郑 刚

（新疆塔里木河流域管理局，新疆库尔勒 841000）

塔里木河是我国最长的内陆河，目前的塔里木河流域，仅包括阿克苏河、和田河、叶尔羌河及塔里木河干流，在人为调节下，孔雀河有部分水量下泄汇入塔里木河[1]。干流阿拉尔断面水量由和田河，阿克苏河，叶尔羌河组成。近一个世纪尤其近几十年来，塔里木河流域自然环境、社会经济发生了显著的变化，生态环境严重恶化，并引发生物多样性受损、土地退化、盐渍化扩张、现代荒漠化、沙漠化进程加剧等一系列生态环境问题，直接威胁流域经济社会的可持续发展和人类的生存安全。

本文对塔里木河干流的阿拉尔断面径流规律展开分析，旨在研究其干流水文规律，以便为后续基于生态保证条件下的塔里木河水资源合理配置及利用奠定基础。

1 年际变化

径流年际变化的总体特征常用变差系数 Cv或年极值比（最大、最小年流量的比值）来表示。Cv反映一个流域径流过程的相对变化程度，Cv值大则表示径流的年际丰枯变化剧烈。由 1958～2010年共 52年的天然资料分析计算得到塔河干流阿拉尔断面的Cv值和年极值比如表1、2所示[2]。

表1 阿拉尔站年径流多年变化特征值

表2 塔河干流设计年径流量 (单位：108m3)

由表 1、2及图1可知，从1958～2010共52年的来水可以看出，阿拉尔站径流量年际变化较大，且呈递减的趋势，年均递减 0.25亿 m3，为均值的0.56%。

2 年内分配

塔里木河干流阿拉尔站径流年内分配不均，汛枯期径流差异较大。如表3可知：阿拉尔站径流主要集中于7～9月份。占年径流量的69.22%。全年范围来看，年内汛枯比值达到了 4:1。年内分配不均匀造成了年内丰水防汛，枯水抗旱的局面，给工农业生产带来了极大的不便[2]。

图1 阿拉尔断面年径流量变化图

图2 阿拉尔断面月平均径流量变化图

表3 阿拉尔断面径流年内分配

3 代际变化

由表4可知，径流的代际变化统计结果呈现有规律的波动变化，从20世纪70年代开始径流总体成下降趋势，且径流量小于多年平均值。

表4 阿拉尔断面径流代际变化

表5 模比系数Kp判别表

4 丰枯变化

《水文情报预报规范》[3]对径流丰枯情况的划分标准规定为，按距平百分率P表示：P＞20%为丰水；10%＜P≤20%为偏丰；-10%＜P≤10%为平水；-20%≤P＜-10%为偏枯；P＜-20%为枯水。实际工作中，在以上范围内，可以计算出相应的模比系数KP值，只要根据已知年径流量计算出KP值，就可以在表5中给出的区间内查找出当年来水量的丰、平、枯程度，塔河干流阿拉尔站各年径流量丰枯状况如表6所示。

从表6可以看出，各年代丰水年、平水年、枯水年交替出现，其中丰水年占 35%（其中特丰年占12%，偏丰年占23%），平水年占29%，枯水年占36%（其中偏枯占13%，特枯占23%）。

表6 1958～2010年来水量的丰枯情况

5 周期性分析

一个水文要素随时间变化的过程多种多样，但总可以把它看成是有限个周期波互相迭加而成。由于影响水文要素变化的因素的复杂，周期不可能象天体运动、潮汐现象所具有规律性的周期，而只是概率意义上的周期，也就是只能理解为某一水文现象出现之后，经过一定的时间间隔，这种现象再次重复出现的可能性较大而已[4～6]。

水文时间序列中的周期项属于确定性成分，是由于受地球绕太阳公转和地球自转的影响而形成的。例如月降水量、径流量等水文特征量序列受这种影响，明显存在以 12个月为基本周期的周期成分；逐时气温及蒸发量等序列中，受日夜不同大气的影响，又存在24小时为周期的周期成分。

时间序列的周期分析方法有很多，在水文变量中的分析提取方法主要的有简单分波法、傅立叶分析法、功率谱分析法、极大熵谱分析法和小波分析法等。本研究主要运用小波分析法对塔里木河干流阿拉尔径流周期进行分析。

5.1 小波分析原理

小波分析的巨大优势在于借助时频局部化功能剖析时间序列内部精细结构。这里采用Morlet[7]小波作为小波母函数进行小波变换,Morlet小波的基本形式为:

10月21日下午，《妈妈宝宝》杂志携手月喜月子会所在上海举办“科学喂养”主题沙龙。婴儿时期生长发育迅速，是人一生中身心健康成长的重要时期，因此，给予婴儿科学喂养至关重要，通过本次活动，现场教授孕妈妈科学喂养的知识和方法，避免婴儿喂养常见的误区，让孕妈妈们大呼受益匪浅。

当c取较大值时，式(1)中第 2项远小于第 1项，省略第2项。其子小波为：

Morlet小波函数是一个经一个Gaussian函数平滑而得到的周期函数，所以，它的伸缩尺度a与傅里叶分析中的周期T有一一对应关系。

将时间域上的所有小波系数的平方积分，即小波方差：

小波方差随尺度a的变化过程称为小波方差图，它反映了波动的能量随尺度的分布，借此可能确定一个时间序列中存在的主要时间尺度，可以用来分析序列变化的主要周期成分。

5.2 小波分析结果

选用Morlet小波，对塔河干流阿拉尔站1958～2010年径流量序列施行小波分解，进行多时间尺度分析。不同时间尺度下的小波系数，可以反映系统在该时间尺度的变化特征：正的小波系数对应于偏多期，负的小波系数对应于偏少期，小波系数为零对应着突变点；小波系数绝对值越大，表明该时间尺度变化越显著。从小波系数等值线图中也可以看出不同尺度下的丰枯位相结构，据此即可判断降水变异点出现的年份。

图3 阿拉尔站年径流量距平小波方差图

小波方差图反映了能量随尺度的分布,可以确定一个时间序列中各种尺度扰动的相对强度,对应峰值处的尺度称为该序列的主要时间尺度,用以反映时间序列的主要周期。 图 3显示了年降水小波方差存在三个峰值。28年、17年和8年。第一峰值对应时间尺度为28年,结合序列长度，28年尺度周期无法验证，故暂采用 17年为径流量变化的第一主周期。

图4 阿拉尔站年径流距平小波变换系数等值线图

图5 阿拉尔站年径流量主周期小波系数变化曲线

图4是 1958～2007年阿拉尔站年径流距平Morlet小波变换系数的实部，可以看出，阿拉尔站年径流变化存在着明显的时间尺度的周期性变化，在 20～38年时间尺度上周期震荡非常显著，年径流量经历了多～少～多3个循环交替；1966年，2001年是震荡核心，径流量较多；1983年也是震荡核心，径流量较少。在 10～20年时间尺度上，径流量也经历了多～少～多～少～多5个循环交替；1982年是震荡核心，径流量较多；1974年和1992年是震荡核心，径流量较少。

图5为年径流量在第一、第二主周期尺度和第三主周期下的小波系数变化曲线。由图5分析可知，在17年尺度周期上则分别经历了3次波峰和两次波谷在8年尺度周期上分别经历了六次波峰和五次波谷。

6 趋势性分析

6.1 德尔(Kendall)秩次相关检验

对年径流序列X1,X2,…,Xn，先确定所有对偶值（Xi，Xj，i＞j）中的Xi＜Xj出现次数di。顺序的（ i， j）子 集 为 ：（ i=1,j=2,3,4…,n），（i=2,j=3,4,5…,n），…，（i=n-1,j=n）。如果按顺序前进的值全部大于前一个值，这是一种上升趋势，di为（n -1）+（n -2）+…+1，总和为1/2n（n -1）。如果序列全部倒过来，则 di=0，即为下降趋势。对于无趋势的序列，di的数学期望E（di）=1/4n（n-1）用下式计算其检验统计量[8]：

原假设该径流序列无趋势，根据年径流序列统计 di后计算出检验统计量 U，给定显著性水平α,在正态分布表中查出临界值Ua/2，当U的绝对值大于其临界值，则趋势显著；反之，则不显著。如检验统计量U大于零，说明序列存在递增趋势；反之，则为递减趋势。

6.2 序列趋势分析

采用坎德尔(Kendall)秩次检验法分析 年径流序列的变化趋势。

表7 年径流序列趋势分析表

年径流序列趋势分析结果如表7所示。计算的年径流序列的检验统计量U为-1.396小于零，所以径流序列存在递减趋势；给定显著水平α=0.05，由正态分布表中查得临界值 Ua/2=1.96大于检验统计量绝对值。因此，径流序列递减趋势不显著。

7 结 语

（1）塔里木河干流不产流，源流的补给维持了塔里木河的存在。自20世纪80年代中期以来，我国西北地区气温呈上升趋势，直接导致冰雪融水增加，径流量增大[9]。结合气温特性，由坎德尔(Kendall)秩次检验法分析知，1958～2010年的52年里，干流阿拉尔断面径流则呈递减趋势，52年减少了25%。

（2）相对来说，塔里木河生态环境是一个相对独立的系统，干流径流量序列呈现出相对一致的周期尺度，存在 17年的周期成分。在整个分析时段中，17年尺度的周期变化表现的非常稳定，具有全域性。径流形成和变化不仅与温度变化密不可分还与降水量有关，塔里木流域降水介于 14～19年的周期变化，温度表现为 13年的周期变化[10]。降水与温度效应的相互影响，加上人类活动的干扰使径流呈现出不同于降水的周期成分。

（3）结合干流突变年份，查阅相关资料，在1973年、1974年和1975年，太阳黑子急剧增加[11]，可能影响塔里木河流域径流量的急剧变化。

[1]李新,周宏飞.人类活动干预后的塔里木河水资源持续利用问题[J].地理研究,1998,17(2):172-177

[2]达朝吉.塔里木河干流水资源合理配置模式研究[D].西安:西安理工大学,2013

[3]蓝永超,沈永平,林纾,等.黄河上游径流丰枯变化特征及其环流背景[J].冰川冻土,2006,28(6):950-955

[4]陈仁升,康尔泗,张济世.小波变换在河西地区水文和气候周期变化分析中的应用[J].地球科学进展,2001,16(3):339-345

[5]王栋,朱元甡.基于 MEM1谱分析的水文时间序列隐含周期特性研究[J].水文,2002,22(2):19-23

[6]李栋梁,张佳丽,全建瑞,等.黄河上游径流量演变特征及成因研究[J].水科学进展,1998,9(1):22-28

[7]Morlet,J.Sampling Theory and wave propagation[Z].proc.51 st Ann.Meeting of the Soc.of Explor.Geophys,Los Angeles,USA.1981

[8]王文圣,丁晶,金菊亮.随机水文学.北京:中国水利水电出版社(第二版),2008:34-35

[9]段建军,王彦国,王晓风,等.1957-2006年塔里木河流域气候变化和人类活动对水资源和生态环境的影响[J].冰川冻土,2009,31(5):781-791

[10]陈亚宁,郝兴明,徐长春.新疆塔里木河流域径流变化趋势分析[J].自然科学进展,2007,17(2):205-210

[11]李雷,李华,黄强等.东江流域径流演变规律研究[J].沈阳农业大学学报,2011,42(6):728-732