新疆滾滾鐵里克河1960年～2019年徑流量分析

徐敬東

（阿克蘇水文勘測局,新疆 阿克蘇 843000）

1 引言

水資源與所有生物的基本生存息息相關,影響著生態文明的可持續發展[1-2]。河川徑流是人們生活用水和社會工業用水的主要來源,是制約當地經濟社會可持續發展的重要因素[3-4]。徑流變化規律已成為現代水科學領域的熱點問題之一,是實現流域水資源綜合管理和可持續發展的重要基礎工作[5-6]。

滾滾鐵里克河平時干旱無水,氣溫升高導致的融冰、融雪徑流大多入滲補給地下水,與夏季強降雨混合可能導致山洪爆發,目前尚未被開發利用,無系列水文資料。因此本文選取卡拉蘇站的月平均徑流資料,對滾滾鐵里克河徑流變化特征進行研究。運用等值線圖法、同氣候帶流域平均高程與徑流深關系、地區綜合年徑流量模比系數法,推算滾滾鐵里克河年徑流量。

2 研究區概況

滾滾鐵里克河,又名古古提力克河、固古提尼克河,位于烏什縣境內、科克留木蘇河東側,發源于天山南脈南麓,為托什干河左岸支流,山口以上河長31 km,流域集水面積342 km2。地形東北高西南低,由東北向西南傾斜,山高谷深,山勢陡峭,高差達3500 m以上,屬典型的大陸性氣候,多年平均氣溫9.1℃,多年平均降水量104.8 mm。徑流主要來自于冰雪融水和暴雨及泉水補給。

3 數據來源與研究方法

3.1 數據來源

3.1.1 水文站網

根據水文產、匯流成因相似,地域相近,氣候條件一致,下墊面相近的原則,本次擬選用阿俄、克爾古提、拜城和卡拉蘇水文站的水文資料資料做參證,這些水文站的產、匯流條件基本滿足,其流域面積、流域形狀、下墊面情況也與工程所屬的流域相近。觀測項目包括水位、流量、降水、蒸發、氣溫、水質等,資料系列長度為33年以上連續系列,可以滿足設計需要。

3.1.2 水文資料

多年平均年徑流深、徑流系數、徑流離差系數、降水量、水面蒸發量等值線圖,包括多年平均懸移質含沙量分布圖及侵蝕模數分區圖等來源于阿克蘇水文水資源勘測局已編制的阿克蘇河流域地表水資源評價成果及新疆水文總站。

3.2 研究方法

本文從徑流年際變化的趨勢性、突變性和徑流年內分布的不均勻性、集中程度及變化幅度等方面研究卡拉蘇水文站的徑流變化特征。采用等值線圖法、同氣候帶流域平均高程與徑流深關系及地區綜合年徑流量模比系數法計算滾滾鐵里克河多年平均年徑流量。

（1）年際變化趨勢性研究：M-K趨勢檢驗法[5-6]。

（2）年際變化突變性研究：M-K突變檢驗法[7]。

（3）年內分配特征研究：不均勻系數、集中期和集中度[8]、極值比[9]。

各研究方法的原理參考標注文獻,在此不再贅述。研究區季節和水文期劃分：春季為3月～5月、夏季為6月～8月、秋季為9月～11月、冬季為12月～次年2月；1月～3月為非汛期（汛前）、5月～9月為汛期、10月～12月為非汛期（汛后）。

3.3 選定參證站

表1為參證站模比系數匯總表,從表中可以看出以降水產流為主的卡浪溝呂克水文站2018年～2020年3年年徑流量普遍比多年平均值偏小,以冰川和永久性積雪為產流為主的拜城水文站（臺勒維丘克河）2018年～2020年三年年徑流量普遍比多年平均值偏大。產流（降水產流、冰雪產流）相近的卡拉蘇水文站、克爾古提水文站,其2018年～2020年年徑流分布型式與滾滾鐵里克河有較大的相似性和同步性?？ɡ藴蠀慰怂恼竞桶莩撬恼居捎诋a流方式有較大的差異,其2018年～2020年年徑流分布型式與烏依布拉克河存在一定的差異。

表1 參證站模比系數對比表

由于產流（補給來源）、匯流對年際、年內變化起到了關鍵性作用,因此,應采用以卡拉蘇水文站、克爾古提水文站為主,阿俄水文站一同輔助做參證站分析計算滾滾鐵里克河年際、年內變化。但滾滾鐵里克河沒有長系列水文資料,本次采用同一氣候帶卡拉蘇水文站資料做代表性分析,分析水文資料的代表性。

4 結果分析

4.1 徑流量年際變化

4.1.1 趨勢性分析

1960年～2019年卡拉蘇水文站徑流量年際變化趨勢見圖1。由圖1可見,1960年～2019年卡拉蘇水文站年平均徑流量在3.87 m3/s～15.4 m3/s之間波動,2002年的平均徑流量最大,2015年的平均徑流量最小,總體呈現上升趨勢。從多年徑流量特征值來看,1960年～2019年卡拉蘇水文站多年平均年徑流量為2.46×108m3,徑流變差系數CV值為0.17。2002年為最豐年,年徑流量為4.825×108m3,1968年為最枯年,年徑流量為1.491×108m3。從中可見,徑流變差系數CV值較小,最豐水年徑流量為最枯水年徑流量的3.24倍,說明卡拉蘇河流域為代表的同類型流域年徑流量年際變化較大。

圖1 1960年～2019年卡拉蘇水文站徑流量年際變化趨勢

不同研究時期徑流年際變化M-K趨勢性診斷結果見圖2。若Z＞0,則徑流序列呈上升趨勢；反之則呈減小趨勢。圖2表明,徑流年際變化趨勢與線性擬合結果一致,水文站平均徑流量呈上升趨勢,且通過0.05顯著性檢驗。從不同季節的平均徑流量變化情況來看,春夏秋冬四季均呈上升趨勢,春季呈不顯著上升趨勢,夏秋冬三季均呈顯著上升趨勢。

圖2 卡拉蘇臺蘭水文站不同時期徑流年際變化M-K趨勢性診斷結果

4.1.2 突變性分析

本文對卡拉蘇水文站的徑流進行M-K突變檢驗,若UF（UB）＞0,徑流序列呈增大趨勢,反之則呈減小趨勢。UF超過Uα臨界線的部分為發生突變的時間區域,需要重點關注[5]。UF和UB兩條曲線產生交點的時刻是突變開始的時間?？ɡK水文站年徑流量M-K突變檢驗結果見圖3。

圖3 1960年～2019年卡拉蘇臺蘭水文站年徑流量M-K突變檢驗結果

由圖3可知,卡拉蘇水文站年平均徑流序列可能發生突變的年份為1960年～1975年、1977年、1983年、1984年、1985年、1987年～1992年、1994年～2019年,卡拉蘇水文站徑流量的UF曲線在1982年以前介于-1～1.96之間,表明變化曲線趨勢和突變不明顯。1982年以后UF曲線超過臨界值,表明徑流增加趨勢十分明顯。在0.05的置信水平下,卡拉蘇水文站的徑流在1981年左右發生突變。

4.2 徑流量年內分配

把研究區劃分為7個時段,分別為1960年代、1970年代、1980年代、1990年代、2000年代、2010年代及全時期1960年～2019年,繪制各時段卡拉蘇水文站的徑流量年內月平均分配過程線（圖4）?？ɡK水文站不同時間段年內分配曲線均呈“單峰”形態。1970年代、1980年代、1990年代、2000年代及1960～年2019年的峰值出現在7月,而1960年代和2010年代的峰值出現在8月。多年平均徑流量季節分配比例為：春季占比15.54%,夏季占比63.47%,秋季占比16.14%,冬季占比4.85%。多年平均徑流量水文期分配比例為：汛前占比4.53%,汛期占比87.23%,汛后占比8.24%。

圖4 1960年～2019年不同時段卡拉蘇水文站徑流量年內月平均分配過程線

綜合分析徑流年內分配過程線（圖4）和年內分配特征值（表2）,卡拉蘇水文站1960年代、1980年代、1990年代及2010年代徑流年內不均勻系數都比1960年～2019年全時期高,可知卡拉蘇水文站4個時期的徑流量年內分配比較不均勻,其中當屬1990年代最為不均勻,2000年代徑流年內分配在所有時期中最為均勻,在各時期的分配均勻程度中變化不明顯。在變化幅度方面,徑流量年內相對變化幅度最大的是1990年代,相對變化幅度最小的是2000年代；在集中程度方面,徑流量年內分配最為集中的是1990年代,集中程度最低的是2000年代,各時期的徑流量集中期皆分布在7月。2000年代徑流量年內分配特征值與其他時期相比表現出明顯差異。

表2 1960年～2019年不同時段卡拉蘇水文站徑流年內分配特征值

4.3 多年平均年徑流量計算

4.3.1 等值線圖法

滾滾鐵里克河為無資料地區,按規范要求,對缺乏實測徑流資料地區,多年平均年徑流深等值線圖法是推求調查斷面多年平均年徑流量的基本方法。本區域采用自治區水文局編制的新疆地表水資源評價1956年～2000年多年平均年徑流深等值線圖量算。此等值線圖在進行阿克蘇水資源評價時已經過水量平衡計算及合理性檢查。本文對該等值線圖進行復核,成果較可靠。計算得到滾滾鐵里克河多年平均徑流深為185.32 mm,多年平均年徑流量6338.10×104m3。

4.3.2 同氣候帶流域平均高程與徑流深關系

流域平均高程采用《渭干河流域（拜城盆地）地表水資源評價》（1996年通過自治區水文局評審）量算值,徑流深采用建站～2020年平均徑流量計算值。根據渭干河流域5個水文站的平均高程與徑流深的關系,繪制平均高程～徑流深關系（圖5）。

圖5 渭干河流域各水文站流域平均高程～徑流深關系

經量算滾滾鐵里克河流域出山口斷面以上平均高程2842 m,推算徑流深197.57 mm,徑流量6757×104m3。

4.3.3 地區綜合年徑流量模比系數法

本文選用與滾滾鐵里克河有相近的產流阿俄、卡拉蘇和克爾古提水文站歷年實測年徑流資料,做出徑流模比系數頻率曲線,求得設計流域參數變差系數CV、偏態系數CS及設計頻率值,結果見圖6、表3,并根據設計值推算出滾滾鐵里克河設計年徑流量。

圖6 地區綜合年徑流量模比系數頻率曲線

表3 滾滾鐵里克河設計年徑流量計算成果表 單位：104m3

5 結論

（1）1960年～2020年卡拉蘇水文站年平均徑流呈現上升趨勢,多年徑流特征值表明以卡拉蘇河流域為代表的同類型的流域年徑流量年際變化較大。季節性變化方面,春季呈不顯著上升趨勢,夏秋冬三季均呈顯著上升趨勢。結合M-K突變檢驗法分析得到卡拉蘇水文站年平均徑流量在1981年發生突變。

（2）卡拉蘇水文站年內分配過程線均呈“單峰”形態。多年平均徑流量季節分配比例中夏季占比最大,冬季占比最小。徑流量年內相對變化幅度最大且分配最為集中的是1990年代。相對變化幅度最小且集中程度最低的是2000年代。

（3）三種方法中“地區綜合年徑流量模比系數法”成果稍大,其他兩法成果較為接近,為考慮供水保證,本次推薦采用“等值線圖法”計算成果作為滾滾鐵里克河設計徑流成果。