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发生气候变化后,奎屯河流域径流也变化了吗
2022-01-13 01:39
本文摘要:摘要:近年来,人类经济运动加速以及气候的变化,导致径流特征发生一定的变化,这为径流预报、水资源的合理计划及使用增加了难度。现在,随着气候的变化,奎屯河流域的径流特征也发生了极大的变化。凭据1972—2017年奎屯河流域月径流量以及气温、降水实测数据,通过基本统计方法、累计距平法、MK磨练等方法,分析了奎屯河流域两条主要河流在气候变化影响下的年内变化、年际变化和周期变化趋势等特性。

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摘要:近年来,人类经济运动加速以及气候的变化,导致径流特征发生一定的变化,这为径流预报、水资源的合理计划及使用增加了难度。现在,随着气候的变化,奎屯河流域的径流特征也发生了极大的变化。凭据1972—2017年奎屯河流域月径流量以及气温、降水实测数据,通过基本统计方法、累计距平法、MK磨练等方法,分析了奎屯河流域两条主要河流在气候变化影响下的年内变化、年际变化和周期变化趋势等特性。效果讲明:奎屯河与古尔图河年径流序列漫衍纪律较为相似,主要体现在年径流漫衍较为集中,离散水平小,漫衍呈正偏,极值数据集中度较好;奎屯河、古尔图河,相对变化幅度均出现减小的趋势且河流年内分配逐渐趋向匀称,其中奎屯河径流量46 a间平均上升速率为0.38×108m3/10 a;古尔图河平均上升速率为0.214×108m3/10 a;奎屯河、古尔图河年径流序列演化历程划分存在着4~8 a、10~15 a、20~25 a以及5~15 a、20~30 a尺度的周期变化纪律,第1主周期划分为23 a和22 a;奎屯河径流量与气温Pearson相关性系数为0.703**,呈极显著相关的关系;古尔图河径流量与气温、降水Pearson相关性系数划分为0.698**、0.225**,呈极显著相关的关系。

关键词:气候变化; 奎屯河流域; 不匀称系数; 小波分析;作者简介:王艳(1993—),女,硕士研究生,主要从事水文与水资源、水资源优化设置与调理的研究。E-mail:1491608334@qq.com; *乔长录(1976 —),男,副教授,博士,主要从事水文历程、水资源优化设置与调理、水利信息化方面的教学与科研事情。E-mail:qiaochanglu@126.com;基金项目:国家自然科学基金项目(51769030); 新疆生产建设兵团科技计划项目(2016AG014);0 引 言河川径流特征变化一直是水文水资源科学研究的重点和热点 ,近年来,人类经济运动加速和气候的变化 ,导致径流特征发生了一定的变化,这 为径流预报、水资源的合理计划及使用增加了难度。

因此,气候变化条件下流域径流特征出现怎样的变化 ,成为迫切需要解决的问题。LAB AT等 研究讲明, 全球径流量随温度变化而变化,温度每升高1 ℃, 径流量增加4%;郝莹等 研究讲明在全球1.5 ℃和2.0 ℃升温下,潮白河流域年平 均降水量增加了4.9%和7.0%;文广超级 对青海柴达木盆地巴音河上游径流量对气候变化和人类运动的响应举行研究,发现该区域径流量因素主要 是气候,其次才为人类运动。奎屯河流域位于天山北坡西南方缘,主要依靠冰川融水 补给,随着温度、降水的变化,可能会对该流域内河流的径流 量带来影响,甘新远 、辛俊 研究了奎屯河流域冰雪变化对径流的影响,得出冰川融雪水为该流域的补给主要泉源;母敏霞等 主要分析了奎屯 河流域补给特性以及年内、年际变化情况;徐东泽等 对奎屯河流域径流举行径流特征分析,研究讲明该流域各河流径流年际变化出现稳定递增趋势。

现在,对奎屯河流域径流特征的综合分析研究,未思量气温、降水对径流量变化的影响,故本文选取奎屯河流域第一、第二大河流奎屯河、古尔 图河1972—2017年月径流量数据以及气温、降水资料,接纳基本统计方法、不匀称系数、距平累积等方法对该流域径流举行特性分析,为奎屯河流 域径流来水预测、防洪、水资源优化设置以及生态情况掩护有重要意义。1 研究方法1.1 径流序列统计特征年径流的基本统计特征 包罗均值 、方差σ、变差系数C 、偏态系数C 等,详细如下其中,1.2 年内变化不匀称系数 C 反映了河流径流年内分配不匀称性,其公式为式中Ri为年内各月径流量,即随着不匀称系数的增加,月径流量与径流的差值增大,即径流年内分 配不匀称性增大。完全调治系数C 为径流大于年平均径流量的周期之和与年总径流量的百分比,C 越大讲明径流年内分配越集中,盘算公式为集中度为将月径流量按一定角度划分为矢量积累,其组合量占年径流量的百分比,盘算公式为式中变化幅度。

本文变化幅度选取了两个指标,相对变化幅度C 和绝对变化幅度ΔR。其公式为式中,R 为月最大径流,R 为月最小径流。1.3 年际趋势变化本文接纳累积距平法、滑动平均法以及Mann-Kendall磨练法对径流序列举行趋势及突变分析。(1)累计距平法。

可以直接判断出变化趋势,对于径流序列,一定时间的累积距平可以表现为盘算各时段的累积距平并绘制出曲线举行趋势性分析。当距平累积不停增大时,这一时期的径流量大于平均值,即为丰水期;当距平累积不停减 小时,讲明该时段径流小于水周期的平均值,即为枯水期;当距平累积稳定时,即为平水期。(2)滑动平均法。

变化趋势由序列的平滑值表现。本文滑动平均序列为式中,j=(k+1)/2,2,…,n-(k+1)/2,k为平滑长度,本文取k=5。

(3)Mann-Kendall磨练。是一种常用的磨练时间序列趋势变化、突变的非参数性磨练方法,其原理如下。对于n个子序列的样本R,其秩序列为秩序列R 表现第i个样本x >x 的累计。在样本序列独立随机的前提下,统计量UF 界说为式中,划定UF =0,假定X ,X ,…,X 相互独立,而且有一致的漫衍时,由下列盘算式可得出当UF 或UB 泛起在临界直线外侧时(当置信水平为95%时,临界值为±1.96),否认零假设,讲明上升(下降)的趋势显著。

凌驾临界直线的部门被认 为是泛起变异的序列。如果曲线UF 与UB 泛起交点,而且交点在临界线之间,那么交点对应的年份则为突变开始的年份。1.4 周期变化 Morlet小波分析原理小波分析法的基本原理是用一簇小波函数系来迫近某一函数。本文选取的小波函数如下。

(1)小波函数。满足式中,ψ(t)为基小波函数。通过在时间轴上举行缩放宁静移,形成一簇函数系式中,ψ (t)为子小波;a是尺度因子,表现小波的周期长度;b为平移因子,表现时间上的平移(2)小波变换。

凭据上式选取的子小波函数ψ (t),以及给定的有限信号f(t)∈L (R),可得出其一连小波变换式中,W (a,b)是小波变换系数;f (t)为某一平方可积函数;a为伸缩尺度;b为平移参数(3)小波方差图。将小波系数的平方值积分在b域上,便可获得小波方差,盘算式为小波方差图显示了小波方差随伸缩尺度的变化历程,确定信号中差别种尺度扰动的相对强度和主要时间尺度,即主周期。图1 奎屯河流域上游示意2 研究区概况奎屯河和古尔图河起源于新疆天山北坡准噶尔盆地西南缘,东临吐尔沟和巴音沟河流域,西临托托河流域,南接伊犁喀什河流域,北邻玛依尔力山 和扎伊尔山分水岭。

地理坐标为东经83°22′00″—85°47′00″,北纬43°30′00″—45°04′00″(见图1)。奎屯河干流全长360 km,多年平均径流量为6.37×10 m ;古尔图河干流全长108 km,多年平均径流量为3.42×10 m ,流域总面积28 300 km。该地域平均气温7 ℃,1月份平均气温-16 ℃,7 月平均气温26 ℃,年降水量150~170 mm,年蒸发量1 710~1 930 mm。

3 径流特征分析3.1 径流序列统计特征本文接纳1972—2017年月径流数据,得出序列统计特征值(见表1),可以看出,奎屯河与古尔图河年径流序列漫衍纪律较为相似:年径流漫衍较为 集中,离散水平小,漫衍呈正偏,极值数据集中度较好。其中奎屯河多年平均径流量为6.138×10 m ,偏差系数为0.15;古尔图河多年平均径流量为3.55 1×10 m ,偏差系数为0.18。表1 奎屯河、古尔图河年径流序列基本统计特征值3.2 径流年内变化随着降水、气温等气候因子的季节性变化,径流的补给身分也会随之发生改变,导致径流年内分配也将体现出周期性与不匀称性现象。本文针对 奎屯河流域年内径流分配特征的变化纪律接纳不匀称系数、分配完全调治系数、集中度与变化幅度等指标 举行形貌,针对年际趋势变化接纳累 计距平法、滑动平均法形貌,周期变化接纳小波分析法形貌。

(1)集中水平与变化幅度分析。凭据奎屯河、古尔图河多年径流以及相应的气温降水数据绘制出差别时段的月平均径流曲线(见图2、图3)与径流年内分配特征指标值(见表 2)。图2 奎屯河月平均径流量图3 古尔图河月平均径流量如图2、图3所示奎屯河、古尔图河年内径流分配纪律较为相似,均体现为“单峰型”,且峰值集中泛起在6—9月:奎屯河6—9月份的平均径流和占 全年径流的83.91 %,其中7、8月份径流就到达全年径流的48.72 %;古尔图河6—9月份的平均径流和占全年径流的74.37 %,仅7、8月份径流就达 到全年径流的49.10 %。

由图4—图7可知,奎屯河、古尔图河月平均气温多年对比变化幅度不大,可是月平均高温均泛起在6—8月,与两条河径流量 最岑岭泛起时间一致,说明奎屯河、古尔图河径流量受气温影响,这是由于奎屯河流域位于天山北麓,径流身分不仅依赖降水,更重要的身分是夏季融 雪径流,因此流域径流多出现出径流曲线单峰、产流时间长的奇特现象。图4 奎屯河多年月平均降水图5 奎屯河多年月平均气温从表2可知,随着时间的推移,奎屯河年径流年内分配集中度出现“减小”的变化趋势;1970年开始,集中度整体出现下降趋势,可能原因是气温的升 高(Δt=+1.01 C)导致融雪量的增加,而且1990年前人类对于奎屯河流域上游的干预较小,使得径流集中度较高。

随着社会的生长,流域水资源的开发 水平提高,水利设施增多,从多方面影响了流域的径流分配,年内分配集中度在57.11%左右,最大集中度为57.84%,最小集中度为56.46%。从总体上 来看,奎屯河年径流集中度较大,但随着时间的推移,集中度呈降低的趋势;古尔图河年径流集中度基本稳定,与其年内气温降水趋势纪律保持基本一致。图6 古尔图河多年月平均气温图7 古尔图河多年月平均降水就变化幅度而言,奎屯河相对变化幅度C 随时间的推移而出现减小的趋势,这主要是因为随着人类对水资源需求稳定度的提高,修建水利工程等 使得流域径流年内分配趋于匀称化;古尔图河相对变化C 随时间的推移基本呈减小趋势。

表2 年内分配特征指标值(2)年内分配不匀称性分析。由于降水和气温等气候要素发生显着的季节性颠簸,将会导致径流年内分配发生不匀称性。使用1972—2017年奎屯河与古尔图河月径流资料, 获得不匀称系数C 与年内分配完全调治系数C ,如图8、图9所示。图8 奎屯河年内分配不匀称性分析 图9 古尔图河年内分配不匀称性分析由图8、图9可知,奎屯河与古尔图河径流不匀称系数C 随着时间的推移,呈降低趋势,说明两条河流年径流年内分配逐渐趋向匀称,而径流年内分 配完全调治系数C 随着时间的推移,曲线颠簸趋势与不匀称系数险些吻合,讲明两系数变化纪律具有一致性。

图8中,奎屯河径流在1987—1993年和2 008—2017年期间两系数均出现出强烈的颠簸现象,讲明不匀称性较强、年内分配集中;而在1978—1987年、1993—2006年,两者出现出锯齿型波 动并存在减小趋势,讲明该时段内径流年内分配的不匀称性整体呈逐渐削弱趋势;图9中,古尔图河径流在1972—1978年、1985—1995年和2008—2 017年期间两系数均出现出强烈的颠簸现象,讲明不匀称性较强、年内分配集中;而在1978—1985年、1995—2007年,两者出现出锯齿型颠簸并存 在减小趋势,讲明该时段内径流年内分配的不匀称性整体呈逐渐削弱趋势;从总体上来看,奎屯河与古尔图河年径流不匀称性颠簸呈降低趋势,与年内 分配特征相对年际分配特征与降水趋势具有较好的一致性。3.3 径流年际趋势变化针对奎屯河和古尔图河逐年径流数据,获得奎屯河和古尔图河年径流距平累积曲线图(见图10)并绘制了年径流量随时间变化的趋势图(见图11、 图12)。图10 1972—2017年年径流累计距平曲线从距平累积曲线图可以看出,奎屯河和古尔图河径流年际变化较大,径流距平累积均有两个显着的变化阶段。

奎屯河在1972—1985年、1991— 1996年径流量均表显出逐时段递减的趋势,为枯水时段;1997—2017年径流量体现出逐时段递增趋势,为丰水时段。古尔图河1972—1996年显示为 逐时段递减,为枯水时段;1997—2017年呈逐时段递增,为丰水时段。

其中1996年均为两条河径流量变化趋势由降到升的转折点。图11 奎屯河年径流变化趋势示意图12 古尔图河年径流变化趋势示意由图11、图12可以看出,奎屯河和古尔图河的年径流在颠簸中均呈上升趋势,其中奎屯河径流量46 a间共增加1.49×10 m (1972—1980年均相 比2010—2017年均),平均上升速率为0.38×10 m /10 a;古尔图河46年间共增加0.86×10 m (1972—1980年均相比2010—2017年均),平均上升 速率为0.214×10 m /10 a。使用Mann-Kendall磨练 对奎屯河与古尔图河1972—2017年年径流序列举行趋势分析,效果如图13、图14所示。

图13 奎屯河年径流Mann-Kendall磨练图14 古尔图河年径流Mann-Kendall磨练由图13可知,奎屯河UF 曲线在显著性水平为0.05情况下,1972—1999年年径流呈不规则的周期颠簸,变化趋势未到达显著水平;而1988—2017 年,年径流有显着的增长趋势,尤其在2007—2012年,凌驾95%置信水平(u =±1.96),讲明年径流的增长趋势是显著的,其中1985年为奎屯河年径流 序列的变异点;同理,由图14可知,古尔图河UF 曲线在显著性水平为0.05情况下,1972—2009年年径流呈不规则的周期颠簸,变化趋势未到达显著水 平;而2003—2017年,年径流有显着的增长趋势,尤其在2012—2017年,凌驾95%置信水平(u =±1.96),讲明年径流的增长趋势是显著的;其中1998 年为古尔图河年径流序列的变异点。3.4 径流年际周期变化分析通过Morlet小波系数及小波方差对奎屯河流域奎屯河、古尔图河46 a年径流量的周期演变纪律举行分析,获得小波系数实部等值线图(见图15、 图16)和小波方差图(见图17、图18)。

当小波系数实部为正数时,表现为丰水期;实部为负代表枯水期;实部为0意味着为丰枯转折点。图15 奎屯河小波系数实部等值线示意图16 古尔图河小波系数实部等值线示意 图17 奎屯河小波方差示意图18 古尔图河小波方差示意凭据图15可知,奎屯河年径流演变历程中存在多时间尺度变化,年径流序列变化历程存在着4~8 a、10~15 a、20~25 a的振荡周期,其中20~ 25 a时间尺度上泛起“枯-丰”三次交替震荡,泛起三个偏丰中心与两个偏枯中心,中心年份划分为1983年、1995年、2010年和1990年、2004年。

同 理由图16可知,古尔图河年径流演变历程中存在着5~15 a、20~30 a的振荡周期,其中20~30 a时间尺度上泛起“枯-丰”三次交替震荡,泛起三个偏 丰中心与三个偏枯中心,中心年份划分为1986年、2003年、2016年和1979年、1994年、2010年。由于小波方差图可以反映出径流序列随时间而变的能量颠簸漫衍情况,因此多用于探索年径流演化历程中的主周期变化历程。由图17可知,奎屯 河径流时间序列存在3个较为显着的方差极值,由小到大依次对应着7 a、13 a、23 a的时间尺度。最大方差峰值对应的年份为23 a,意味着以23年 为一个周期的径流演变纪律最为显着,因此23 a为流域年径流变化的第1主周期;7 a左右的时间尺度对应着第2大峰值,因此视其为流域年径流变化的 第2主周期;13 a的时间尺度对应着小波方差的第3峰值,但与第1、第2峰值相比,峰值较小,可以忽略。

由此可见,主要由第1、第2主周期控制着奎屯 河径流在整个时间段内的变化特征。同理,由图18可知,古尔图河径流序列存在3个较为显着的方差极值,其中以22 a为周期的径流演变纪律最为显著,为第1主周期。3.5 径流量与气温、降水相关性分析皮尔逊 (Pearson) 的积差相关系数可以准确地反映变量之间线性相关的强弱水平。

通过SPSS软件划分对奎屯河、古尔图河径流量与气温、 降水举行Pearson相关性分析。表3 奎屯河径流量与气温、降水相关性由表3可知,奎屯河径流量与气温、降水的Pearson相关性分析讲明:奎屯河径流量与气温呈线性相关,且相关性系数为0.703 ,属于高度相关。此外,奎屯河径流量与气温的显著性P值为0.000,小于0.01,即奎屯河径流量与气温之间为极显著相关的关系。表4 古尔图河径流量与气温、降水相关性同理,由表4可知,古尔图河径流量与气温、降水的Pearson相关性分析讲明,古尔图河径流量与气温、降水均呈线性相关,且相关性系数划分为0. 698 、0.225 ,属于高度相关。

此外,古尔图河径流量与气温、降水的显著性P值均为0.000,小于0.01,即古尔图河径流量与气温、降水之间为极显 著相关的关系。4 结 论在全球变暖的情况下,凭据奎屯河流域1972—2017年的河流径流数据以及气温、降水资料,接纳基本统计方法、距平累积、小波分析等方法对 该流域径流举行年内变化、年际变化、趋势性等特性分析,得出以下结论: (1)奎屯河与古尔图河年径流序列漫衍纪律较为相似:年径流漫衍较为集中,离散水平小,漫衍呈正偏,极值数据集中度较好。(2)由于降水以及夏季融雪,奎屯河、古尔图河年内径流出现出径流曲线单峰、产流时间长的奇特现象:奎屯河年径流集中度较大,且呈降低的趋 势;古尔图河年径流集中度基本稳定;奎屯河、古尔图河相对变化幅度均出现减小的趋势。

(3)奎屯河与古尔图河年径流年内分配逐渐趋向匀称,而径流年内分配完全调治系数C 随着时间的推移,曲线颠簸趋势与不匀称系数险些吻合。(4)奎屯河和古尔图河的年径流量在颠簸中均呈上升趋势,其中奎屯河径流量46 a间平均上升速率为0.38×10 m /10 a;古尔图河平均上升速率 为0.214×10 m /10 a。

(5)奎屯河、古尔图河年径流演变历程中存在多时间尺度变化,年径流序列演化历程划分存在着4~8 a、10~15 a、20~25 a以及5~15 a、20 ~30 a尺度的周期变化纪律,第1主周期划分为23 a和22 a。(6)奎屯河、古尔图河与气温、降水之间有相关性,其中奎屯河径流量与气温之间为极显著相关的关系;古尔图河径流量与气温、降水之间为极 显著相关的关系。水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊(月刊),为全国中文焦点期刊,面向海内外公然刊行。

本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护,以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主,同时也报道外洋的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工修建、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水情况与水生态、运行治理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利计划、防汛抗旱、建设治理、新能源、都会水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。


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