變化環(huán)境下巖溶區(qū)流域徑流變化特征研究

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(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004)

0 引言

在全球氣候變化和人類活動(dòng)不斷加劇的大背景下，我國水文循環(huán)過程發(fā)生了明顯變化[1-3]，給流域水資源開發(fā)利用、管理以及水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)帶來一系列影響[4]。因此，變化環(huán)境下流域徑流變化特征研究成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[5]，如李永坤等采用累積濾波器和小波分析等方法分析了氣候變化背景下塔里木河上游的徑流變化特征，發(fā)現(xiàn)年徑流量呈現(xiàn)微弱下降趨勢[6]；王德芳等利用M-K、小波分析、集中度和集中期等方法研究了變化環(huán)境下渾河流域徑流變化特征，發(fā)現(xiàn)渾河徑流量的年際和年內(nèi)變化有助于發(fā)展流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)和保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康[7]；李永格等運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對曹家湖流域年徑流變化特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明受季節(jié)變化的影響，年徑流深表現(xiàn)出減小的態(tài)勢[8]；王萬瑞等采用多種時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)方法對洮河流域徑流時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)各站點(diǎn)徑流變化規(guī)律一致，均呈現(xiàn)顯著減少趨勢，且年內(nèi)分配不均勻性較大[9]。目前，非巖溶區(qū)流域徑流方面的相關(guān)研究已較為深入，但巖溶區(qū)流域徑流變化特征方面卻鮮有研究，巖溶區(qū)流域獨(dú)特的地形地貌使得其水文特性與非巖溶地區(qū)相比更加復(fù)雜，在巖溶地區(qū)，下墊面條件的不同，常出現(xiàn)明流與暗流相互交替、地表水和地下水頻繁轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，由于地上地下雙重空間結(jié)構(gòu)的影響，使得巖溶區(qū)流域產(chǎn)匯流與非巖溶區(qū)差異較大。

本文基于巖溶區(qū)流域—平塘站1963-2014年徑流資料，采用線性趨勢法、滑動(dòng)平均法、累積濾波器法、滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)法、Mann-Whitney-Pettitt(MWP)檢驗(yàn)法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)法、Morlet小波分析法和R/S分析法研究年徑流深、雨季徑流深和枯季徑流深的趨勢、突變和周期變化特征以及未來變化趨勢，以期為巖溶區(qū)流域水資源綜合規(guī)劃、合理開發(fā)與高效管理提供一定的科學(xué)參考，同時(shí)也為巖溶區(qū)流域徑流的短期預(yù)測提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

圖1 澄碧河流域位置及水文氣象站點(diǎn)分布 Fig.1 Location of hydro-meteorological stations and the reaches of Chengbihe River watershed

澄碧河流域總面積為2 087 km2，干流河長127 km，河道比降3.87‰，總落差491 m，水庫壩址以上集雨面積2 000 km2，具有多年調(diào)節(jié)性能。流域地勢西北高而東南低，平均海拔高程650 m。澄碧河流域?qū)儆诘湫偷闹袊髂蠋r溶地貌，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，光熱充沛，雨熱同季，夏長冬短，流域常年平均氣溫為22.1 ℃，極端高和極端低氣溫分別為42.5 ℃和-2.0 ℃，多年平均降水量1 560 mm，汛期(4～10月)降水量約占全年降水量的87 %。多年平均流量約為37.8 m3/s，多年平均徑流量11.92億m3，徑流年際變化較大。平塘站是流域內(nèi)主要的水文站，位于東經(jīng)106.64°、北緯24.09°，集水面積1 326 km2，記錄有1963年至2014年共52年逐日流量資料，該數(shù)據(jù)資料完整且可靠，對巖溶區(qū)流域徑流變化研究具有良好的代表性(見圖1)。

2 研究方法

文中采用線性趨勢法[10]、滑動(dòng)平均法[11]和累積濾波器法[12]分析巖溶區(qū)流域—平塘站年徑流深、雨季徑流深和枯季徑流深時(shí)間序列的趨勢性變化；通過滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)法[13]、Mann-Whitney-Pettitt(MWP)檢驗(yàn)法[14]和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法[15]確定年徑流深、雨季徑流深和枯季徑流深序列的突變位置；應(yīng)用Morlet小波分析法[16-18]分析年徑流深、雨季徑流深和枯季徑流深多時(shí)間尺度的周期性；最后，基于R/S分析法[19-20]預(yù)測年徑流深、雨季徑流深和枯季徑流深時(shí)間序列的未來變化趨勢。研究中利用Excel、SPSS 和MATLAB 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，以揭示澄碧河流域徑流的演變規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 趨勢特征

結(jié)合1963年至2014年澄碧河流域平塘站年徑流深序列、線性擬合及5年滑動(dòng)平均曲線(見圖2(a))，可以看出，近52 a來平塘站年徑流深在393.3～1 379.7 mm之間變化，其中，多年平均徑流深為845.9 mm，年最大徑流深為1 379.7 mm，出現(xiàn)在1968年，年最小徑流深為393.3 mm，出現(xiàn)在2011年，年徑流深最大值是多年徑流深平均值的1.63倍，是最小年徑流深的3.51倍。52 a來年徑流深整體呈減少趨勢，傾向率為每10 a減少16.94 mm，52 a間減少了88.1 mm，年徑流深減少比較顯著。

基于平塘水文站的年徑流資料，繪制累積濾波曲線(見圖2(b))。結(jié)合累積均值曲線可知，1969年至1977年呈現(xiàn)急劇下降趨勢，在1978年至1992年緩慢下降，年徑流深呈減小趨勢，1993年至1997年緩慢抬升，年徑流深稍有增加，在1998年以后，累積均值呈現(xiàn)減小趨勢，這表明年徑流深將繼續(xù)呈減小趨勢。累積均值曲線的整體趨勢契合年徑流的線性擬合和滑動(dòng)平均變化趨勢。

(a) 年徑流深變化過程線

(b) 年徑流深累積濾波器曲線

圖2 平塘站年徑流深變化過程線(a)和累積濾波器曲線(b)
Fig.2 Annual runoff depth variation curve and cumulative filter curve of Pingtang Station

由圖3(a)知，平塘站雨季(4月份至10月份)徑流深呈減少趨勢，氣候傾向率為每10 a減少20.8 mm，52 a減少了108.2 mm；枯季(11月份至次年3月份)徑流深呈增長趨勢，氣候傾向率為3.86 mm/(10a)，52 a增加了20.1 mm(見圖3(b))。結(jié)合累積均值曲線可知，平塘站雨季徑流深符合年徑流深的減少規(guī)律，枯季徑流深呈現(xiàn)先微弱減少后增加的趨勢(見圖4(a)和(b))。

(a) 雨季徑流深變化過程線

(b) 雨季徑流深累積濾波器曲線

圖3 平塘站雨季徑流深變化過程線(a)和累積濾波器曲線(b)
Fig.3 Runoff depth of rainy season variation curve and cumulative filter curve of Pingtang Station

(a) 柘季徑流深變化過程線

(b) 枯季徑流深累積濾波器曲線

圖4 平塘站枯季徑流深變化過程線(a)和累積濾波器曲線(b)
Fig.4 Runoff depth of dry season variation curve and cumulative filter curve of Pingtang Station

3.2 突變特征

鑒于突變點(diǎn)檢驗(yàn)的特殊性和復(fù)雜性，文中采用滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)法、MWP檢驗(yàn)法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對澄碧河流域平塘站年徑流深序列、雨季徑流深序列和枯季徑流深序列進(jìn)行突變點(diǎn)的檢測。

由圖5可知，滑動(dòng)秩和、MWP和滑動(dòng)t檢測結(jié)果均顯示平塘站年徑流深在1998年發(fā)生突變(見圖(a)、(b)和(c))；雨季突變點(diǎn)的識(shí)別結(jié)果顯示，滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值在2013年達(dá)到最大值，MWP和滑動(dòng)t檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值表明，序列在2008年發(fā)生突變，由于序列長度只到2014年，因此可確定平塘站雨季徑流深序列在2008年前后發(fā)生突變(見圖(d)、(e)和(f))；枯季突變點(diǎn)的識(shí)別結(jié)果顯示，平塘站枯季徑流深可能在1987和1991年前后發(fā)生突變(見圖(g)、(h)和(i))。

3.3 周期特征

為了識(shí)別徑流時(shí)間序列的周期成分及其在時(shí)域上的分布，文中利用Morlet小波分析法對巖溶區(qū)流域—平塘站年徑流深、雨季徑流深和枯季徑流深時(shí)間序列進(jìn)行周期性分析。

由圖6(a)知，年徑流深變化過程存在著2～4 a，5～7 a和16～22 a的三類尺度的周期變化規(guī)律，結(jié)合圖6(b)可進(jìn)一步得到1963年至2014年平塘站年徑流深序列的第一主周期為20 a，第二主周期為6 a，第三主周期為3 a。又結(jié)合圖6(c)和6(d)可知，平塘站雨季徑流深變化過程也存在著2～4 a，5～7 a和16～22 a的三類尺度的周期變化規(guī)律，其第一主周期為20 a，第二主周期為6 a，第三主周期為3 a，這表明雨季徑流深在時(shí)域的變化規(guī)律上同年徑流深是一致的；同理可知，枯季徑流深的變化規(guī)律為第一主周期24 a，第二主周期9 a，第三主周期5 a(見圖(e)和(f))。

(a) 年徑流深滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)

(b) 年徑流深MWP檢驗(yàn)

(c) 年徑流深滑動(dòng)T檢驗(yàn)圖

(d) 雨季徑流深滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)

(e) 雨季徑流深MWP檢驗(yàn)

(f) 雨季徑流深滑動(dòng)t檢驗(yàn)

(g) 枯季徑流深滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)

(h) 枯季徑流深MWP檢驗(yàn)

(i) 枯季徑流深滑動(dòng)t檢驗(yàn)

3.4 未來變化特征

本文運(yùn)用R/S分析法(重標(biāo)極差分析法)計(jì)算Hurst指數(shù)來判別平塘站徑流深的未來變化趨勢。年徑流深的Hurst指數(shù)H=0.558 0(大于0.5)，故可預(yù)測年徑流深序列呈現(xiàn)顯著的持續(xù)性，與1963年至2014年整體趨勢保持一致，呈減少趨勢；雨季徑流深的Hurst指數(shù)H=0.586 3(大于0.5)，預(yù)測可知雨季徑流深序列呈現(xiàn)顯著的持續(xù)性，變化趨勢與過去一致，呈減少趨勢；枯季徑流深的Hurst指數(shù)H=0.513 6(大于0.5)，預(yù)測可知枯季徑流深序列呈現(xiàn)微弱持續(xù)性，變化趨勢與過去一致，即呈增加趨勢(見圖7(a)、(b)和(c)，其中橫坐標(biāo)lnN表示徑流深時(shí)間序列號(hào)N的自然對數(shù)，縱坐標(biāo)ln(R/S)表示徑流深時(shí)間序列的極差R和標(biāo)準(zhǔn)差S比值的自然對數(shù))。依據(jù)計(jì)算得到的Hurst指數(shù)可以看出，若全球氣候變化依舊保持現(xiàn)在發(fā)展趨勢或者變化更為激烈，那么巖溶區(qū)流域—平塘站未來年徑流深和雨季徑流深將繼續(xù)呈現(xiàn)減少的趨勢，枯季徑流深則將呈現(xiàn)微弱增加趨勢，且短時(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

(a) 年徑流小波實(shí)部圖

(b) 年徑流小波方差圖

(c) 雨季徑流小波實(shí)部圖

(d) 雨季徑流小波方差圖

(e) 枯季徑流小波實(shí)部圖

(f) 枯季徑流小波方差圖

圖6 年徑流深、雨季徑流深和枯季徑流深的小波分析
Fig.6 Wavelet analysis of the runoff depth of annual,rainy and dry season

(a) 年徑流深Hurst指數(shù)

(b) 雨季徑流深Hurst指數(shù)

(c) 枯季徑流深Hurst指數(shù)

4 結(jié)論

①平塘站年徑流深呈現(xiàn)顯著減少趨勢，傾向率為每10 a減少16.94 mm，52 a減少了88.1 mm；雨季徑流深減少趨勢亦明顯，傾向率為每10 a減少20.8 mm，52 a減少了108.2 mm；枯季徑流深則呈現(xiàn)微弱增加趨勢，傾向率每10 a增加3.86 mm，52 a增加了20.1 mm。

②平塘站年徑流深在1998年發(fā)生突變，雨季徑流深在2008年發(fā)生突變，枯季徑流深在1987年和1991年發(fā)生突變。

③平塘站年徑流深與雨季徑流深第一、第二和第三主周期分別為20 a、6 a和3 a；枯季徑流深的第一、第二和第三主周期分別為24 a、9 a和5 a。

④平塘站年徑流深、雨季徑流深和枯季徑流深的Hurst指數(shù)分別為0.558 0、0.586 3和0.513 6，表明其未來變化趨勢具有持續(xù)性。