偏巖河流域年徑流序列一致性分析

劉 穎,吳 昊,蒙天易,湯飛飛

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽 550002)

0 引 言

近年來,氣溫、降水等氣候要素變化劇烈,加之人類通過興建水利、土地利用、水土保持、雨水集蓄等方式改變了流域下墊面,使產(chǎn)匯流機(jī)制發(fā)生了變化,從而導(dǎo)致水文循環(huán)發(fā)生變化[1]。因此,氣候變化和人類活動(dòng)的使得水文序列的一致性發(fā)生了變化,徑流、洪水等水文分析成果將隨之變化,研究水文序列是否具有一致性愈發(fā)重要。

現(xiàn)階段,國內(nèi)外眾多學(xué)者已對(duì)一致性等相關(guān)內(nèi)容展開了諸多研究,如:2006年,Burn和Aziz采用Mann-kendall法檢驗(yàn)了加拿大麥肯齊河流域水文成果的趨勢性和跳躍性;2001年,夏軍等通過驗(yàn)證得出:利用信息論及信息熵能夠分析序列時(shí)間與空間的不同變異性,同時(shí)此方法具有一定的價(jià)值;2001年,鄭澤全等為確定水文序列的趨勢和變異形態(tài),在水文序列的分析過程中引入了小波分析方法;2002年,王孝禮等將R/S法引用到了水文序列的跳躍變異點(diǎn)的識(shí)別與檢驗(yàn)中;熊立華等結(jié)合貝葉斯理論,分析得到了檢驗(yàn)水文序列跳躍點(diǎn)的相關(guān)方法;2007年,謝平等經(jīng)分析各變異檢驗(yàn)方法的差異后得出:滑動(dòng)F法更適用于變差系數(shù)發(fā)生了變異的水文序列,其余方法均適用于均值發(fā)生變異的水文序列;2010年謝平等提出變異診斷系統(tǒng)思想[2-4]。

基于此,為研究偏巖河流域年徑流序列是否存在一致性,文章選擇該流域內(nèi)的木孔水文站1957—2019共63a徑流資料,同時(shí)采用M-K法、Speraman法進(jìn)行該序列的趨勢研究,同時(shí)采用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、有序聚類法判斷該序列是否存在突變,以期為偏巖河流域年徑流分析計(jì)算提供參考依據(jù)[5-7]。

1 流域及水文站概況

1.1 流域概況

偏巖河為烏江中游左岸一級(jí)支流,位于貴州省中北部,涉及金沙、遵義兩縣。流域東與湄江流域相鄰,南與烏江渡水庫相連,西與野紀(jì)河流域相接,北與赤水河流域毗鄰。偏巖河發(fā)源于金沙縣桂花鄉(xiāng)西北,流經(jīng)金沙縣巖孔鎮(zhèn)、西洛鄉(xiāng)、至龍壩鄉(xiāng)折向東北流,成為金沙、遵義兩縣界河,在茶園鄉(xiāng)邊界轉(zhuǎn)向東南,至木孔鄉(xiāng)邊界折向東北流復(fù)折向東南流,于官田鄉(xiāng)大河偏匯入烏江。流域形狀呈闊葉形,集水面積2243km2,河長140km,平均比降3‰。

偏巖河自西北向東南在丘陵、盆地、峽谷中穿行,按河谷地貌及河道特征分為上游、中游、下游三段:①上游:河源至西洛河河口;②中游:西洛河河口至牛欄河河口;③下游:牛欄河河口至官田鄉(xiāng)大河偏。流域內(nèi)支流眾多,呈樹枝狀分布,流域面積在20km2以上的支流有28條;流域面積在100km2以上的一級(jí)支流左岸有底水河、樂民河,右岸有西洛河、龍?zhí)梁印⒒┖庸?條,二級(jí)支流有三岔溝。

偏巖河流域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū),年均氣溫15.5℃,平均相對(duì)濕度81%,年均日照1120.2h,無霜期313天,年降水量在800～1100mm之間,年均降水量1013mm,年均水面蒸發(fā)量763mm,年均徑流量 9.39億m3,輸沙模數(shù)為100～200t/km2。流域地處大婁山西部,是黔中丘原向黔北山地的過渡帶,西南多屬中山區(qū),東南面、北面、西北面多屬低中山區(qū),地貌屬丘陵壩地,巖溶地貌發(fā)育,漏斗、峰叢、洼地、落水洞、伏流和天生橋等巖溶地貌特征隨處可見。

1.2 木孔水文站基本情況

木孔水文站于1983年設(shè)立,站址位于金沙縣木孔鄉(xiāng)新江村,控制集水面積999km2,距偏巖河河口59.4km。測驗(yàn)河段順直,長約200m,兩岸河灘寬各約40m,高水時(shí)河寬約120m。河床主要由板石構(gòu)成,河岸較穩(wěn)定?；緮嗝嫔嫌?00m右岸有一龍?zhí)秴R入,對(duì)測驗(yàn)無影響。測驗(yàn)河段內(nèi)無彎道、急灘,河床穩(wěn)定,但基本斷面下游550m有石攔河壩一座,高0.5～1.8m,裝有活動(dòng)閘門,無規(guī)律開、關(guān),對(duì)低水測驗(yàn)有一定影響。

木孔站觀測項(xiàng)目有降水、水位、流量、蒸發(fā)、水溫等,具有1984年以來的觀測資料。年測流51次,多點(diǎn)法3次,單點(diǎn)法48次。實(shí)測最高水位836.48m,實(shí)測最低水位834.39m。測流水位變幅占全年水位變幅的98.1%,低水延長0.04m,占實(shí)測流量水位變幅的1.9%。過程控制一般,各級(jí)水位均可使用。

2 年徑流序列診斷

2.1 序列趨勢性診斷

2.1.1 Speraman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法

Spearman秩相關(guān)檢驗(yàn)法的分析步驟為:為得到研究序列的秩次Si和相關(guān)系數(shù)γ,將該序列從小到大進(jìn)行排序,然后采用以下公式進(jìn)行計(jì)算:

(1)

式中:ci為秩次差值;n為序列長度。

滑動(dòng)T檢驗(yàn)法檢驗(yàn)顯著性公式為:

(2)

給定一顯著性檢驗(yàn)水平α,若|T|>T1-α/2,具有顯著變化趨勢。

2.1.2 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann于1945年提出了Mann—Kendall檢驗(yàn)法,該方法在分析氣溫、降水和徑流等要素的趨勢變化中應(yīng)用廣泛,計(jì)算公式為:

(3)

(4)

式中:S為符號(hào)函數(shù);當(dāng)aj-ai>0 時(shí),S為1;當(dāng)aj-ai=0 時(shí),S為0;當(dāng)aj-ai<0 時(shí),S為-1;V為方差。

給定一顯著性檢驗(yàn)水平α,若|Y|>Y1-α/2,具有顯著變化趨勢。

2.2 序列跳躍性診斷

2.2.1 有序聚類法

有序聚類法的實(shí)質(zhì)是尋求最優(yōu)分割點(diǎn)．使同類間的離差平方和較小、類與類之間的離差平方和較大。設(shè)點(diǎn)t將序列分割為兩部分,計(jì)算公式為:

Z=T1+T2

(5)

(6)

(7)

2.2.2 滑動(dòng)T檢驗(yàn)法

在時(shí)間序列yt的基準(zhǔn)點(diǎn)C前、后分別選取子序列y1和y2,計(jì)算統(tǒng)計(jì)量:

(8)

(9)

給定一顯著性檢驗(yàn)水平α,若|gi|>gα,基準(zhǔn)點(diǎn)處發(fā)生了突變。

2.3 診斷結(jié)果

2.3.1 趨勢診斷結(jié)果

本次采用Spearman法、Mann-Kendall法對(duì)木孔水文站1957—2019年63a年徑流資料的趨勢性進(jìn)行分析,兩種診斷結(jié)果同時(shí)表明:木孔水文站年徑流具有顯著下降的趨勢,其中:①Spearman法中,其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量T=-2.14<0,其絕對(duì)值|T|>T1-α/2=1.64,故而序列是顯著下降的;②Mann-Kendall法中,其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Y=-3.00<0,其絕對(duì)值|Y|>Y1-α/2=1.96,故而序列是顯著下降的。

表1 木孔水文站年徑流趨勢檢驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 突變?cè)\斷結(jié)果

本次采用有序聚類法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法對(duì)木孔水文站1957—2019年63年年徑流的跳躍性進(jìn)行分析,兩種診斷結(jié)果同時(shí)表明:木孔水文站的年徑流在2002年發(fā)生顯著性突變。

表2 木孔水文站年徑流跳躍性檢驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

1)由于氣候變化以及人類興建水利、土地利用等活動(dòng),改變了流域下墊面,使產(chǎn)匯流機(jī)制發(fā)生了變化,從而導(dǎo)致水文循環(huán)發(fā)生變化。因此,水文序列資料不能直接用于水文分析計(jì)算,應(yīng)首先對(duì)其進(jìn)行趨勢性和跳躍性分析,研究判斷該水文序列是否具有一致性。

2)文章根據(jù)偏巖河流域內(nèi)的木孔水文站1957—2019共63a徑流序列,采用Spearman法、Mann-Kendall法對(duì)木孔水文站1957—2019年63a年徑流的趨勢性進(jìn)行了分析,兩種診斷結(jié)果同時(shí)表明:木孔水文站年徑流具有顯著下降的趨勢

3)采用有序聚類法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法對(duì)木孔水文站1957—2019年63a的年徑流的跳躍性進(jìn)行分析,兩種診斷結(jié)果同時(shí)表明:木孔水文站的年徑流在2002年發(fā)生顯著性突變。