精河流域径流变化特征及其对降水变化的响应

董煜 张立山 陈学刚

摘要：利用精河水文站1964年-2012年径流、降雨数据，采用M-K检验、累积曲线模型及交叉小波分析等方法，对艾比湖流域精河的径流、降水的变化特征及多时间尺度相关进行分析，并定量分析了降水变化对径流变化的贡献率。精河年径流量总体上径流呈增长趋势，但趋势不明显；降雨总体上呈增加趋势，且增加趋势明显。精河年径流量与降水量在多时间尺度上存在显著相关关系，且以正相关关系为主，显著相关区域集中在1986年-1991年在2～4 a的周期带、1985年-1990年的7 a周期带、2002年-2011年的 4～5 a周期带。分析认为，近50年来该流域降水变化对径流增加的贡献率平均为68.4%。

关键词：径流；降水；M-K检验；交叉小波分析；精河流域

中图分类号：P332 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0060-05

Abstract：Based on the annual runoff and precipitation data of Jinghe Hydrological Station from 1964 to 2012 in Jinghe River，the paper studied the changing trend and multi-time scale correlation between the annual runoff and precipitation by using the methods of Mann-Kendall test，cross-wavelet test and double mass curve，and the effects of the precipitation change on runoff was also quantitatively analyzed.The results showed that runoff increased insignificantly and precipitation increased significantly，respectively.The multi time scale correlativity was significant between the annual runoff and precipitation in Jinghe River，which was dominated by positive correlation.The significantly correlated regions were the 2～4-year periods during 1986-1991，the 7-year periods during 1985-1990，and the 4～5 year periods during 2002-2011.The result of double mass analysis showed that the increases of runoff in JingheRiver was mainly attributed to precipitation change，and its contribution was 68.4%.

Key words：runoff；precipitation；Mann-Kendall test；cross-wavelet analysis；Jinghe River

河川径流的时空变化直接影响区域社会经济的发展及生态环境安全[1-3]，其受气象条件、下垫面性质、地形地貌以及社会经济活动等多种要素的影响 [4-5]，同时具有确定性变化和随机性变化特性。水资源短缺已成为我国西北干旱地区社会可持续发展和生态环境保护的主要限制因素。已有研究表明，该地区气候由暖干向暖湿化变化的趋势[6-7]，已对区内径流产生了明显的影响[ 8-10]。因此在气候暖湿变化的背景下，有必要研究干旱地区地表径流的变化特征及气候因素对径流的影响程度，这对于干旱地区合理利用水资源、有效改善当地的生态环境、建立先进的现代水资源管理观念、建设合理符合实际的干旱地区流域综合管理体系具有现实意义。

艾比湖作为新疆最大的咸水湖，流入的河流因中上游生产、灌溉而大量引水，除博尔塔拉河、精河存在入湖径流外，其他入湖河流如奎屯河、四棵树河、古尔图河等已断流 [11]。入湖水量减少，导致湖面积萎缩，湖西北部的湖底干枯，使得盐尘影响到整个艾比湖流域生态安全，对流域农牧业、工业生产及人体健康造成危害[12]。近年针对艾比湖流域入湖径流开展众多研究，主要涉及博尔塔拉河、精河径流与气温、降雨关系、年径流变化等问题[13-19]。但对于精河月径流的变化特征趋势及是否存在突变变化、径流对降水的定量响应研究相对较少。本文采用累积距平、M-K趋势检验、交叉小波分析等方法，对径流与降雨在年际多时间尺度以及径流对降水变化的水文响应进行分析研究。

1 研究区域及资料来源

精河起源于天山山脉婆罗科努山北麓，由南向北流入艾比湖[17]，整个流域位于精河县境内[20]，流域面积2 150 km²，河流全长114 km，多年平均年径流量4.75×10⁸m³，流域范围介于东经81°46′-83°51′E、北纬44°02′-45°10′N。乌图精河与冬都精河是精河的主要支流，流域地形由南向北部倾斜，主要由山地、洪积地貌、冲积-湖积地貌构成，精河县农业生产区主要位于冲积-湖积平原（图1）。该流域位于中纬度地带，属于温带干旱荒漠类型的大陆性气候，春季气温回升快且不稳定，多低温降雪天气，秋季降温迅速。大风天气多出现在春秋两季，给工农业生产、社会生活带来诸多影响。

研究数据来源于精河水文站1964年-2012年的逐月径流实测数据及降水量逐月实测数据（精河水文站位于44°22′N，82°55′E，海拔为619.2 m）。

2 研究方法

Mann-Kendal是一种非参数统计检验方法，亦称无分布检验，主要特点是不需要样本遵从一定的分布，不受少数异常值的干扰，计算简单、检测范围宽、定量化程度高，是突变检测方法中常用的方法，具体计算过程见文献[21]。利用在Mann-Kendall进行单调趋势检验时，统计量Zc为正值时，表示研究序列呈增加趋势，Zc为负值时表示研究序列呈减少趋势。

运用Morlet小波变化研究精河径流与降雨的多时间尺度的变化特征，小波能量谱定义为

交叉小波分析由交叉谱分析与小波变换两种方法结合而产生的一种在时频域中分析两个信号相关性的分析方法[24]，通过降雨和径流序列的小波系数相乘计算交叉小波谱，可以将降雨和径流的相关性关系在不同的时间尺度上显示出来[25]。

运用交叉小波变换谱分析，进一步从多时间尺度的角度研究径流与降雨在时频域中的相关性，并运用置信水平为95%的红噪声总体谱进行显著性检验。

流域降水与径流变化是否一致可以通过径流-降水双累积曲线直观表示，双累积曲线呈现为直线，表示降水与径流变化存在一致性，如果直线发生偏移，则表示研究流域的降水径流特征发生了变化[26]。

3 结果分析

3.1 精河径流量与降水量的趋势分析

精河年均径流量（图2）为4.75×10⁸m³，最大径流量出现在1988年，为6.01×10⁸m³，最小径流值出现在1992年，为3.68×10⁸m³，绝对变化幅度为2.33×10⁸m³。1964年至2012年间，年径流量呈波动变化，但总体上呈增加趋势，年径流增加率为0.176 m³/（s·10a）。流域内降水量呈波动增加趋势，平均每年增加0.990 8 mm。多年平均降雨量为150.4 mm，最大降水量出现在2003年（249.8 mm），最小值出现在2008年（98.8 mm），绝对变化幅度为151 mm。通过图2的降雨量及径流量线性趋势变化分析，精河径流量的变化与降水量的变化趋势大致相符。

根据M-K趋势分析，年径流量的检验统计量Zc =0.844 74Z0.05=1.96，增加趋势明显。

在图3中，精河9月份径流量检验统计量大于0.05水平下的显著性检验，这表明在1964年至2012年49年序列中9月份径流变化呈显著增加趋势。同理，11月份径流变化与9月相同。2月、7月、8月的径流量的Zc值处于于0与-1.96之间，表示这三个月径流量虽然呈减少趋势，但趋势变化不显著。而其他月份的检验统计量值介于0与1.96之间，表明径流量呈现增加趋势但不显著。对于降水量，2月份降雨在49年序列中表现为显著增加，其他月份在49年序列没有显著变化。

3.2 精河径流及降雨的多尺度相关分析

3.2.1 径流量与降水量年内分配特征

从精河域径流的年内分配特征来看（图4），径流主要集中在夏季的6、7、8三个月，占到年径流量的63%；在1至5月、9至12月的径流较少，最大月径流量为7月。

精河流域降水的年内分配特征显示，降水主要集中在4月-8月，5个月的降水占到年降水量的69%，1月-3月、9月-12月的降水量较少，与精河最大径流量月相比，两者的月分配特征变化存在差异，月降水变化最大值比径流的变化提前。

3.2.2 径流量与降水量多尺度特征

应用交叉小波对精河径流与降水的变化特征及二者不同时间尺度相关关系进行分析，进一步加深对精河的水文特征了解。

对精河流域径流、降水采用Morlet小波函数进行小波变换，得到年径流及降水的连续小波谱，见图5。图中深色区为95%置信区，表示功率谱与置信水平为95%的红噪声标准谱的比值大于1。

从图5中可以看出，在95%的置信度下：年均径流量存在3个显著周期，分别为1～5 a左右（1964年-1973年）、1～6 a左右（2001年-2012年）和1～7 a左右（1982年-1996年）的周期；降雨只存在1～7 a左右的显著周期（1977年-2012年）。径流与降雨在时频域中都存在着显著的、不同尺度的周期。径流在1～6 a及1～7 a尺度的周期显著性最高，周期尺度范围较大。降水的显著周期与径流存在一定的差异，通过置信度95%的显著性的区域，降水周期较径流周期长，但两者高能量区表现出比较好的一致性，且降雨周期尺度涵盖了径流的大部分尺度的周期，在小波分析中高能量谱的范围基本包含了径流和降水的高能量区，说明流域径流变化对降水变化具有积极的响应。

图6中，用实线和虚线分别表示正、负相关关系，点划线表示正相关与负相关关系界线，反映精河年径流量与降水量之间在不同时间尺度下相关性关系。深色区域表示小波功率谱与置信水平为95%的红噪声总体谱的比值大于1，表示径流与降雨呈显著性相关关系。

从交叉小波谱看，1964年-2012年精河年降水量与径流量在不同时间尺度上以正相关关系为主。

3.3 精河降雨变化对径流的影响分析

图7显示，自1980年开始，精河径流-降水双累积曲线发生偏移。可以将曲线发生偏移前的时间设定为基准期，表示精河径流受自然因素影响，为天然径流量。确定基准期为1964年至1980年，并根据累积曲线对精河径流划分不同时段。

依据基准期年降水和年径流资料，建立基准期内的径流序列R和降水序列P的相关方程，其方程为：R=0.9152P +178.43，r=0.962。

由年降水量与年径流量的相关方程，计算得出精河不同时段的径流量，可近似代表天然径流量。用基准期实测径流数据与不同时段的天然径流量的差值，为此时段降水变化对径流变化的影响值；基准期实测值与各时段实测值的差值减去降水变化的影响值即为其他因素对径流变化的影响值。分析表1可以看出，降水是径流变化的主要影响因素，影响率平均大于68%，这与相关研究成果一致[17，20]。因为数据来源的水文站为山口水文站，其上游受人类影响相对绿洲带要较小。其他影响因素可能是温度、冰川积雪、地表覆被、蒸发量等原因。

4 结语

（1）精河年径流量呈增长趋势，但趋势不明显；年降水量总体上呈增加趋势，且增加趋势明显。在1964年至2012年49年中，径流在9月、11月，降雨在2月呈现增加趋势，径流降雨在其余月份未有显著增加或减少变化。

（2）精河年径流量与降水量在多时间尺度存在显著相关关系，并以正相关为主，显著相关区域主要集中在1986年-1991年在2～4 a的周期带、1985年-1990年的7 a周期带、2002年-2011年的4～5 a周期带。

（3）通过运用降水-径流双累积曲线分析了降水对径流变化的影响率，说明49年来，精河降水是导致精河径流发生变化的主要因素，对径流影响的贡献率平均为68.4%。

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