孤山川流域水沙變化情況分析

劉建軍，趙麗霞，田文君，邢小麗

孤山川流域水沙變化情況分析

劉建軍，趙麗霞，田文君，邢小麗

（黃河水利委員會水文局，河南鄭州450004）

選擇高石崖站作為孤山川流域代表站，采用年降雨量、年徑流量和年輸沙量序列資料，用滑動分析法分析序列的變化趨勢，用傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計法檢驗序列的一致性，用滑動t檢驗、有序聚類法和Mann-Kendall檢驗法分析序列突變情況。結果表明：高石崖站年徑流量、年輸沙量序列發(fā)生了非一致性變異，突變年份為1996年，下墊面變化是孤山川流域水沙變化的主要原因。

孤山川流域；水文資料；非一致性；突變

孤山川是黃河中游府谷站到吳堡站區(qū)間右岸的一級支流，流經(jīng)內(nèi)蒙、陜西兩省，在府谷站附近匯入黃河，流域面積1 263 km2。流域內(nèi)90%以上地區(qū)為黃土，土層厚，植被少，侵蝕嚴重，為典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。20世紀90年代以來，為了防止水土流失，流域內(nèi)開展了大規(guī)模的退耕還林還草、植樹造林、興修淤地壩、梯田等水土保持工作，減少了孤山川流域入黃水沙量。

1 水文資料

高石崖站為孤山川流域入黃控制站，選用該站1954—2016年的年降雨量、年徑流量、年輸沙量資料序列來分析孤山川流域水沙變化情況。

高石崖站年降雨量、年徑流量滑動平滑曲線圖見圖1。圖1（a）顯示年降雨量無明顯的變化趨勢，5年平均值圍繞多年平均值437 mm上下波動；圖1（b）顯示年徑流量呈現(xiàn)明顯減少的趨勢，徑流量在1958，1966，1976年達到最大，并從1976年開始有明顯的下降趨勢，5年平均值從1968年的1.258×108m3降至2008年 0.145×108m3，降幅較大；高石崖站年輸沙量同年徑流量相關性較好，亦呈現(xiàn)顯著減少的趨勢，輸沙量在1959，1967，1977年達到最大，并從1977年開始明顯下降，5年均值從1969年 3 722×104t降至2016年 7.743×104t。初步判斷，高石崖站年徑流量和年輸沙量資料序列發(fā)生了非一致性變異，年降雨量序列一致性較好。

圖1 （a）高石崖站年降雨量滑動平滑曲線圖

圖1 （b）高石崖站年徑流量滑動平滑曲線圖

2 研究方法

2.1 資料序列一致性分析

傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計方法主要從樣本序列的持續(xù)性、趨勢性和周期性3個方面進行檢驗。其中，用序列自相關系數(shù)和序列秩號相關系數(shù)法進行持續(xù)性檢驗；用秩號和序號相關檢驗法進行趨勢性檢驗；采用游程和轉(zhuǎn)折點檢驗法進行周期性檢驗，上述6種計算方法參見文獻［6，7］。

2.2 非一致性資料序列突變點分析

滑動t檢驗法是將原序列劃分為n1，n2兩個子序列，通過對比兩子序列的均值來檢驗原序列是否發(fā)生突變；有序聚類分析法認為同類間的離差平方和最小，不同類間的最大，以此找到整體序列的最優(yōu)分割點，此時突變點為方差突變；Mann-Kendall檢驗法適用于各要素的時間序列變化，且不受異常點的影響，具有量化度高、人為性小的特點，能檢驗出均值突變和方差突變，上述3種方法的具體計算過程參見文獻［8－10］。

3 結果分析

3.1 一致性分析

采用傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計方法對高石崖站1954—2016年降雨量、年徑流量和年輸沙量序列進行分析，計算結果見表1。

表1 高石崖站資料序列隨機特性檢驗一覽表

表1的檢驗結果顯示，高石崖站年降雨量序列的各項均通過檢驗，年徑流量序列和年輸沙量序列均未通過。由此結果可以認為：高石崖水文站的年降雨量資料序列一致性較好，而徑流量和年輸沙量資料序列一致性較差，不能作為獨立的隨機樣本，需要對資料序列進行一致性分析處理。

3.2 突變點分析

3.2.1 滑動t檢驗

滑動t檢驗法采用顯著性水平信度值t0.05=3.2，高石崖站滑動t檢驗結果見圖2。圖2（a）顯示年徑流量t值在1966—2006年間均超出信度值，其中1979，1989，1996年為t統(tǒng)計量極大值；圖2（b）顯示年輸沙量t值在1971—2005年間（1976年除外）均超出信度值，1979，1989，1996年為t統(tǒng)計量極大值。由此說明1979，1989，1996年份可能是高石崖站1954—2016年徑流量和年輸沙量序列的均值突變年份。

圖2 （a）高石崖站年徑流量序列滑動t檢驗結果

圖2 （b）高石崖站年輸沙量序列滑動t檢驗結果

3.2.2 有序聚類分析

高石崖站年徑流量、年輸沙量的有序聚類法檢驗結果見圖3，圖3（a）和圖3（b）顯示兩序列的離差平方和Sn曲線均在1979年最低，在1989，1996年出現(xiàn)極小值，由此說明1979，1989，1996年份可能是年徑流量和年輸沙量序列的方差突變年份。

圖3 （a）高石崖站年徑流量序列有序聚類法檢驗

圖3 （b）高石崖站年輸沙量序列有序聚類法檢驗

3.2.3 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall檢驗法采用UF(k)和UB(k)的置信度為U0.05=±1.96，高石崖站Mann-Kendall檢驗結果見圖4。圖4（a）顯示年徑流量的UF(k)和UB(k)兩曲線都交于1996年，由此說明1996年份可能是高石崖站年徑流量和年輸沙量序列的均值和方差突變年份。

圖4 （a）高石崖站年徑流量序列Mann-Kendall檢驗

圖4 （b）高石崖站年輸沙量序列Mann-Kendall檢驗

綜合上述3種分析結果，可以確定1996年是高石崖站年徑流量和年輸沙量序列的突變年份。

3.2.4 資料序列劃分

將高石崖站年徑流量和年輸沙量資料序列初步劃分為1954—1996和1997—2016兩個系列，按照3.1采用傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計方法對這兩系列年徑流量和年輸沙量資料進行一致性分析。其中，只有年輸沙量秩號-序號相關檢驗計算值為3.35，未通過檢驗，其他均通過，因此可判定兩段資料系列一致性較好，可以作為獨立的隨機樣本使用。2個系列均值和方差對比見表2。

表2 高石崖站年徑流量、年輸沙量資料序列突變前后系列均值和方差對比表

4 結論

1）孤山川流域水沙特性發(fā)生了明顯變化，降水基本穩(wěn)定，降水對水沙量變化的影響不顯著。

2）高石崖站年徑流量、年輸沙量序列發(fā)生了非一致性變異，突變點年份為1996年，資料序列劃分為兩個系列，1997—2016系列年徑流量、輸沙量多年均值較1984—1996系列年減少幅度達78%、91%。

3）20世紀90年代以來，孤山川流域進行了大規(guī)模的人類改造活動，例如修建水庫、各種淤地壩、蓄水水窖等水利工程建設，以及植樹造林、退耕還林等水土保持措施，取得了明顯效果，流域下墊面發(fā)生了變化，下墊面變化是孤山川流域水沙變化的主要原因。

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P333.5 < class="emphasis_bold"> ［文獻標識碼］B

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1002—0624（2017）12—0028—03

2017-09-03