劉建軍，趙麗霞，田文君，邢小麗

孤山川流域水沙變化情況分析

劉建軍，趙麗霞，田文君，邢小麗

（黃河水利委員會(huì)水文局，河南鄭州450004）

選擇高石崖站作為孤山川流域代表站，采用年降雨量、年徑流量和年輸沙量序列資料，用滑動(dòng)分析法分析序列的變化趨勢(shì)，用傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)法檢驗(yàn)序列的一致性，用滑動(dòng)t檢驗(yàn)、有序聚類法和Mann-Kendall檢驗(yàn)法分析序列突變情況。結(jié)果表明：高石崖站年徑流量、年輸沙量序列發(fā)生了非一致性變異，突變年份為1996年，下墊面變化是孤山川流域水沙變化的主要原因。

孤山川流域；水文資料；非一致性；突變

孤山川是黃河中游府谷站到吳堡站區(qū)間右岸的一級(jí)支流，流經(jīng)內(nèi)蒙、陜西兩省，在府谷站附近匯入黃河，流域面積1 263 km2。流域內(nèi)90%以上地區(qū)為黃土，土層厚，植被少，侵蝕嚴(yán)重，為典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，為了防止水土流失，流域內(nèi)開展了大規(guī)模的退耕還林還草、植樹造林、興修淤地壩、梯田等水土保持工作，減少了孤山川流域入黃水沙量。

1 水文資料

高石崖站為孤山川流域入黃控制站，選用該站1954—2016年的年降雨量、年徑流量、年輸沙量資料序列來(lái)分析孤山川流域水沙變化情況。

高石崖站年降雨量、年徑流量滑動(dòng)平滑曲線圖見(jiàn)圖1。圖1（a）顯示年降雨量無(wú)明顯的變化趨勢(shì)，5年平均值圍繞多年平均值437 mm上下波動(dòng)；圖1（b）顯示年徑流量呈現(xiàn)明顯減少的趨勢(shì)，徑流量在1958，1966，1976年達(dá)到最大，并從1976年開始有明顯的下降趨勢(shì)，5年平均值從1968年的1.258×108m3降至2008年 0.145×108m3，降幅較大；高石崖站年輸沙量同年徑流量相關(guān)性較好，亦呈現(xiàn)顯著減少的趨勢(shì)，輸沙量在1959，1967，1977年達(dá)到最大，并從1977年開始明顯下降，5年均值從1969年 3 722×104t降至2016年 7.743×104t。初步判斷，高石崖站年徑流量和年輸沙量資料序列發(fā)生了非一致性變異，年降雨量序列一致性較好。

圖1 （a）高石崖站年降雨量滑動(dòng)平滑曲線圖

圖1 （b）高石崖站年徑流量滑動(dòng)平滑曲線圖

2 研究方法

2.1 資料序列一致性分析

傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法主要從樣本序列的持續(xù)性、趨勢(shì)性和周期性3個(gè)方面進(jìn)行檢驗(yàn)。其中，用序列自相關(guān)系數(shù)和序列秩號(hào)相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行持續(xù)性檢驗(yàn)；用秩號(hào)和序號(hào)相關(guān)檢驗(yàn)法進(jìn)行趨勢(shì)性檢驗(yàn)；采用游程和轉(zhuǎn)折點(diǎn)檢驗(yàn)法進(jìn)行周期性檢驗(yàn)，上述6種計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)［6，7］。

2.2 非一致性資料序列突變點(diǎn)分析

滑動(dòng)t檢驗(yàn)法是將原序列劃分為n1，n2兩個(gè)子序列，通過(guò)對(duì)比兩子序列的均值來(lái)檢驗(yàn)原序列是否發(fā)生突變；有序聚類分析法認(rèn)為同類間的離差平方和最小，不同類間的最大，以此找到整體序列的最優(yōu)分割點(diǎn)，此時(shí)突變點(diǎn)為方差突變；Mann-Kendall檢驗(yàn)法適用于各要素的時(shí)間序列變化，且不受異常點(diǎn)的影響，具有量化度高、人為性小的特點(diǎn)，能檢驗(yàn)出均值突變和方差突變，上述3種方法的具體計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)［8－10］。

3 結(jié)果分析

3.1 一致性分析

采用傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)高石崖站1954—2016年降雨量、年徑流量和年輸沙量序列進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 高石崖站資料序列隨機(jī)特性檢驗(yàn)一覽表

表1的檢驗(yàn)結(jié)果顯示，高石崖站年降雨量序列的各項(xiàng)均通過(guò)檢驗(yàn)，年徑流量序列和年輸沙量序列均未通過(guò)。由此結(jié)果可以認(rèn)為：高石崖水文站的年降雨量資料序列一致性較好，而徑流量和年輸沙量資料序列一致性較差，不能作為獨(dú)立的隨機(jī)樣本，需要對(duì)資料序列進(jìn)行一致性分析處理。

3.2 突變點(diǎn)分析

3.2.1 滑動(dòng)t檢驗(yàn)

滑動(dòng)t檢驗(yàn)法采用顯著性水平信度值t0.05=3.2，高石崖站滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。圖2（a）顯示年徑流量t值在1966—2006年間均超出信度值，其中1979，1989，1996年為t統(tǒng)計(jì)量極大值；圖2（b）顯示年輸沙量t值在1971—2005年間（1976年除外）均超出信度值，1979，1989，1996年為t統(tǒng)計(jì)量極大值。由此說(shuō)明1979，1989，1996年份可能是高石崖站1954—2016年徑流量和年輸沙量序列的均值突變年份。

圖2 （a）高石崖站年徑流量序列滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 （b）高石崖站年輸沙量序列滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 有序聚類分析

高石崖站年徑流量、年輸沙量的有序聚類法檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3，圖3（a）和圖3（b）顯示兩序列的離差平方和Sn曲線均在1979年最低，在1989，1996年出現(xiàn)極小值，由此說(shuō)明1979，1989，1996年份可能是年徑流量和年輸沙量序列的方差突變年份。

圖3 （a）高石崖站年徑流量序列有序聚類法檢驗(yàn)

圖3 （b）高石崖站年輸沙量序列有序聚類法檢驗(yàn)

3.2.3 Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall檢驗(yàn)法采用UF(k)和UB(k)的置信度為U0.05=±1.96，高石崖站Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。圖4（a）顯示年徑流量的UF(k)和UB(k)兩曲線都交于1996年，由此說(shuō)明1996年份可能是高石崖站年徑流量和年輸沙量序列的均值和方差突變年份。

圖4 （a）高石崖站年徑流量序列Mann-Kendall檢驗(yàn)

圖4 （b）高石崖站年輸沙量序列Mann-Kendall檢驗(yàn)

綜合上述3種分析結(jié)果，可以確定1996年是高石崖站年徑流量和年輸沙量序列的突變年份。

3.2.4 資料序列劃分

將高石崖站年徑流量和年輸沙量資料序列初步劃分為1954—1996和1997—2016兩個(gè)系列，按照3.1采用傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)這兩系列年徑流量和年輸沙量資料進(jìn)行一致性分析。其中，只有年輸沙量秩號(hào)-序號(hào)相關(guān)檢驗(yàn)計(jì)算值為3.35，未通過(guò)檢驗(yàn)，其他均通過(guò)，因此可判定兩段資料系列一致性較好，可以作為獨(dú)立的隨機(jī)樣本使用。2個(gè)系列均值和方差對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 高石崖站年徑流量、年輸沙量資料序列突變前后系列均值和方差對(duì)比表

4 結(jié)論

1）孤山川流域水沙特性發(fā)生了明顯變化，降水基本穩(wěn)定，降水對(duì)水沙量變化的影響不顯著。

2）高石崖站年徑流量、年輸沙量序列發(fā)生了非一致性變異，突變點(diǎn)年份為1996年，資料序列劃分為兩個(gè)系列，1997—2016系列年徑流量、輸沙量多年均值較1984—1996系列年減少幅度達(dá)78%、91%。

3）20世紀(jì)90年代以來(lái)，孤山川流域進(jìn)行了大規(guī)模的人類改造活動(dòng)，例如修建水庫(kù)、各種淤地壩、蓄水水窖等水利工程建設(shè)，以及植樹造林、退耕還林等水土保持措施，取得了明顯效果，流域下墊面發(fā)生了變化，下墊面變化是孤山川流域水沙變化的主要原因。

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2017-09-03