錦凌水庫徑流特性分析

劉 倩

(遼寧省錦州水文局,遼寧 錦州 121000)

徑流量變化可以在一定程度上改變流域水資源供需關(guān)系,對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)和工農(nóng)業(yè)發(fā)展影響顯著[1]。錦凌水庫坐落于小凌河干流上,承擔(dān)著錦州市供水、防洪及改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境的任務(wù),屬錦州城市防洪規(guī)劃和總體規(guī)劃的重要骨干工程,也為市區(qū)提供一處集休閑、度假、觀光于一體的綜合生態(tài)景觀。所以,文章結(jié)合2014—2020年錦凌水庫徑流數(shù)據(jù),采用DFA和Mann-Kendall方法探討水庫長(zhǎng)時(shí)間序列徑流特性,旨在為流域度汛防洪、水資源規(guī)劃及水庫調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

錦凌水庫建于錦州市境內(nèi)的小凌河干流上,總庫容8.08億m3,控制水域面積3029km2,正常蓄水面積52.71km2,調(diào)節(jié)水量1.61億m3。錦凌水庫將錦州城市、沈山鐵路橋防洪標(biāo)準(zhǔn)從50a提升至200a和100a一遇。另外,對(duì)小凌河發(fā)揮著徑流調(diào)節(jié)作用,向錦州每年供水量達(dá)到0.98億m3,更好地滿足城市用水需求。水庫供水作為地下水替代水源,有利于恢復(fù)采補(bǔ)平衡。庫區(qū)為小凌河水系,屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,水資源豐富,地下水平均埋深2～6m,水量較大,多年平均降水量570mm,降水時(shí)空分布極為不均,徑流量大多集中于6～9月(汛期),約占全年的70%,特別是主汛期降雨更集中。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)2014—2020年錦凌水庫入庫徑流數(shù)據(jù)計(jì)算各旬汛期徑流分配比、旬徑流量、汛期徑流量和年徑流量,通過嚴(yán)格檢查保證數(shù)據(jù)序列的可靠性和準(zhǔn)確性[2]。

2.2 研究方法

1)Mann-Kendall趨勢(shì)法。這種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法在水文時(shí)間序列分析研究中的應(yīng)用日趨廣泛,按照判斷規(guī)則能夠確定滿足正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)量Z,具體如下:如果Z>0則表示水文時(shí)間序列呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),如果Z<0則代表水文時(shí)間序列呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),設(shè)定通過98%、95%、90%顯著性檢驗(yàn)時(shí)的|Z|≥2.32、1.64和1.28[3-5]。

2)DFA法。這是一種適用于非平穩(wěn)時(shí)間序列長(zhǎng)程(或冪律)相關(guān)性定量分析的標(biāo)度法,依標(biāo)度指數(shù)α可以合理判定序列的趨勢(shì)性成分,其判別規(guī)則如下:如果α<0.5則代表該序列存在反持續(xù)性,即過去與未來具有相反的變化趨勢(shì);如果α=0.5則代表序列存在白噪聲,即表現(xiàn)出標(biāo)度的不變性;如果α>0.5則代表該序列存在持續(xù)性,即過去與未來具有相同的變化趨勢(shì);α=1或1.5時(shí)分別于信號(hào)和布朗信號(hào)相對(duì)應(yīng)[6-9]。為了保證水庫調(diào)度的科學(xué)合理性,在計(jì)算過程中將時(shí)間程度分割成1、2、4年,在此基礎(chǔ)上深入揭示水庫徑流變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 汛期徑流量特征

年內(nèi)徑流量分配曲線,如圖1所示。

圖1 年內(nèi)徑流量分配曲線

由圖1可知,錦凌水庫徑流大多集中于6～9月(汛期),在8月出現(xiàn)徑流峰值。對(duì)于年內(nèi)分配過程,錦凌水庫2014—2020年凈流量呈現(xiàn)出春汛、夏汛的“雙峰型”特征,究其原因是春汛氣溫變暖致使冰雪消融而夏汛降雨充沛。

采用Mann-Kendall法計(jì)算確定全年、主汛期、汛期錦凌水庫徑流量特征參數(shù)見表1,結(jié)果顯示錦凌水庫全年、主汛期、汛期徑流量均表現(xiàn)出不顯著下降趨勢(shì),該變化趨勢(shì)與線性擬合結(jié)果基本一致。

3.2 汛期各旬徑流量及分配比

采用DFA法檢驗(yàn)分析全年、主汛期、汛期錦凌水庫徑流量變化特征見表2,結(jié)果表明錦凌水庫全年、主汛期、汛期徑流量具有相同標(biāo)度的1～2a區(qū)間尺度,其具有相似的長(zhǎng)程相關(guān)性變化趨勢(shì)和相近的標(biāo)度指數(shù)α,依次為0.568、0.570和0.562,均超過0.5,說明徑流量全年、主汛期、汛期序列均存在持續(xù)性,即過去與未來具有相同的變化趨勢(shì),當(dāng)前呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)則下一個(gè)區(qū)間尺度具有該趨勢(shì)的概率更高。

表2 各旬徑流量分配特征值

從表2可以看出,錦凌水庫各旬汛期徑流量極值比在2017年、2018年較大為14.28和10.26,這與該時(shí)段發(fā)生的大洪水有關(guān),該時(shí)段的汛期徑流量達(dá)到多年平均的3.5倍和3.1倍。在不考慮洪水影響的情況下,2014—2020年錦凌水庫各旬汛期徑流量極值比呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),表明徑流分配相對(duì)變化呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì);研究期間偏態(tài)系數(shù)波動(dòng)下降,這表明錦凌水庫汛期徑流分配呈現(xiàn)出平穩(wěn)發(fā)展態(tài)勢(shì);2014—2020年變差系數(shù)呈現(xiàn)不明顯變化趨勢(shì),這表明錦凌水庫各旬汛期徑流分配不均性呈現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)。

3.3 汛期各旬徑流分配比

采用Mann-Kendall法檢驗(yàn)分析主汛期和汛期各旬錦凌水庫徑流分配比變化特征如表3所示,結(jié)果表明汛期徑流分配比在主汛期8月上旬呈現(xiàn)出顯著下降趨勢(shì),且顯著性檢驗(yàn)達(dá)到90%置信水平;汛期徑流分配比在7月下旬呈現(xiàn)出顯著下降趨勢(shì),且顯著性檢驗(yàn)達(dá)到95%置信水平;汛期徑流分配比在8月下旬呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì),且顯著性檢驗(yàn)達(dá)到95%置信水平;汛期徑流分配比在9月上旬表現(xiàn)出顯著上升趨勢(shì),且顯著性檢驗(yàn)達(dá)到90%置信水平;汛期徑流分配比在6月上旬、7月上旬與中旬、9月下旬均表現(xiàn)出不顯著下降趨勢(shì),汛期徑流分配比在6月中旬與下旬、8月中旬和9月中旬均表現(xiàn)出不顯著上升趨勢(shì),該變化趨勢(shì)與線性擬合結(jié)果基本一致。

表3 汛期各旬徑流分配比特征參數(shù)

采用DFA法檢驗(yàn)分析主汛期和汛期各旬錦凌水庫徑流分配比變化特征如表3所示,結(jié)果表明各旬和主汛期錦凌水庫徑流分配比存在標(biāo)度相同的1～2a區(qū)間尺度;標(biāo)度指數(shù)α在9月上旬、7月上旬和6月中旬均<0.5,說明該序列存在反持續(xù)性,即過去與未來具有相反的變化趨勢(shì);標(biāo)度指數(shù)α在其它時(shí)間均超過0.5,說明該序列存在持續(xù)性,即過去與未來具有相同的變化趨勢(shì)。根據(jù)Mann-Kendall法檢驗(yàn)結(jié)果,8月上旬、7月下旬和7月中旬的徑流分配比在下一個(gè)1～2a區(qū)間尺度上呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)的概率更高,9月上旬和8月下旬的徑流分配比在下一個(gè)1～2a區(qū)間尺度上呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)的概率更高。

4 結(jié) 論

文章結(jié)合2014—2020年錦凌水庫徑流數(shù)據(jù),采用DFA和Mann-Kendall方法研究分析水庫長(zhǎng)時(shí)間序列徑流變化特性,主要結(jié)論如下:

1)全年、主汛期和汛期錦凌水庫徑流量均表現(xiàn)出不顯著下降趨勢(shì),全年、主汛期和汛期徑流量在下一個(gè)1～2a區(qū)間尺度上表現(xiàn)出下降趨勢(shì)的概率更高。主汛期錦凌水庫徑流分配比表現(xiàn)出顯著下降趨勢(shì),這表明錦凌水庫各旬汛期徑流分配不均性呈現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì),該變化趨勢(shì)與偏差析出呈下降趨勢(shì)基本一致。

2)錦凌水庫徑流分配比在8月上旬、7月下旬和中旬均表現(xiàn)出顯著下降趨勢(shì),汛期徑流分配比在9月上旬和8月均表現(xiàn)出上升趨勢(shì),從區(qū)間尺度上在下一個(gè)1～2a存在持續(xù)性,表明主汛期徑流分配比存在一定的延后性。錦凌水庫汛期徑流量的近40%發(fā)生在7月中旬到8月上旬,所以為更好地開展防汛工作建議將7月中旬到8月上旬重新劃定為主汛期。