譜系群分析法在洮河大夏河流域水資源區(qū)劃分中的分析應(yīng)用

張昌順

(甘肅省水文站,甘肅 蘭州 730000)

1 區(qū)域自然概況

據(jù)地質(zhì)學(xué)家研究,受地球自轉(zhuǎn)離心力作用,太平洋、印度洋、歐亞板塊相向擠壓移動和右旋扭曲影響,在我國西部形成世界屋脊之稱的青藏高原與黃河流域一、二級階地。其中洮河大夏河流域位于黃河流域第一階梯東部邊緣一隅,屬海拔4 000 m以上的第一階梯向海拔1 000～2 000 m第二階梯的過渡地帶。區(qū)域內(nèi)山巒疊嶂,密布以高寒草甸叢和高寒草原,平均海拔3 000 m左右,屬流域重要水源涵養(yǎng)區(qū)。西風(fēng)環(huán)流使印度洋上空的暖濕氣流爬越世界屋脊,在此區(qū)域平面東移,垂向下沉、并引起增溫和水汽蒸凝,形成了洮河大夏河流域干旱、半干旱的氣候條件。洮河大夏河均屬黃河一級支流,主要流經(jīng)甘肅省甘南州、定西市、臨夏州至劉家峽匯入黃河,相鄰兩流域分隔于瑪曲西傾山北支的太子山脈,最高峰海拔4 368 m,洮河甘肅省內(nèi)流域面積23 960 km2,徑流量46.56億 m3、年均降水345 mm,大夏河甘肅省內(nèi)流域面積7 154 km2,徑流量10.25億 m3、年均降水465 mm。區(qū)域內(nèi)太子山山峰晶瑩、山麓翠綠,降水量為區(qū)域內(nèi)極值區(qū)。

2 水資源區(qū)劃分意義

影響水資源特性的因素有很多,在無法實(shí)現(xiàn)區(qū)域全要素逐項(xiàng)研究的情況下,較大范圍內(nèi)水資源空間和時(shí)間分布各有不同的特征和一定范圍內(nèi)的相似性為水資源分區(qū)的變化規(guī)律提供了研究可能。水資源區(qū)劃常規(guī)方法是基于區(qū)劃內(nèi)主要指標(biāo)的計(jì)算和實(shí)地調(diào)查綜合分析確定分區(qū)界限,把特定區(qū)域劃分為若干個(gè)有著明顯差異的水資源條件地區(qū),主要反映水資源的數(shù)量、質(zhì)量的差異,兼顧各部門的用水需求,開展水資源供需平衡分析以服務(wù)于區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展需要。

水資源開發(fā)利用的過程要基于尊重自然規(guī)律和經(jīng)濟(jì)合理為基礎(chǔ),統(tǒng)一區(qū)域內(nèi)水資源變化的相似性,按照變化的最大差異性進(jìn)行劃分水資源分區(qū)。經(jīng)充分考慮水資源時(shí)空分布的差異與聯(lián)系,統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境,自然規(guī)律與人工干預(yù)后,為分區(qū)制定合理的水資源可持續(xù)發(fā)展方案提供措施和建議,因時(shí)、因地制定區(qū)域工省效宏的高質(zhì)量發(fā)展方案。

3 水資源區(qū)劃分常用方法

為充分反映水資源的地區(qū)特征,通常選擇兩個(gè)以上的水資源區(qū)劃指標(biāo),以基本指標(biāo)為主,輔助指標(biāo)作限制。對水資源一級區(qū),以較概況和較穩(wěn)定的水資源特征值為基本指標(biāo);對較低級的單元,則以較具體的和較易改變的特征值為基本指標(biāo)。對我省黃河流域水資源分區(qū)劃分基本指標(biāo)是以流域完整性原則,盡可能保持河流水系的完整性,黃河干流根據(jù)主要水文站分為河段;以有利于算清水賬,有利于水資源配置和規(guī)劃為輔助指標(biāo)。具體是要與全國分區(qū)相銜接,并保持與全國一致,同時(shí)也基本反映了甘肅省水資源及其開發(fā)利用條件的地區(qū)差異;合并自然條件相同的支流;按地形、地貌等下墊面條件和行政區(qū)界為輔助因素且有利于進(jìn)行地表水資源的估算和水資源供需平衡分析,兼顧大型水利樞紐和重要水文站的控制作用。

4 水資源區(qū)劃常用方法應(yīng)用

表1 洮河大夏河流域水資源區(qū)劃常用方法劃分統(tǒng)計(jì)表

5 資料代表性分析

在洮河大夏河區(qū)域內(nèi),選擇15個(gè)面上分布均勻的降水代表站的逐年實(shí)測資料系列,以降水量為基本指標(biāo)繪制模比系數(shù)差積曲線分析各站點(diǎn)資料代表性,據(jù)曲線顯示,在資料系列區(qū)間內(nèi)均出現(xiàn)豐水年、平水年、枯水年轉(zhuǎn)變,且各相關(guān)站點(diǎn)豐枯變化較一致,所選資料代表性和一致性較好(圖1)。

圖1 洮河大夏河流域降水站點(diǎn)代表性分析

6 譜系群分析法計(jì)算

現(xiàn)以洮河大夏河流域水資源區(qū)劃為例對譜系群分析法的應(yīng)用分析情況如下:各站組合計(jì)算相關(guān)系數(shù),然后采用逐次形成法依次進(jìn)行連接合群,反復(fù)進(jìn)行直到所選代表站都已合群完為止,這時(shí),大于或等于一定置信水平下相關(guān)系數(shù)臨界值的群,即可作為水資源區(qū)劃的依據(jù)。

以降水量作為基本指標(biāo)的水資源區(qū)劃分譜系群分析法步驟是:

在區(qū)域內(nèi)選擇資料較好的16個(gè)基本雨量代表站,站點(diǎn)布設(shè)均勻,計(jì)算泰森面積相差不大,站點(diǎn)密度適中,采用近30年實(shí)測降水資料相互逐站計(jì)算相關(guān)系數(shù),計(jì)算公式為:

(1)

j,k=1、2、3、...M(站號),j≠k;

i=1、2、3、...N(年號)。

根據(jù)計(jì)算得M(M-1)/2=105個(gè)相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)從+1→-1計(jì)算相關(guān)系數(shù)確定最相似至最不相似的系數(shù)矩陣的下三角(見表2)。

表2 洮河大夏河流域依降水劃分水資源分區(qū)測站相關(guān)系數(shù)矩陣表

由105個(gè)相關(guān)系數(shù)組成一個(gè)對稱相關(guān)采用逐次形成法依次進(jìn)行聯(lián)結(jié)合群,聯(lián)結(jié)合群的原則是:

若兩站在已形成群中首次出現(xiàn),這兩個(gè)站另成新群;

若兩站中一個(gè)站已在分好的群中,另一個(gè)站就計(jì)入該群;

若兩站已分別在的兩個(gè)群中,則把這兩群聯(lián)結(jié)在一起;

若兩站都已出現(xiàn)在分好的相同群中,這兩站不再分群。

通過上述方法反復(fù)進(jìn)行聯(lián)結(jié)合群計(jì)算,直至所有的站都已合群完成為止。

根據(jù)實(shí)測年降水量資料系列,確定置信水平α=0.01,對顯著相關(guān)系數(shù)通過查算檢驗(yàn)表得臨界值r0.01=0.65,若以0.67作為標(biāo)準(zhǔn)臨界值。

可在圖2中分為四個(gè)大群,根據(jù)測站位置將整個(gè)洮河大夏河區(qū)域分為四個(gè)大區(qū),分區(qū)降水量特征值見表3。

圖2 洮河大夏河流域依降水劃分水資源分區(qū)譜系圖

表3 洮河大夏河流域依降水量指標(biāo)分區(qū)劃分統(tǒng)計(jì)表

洮河大夏河流域分?jǐn)?shù)獨(dú)立的黃河一級支流,其分水嶺太子山區(qū)站點(diǎn)的年降水量大于700 mm,屬區(qū)域內(nèi)高值區(qū),譜系圖分析結(jié)果屬單獨(dú)的分區(qū);洮河上游、洮河中游、大夏河中上游、洮河大夏河下游共5個(gè)分區(qū)較符合區(qū)域內(nèi)降水分布特性,計(jì)算結(jié)果與區(qū)域?qū)嶋H情況符合度較高,該方法可行。

7 譜系群分析法應(yīng)用

水資源區(qū)劃的指標(biāo)一般以水資源的數(shù)量、質(zhì)量指標(biāo)為基本指標(biāo),以影響城市生活農(nóng)業(yè)、生態(tài)用水年內(nèi)的徑流分配、年最小徑流等為輔助指標(biāo),在基本指標(biāo)中,水資源數(shù)量可用多年平均或不同頻率的年、月徑流量,地下水平衡量或水資源可利用量來表示;水資源質(zhì)量可用反映水質(zhì)本底情況的礦化度、總硬度、總堿度或pH值等指標(biāo)來反映?；谏鲜鏊Y源區(qū)劃指標(biāo)的譜系群分析法作為科學(xué)的度量標(biāo)準(zhǔn)能夠較好地反映水資源變化在同一分區(qū)的相似性和不同分區(qū)的差異性。

8 結(jié)語

(1)通過洮河大夏河區(qū)域內(nèi)測站實(shí)測資料系列的相關(guān)性分析計(jì)算,經(jīng)流域?qū)φ?相關(guān)站點(diǎn)降水量呈現(xiàn)較好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)法計(jì)算的分區(qū)能較好的反映區(qū)域內(nèi)各分區(qū)的降水量特點(diǎn),與當(dāng)?shù)氐慕邓匦?地形地貌及成雨條件吻合度較高,對水資源分區(qū)與計(jì)算提供了可行可操作的分析方法。

(2)水資源區(qū)劃的指標(biāo)是多種多樣的,可根據(jù)優(yōu)先滿足生活、生態(tài)、生產(chǎn)用水需要,統(tǒng)籌選用基本指標(biāo)和輔助指標(biāo)的系列實(shí)測資料應(yīng)用譜系群分析法計(jì)算,其結(jié)果能較科學(xué)、合理、準(zhǔn)確的進(jìn)行水資源分區(qū)劃分。

(3)雖然水資源區(qū)劃的指標(biāo)有多種,對甘肅省以農(nóng)業(yè)用水需求來說,應(yīng)選擇水量作為主要指標(biāo)進(jìn)行水資源區(qū)劃分的結(jié)果更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。有了水,即便來水期與用水期不適應(yīng),也可以通過調(diào)節(jié)來改變,而沒有水或水量不足則比較難以補(bǔ)救。水量的多寡各年雖有所不同,但就多年平均值來說,還是相對穩(wěn)定的。