各年代降雨变化趋势相一致，这是因为冬季出山口径流主要受降雨的影响；源区夏季和秋季出山口径流在20世纪80年代有所下降，这是由于该时期山区夏季和秋季的气温下降，从而导致降雨和融雪量下降，20世纪90年代流域增温增湿显著，源区各季节径流均有所增加，夏季和秋季增加显著；21世纪初，春季气温相对于20世纪90年代上升1.5℃，降雨下降39%，而源区春季径流相对于20世纪90年代仍有所增加，表明由于气温的显著上升，融雪量显著增加从而导致径流增加；而在夏季和秋季，气温和降雨均相对于20世纪90年代有所增加，而阿克苏河出山口径流却有所减少，表明阿克苏河流域积雪覆盖率下降，尽管气温上升，但融雪量减少；2010年以后，山区气温相对于21世纪初有所下降，而径流却大幅度增加，表明降雨的增加占主导作用。

由于阿克苏河是塔里木河干流来水的主要补给来源，占塔里木河干流径流量的73.2%，和田河占23.2%，叶尔羌河仅占3.6%，因此干流来水主要受到阿克苏河来水的影响。塔里木河干流春季径流随年代变化不断增加，这是源区春季来水增加和山前平原区春季降雨增加的共同结果；尽管源区夏季、秋季和冬季来水增加，山前平原区降雨也有所增加，但干流径流却一直在减少，表明主要受到人类活动的影响，且人类活动的影响程度不断增加。在2010年后，塔里木河干流来水显著增加，主要是因为受气候变化影响，源区出山口径流和山前平原区降雨均显著增加，气候变化对干流径流的影响占主要作用。

表4 三源流和干流各年代径流年内分配

3.3 径流突变分析

塔里木河“三源一干”径流累积距平见图4，可以看出，各源流和干流的径流量累积距平大致呈V形分布，其中1993年为V形的拐点，1993年之前属于枯水期，1993年之后，三源流均进入丰水期，径流量增大，而干流径流呈现丰枯频繁交替的现象。到2006年以后流域又进入枯水期，直到2009年又进入丰水期。

图4 塔里木河“三源一干”径流累积距平

由于单一的突变检测方法存在突变点缺失或误测可能，因此采用多种突变检测方法相互印证，找到最准确的突变点。采用Mann-Kendall突变检验法、有序聚类分析、Pettit突变点检验以及滑动t检验法[7]对塔里木河“三源一干”年径流序列进行突变分析，结果见表5。通过不同突变检验方法对比分析，表明塔里木河三源流均在1993年发生突变，和田河在2009年亦发生突变；塔里木河干流发生3次突变，分别为1972年、1993年和2009年。