松溪河流域泉口水文站徑流特征分析

牛秀嶺

（山西水務(wù)口上水庫開發(fā)建設(shè)管理有限公司，山西 太原 030002）

松溪河流域泉口水文站徑流特征分析

牛秀嶺

（山西水務(wù)口上水庫開發(fā)建設(shè)管理有限公司，山西 太原 030002）

泉口水文站是松溪河干流出省的控制站，其徑流變化特征的揭示對(duì)于流域水資源管理具有重要意義。采用馬爾可夫鏈分析法、Mann-kendall趨勢(shì)分析法和重標(biāo)方差等方法分別對(duì)泉口站1965～2015年共51年的年徑流序列進(jìn)行分析。結(jié)果表明，泉口水文站年徑流年內(nèi)分配分明，豐枯變化劇烈，沒有發(fā)生突變，其變化呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)且該狀態(tài)在將來一段時(shí)間內(nèi)將持續(xù)。

松溪河流域；徑流特征；開發(fā)利用；泉口水文站

1 流域概況

松溪河為甘陶河的主源，冶河的支流。發(fā)源于晉中市和順縣李陽鄉(xiāng)南山村附近，從楊家坡進(jìn)入昔陽縣境內(nèi)，由南向北至縣城有城西河匯入，轉(zhuǎn)向東北至南界都村有趙壁河匯入，以下又有楊趙河、刀把口河匯入，于王寨村北流出山西省入河北省井陘縣后稱甘陶河，與綿河匯合以后稱冶河，松溪河干流山西境內(nèi)全長(zhǎng)96.7 km，流域面積2 352 km2，河道縱坡為6.5‰。昔陽縣境內(nèi)主河道長(zhǎng)73.5km，流域面積1 489 km2。河道縱坡上急下緩，郭莊水庫以上坡度13.6‰，郭莊水庫至縣城11.6‰，縣城至南界都為5.29‰，南界都至王寨為6.15‰～6.17‰，河道為蜿蜒型[1]。利用松溪河流域泉口水文站1965～2015年的年、月徑流資料，對(duì)泉口站的徑流年內(nèi)分配、豐枯變化趨勢(shì)突變和持續(xù)性特征進(jìn)行了研究，為松溪河流域的水利開發(fā)建設(shè)和區(qū)域水資源優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)。

2 徑流的年內(nèi)分配

松溪河流域?qū)儆诟珊蛋敫珊档貐^(qū)，由于氣候、地勢(shì)地形的影響，松溪河流域徑流年內(nèi)分配特征呈現(xiàn)非均勻性特征。從泉口站多年平均降水量的年內(nèi)分配可以看出，泉口站徑流量年內(nèi)分配分明，汛枯期徑流差異較大，徑流量隨季節(jié)而不同。夏季徑流量最多，占全年51.28%；冬季徑流量較小，只占全年的13.01%。最小徑流量出現(xiàn)在12月至次年1月份，最大出現(xiàn)在6月份，5月以后徑流量明顯增大，7～9月份的變幅最大。

3 豐枯分析

徑流的豐枯變化規(guī)律對(duì)于科學(xué)合理的水利水能規(guī)劃具有重要的影響，常用的豐枯分析研究方法為馬爾可夫鏈分析法[2]。馬爾可夫鏈分析法首要的是確定豐枯評(píng)價(jià)的指標(biāo)，其中豐枯評(píng)價(jià)的指標(biāo)不同其結(jié)果也不同，依據(jù)《水文水情預(yù)報(bào)規(guī)范》（SL250-2000）中規(guī)定的豐枯情況的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，即按距平百分率P表示徑流的豐枯，將徑流分為5個(gè)不同的級(jí)別：P＞20%為豐水；10%＜P≤20%為偏豐；-10%＜P≤10%為平水；-20%＜P≤-10%為偏枯；P＜-20%為枯水。通過對(duì)泉口站1965—2015年徑流量豐枯分析，可以看出泉口站51年的年徑流序列中，豐水年、平水年和枯水年分別發(fā)生了17次、4次和30次，其占所有年份比例分別為33%、7.8%和58.8%，說明泉口站年徑流量主要以枯水年為主；其次在枯水年份里，連續(xù)枯水的年份占到16年，缺水水文情勢(shì)較為嚴(yán)重。詳見表1，表2。

4 趨勢(shì)及突變分析

趨勢(shì)突變分析中，公認(rèn)的方法為世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法Mann-Kendall檢驗(yàn)法。Mann-Kendall檢驗(yàn)不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，其原理如下[3]：

設(shè)（x1，x2，…xn）為n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本；取k，j≤n，且k≠j，而xh和xj的分布是不相同的，構(gòu)建均值為0，方差Var（s）=n（n-1）（2n+5）/18的檢驗(yàn)的正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)變量S：

其中，

表1 泉口站年徑流量豐枯分析

表2 泉口站豐、枯水年統(tǒng)計(jì)分析表

其中當(dāng)n＞10時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量通過下式計(jì)算：

式中1≤j

定義統(tǒng)計(jì)變量：

UF值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)；小于0則表明呈下降趨勢(shì)；超過臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。如果UF和UB曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界直線之間，則發(fā)生突變。

圖1 泉口站年徑流趨勢(shì)分析

5 持續(xù)性分析

由圖1、2可知，Mann-Kendall方法主要用以揭示現(xiàn)存序列的上升或下降趨勢(shì)特征，而無法對(duì)序列未來的趨勢(shì)特征進(jìn)行表征，即這種不明顯的下降趨勢(shì)是繼續(xù)保持還是發(fā)生改變。分形理論依據(jù)序列具有自相似的特征能夠很好地對(duì)序列的長(zhǎng)期持續(xù)性進(jìn)行表征，廣泛地應(yīng)用到數(shù)學(xué)、股票和社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域[4，5]。其中V/S作為一種新的時(shí)間序列長(zhǎng)記憶性分析方法，以期不受短期記憶性影響、計(jì)算穩(wěn)定而受到諸多學(xué)者重視，將Mann-Kendall方法和V/S結(jié)合能夠很好地對(duì)泉口站的年徑流序列未來趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

設(shè)年徑流序列為{xt；|t=1，2，…，n}，V/S非參數(shù)統(tǒng)計(jì)量如下：

圖2 泉口站年徑流突變分析

通過繪制n與（V/S）n的logn～log（V/S）n散點(diǎn)圖，線性回歸估計(jì)直線的斜率，斜率的1/2即為Hurst指數(shù)，用H表示。如果0.5

通過對(duì)38年年徑流序列進(jìn)行V/S計(jì)算，線性回歸方程為y=0.946 2x-1.924 9，故H=0.47＜0.5，說明序列具有負(fù)的持續(xù)性，結(jié)合之前MK分析結(jié)果可知，在未來一定的時(shí)間之內(nèi)，序列不明顯的下降趨勢(shì)將有一定的減緩。

6 結(jié)論

第一，泉口站徑流量年內(nèi)分配分明，汛枯期徑流差異較大，最大出現(xiàn)在6月份，6～8三月的變幅最大。夏季最多，占全年50.21%；冬季徑流量較小，只占全年的13.03%。

第二，泉口站豐枯分析表明，泉口站年徑流量變化主要以枯水年為主，其比例占到所有年份的6成左右，而且連續(xù)枯水年的比例較大，給水利水能科學(xué)管理帶來不便。

第三，泉口站年徑流序列趨勢(shì)突變分析表明，序列在顯著性水平α=0.05的情況下呈現(xiàn)不明顯的下降趨勢(shì)，且該趨勢(shì)在未來一定的時(shí)間內(nèi)將發(fā)生改變，沒有發(fā)生突變。

[1]李英明，潘軍峰.山西河流[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[2] 張少文，張學(xué)成，王玲，等.黃河天然年徑流長(zhǎng)期豐枯狀態(tài)變化特性研究[J].人民黃河，2005，05:9-10+46-63.

[3] 徐宗學(xué)，張楠.黃河流域近50年降水變化趨勢(shì)分析[J].地理研究，2006，01:27-34.

[4] 孫東永，暢建霞，黃強(qiáng)，等.V/S和Mann-Kendall相結(jié)合的方法在洪澇災(zāi)情分析中的應(yīng)用[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，04:230-234.

[5] 何興強(qiáng)，李仲飛.上證股市收益的長(zhǎng)期記憶:基于V/S的經(jīng)驗(yàn)分析[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2006，12:47-54.

TV121

C

1004-7042（2017）06-0012-03

牛秀嶺（1981-），男，2008年畢業(yè)于太原理工大學(xué)水文學(xué)及水資源專業(yè)，工程師。

2017-04-03；

2017-05-15