和田河年径流上升幅度较小的原因

摘要:根据和田河实测年径流资料,应用小波分析、R/S分析等多种方法,探讨了在气候变化和人一类活动影响下,和田河年径流变化规律及其成因。结果表明,和田河年径流存在减少趋势,且具有定的持续性。通过径流变化的影响因素分析表明,上游出山口处两支流的径流变化主要受气温升高的影响,下游入塔里木河处除受降水减少的影响外,主要是由于人类对水土资源开发进程的加快,人类活动是其径流变化的主要原因。

关 键 词:和田河;径流变化; 小波分析; R/S分析;气候变化;人类活动

中图分类号: TV121+4 文献标识码: A 文章编号: 1000-3037(2007)06-0974-06近年来随着全球气候变化和人类活动的影响,流域水循环的演变十分显著,形成了天然水循环与人工循环此消彼长的二元动态水循环过程。河川径流量是水资源综合开发利用、科学管理、优化调度的最重要依据,它的形成受到全球变化和人类活动越来越多的影响[1]。

和田河发源于昆仑山和喀喇昆仑山北麓, 自南向北纵贯塔克拉玛8干3大2沙漠,汇入塔里木河,是塔里木河三大源流之一,平均每年向塔里木河输水 104×10m[ ]。和田河是和田绿洲生存的命脉,属于冰川融雪及降水混合补给型河流,丰3枯与气候变化密切相关,直接影响绿洲内各种经济活动,也影响向塔里木河干流的输水[ ]。因此,分析和田河径流

变化规律对于水资源的合理高效利用、水利规划等有重

要的现实意义,这不仅关系到绿洲自身的发展,也关系

到塔里木河下游生态环境的重建。

站1961。2002年的实测年径流资料进行分析。

收稿日期: 2006-06-27修订日期: 2007-07-02。

基金一项目: 国家自然科学基金资助项目(50579063)国家自然科学基金资助项目(50779052) 。

第 作者简介:张晓伟(1978- ),男,黑龙江省安达市人,水文学及水资源专业博士研究生,从事旱区水文水资源研究。

1/6页
6期 张晓伟等:和田河年轻流变化规律研究 975

12 年径流的多年变化

干旱区径流年际变化与水资源的开发利用关系密切,它直接影响供水的保证率和工程调蓄规模。年径流变差系数Cv值可以反映出一个地区年径流年际之间相对变化情况。对和田河上同站、乌站、肖塔3个控制站实测年径流量进行分析,结果见表1 。

表1和田河年径流均值、变差系数

Table 1 Mean value and Cv of annual runoff series in the Hotan River

站名 年径流均值/108m3 变差系数 统计年限

乌站 2149 019 1956。2002

同站 2230 021 1956、2002

肖塔 1055 062 1961、2002

干旱区年径流Cv值介于01。05之间[4],从表1可知:乌站与同站的变差系数较小,说明和田河两支流的年际变化不大,这与两支流的径流补给来源有关,且乌站、同站是出山口处的水文站,受人类活动影响较小,因此其径流年际变化相对稳定。和田河出流量即肖塔站的年径流量变差系数最大,Cv=062,说明径流年际变化大,这主要是由于肖塔站的径流量受到上游用水情况的影响。

13年径流序列趋势性分析

水文序列存在趋势,可能是由于气候变化低频率摇摆所致,或是由于土地利用及流域特征变化引起的。径流序列随时间的增加呈现系统而连续的递减或递增变动就是径流的趋势变化。径流序列的变化趋势在小波分析中,对应于最大尺度小[5波]变换的低频系数。随着尺度的增加,时间分辨率降低,序列的发展趋势就会表现得更明显。对同站、乌站实测年径流序列用db3小波进行5次小波分解,对肖塔站进行6次小波分解,得到反映年径流变化趋势的小波分解的低频系数的重构序列(图 2、图3)。

可以看出: 乌站和肖塔站实测年径流序列变化趋势是减少的, 同站的实测年径流序列

1956、1992年变化趋势是减少的, 1992年以后略有增加,但总体变化趋势是减少的。

14年径流序列持续性分析

径流序列持续性反映径流时间序列前后数据之间的相互关联作用与径流序列变化趋势是具有持续性还是反持续6性。 目前,通过R/S分析,应用Hurst指数H来判断趋势性成分的强度,反映序列的持续性[ ]。

2/6页
976 自 然 资 源 学 报 22卷

R/S分析方法的基本原理为[7]:对于时τ间序列(x(t)+(t=1,2, ,n),对于任意正整数τ≥1

定义均值序列: xτ=1τ i"= 1x(t) τ=1,2, ,n (1)

累积离差: X(t,τ)

极差序列: R(τ )=max1≤Xt≤τ(t,τ )-min 1≤Xt≤τ(t,τ ) (3)

标准差序列: S(τ)=

对于比值R(τ)/S(τ)≡R/S如果存在如下关系: R/S∝τ H (5)则说明时间序列(x(t)+(t=1,2, ,n)存在Hurst现象,H称为Hurst指数,H值可根据计算出的(τ ,R/S)的值,在双对数坐标系(ln(τ ),ln(R/S))中用最小二乘法拟合,H对应于拟合直线的斜率。

根据H的大小可以判断时间序列趋势成分是表现为持续性,还是反持续性。Hurst等人证明,如果(x(t)+是相互独立、方差有限的随机序列,则有H=05。对于不同的Hurst指数H(0<H<1),存在三种情况:

(1)H=05时,表明时间序列变化是随机的;

(2)0<H<05时,表明时间序列具有长期相关性,但将来的总体趋势与过去的相反,过程具有反持续性。H值越接近于0,反持续性越强;

15年径流序列多时间尺度分析

研究年径流的变化规律, 除了分析其趋势性外还应对其进行多时间尺度分析即周期分析。径流的多年变化主要取决于气候因素的变化,受太阳活动和星体运动8等影响。近年来小波分析方法被应用到该领域来,小波分析法具有良好的时、频局部化特性[ ],可以给出序列的

3/6页
6期 张晓伟等:和田河年轻流变化规律研究 977

瞬时振动随时间推移的变动状况,可以分析同一频率的周期突变现象。河川径流的变化在时域中存在多层次时间尺度结构和局部化特征,因而小波分析应用越来越广泛。

小波函数ψ(t)指具有震荡性能迅速衰减到零的一类函数。若其Fourier变换ψ(ω)满足条件[5]:

则称ψ(t)为基本小波或母小波。

径流序列是观测样本,是离散化的过程,径流变化在时域中存在多层次时间结构的局部化特征,径流变化周期具有局部化特征,在实际应用

从图7，图9可知:同站实测年径流序列周期为 3年,乌站第一主周期为2年,第二主周期为5年,肖塔站实测年径[9]流序列周期为 3年。 2年与3年的周期与气候过程准两年周期一致,由海-气相互作用导致, 5年周期与气候过程双振动周期一致,与太阳活动有关。2 径流变化成因分析

径流的形成过程是多种因素相互作用和联系的复杂自然现象, 影响河川径流变化的因素可以分为自然因素与人为因素。 自然因素主要指气温、降水的变化,人为因素主要指由于人类生产活动引起的工农业用水量的增加,以及人类活动引起流域下垫面条件的改变。 和

田河流域位于干旱区,上游是径流形成区,中游绿洲及下游沙漠段是径流耗散区。 同站和乌站是和田河两条支流玉河与喀河出山口处的水文站,受人类活动影响小,出山径流的变化主要受气候变化的影响。两条支流属于冰雪融水及高山降水混合补给型河流,

要受气温和山区降水的影响。 肖塔站位于和田河的下游,是和田河汇入塔里木河的控制站,其径流变化除受到绿洲内降水影响外,主要受上游来水与中游用水情况的影响。对和田绿洲年降水、气温序列和实测年径流序列,应用Kandell秩次相关检验法进行趋势分析,见表2。

表2和田河实测年径流序列与年降水、气温序列趋势分析

名 称 统计量 临界统计量 变化趋势

同站实测年径流序列 -082 196 不显著减少

乌站实测年径流序列 -085 196 不显著减少

肖塔站实测年径流序列 - 1 51 196 不显著减少

和田绿洲年降水序列 -063 196 不显著减少

和田绿洲年气温序列 347 196 显著增加

从表2可得:绿洲年气温序列增加趋势显著,同站、乌站实测年径流序列存在不显著的减少趋势,这主要是由于气温升高造成冰川后退、雪线上升、冰雪融水径流减少。肖塔站实测年径流序列存在不显著的减少趋势,且这种趋势强于出山口处的同站和乌站,这除了与绿洲内降水量减少有关外, 主要是由于20世纪70年代前后和田绿洲农业水土资源开发进程加快, 10余座平原水库建成蓄水,灌溉面积迅速增加,河网渠道化,河道沿程引水损失加大,造成汇入塔里木河的径流量逐渐减少。

和田绿洲以灌溉农业为主,和田河是绿洲生存的命脉,在气候变化和人类活动的影响下和田河径流的减少影响着绿洲自身的发展和向塔里木河的输水。因此,绿洲内应提倡节水型农业,合理开发水资源, 以保障绿洲经济社会的可持续发展。

3 结论

本文结合多种方法对和田河年径流变化规律和变化动因进行了分析, 得到如下主要结论:

(1)和田河年径流存在减少趋势,通过R/S分析表明这种趋势具有一定的持续性,出山口处,受人类活动影响小,两支流玉河、喀河实测径流年际变化不大,下游出口处,受人类影响大,径流年际变化大。

(2)应用小波分析表明在海-气相互作用和太阳活动的影响下,和田河两条支流玉河、喀河存在3年、2年和5年的周期变化,下游入塔里木河处年径流存在 3年的周期变化。

(3)和田河年径流的变化主要受气候变化和人类活动影响。 由于气温升高一引起出山口处两条支流径流量减少。中游绿洲区降水的减少对下游入塔里木河处的径流有 定影响,但主要是由于中游绿洲区水土资源开发进程加快,灌溉面积增大,耗水量增加,导致入塔里木河的水量逐渐减少。因此,和田绿洲应合理开发利用水土资源,节约用水,控制绿洲在一个适宜的发展规模内,以保障绿洲经济社会的可持续发展和汇入塔里木河一定的水量