新疆玛纳斯河流域1961-...20年水文气象要素变化分析_郝飞虎.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 074新疆玛纳斯河流域 1961 2020 年水文气象要素变化分析郝飞虎(新疆石河子水文勘测局，新疆 石河子 832000)摘要结合新疆玛纳斯河流域 5 个气象站点的降水、气温、大气压强数据，对其近 59 年水文气象要是变化进行分析。分析结果表明:流域年气温均值具有明显递增变化，年递增率为 2 31/10a，年降水总体呈现递减变化趋势，年递减率 6 52 mm/10a，降雨递减趋势从东部向西部逐步增加。流域大气压强和气温具有较好的相关性，年相关系数均值可达到 0 82 以上。玛纳斯河流域湿润指数总体呈现递减变化。研究成果对于玛纳斯河流域气候变化影响分析具有重要参考价值。关键词水文气象要素;变化特征;玛纳斯河流域;新疆地区中图分类号P339文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0217 04收稿日期2022 07 29作者简介郝飞虎(1986 )，男，湖北武汉人，工程师，主要从事水文水资源方面工作。玛纳斯河流域位于新疆天山的北部，流域内最大的河流为玛纳斯河，河流全长为 324 km1。流域属于典型的干旱半干旱内陆型气候，流域降水时空分布不均，整体从东南向西北逐步递减的变化2。流域降水较为集中，主要集中在夏季的，年降水量较低，年降水量在高山区一般在 450 600 mm之间，在低山区一般为 300 400 mm 之间，平原区降水量低于 200 mm，夏季降水量占全年降水总量的比例可达 70%左右3。近些年来，受气候变化影响，玛纳斯河流域水文气象要素均发生不同程度变化，相关研究成果表明4 10，玛纳斯河流域降水、气温变化特征较为明显，但这些成果为对流域长系列的水文气象要素变化特征进行系统分析，大部分研究成果大都针对短时间尺度气温、降水变化特征进行分析，为系统对新疆玛纳斯河流域水文气象要素变化特征进行分析，结合流域 5 个气象站点的降水、气温、水汽压近 59 年系列数据，对其水文气象要素变化特征进行系统分析，研究成果对于玛纳斯河流域气候变化影响分析具有重要参考价值。1资料概况选用玛纳斯河流域具有较长系列长度的 5 个气象站点作为研究站点，各站点系列长度为 59 年，选用各站点 1961 2020 年降水、气温以及气象数据，各站点水文气象要素特征值如表 1 所示。通过无误差数据对各研究站点数据质量进行检测，通过检验各站点数据缺失比例低于 0 1%。缺失的数据时段间隔低于 5 d，采用线性内插方法进行插补，当缺失数据时段间隔高于 5 d，结合空间距离插值方法结合其他站点有年份的数据进行插补。2分析方法2 1趋势分析对于水文气象要素长度为 n 的样本序列而言，其随时间变化的回归方程为:X=at+b(1)式中:a 为变化趋势的斜率;b 为纵轴截距。降水、气温每10 a 的变化幅度可将变化趋势的斜率乘以 10 得到其值。值若为正值，表示为递增趋势，若为负值，表示为递减趋势。表 1选用研究站点水文气象特征值站点平均气温/最高气温/最低气温/风速/m/s大风日数/d日照时数/h降水量/mm相对湿度/%炮台7 541 2 34 22 182 79216165 3莫索湾7 241 5 35 31 972 79913562 2石河子8 140 1 32 11 6102 73522164 5沙湾8 339 2 29 22 2132 84120259 8玛纳斯7 438 9 32 31 992 73520264 32 2湿度指数干旱指数的倒数为湿度指数，区域干湿状态可通过湿度指数进行综合反映，一种较常用对区域气候特征进行描述的一种方法，潜在蒸散发与降水量的比值为湿度指数，其计算方程为:K=P/E(2)式中:K 为湿度指数;P 为降水总量(mm);E 为流域潜在蒸散发(mm)。K 值越大，表示区域气候越湿润。玛纳斯河流域属于典型气候过渡带，对其湿度指数进行了划分，具体等级划分结果如表 2 所示。通过对收集的 5 个气象站点降雨、气温、相对气压近 59 a的日均降水、日均气温以及日均气压资料对其年和月尺度水文气象要素均值进行统计，并结合趋势分析方法对降水、气7122023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3温、气压的变化趋势进行检验。表 2玛纳斯河流域湿度指数等级划分标准湿度等级湿度指数非常干燥0 K 0 3干燥0 3 K 0 9轻度干燥0 9 K 1 2轻微湿润1 2 K 1 5湿润1 2 K 1 5非常湿润K 2 03水文气象要素变化分析3 1降水特征分析3 1 1年降水变化特征结合 5 个研究站点，采用泰森多边形方法对玛纳斯河流域面降水进行计算，统计分析不同年代际玛纳斯河流域降水变化特征，并对不同年代际进行趋势检验，分析结果如表 3所示。表 3不同年代际降水量变化趋势分析结果年代降水量/mm趋势值变化趋势1961 1969335 50 2511970 1979362 70 3521980 1989443 50 4531990 2000285 3 0 2522001 2010329 9 0 3592010 2020313 50 2621961 2020305 2 0 313表 4不同年代际春季降水量变化趋势分析结果年代降水量/mm趋势值变化趋势1961 196954 5 0 2521970 197965 20 3531980 198948 3 0 5421990 200051 20 1152001 201044 3 0 2522010 202039 2 0 3531961 202036 2 0 452从玛纳斯河流域不同年代际降水变化特征可看出，流域近 59 年年降水量总体呈现递减变化，年降水总体呈现递减变化趋势，年递减率为 6 52 mm/10a。90 年代以前，流域不同年代际降水量总体呈现递增变化，年递增率为 2 52 mm/10a，采用 M K 显著性变化趋势检验方法对其趋势进行检验，90 年代以前，玛纳斯河流域年降水量递增趋势可通过90%的显著性检验，递增趋势较为明显。从 90 年代以后到2010 年代以前，玛纳斯河流域年降水量总体呈现递减变化，各年代际降水量递减趋势通过 90%的显著性检验水平，递减趋势较为明显，1990 年前后为玛纳斯河流域降水变化的主要突变年份。从 2010 2020 年降水量呈现上升变化，降水量有所增加。3 1 2季节降水变化特征结合玛纳斯河流域面降水分析资料，对其不同年代际各个季节降水量变化特征进行分析，分析结果如表 4、表 5、表 6以及表 7 所示。表 5不同年代际夏季季降水量变化趋势分析结果年代降水量/mm趋势值变化趋势1961 1969231 50 2521970 1979205 6 0 1591980 1989195 9 0 1531990 2000212 50 2522001 2010205 3 0 1152010 2020210 50 3531961 2020343 90 432表 6不同年代际秋季降水量变化趋势分析结果年代降水量/mm趋势值变化趋势1961 196922 50 1521970 197926 30 2231980 198918 9 0 2521990 200026 30 1152001 201034 20 2562010 202031 5 0 051961 202029 30 115表 7不同年代际冬季降水量变化趋势分析结果年代降水量/mm趋势值变化趋势1961 19699 8 0 1151970 197911 50 1421980 198916 20 1531990 200010 5 0 2352001 20109 5 0 0542010 202011 20 0251961 202010 3 0 115从不同年代际各个季节玛纳斯河流域降水变化结果可看出，玛纳斯河流域夏季降水量明显高于其他季节降水量，流域 70%的以上的降水主要集中在夏季，冬季降水量最低，其次为春季和秋季。从春季各年代际降水变化特征可看出，春季玛纳斯河流域总体呈现递减变化，年递减率为 3 25mm/10a，递减幅度相对较低，从 2001 年以后玛纳斯河流域春季降水量均有所减少。从夏季各年代际降水变化特征可看出，流域夏季降水量总体呈现递增变化，年递增率为 8 95mm/10a，且呈现较为明显的 10 a 丰枯周期变化。秋季流域812第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月各年代际降水量总体也呈现递增变化，年递增率为 3 85mm/10a，秋季降水量丰枯变化周期不强。玛纳斯河流域冬季降水量较少，但呈现明显的 10 a 丰枯周期变化，总体呈现递减变化，年递减率为 1 52 mm/10a。3 2气温变化特征结果3 2 1年尺度分变化特征结合 5 个研究站点，采用泰森多边形方法对玛纳斯河流域面气温进行计算，统计分析不同年代际玛纳斯河流域气温变化特征，并对不同年代际进行趋势检验，分析结果如表 8所示。表 8不同年代际平均气温变化趋势分析结果年代平均气温/趋势值变化趋势1961 19696 20 2321970 19795 9 0 2251980 19896 30 3521990 20007 20 2532001 20108 30 4532010 20209 20 5521961 20207 50 451从不同年代际玛纳斯河流域年平均气温变化特征可看出，流域年平均气温总体呈现上升变化，年递增率为 2 31/10a。从 80 年代开始，流域面平均气温均呈递增变化。1979年前后为流域面平均气温的突变点。3 2 2季节降水变化特征结合玛纳斯河流域面气温分析资料，对其不同年代际各个季节平均气温变化特征进行分析，分析结果如表 9、表 10、表 11 以及表 12 所示。表 9不同年代际春季平均气温变化趋势分析结果年代平均气温/趋势值变化趋势1961 19695 25 0 2321970 19794 23 0 3431980 19896 290 2521990 20007 290 3632001 20108 340 7342010 20209 260 8351961 20207 120 424从玛纳斯河流域不同季节各年代际平均气温变化可看出，夏季气温递增趋势最为明显，其次为秋季，春季和冬季气温递增趋势较弱。夏季从 2001 2020 年气温虽然呈现递减变化，但总体递增趋势明显，年递增率为 1 25/10a。玛纳斯河流域秋季气温除 60 年代递减外，其他年代际均呈现上升变化趋势，年递增率为 0 75/10a。流域冬季和春季气温较低，递增趋势相对较弱，年递增率分别为 0 12/10a 和0 17/10a。流域夏季气温递增使得流域内的高山冰川融雪量加大，使得近些年来进入河道内的径流量也相应增加。表 10不同年代际夏季季平均气温变化趋势分析结果年代平均气温/趋势值变化趋势1961 196932 50 2251970 197926 3 0 3521980 198928 90 2131990 200029 50 2252001 201030 20 3352010 202028 7 0 2521961 202034 50 262表 11不同年代际秋季平均气温变化趋势分析结果年代平均气温/趋势值变化趋势1961 19699 65 0 2521970 197910 230 3531980 198911 350 2591990 200012 620 3352001 201010 12 0 2622010 202012 520 2691961 202015 620 118表 12不同年代际冬季平均气温变化趋势分析结果年代平均气温/趋势值变化趋势1961 1969 25 2 0 5251970 1979 26 50 3521980 1989 19 5 0 2521990 2000 22 30 1152001 2010 25 20 1352010 2020 22 9 0 1821961 2020 26 50 1153 3大气压强与降雨、气温相关性分析结果结合各站点大气压强数据，对其和降雨、气温的相关性进行分析，分析结果如表 13、表 14 所示。表 13不同年代际各站点大气压强和气温的相关性分析结果年代站点炮台莫索湾石河子沙湾玛纳斯1961 1969 0 8180 7930 815*0 6230 695*1970 19790 8320 6950 8240 731*0 7231980 19890 7940 792*0 835*0 8250 665*1990 20000 835*0 8150 8250 8480 7312001 20100 8250 7920 8450 9090 805*2010 20200 8430 7950 7930 7250 8151961 20200 8290 8080 8650 8480 834*表示通过 90%的显著性检验，表示通过 95%的显912第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月著性检验表 14不同年代际各站点大气压强和降水的相关性分析结果年代站点炮台莫索湾石河子沙湾玛纳斯1961 19690 352*0 2290 0950 0520 1131970 19790 2510 3230 1210 0750 085*1980 19890 1150 353*0 1310 1050 0651990 20000 0950 2210 0950 113*0 0522001 20100 1170 1150 0750 1210 0352010 20200 1210 1230 1150 0950 0251961 20200 1350 1450 1210 0750 113从不同年代际各站点大气压强和气温的相关性分析结果可看出，玛纳斯河流域大气压强和气温具有较好的相关性，年相关系数均值可达到 0 82 以上，炮台站大气压强和气温的相关系数总体好于其他站点，其中 1961 1969 的相关系数通过 95%的显著性检验。莫索湾站相关系数总体在0 75以上，同样在 1961 1969 的相关系数可通过 95%的显著性检验。石河子站大气压强和气温的相关系数各年代际也均在 0 8 以上，其中在 2001 2020 年其相关性可通过95%的显著性检验。沙湾站部分年代际大气压强和气温的相关系数有所减小，但总体也均在 0 6 以上，在 2001 2020年其相关性可通过 95%的显著性检验。玛纳斯站大气压强和气温的相关系数总体在 0 6 以上，分别在 1961 1969 年、1990 2000 年以及 2001 2020 年其相关性通过 90%的显著性检验。从不同年代际各站点大气压强和降水的相关性分析结果可看出，各站点大气压强和降水在不同年代际的相关系数相对较低，均低于 0 4，部分站点年代相关性可通过90%的显著性检验。4湿度指数变化分析结合玛纳斯河流域平均潜在蒸发数据和流域面平均降水数据，按照方程(2)对其不同年代际各季节、全年的湿度指数进行分析，分析结果如表 15 所示。表 15不同年代际玛纳斯河流域各季节湿度指数分析结果年代不同时段春季夏季秋季冬季全年1961 19690 9250 4590 9540 9450 8211970 19790 9530 5510 9650 9520 8551980 19890 9690 5651 1520 9620 9121990 20000 6250 4891 0590 9740 7872001 20100 5250 4921 2350 8920 7862010 20200 5050 5351 0590 9950 7741961 20200 5350 5651 1870 9390 807从不同年代际玛纳斯河流域各季节湿度指数分析结果可看出，玛纳斯河流域不同年代际各季节湿度指数总体在0 5 1 3 之间，按照玛纳斯河流域湿度指数等级划分标准春季从轻度干燥向干燥转变，1990 年以后流域春季湿度指数低于 0 9，干燥趋势增强。夏季各年代际湿度指数均低于 0 5，均为干燥状况，2010 年后湿度指数有所增加。流域秋季湿度指数除均在 0 9 以上，为轻度干燥。冬季虽然降水量较低，但由于气温较低，流域潜在蒸发量较少，因此其湿度指数也均高于 0 8，总体为轻度干燥。流域不同年代际湿度指数在0 7 0 9 之间，总体呈现弱增加变化，处于干燥 轻度干燥的变化区间。5结语(1)玛纳斯河流域夏季降水量明显高于其他季节降水量，流域 70%的以上的降水主要集中在夏季，冬季降水量最低，其次为春季和秋季。夏季气温递增趋势最为明显，其次为秋季，春季和冬季气温递增趋势较弱。夏季从 2001 2020年气温虽然呈现递减变化，但总体递增趋势明显，年递增率为 1 25/10a。(2)炮台站大气压强和气温的相关系数总体好于其他站点，其中 1961 1969 的相关系数通过 95%的显著性检验。各站点大气压强和降水在不同年代际的相关系数相对较低，均低于 0 4，部分站点年代相关性可通过 90%的显著性检验。(3)玛纳斯河流域不同年代际各季节湿度指数总体在0 5 1 3 之间，夏季湿度指数偏低，冬季虽然降水较少，但由于气温较低，流域潜在蒸发量较少，因此其湿度指数也均高于 0 8，总体为轻度干燥。流域不同年代际湿度指数在 0 7 0 9 之间，总体呈现弱增加变化，处于干燥 轻度干燥的变化区间。参考文献 1陈红媛 玛纳斯河水文特征与水资源的开发利用情况研究J地下水 2016 38(04):154 155 2姜龙 玛纳斯河流域莫索湾灌区地下水资源特征分析J 地下水 2016 38(03):1 3 3丁培 基于小波分析的玛纳斯河流域径流变化特征研究J 水利科学与寒区工程 2022 5(04):59 62 4丁文学 玛纳斯河流域水面蒸发综合分析J 水利科技与经济 2022 28(01):38 43 5刘焕芳，宗全利，金瑾，等 西北旱寒区渠系泥沙防控研究以新疆为例J 水利与建筑工程学报 2021 19(06):1 9 6陶晨 玛纳斯河流域防洪水文数据变化特征分析J 水利建设与管理 2021 41(11):59 63+74 7李旗进，李翰尧 金沟河流域水利管理探讨J 陕西水利 2021(11):189 191 8孔晶晶，昝梅，张振东 新疆玛纳斯河流域蒸散发时空分布格局研究J 灌溉排水学报 2021 40(10):117 124 9李满晶 金沟河渠首排沙控制研究J 工程 10李满晶 金沟河引水枢纽防洪库容的确定探讨J 黑龙江水利科技 2021 49(09):109 110022第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月