涼水河子站年徑流變化趨勢及突變分析

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

1 概 況

涼水河子河位于遼寧省西部的北票地區(qū)，是大凌河流域一級支流，由西官營子河和東官營子河兩條河交匯而成，全長44km，流域面積731km2。涼水河子河在北票市涼水河鄉(xiāng)雙樓村注入大凌河。該區(qū)徑流主要補(bǔ)給源為大氣降水、冰雪融水等。

涼水河水文站位于涼水河子河入大凌河匯合處7km處，該站建于1960年4月，2001年1月由原站址上遷3.5km處。涼水河子站徑流年際變化很大、豐枯懸殊。徑流年內(nèi)分配極不均勻，每年6—9月為汛期，汛期徑流占年徑流量的69.4%；10月至次年5月為枯水期，期間徑流量僅占30.6%。

本文選取涼水河子站1960—2012年的實(shí)測徑流資料，對徑流的年際變化進(jìn)行趨勢分析及預(yù)測，為該流域的防洪、抗旱及水資源開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料選取與研究方法

本次分析選取涼水河子站1960—2012年的實(shí)測徑流資料，采用線性趨勢、矩平、變差系數(shù)等對徑流的年際變化特征進(jìn)行分析，運(yùn)用滑動平均法、累積濾波器法、Mann-Kendall分析法對分析徑流的趨勢變化特征及突變特征進(jìn)行分析，結(jié)合Mann-Kendall法和R/S分析法對徑流持續(xù)性進(jìn)行預(yù)測。

3 結(jié)果分析

3.1 徑流年際變化特征

影響徑流的因素很復(fù)雜，徑流不僅受降水量年際變化的影響，同時也受河流所處的地理位置、地形地貌、人為因素等影響。涼水河子站多年平均年徑流量為3767萬m3, 徑流年際變化很大、豐枯懸殊，涼水河子站最大年徑流量11306萬m3(1963年)，最小年徑流量1035萬m3(2012年)，年際極值比為10.9，年徑流變差系數(shù)Cv為0.66。

涼水河子站1960—2012年間，從距平曲線上看，有16年年徑流量高于平均值(見圖1)，其中有5年發(fā)生大洪水；其余的37年年徑流量低于平均值，偏枯年占70%，說明這53年中主要是以枯水年為主。

圖1 涼水河子站年徑流距平

3.2 徑流趨勢分析

根據(jù)涼水河子站年徑流資料做出徑流變化曲線，如圖2。

采用線性趨勢法，對涼水河子站年徑流變化曲線做線性趨勢分析，線性趨勢法假定徑流序列以恒定速率增加或減少。從圖2線性趨勢看出，涼水河子河徑流整體呈下降趨勢，以80.537萬m3/a在下降。

圖2 涼水河子站徑流變化及其滑動平均曲線

運(yùn)用滑動平均法繪制滑動平均曲線，選取5年作為滑動周期。經(jīng)過滑動平均后，序列中短于滑動長度的周期被削弱，體現(xiàn)出變化趨勢來[1]。從5年滑動平均曲線可以看出：?1960—1965年呈上升趨勢；?1966—1991年呈明顯的下降趨勢，下降趨勢持續(xù)26年之久，這26年間，只有8年徑流量高于平均值(見圖1)；?1992—1996年呈上升趨勢，其間，1994年發(fā)生了一場大洪水，致使出現(xiàn)了短暫的上升趨勢；?1997—2003年呈現(xiàn)下降趨勢；?2004-2007年呈較平緩的上升趨勢；?2008年以后又呈現(xiàn)出下降趨勢。從滑動平均曲線上看，總體上上升趨勢時長較短，下降趨勢持續(xù)時間較長。

累積濾波器法能充分反映時間序列定性的變化趨勢[2-3]，運(yùn)用累積濾波器法繪制涼水河子站徑流累積平均曲線(見圖3)，涼水河子站徑流量整體上呈現(xiàn)下降趨勢，1960—1965年呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，1966—1992年呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，1993年以后呈現(xiàn)比較平緩的下降趨勢。

圖3 涼水河子站年徑流量累積平均曲線

通過Mann-Kendall趨勢分析法[4]，計(jì)算U值，經(jīng)計(jì)算，U=-4.41，說明涼水河子站徑流系列呈下降趨勢，且U>U0.05/2=1.96，表明徑流序列下降趨勢變化顯著。

3.3 突變分析

Mann-Kendall(簡稱“M-K”)突變檢驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)是不需要觀測值服從一定的分布，也不受個別異常值的干擾，計(jì)算簡便。M-K檢驗(yàn)法以實(shí)用范圍廣、人為影響少、定量化程度高而廣泛應(yīng)用于流域年徑流序列突變點(diǎn)檢驗(yàn)[5]。

圖4 涼水河子站年徑流序列M-K趨勢變化分析

采用M-K突變檢驗(yàn)法，繪制涼水河子站年徑流序列M-K趨勢變化分析圖(見圖4)。由圖4可看出：1960—1966年，UFk>0，說明徑流呈上升趨勢；1967年以后，除了1968年UFk>0，其余年份UFk均小于0，說明這區(qū)間徑流整體呈現(xiàn)下降趨勢。UFk和UBk曲線在1960—2012年有3個交點(diǎn):其中1975年發(fā)生下降的突變，并且1975年以后超過臨界范圍，達(dá)到突變程度，即1975年為下降突變點(diǎn)，1993年和1995年，存在上升的突變點(diǎn)，即1993—1995年徑流量呈短暫的上升趨勢，但上升趨勢沒有達(dá)到突變的程度。

3.4 年徑流持續(xù)性分析

R/S( Re-scaled Range )是一種時間序列統(tǒng)計(jì)法[6]。利用R/S分析法可以計(jì)算得Hrust指數(shù)H，該指數(shù)可以反映具有統(tǒng)計(jì)特性的非線性數(shù)據(jù)系列的持續(xù)性，同樣適用于水文徑流序列。通過Hurst 指數(shù)，可判定徑流時序的狀態(tài)持續(xù)性及其記憶長度[7]。

R/S分析法從定性的角度揭示未來的變化特征，但無法揭示出未來的趨勢特征是上升還是下降，所以，綜合M-K法揭示序列的趨勢特征, 最后由兩個統(tǒng)計(jì)量綜合就可以得出未來的趨勢特征。

因此只要對序列用M-K法分析其趨勢特征，再由Hurst指數(shù)所揭示的持續(xù)性或反持續(xù)性特征就能說明未來趨勢特征[8]。水文時間序列未來的趨勢特征見下表。

水文時間序列未來的趨勢特征表

利用R/S方法對涼水河子站1960—2012年徑流量序列進(jìn)行計(jì)算，繪制lgT-lg(R/S)圖，見圖5。從圖5中可以看出，Hurst系數(shù)即斜率為0.725。Hurst系數(shù)大于0.5，說明年徑流序列具有持續(xù)性，即下一個狀態(tài)將持續(xù)上一個狀態(tài)的態(tài)勢，結(jié)合M-K法趨勢方程計(jì)算得到的U=-4.41，根據(jù)上表可以得到，涼水河子站2012年以后的一定時間內(nèi)徑流總體上會呈現(xiàn)顯著的下降趨勢。

圖5 涼水河子站徑流量R/S分析結(jié)果

4 結(jié) 論

本文基于線性趨勢法、滑動平均法、累積濾波器法、M-K趨勢法對涼水河子站年徑流趨勢變化進(jìn)行分析，得出一致的結(jié)論：涼水河子河徑流整體呈下降趨勢，且下降趨勢顯著；并結(jié)合R/S法和M-K法對徑流的趨勢進(jìn)行預(yù)測，涼水河子站2012年以后的一定時間內(nèi)徑流總體上會呈現(xiàn)顯著的下降趨勢。

徑流的變化特征和未來趨勢是水文水資源研究中的重要內(nèi)容，通過對涼水河子站的徑流分析，可以為涼水河子河流域的防洪抗旱提供科學(xué)依據(jù)，從而為城市用水、水資源合理利用提供參考。

[1] 代俊峰,張學(xué)洪,王敦球.北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)入海河流徑流變化分析[J].水電能源科學(xué),2011,29(2):4-6.

[2] 李永坤,薛聯(lián)青,丁曉潔,等.塔里木河流域上游徑流變化特征分析[J].水電能源科學(xué),2011,29(7):10-12.

[3] 肖鵬嵩,代俊峰,王娜.廣西降雨量變化趨勢分析[J].節(jié)水灌溉2013(2):38-40.

[4] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測技術(shù)[M].北京:氣象出版社,2007.

[5] 羅蔚,張翔,鄒大勝,等.鄱陽湖流域撫河徑流特征及變化趨勢分析[J].水文,2012,32(3):75-82.

[6] 燕愛玲,黃強(qiáng),劉招,等.R/S法的徑流時序復(fù)雜特性研究[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào),2007,25(2):215-217.

[7] 姜洋,盛曉丹,孫雷.基于Mann-Kendall和R/S的大伙房水庫年徑流量變化分析[J].東北水利水電,2015,33(3):31-37.

[8] 于延勝,陳興偉.R/S和Mann-Kendall法綜合分析水文[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2008,19(3):41-44.