渾河中上游近60年水文氣象要素變化特征及周期演變分析

劉 佳

(遼寧省沈陽(yáng)水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

長(zhǎng)系列水文氣象要素變化特性的分析對(duì)于區(qū)域水資源評(píng)估至關(guān)重要。當(dāng)前，對(duì)于區(qū)域水文要素變化特征研究的成果較多[1- 5]，但是對(duì)于水文氣象全要素變化特征的研究成果較少，渾河為遼寧省第二大河，水系眾多，水資源量較為豐富。而對(duì)渾河中上游水文氣象要素變化特征及其周期演變分析的成果還較少，為此本文結(jié)合渾河中上游近60年的水文氣象要素?cái)?shù)據(jù)，并結(jié)合趨勢(shì)檢驗(yàn)法[6- 7]以及周期分析方法[8- 9]對(duì)渾河中上游的水文氣象要素變化特征及其周期演變進(jìn)行分析。研究成果對(duì)于渾河中上游水資源評(píng)估和分析具有較高的參考價(jià)值。

1 研究方法

1.1 趨勢(shì)檢驗(yàn)方法

為對(duì)水文氣象要素特征變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，采用非線性趨勢(shì)檢驗(yàn)方法對(duì)水文變化特征進(jìn)行檢驗(yàn)，該方法假設(shè)時(shí)間數(shù)據(jù)序列(x1，x2，，xn)為獨(dú)立、隨機(jī)同變量分布的樣本序列，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量S計(jì)算方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—正態(tài)分布的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量；xi和xj—分別為同一樣本中不同分布的兩個(gè)系列，其中E(ck)=k(k-1)/4；σs—標(biāo)準(zhǔn)方差；sign—運(yùn)算符號(hào)；n—樣本的總個(gè)數(shù)；Z—檢驗(yàn)值，若Z>0，檢驗(yàn)的時(shí)間序列為上升變化趨勢(shì)，Z<0，檢驗(yàn)的時(shí)間序列為上下降變化趨勢(shì)；Z的絕對(duì)值大于或等于2.32、1.64、1.28，表示通過(guò)置信度分別為99%、95%以及90%的顯著性檢驗(yàn)水平。

1.2 周期分析方法

小波函數(shù)可定義為：設(shè)φ(t)為一平方可積函數(shù)，即φ(t)∈L2(R)，若其傅立葉變換ψ(ω)滿(mǎn)足容許條件：

(5)

則φ(t)稱(chēng)為一個(gè)基本小波或小波母函數(shù)，將小波函數(shù)φ(t)進(jìn)行伸縮和平移，得到連續(xù)小波：

(6)

對(duì)于任意函數(shù)f(t)∈L2(R)的連續(xù)小波變換為：

(7)

式中，a—尺度因子，τ—平移因子，Wf(a，τ)—小波系數(shù)。

2 研究成果

2.1 研究區(qū)域概括

渾河流域面積28260km2，河流長(zhǎng)度495km，河流平均比降0.420‰，多年平均年降水量742.3mm，多年平均年徑流深220.9mm，多年平均年蒸發(fā)量677～822mm，流域平均寬度為46.9km，河道彎曲系數(shù)為1.7，河流形狀系數(shù)為0.09，河網(wǎng)密度為0.3。本文選取渾河中上游的北口前及邢家窩棚2個(gè)控制站為研究站點(diǎn)，北口前水文站位于清原縣南口前鎮(zhèn)北口前村，位于渾河干流，距離大伙房水庫(kù)壩址64km。水文站以上集水面積1832km2，是大伙房水庫(kù)主要入庫(kù)站。邢家窩棚水文站是渾河中游重要的控制站。站址位于遼陽(yáng)縣唐馬寨鎮(zhèn)劉坨子村。該站距渾河河口57km，距上游黃臘坨水文站58km，集水面積11090km2。邢家窩棚水文站至黃臘坨水文站區(qū)間有支流蒲河由渾河右岸匯入渾河。

2.2 變化趨勢(shì)特征

2.2.1 年變化趨勢(shì)特征分析

結(jié)合渾河中上游主要的兩個(gè)控制站北口前及邢家窩棚水文站近60年的徑流量以及降水量，對(duì)2個(gè)主要控制站的年徑流和年降水進(jìn)行變化趨勢(shì)的分析，分析成果如圖1、2所示。

從圖1、2中可看出，渾河上游北口前站年徑流呈現(xiàn)一定上升趨勢(shì)外，中游年徑流變化較為平穩(wěn)，中游邢家窩棚站的年徑流明顯高于上游徑流量，中游年徑流量均值為上游徑流量均值的4倍。渾河中上游年降水變化趨勢(shì)波動(dòng)性較低，可見(jiàn)渾河上游氣候變化較小。

2.2.2 季節(jié)變化趨勢(shì)特征分析

對(duì)2個(gè)主要控制站的徑流和降水進(jìn)行季節(jié)變化趨勢(shì)的分析，分析成果如圖3、4所示。并對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行了檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

從圖3中可看出，渾河中游邢家窩棚站冬季降水量較其他季節(jié)變化趨勢(shì)的顯著性最高，總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，平均+4mm/a，其他季節(jié)變化趨勢(shì)性較弱，上游北口前站各季節(jié)降水變化較為平穩(wěn)，波動(dòng)幅度不高。圖4直觀的反映渾河中上游徑流的季節(jié)變化特征，渾河中游邢家窩棚站春季受灌溉補(bǔ)水影響，具有上升趨勢(shì)，而冬季徑流上升趨勢(shì)的主因在于冬季降水量的增加，上游北口前站的徑流季節(jié)變化特征較為平穩(wěn)。從表1中可看出，渾河中游邢家窩棚站冬季徑流和降水的趨勢(shì)變化通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)，呈現(xiàn)較為顯著的上升趨勢(shì)，而其他季節(jié)渾河中上游的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值均為通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)。

圖1 兩個(gè)站點(diǎn)年徑流變化

圖3 渾河中上游降水季節(jié)變化特征

圖4 渾河中上游徑流季節(jié)變化特征

站名徑流量降水量春夏秋冬春夏秋冬北口前0.00210.00340.0260.0750.04210.00230.0034-0.0054邢家窩棚1.0210.00030.00051.4250.06250.0313-0.23451.315

2.3 周期變化特征

結(jié)合周期分析方法，對(duì)渾河中上游近60年的水文氣象要素的周期性進(jìn)行變化分析，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 渾河中上游降水周期變化特征

圖6 渾河中上游徑流周期變化特征

從圖5中可以看出，渾河中上游邢家窩棚站和北口前站的降水周期性變化較為一致，存在10～20年的變化周期，而從圖6中可看出，渾河中上游邢家窩棚站和北口前站的徑流周期性變化也較為一致，存在5～10年的變化周期，徑流變化周期較短，而降水變化周期較長(zhǎng)，徑流變化周期較短的主因是受水利工程措施的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)渾河中上游水文氣象要素總體變化較為平穩(wěn)，突變特征減弱。

(2)渾河中游受春季灌溉補(bǔ)水措施影響，在降水未明顯變化下，徑流上升趨勢(shì)較為明顯，而冬季受氣候變化影響，降水量增加，也直接導(dǎo)致冬季渾河中游徑流量的上升。

(3)受渾河中上游水利工程措施影響，中上游徑流變化周期較短。