开都河流域降水与径流年内分配情况及其变化规律研究

　　全球气候变化正越来越受到当今社会的关注。近年来，我国西北干旱区气候变暖显着，气温以0． 2℃ /10a 趋势上升。同时西北地区西部和中部降水量显着增多，大部分地区出现了气温升高，降水增多的 "暖湿化"趋势。这势必会不同程度的引起水资源时空上的重新分布和年内分配变化。降水作为气候变化和水循环过程研究的一个重要因素，其变化对水资源形成、农业和生态系统维持和稳定都产生了深刻影响。并且降水量的增加会带来雨量年内分布上的变化，必然也会引起以汛期降水补给为主的径流年内分配上的一些变化。开都河流域作为西北内陆地区典型的内陆河流域之一，已有学者对开都河流域降水和径流年内变化做过一些研究，比如王维霞等对开都河流域上下游降水季节变化研究中发现，年内降水主要集中在夏季，降水量年代际之间有一定差异; 钟瑞森等对开都河径流年内分配特征进行了分析，结果表明开都河来水年内变化较大，历年年内径流分配很不均匀。这为新疆干旱区内陆河流域降水与径流及水资源之间的关系研究提供了基础。然而，现有研究基本上是分别针对径流或降水单独进行的，对两者年内变化同步性方面缺乏研究。因此，针对干旱区开都河内陆河流域降水与径流年内分配变化特征的同步性展开了研究，在气候变化影响评价及径流对降水年内变化响应方面具有重要意义。

　　文中选择天山中段南坡的开都河流域为研究区域，采用集中度与集中期为量化指标，探讨开都河流域降水与径流年内分配特征及其变化的同步性。该研究将有助于开都河下游焉耆盆地乃至孔雀河流域水资源的合理开发、利用和配置，并为未来水资源供需安全使用提供科学依据。

　　1 材料与研究方法

　　1． 1 资料来源
　　
　　开都河流域位于新疆天山南坡中段，焉耆盆地北缘，地理坐标介于 82°58' －86°55'E、41°47' －43°21'N之间。开都河发源于天山中部艾尔宾、伊连哈比尔尕、那拉提、科克铁克等山脉，为我国最长的内陆河 － 塔里木河的四大源流之一。河流先流经大、小尤尔都斯山间盆地至巴音布鲁克，然后经大尤尔都斯盆地至呼斯台西里，再经峡谷段至大山口后流出山口，之后进入焉耆盆地，最后流入博斯腾湖。开都河从源头至博斯腾湖全长为 560km，属于冰川融水、雨雪混合、河川基流等补给为主的河流。流域总地势是北面高、南面低、高山、峡谷和盆地交错，地形复杂。具体的流域概况见。

　　由于开都河流域内具有较长时间系列的气象水文站点稀少，文中应用具有较长时间系列的巴音布鲁克气象站( 海拔 2440m) 的降水和大山口水文站( 海拔 1440m) 的径流为数据来源，选取其 1960 －2007 年的逐月资料对开都河流域径流年内分配变化特征及其对降水的响应进行了分析。

　　1． 2 研究方法。。

　　1． 2． 1 集中度( CＲCP) 和集中期( CＲCD)
　　
　　集中度是用逐月降水量和径流量分别表征年内降水量和径流量集中程度，而集中期是反映一年中最大降水与径流出现时段的两个重要指标。它是分别将一年内各月的降水量与径流量看作向量，月降水量与径流量的大小为向量的长度，所处的月份为向量的方向。在计算年降水量与径流量的月平均值时，系用12 个月的月均值的再平均，当采用月为计算时段时，每个月的天数是不同的，因此，必须做一定程度的概化处理，即不考虑 2 月 28 天或 29 天，或者大月、小月，均视为同一个时段长，把一年 365 天看作一个圆周，分别以 1 月份降水量与径流量向量所在位置定为 0°，依次按 30°等差角度表示 2 月 －12 月份降水与径流量所在位置。然后分别把每个月的降水量与径流量分解为 X、Y 两个方向上的分量，则 X、Y 方向上的合成及各月降水量与径流量向量的合成总向量如下式:【公式】

　　
　　1． 2． 2 标准化( Z)为了消除年径流量、降水量单位和量纲差异的影响，用标准化曲线比较径流量和降水量的年内分配变化特征及其径流对降水的响应规律。【公式2】

　　式中: Xi为各月降水量或径流量，X珚 为多年月平均降水量或径流量均值，S 为多年月平均降水量或径流量方差。

　　2 结果与分析

　　2． 1 降水年内分配变化特征
　　
　　图 1 显示了开都河流域巴音布鲁克站 1960 － 2007 年多年平均和 5个年代的降水年内分配特征，其均呈单峰曲线。从多年平均降水量来看，年内降水主要集中在 5 －9 月份，这 5个月降水量占全年降水量的 88% 左右。降水量自春季 3 月开始增加，至夏季 7 月达到最大，占全年降水量的25% ，然后到秋季 9 月开始减小，至冬季降水量最小，仅占全年降水量的 4% 。降水年内分配的各个年代显示，各年代年内降水量也主要集中在 5 －9 月份，10 月至次年 4 月降水量所占的比重不大，同时最大降水量出现时间均在七月份，这与多年平均表现出了一致的规律。但各年代夏季降水量差异很大，80 年代与其他所有时段相比夏季降水量显着偏小，而 2000 －2007 年却显着偏大。除 80 年代夏季异常少雨外，夏季降水量随年代际变化呈不断增长趋势。【图1】

　　
　　从 1960 －2007 年的时间系列变化来看，降水集中度年际变化较大，最大值为 0． 80( 1991 年) ，最小值为 0． 41( 1980 年) ，极差达 0． 39，相当于最大年降水集中度的一半。并且降水集中度以 0． 01/10a 为线性倾向率呈缓慢下降趋势( 图 2a) 。就降水集中期而言，最大值为 221． 4°( 1984 年) ，最小值为 195． 3°( 1959年) ，二者出现的时间相差约 25 天左右。从 1960 －2007 年降水集中期变化趋势来看，其年际变化较平稳，但波动变化较大，并且以 0． 02°/10a 为线性倾向率呈微弱上升趋势 ( 图 2b) 。【图2】

　　
　　2． 2 径流年内分配变化特征
　　
　　大山口站 1960 － 2007 年多年平均和 5 个年代的径流年内分配特征都表现出了明显的" 单峰型" ( 图 3) 。就多年平均径流量而言，年内径流量主要集中在汛期5 －9 月份，这5 个月径流量占全年径流量的 65% 左右。由于高山冰雪融水的补给，4 月和 10 月的径流量所占的比重也比较大，分别占全年径流量的 8%和 6%。径流量自春季 3 月开始增加，至夏季 7 月达到最大，占全年径流量的 16%，然后到秋季 9 月开始减小，至冬季径流量最小，同时其径流量比较稳定。从径流年内分配的各个年代来看，各年代年内径流量也主要集中在 5 －9 月份，10 月至次年 4 月径流量也占有一定的比重。这与多年平均表现出了相似的规律。除 80 年代与其他所有时段相比夏季径流量显着偏小外，夏季径流量随年代际变化呈不断增长趋势。特别地，2000 －2007 年夏季径流量却显着偏大，年径流量显着增多、最大径流量出现时间推迟至八月份。这表明自 2000 年以来，径流年内分配特征发生了较大变化，这将加大了开都河流域水资源开发利用的难度。【图3】

　　从1960 －2007 年径流集中度的变化可以看出，其最大值为0． 46( 1987 年) ，最小值为0． 26( 1994 年) ，二者极差达 0． 20。同时径流集中度以 0． 01/10a 为线性倾向率呈缓慢下降趋势( 图 4a) 。就径流集中期而言，径流集中期最大值为224． 9°( 1975 年) ，而最小值为195． 3°( 1964 年) ，二者相差约11 天。而径流集中期年际变化趋势表现为年际变化比较平稳，并且以 0． 05°/10a 为线性倾向率呈微弱上升趋势 ( 图 4b) 。

　　
　　2． 3 降水与径流年内分配变化同步性分析
　　
　　图 5 给出了标准化处理后的 1960 －2007 年开都河流域降水集中度和径流集中度及其它们集中期的变化曲线。从图 5a 可以看出，降水集中度和径流集中度年际变化有着很好的同步性，两者的波动起伏对应关系良好，二者的峰谷值是否对应的同步率可达 65%。从某种程度上讲，径流与降水的年内集中程度基本保持同步的; 而图 5b 中的集中期同步性很差，从二者峰谷点可以看出，径流集中期出现了滞后于降水集中期现象，这主要是因为下垫面对降水的调蓄和滞留促使径流的集中期推迟了一定的时间，也对洪水的发生起到了一定的抑制作用。图 6 分析了标准化处理后的不同时段开都河流域降水和径流年内分配特征，从图中看出，不同年代冬季降水量与同期径流量变化是不同步的。而其它季节明显的看出径流量年内分配过程依赖于降水特征。除 2000 －2007 年外，其它年代降水与径流年内分配特征都大致相似，峰值都相应的出现在同一时间，它们都表现出了很强的同步性。而 2000 －2007 年却呈现出了径流峰值滞后降水峰值的现象。这说明了气候变化和下垫面等综合因素的影响使降水与径流年内分配具有了很大的不确定性。这将会加大开都河流域水资源的合理开发、利用和配置的难度，为未来水资源供需安全使用提出了严峻挑战。【图5】

　　
　　3 讨论

　　降水作为气候变化和水循环过程研究的一个重要因素，其降水量年内分布变化必然会引起以汛期降水补给为主的径流年内分配上的一些变化。文中研究发现不同年代降水年内分配中夏季降水量差异较大。其与王维霞等对开都河流域上下游降水季节变化研究结果是相同的; 且 2000 －2007 年径流量显着增多、最大径流量出现时间较其它时段有所推迟。这一结果表明开都河流域径流变化与陈亚宁等在对新疆水文水资源对气候变化的响应研究的结论是基本一致的; 降水和径流的集中度都有缓慢的下降趋势，而二者集中期有微弱的上升趋势。这说明降水和径流年内分配有逐年不断向均匀变化的趋势，同时降水与径流最大量出现时间有逐年缓慢向后推迟的变化趋势; 除冬季的年内其他季节，径流量分配过程主要依赖于降水量变化，降水和径流峰值表现出了很强的同步性。这也表明了降水是开都河主要径流补给源; 另外，研究发现不同年代冬季降水量与同期径流量变化是不同步的。这是由于冬季降雪不能即时融化补给径流，使径流处于枯水期而与降水表现出了不同步。

　　总之，由于开都河流域内具有较长时间系列的气象水文站点稀少，仅用具有较长时间系列的巴音布鲁克气象站的降水数据代表其流域的降水，这肯定会对结论带来一定的误差。所以今后应加强采用先进技术( 如 3S 技术) 获取流域降水资料，同时与实际站点进行耦合，提高流域降水分辨率，进一步选择更合适的量化指标和方法对径流年内分配变化及其对降水的响应进行深入的研究。

　　4 结论

　　( 1) 不同年代降水与径流年内分配各自具有明显的差异。80 年代夏季降水量与夏季径流量显着偏小，而 2000 －2007 年却显着偏大。除 80 年代夏季异常少雨少水外，夏季降水量和径流量随年代际变化呈不断增长趋势。同时 2000 －2007 年径流量显着增多、最大径流量出现时间较其它时段有所推迟。

　　( 2) 近 48 年来，降水和径流的集中度都有缓慢的下降趋势，两者的年际变化有很好的同步性; 降水和径流的集中期有微弱的上升趋势，但它们的同步性较差。这是由于下垫面对降水的调蓄和滞留的作用使径流集中期滞后于降水集中期。

　　( 3) 不同年代冬季降水量与同期径流量变化是不同步的; 而年内其他季节，除 2000 － 2007 年出现了径流峰值滞后于降水峰值外，其他时段降水与径流变化表现出了很强的同步性。
　　
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