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        1956-2016 年大夏河流域徑流變化特征分析

        2021-05-30 23:15:16史偉明申雄達劉清琴
        甘肅科技 2021年6期
        關(guān)鍵詞:趨勢

        史偉明,申雄達,劉清琴,鄔 壕,張 鈺

        (蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,甘肅蘭州 730000)

        河川徑流作為最易開發(fā)利用的水資源,在人類生產(chǎn)生活中發(fā)揮越來越重要的作用[1]。近幾十年來,隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展,氣候變化和人類活動的日益加劇,河川徑流發(fā)生了顯著的時空變化[2,3],徑流變化直接影響到水文循環(huán)和水資源管理利用等方面,進而影響到區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展。研究河川徑流的變化規(guī)律及演變趨勢等,對掌握流域水文循環(huán)過程、合理開發(fā)利用水資源等方面具有重要的意義[4,5]。

        近年來,國內(nèi)河川徑流演變的研究主要集中在大江大河干流和較大支流上,如對黃河流域徑流變化特征的研究,主要集中在黃河干流及渭河、涇河等13 條較大支流上,對大夏河、莊浪河等較小支流的研究相對欠缺[6~8]。本文收集了大夏河夏河、雙城和折橋水文站1956~2016 年實測徑流資料,運用滑動平均、距平累計曲線、小波分析和Mann-Kendall(M-K)檢驗等方法,分析大夏河流域徑流年內(nèi)年際變化及趨勢,為大夏河流域水資源開發(fā)利用及綜合治理提供參考。

        1 研究區(qū)概況

        大夏河位于甘肅省中部地區(qū),地理位置102°02′~103°22′E,34°52′~35°48′N 之間,是黃河上游右岸一級支流。河源由夏河和咯河兩條支流組成,夏河發(fā)源于不大勒赫卡,海拔4280m,咯河發(fā)源于臘力大山,海拔3805m,兩條支流于完尕灘匯合后稱大夏河[9,10],其主要支流從上游至下游分別為:鐵龍溝、清水溝、老鴨關(guān)河、槐樹關(guān)河、牛津河、洪水河、黑水河。大夏河流經(jīng)甘南藏族自治州夏河縣、合作縣和臨夏回族自治州臨夏縣、臨夏市區(qū),于東鄉(xiāng)縣康家灣匯入劉家峽水庫,流域多年平均徑流量9.56 億m3,主溝道長194km,流域集水面積7154km2,河道平均坡度9.6‰[11]。選取夏河站、雙城站、折橋站作為流域控制站點(見表1),流域水系圖如圖1 所示。

        表1 大夏河流域水文站信息表

        圖1 大夏河流域水系圖

        大夏河流域?qū)儆跍貛О敫珊敌詺夂?,遠離海洋,日照比較豐富,氣溫年差大,降水多集中于6~10月,多年平均氣溫2.7℃,多年平均降雨量545.6mm。上游地處甘南高原北部和黃土高原過渡帶,地勢較高,植被覆蓋較好,河流的侵蝕切割作用微弱;下游屬于隴西黃土高原邊緣區(qū),多為草地和耕地。在雙城站以下被黃土覆蓋,河流的侵蝕切割作用明顯,地表呈階梯狀起伏,河流含沙量較大。全流域水力資源理論蘊藏量平均功率392.03MW,其中干流平均功率267.8MW,水力資源比較豐富[12,13]。

        2 研究資料與分析方法

        2.1 研究資料

        本次主要研究大夏河流域徑流變化特征,根據(jù)水文站布設(shè)情況,從甘肅省水文水資源局和洮河水文水資源勘測局收集到夏河、雙城和折橋(馮家臺)水文站長系列實測徑流數(shù)據(jù),其中折橋水文站設(shè)立于1979 年初,馮家臺水文站于1979 年底撤銷,兩站控制集水面積相差8km2,故將兩站水文資料合并,統(tǒng)稱折橋站。對夏河站數(shù)據(jù)插補延長,使資料序列統(tǒng)一為1956~2016 年。經(jīng)檢驗,資料具有良好的代表性和可靠性。

        2.2 分析方法

        2.2.1 年際變化及趨勢分析

        文章采用線性回歸法、滑動平均法和距平累計曲線法分析大夏河流域徑流年際變化趨勢。線性回歸法是一種數(shù)理統(tǒng)計方法,常用來確定一個變量或多個變量與因變量之間的關(guān)系?;瑒悠骄ㄊ抢觅Y料序列的滑動均值變化情況反映研究對象的變化趨勢,能有效消除奇異點的干擾。繪制距平累計曲線法,可直接判斷研究對象持續(xù)性變化趨勢。

        2.2.2 小波分析

        小波分析是一種窗口大小固定不變,而形狀可以變化的時頻(時間-頻率)局部分析方法。其特點是:在低頻部分頻率分辨率較高、時間分辨率較低;反之,在高頻部分頻率分辨率較低、而時間分辨率較高[14,15]。選取Morlet 小波對大夏河流域徑流資料進行周期性分析,通過小波變換得到小波變化系數(shù),提取小波系數(shù)實部,繪制等值線圖,從圖中識別大夏河徑流變化的周期性特征,并繪制小波方差圖對主周期進行檢驗。

        2.2.3 Mann-Kendall 檢驗

        Mann-Kendall(M-K)檢驗是一種常用的非參數(shù)檢驗方法,在水文氣象序列變化趨勢研究方面有較為廣泛的應(yīng)用,并且不受樣本分布形態(tài)的約束和少數(shù)奇異值的干擾,具有檢驗范圍廣、定量化程度高的特點。利用M-K 統(tǒng)計值(UF 和UB)進行序列變化趨勢顯著性分析時,通常選取顯著性水平α=0.05,臨界值U0.051.96。當(dāng)M-K 統(tǒng)計值大于臨界檢驗值時,則表示變化趨勢顯著,反之,則變化趨勢不顯著;M-K 統(tǒng)計值的正負分別代表序列的上升和下降趨勢;利用UF 和UB 兩條曲線是否在臨界線U0.05 區(qū)域內(nèi)有交點,判斷突變是否發(fā)生并識別突變開始發(fā)生的時刻[16,17]。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 徑流年內(nèi)變化特征

        繪制夏河站、雙城站和折橋站徑流年內(nèi)分配曲線(如圖2 所示)。由圖2 可知,三站徑流量年內(nèi)分配特征基本一致,均為:夏季徑流量最大,冬季徑流量最??;汛期(6 月-10 月)徑流總量占全年徑流量66%,非汛期(11 月至次年5 月)徑流量占全年徑流量的34%。年內(nèi)徑流量最大月出現(xiàn)在9 月,最小月出現(xiàn)在2 月??梢钥闯龃笙暮恿饔驈搅髁磕陜?nèi)分配不均,其變化特征主要受大氣降水的影響。

        圖2 夏河站、雙城站和折橋站徑流量年內(nèi)變化曲線

        3.2 徑流年際變化特征與變化趨勢

        根據(jù)1956~2016 年夏河站、雙城站和折橋站徑流系列資料,計算得三站多年平均徑流量分別為2.56m3、7.63m3和8.68m3;三站年最大徑流量均出現(xiàn)在1967 年,分別為6.05m3、19.95m3和24.35m3;三站年最小徑流量分別為0.96m3(2000 年)、4.00m3(1998年)和3.85m3(1991 年);三站年徑流量極值比分別為6.29、4.99、6.32,變差系數(shù)Cv 值分別為0.38、0.38、0.42??梢钥闯龃笙暮恿饔蚰陱搅髁磕觌H變化幅度較大。

        1985 年以后,大夏河開始修建水利工程,其中干流規(guī)劃修建梯級水電站25 座,主要分布在夏河站~折橋站之間。以1985 年為分界點,1956 年~1985年,三站年平均徑流量分別為2.95m3、8.54m3和10.29m3;1985~2016 年,三站年平均徑流量分別為2.18m3、6.75m3和7.13m3。分界點前后,三站平均徑流量分別減少了26.03%、20.90%和30.65%,可以看出,1985 年以后,大夏河流域徑流量明顯減少。

        繪制三站年徑流變化過程線,包括逐年徑流量過程線和連續(xù)5 年滑動平均變化過程線(如圖3 所示)。由圖3 可知,三站年徑流過程線比較相似,均呈下降趨勢;三站年徑流過程趨勢線斜率k 分別為-0.022、-0.047 和-0.081,從上游至下游,|k|值逐漸增大,由此可見,近幾十年來,大夏河流域年徑流量有下降的趨勢,且減少的趨勢隨著流域面積的增加而增加。由圖3 中三站連續(xù)5 年滑動平均變化過程線可知,大夏河流域上、中、下游年徑流量變化趨勢相似,尤其是1985 年之前,豐、平、枯水年基本對應(yīng)。

        圖3 夏河站、雙城站和折橋站年徑流量過程線和5a平均滑動平均曲線

        通過計算三站年徑流序列距平累計值,繪制夏河站、雙城站和折橋站年徑流量序列距平累積曲線(如圖4 所示)。由圖4 可知,三站年徑流量距平累積曲線變化趨勢基本一致,其中夏河站變化趨勢相對較平緩。1957~1968 年和1975~1979 年三站的年徑流量累積距平值基本保持逐年遞增,表明該時間段大夏河流域處于豐水年份;1968~1974 年和1991~2016 年三站的年徑流量累積距平值基本保持逐年遞減,表明該時間段大夏河流域處于枯水年份;1980~1990 年三站的年徑流量累積距平值變化幅度較小,表明該時間段大夏河流域處于平水年份。

        圖4 夏河站、雙城站和折橋站年徑流量序列距平累積曲線

        3.3 年徑流周期性分析

        采用Morlet 小波分析,對夏河站、雙城站和折橋站年徑流量進行周期性分析和小波方程檢驗。

        夏河站年徑流量小波分析如圖5 所示。夏河站年徑流量存在明顯的周期性變化,其震蕩周期有3a、5a、10a 和25a,其中25a 徑流序列出現(xiàn)最大峰值,表明25a 的周期振蕩最強,為夏河站徑流量序列的第一主周期,10a、3a 對應(yīng)為第二和第三主周期。在25a 尺度下經(jīng)歷了正-負-正-負-正交替變化,對應(yīng)年徑流量經(jīng)歷偏多-偏少循環(huán)交替;2016 年夏河站年徑流量等值線圖為正相位,且未閉合,按25a 的第一主周期推算,夏河站年徑流量將保持增加的趨勢到2021 年。

        圖5 夏河站年徑流量小波分析與小波方差圖

        雙城站年徑流量小波分析如圖6 所示。雙城站年徑流量存在3a、10a、14a 和22a 左右的震蕩周期,其中22a 時徑流序列出現(xiàn)最大峰值,表明22a 為雙城站徑流量序列的第一主周期,10a、3a 對應(yīng)為第二和第三主周期。在22a 尺度上經(jīng)歷了負-正-負-正-負-正-負7 個變化期,1956~1958 年、1970~1980年、1992~2004 年和2014~2016 年為偏少期,1959~1969 年、1981~1991 年和2005~2013 年為偏多期;2016 年雙城站年徑流量等值線圖為負相位,且未閉合,按22a 的第一主周期推算,雙城站年徑流量將保持減少的趨勢到2024 年。

        圖6 雙城站年徑流量小波分析與小波方差圖

        折橋站年徑流量小波分析如圖7 所示。雙城站年徑流量存在3a、9a、15a 和22a 左右的震蕩周期,其中徑流序列最大峰值出現(xiàn)在9a,表明折橋站徑流量序列的第一主周期為9a,3a、15a 對應(yīng)為第二和第三主周期。在9a 尺度上,1956~1957 年、1962~1967年、1971~1975 年、1980~1985 年、1989~1993 年、2000~2004 年和2009~2012 年為偏少期,1958~1961年、1968~1970 年、1976~1979 年、1986~1988 年、1994~1999 年、2005~2008 年和2013~2016 年為偏多期,共經(jīng)歷了14 個負-正循環(huán)交替的變化期。

        圖7 折橋年徑流量小波分析與小波方差圖

        3.4 年徑流突變型檢驗

        假定大夏河年徑流量序列相互獨立且連續(xù),選取顯著性水平α=0.05,臨界值U0.05±1.96,運用Mann-Kendall 檢驗對大夏河夏河站、雙城站和折橋站年徑流量進行突變性檢驗,結(jié)果如圖8 所示。

        圖8 夏河站、雙城站和折橋站年徑流量M-K 檢驗

        從圖8 中(a)夏河站UF 曲線可以看出,1957~1969 年UF 均大于0,表明夏河站年徑流量呈上升趨勢,因1958 年、1960 年、1962 年和1964 年UF 均大于臨界值1.96,則這4 年夏河站年徑流量上升顯著;1969 年之后,UF 均基本小于0,且1997~2016 年UF 均小于臨界值-1.96,表明夏河站年徑流量在1969 年之后保持連續(xù)下降的趨勢,且1997 年之后下降趨勢顯著;夏河站UF 和UB 曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點出現(xiàn)在1985 年,說明夏河站年徑流量突變發(fā)生在1985 年。

        圖8 中(b)雙城站UF 曲線在1957~1970 年均大于0,在1971~2016 年均小于0,其中1998~2007年小于臨界值-1.96,表明雙城站年徑流量在1957~1970 年呈上升趨勢,在1971 年之后呈下降趨勢,且1997~2007 年期間下降趨勢顯著;雙城站UF 和UB曲線的交點置信區(qū)間內(nèi),年徑流量的突變發(fā)生在1979 年。

        圖8 中(c)折橋站UF 曲線在1957~1970 年和1978~1979 年均大于0,在1971~1978 年和1980~2016 年均小于0,其中1997 年之后均小于臨界值-1.96,表明折橋站年徑流量在1957~1970 年和1978~1979 呈上升趨勢,在1971~1978 年和1980~2016 年呈下降趨勢,且1997 年之后下降趨勢顯著;折橋站UF 和UB 曲線的交點置信區(qū)間內(nèi),折橋站年徑流量在1985 年突變發(fā)生。

        4 結(jié)論

        文章采用滑動平均、距平累計曲線、小波分析和M-K 檢驗等方法對大夏河夏河、雙城、折橋水文站1956~2016 年徑流序列進行系統(tǒng)分析,結(jié)果表明:

        1)大夏河流域年徑流量年內(nèi)分配不均,汛期6~10 月徑流總量占全年徑流量66%,年內(nèi)徑流量最大、最小月分別為9 月和2 月。

        2)1956~2016 年夏河站、雙城站和折橋站年徑流量基本呈豐、平、枯水年的變化趨勢;受水利工程的影響,大夏河流域年流量較少趨勢顯著,且下游下降趨勢比上游更顯著;大夏河流域年徑流量最大值出現(xiàn)在1967 年。

        3)Morlot 小波分析表明,大夏河夏河站年徑流量存在4 個主周期,第一至第四主周期依次是25a、10a、3a 和5a;雙城站年徑流量的4 個主周期,依次是22a、10a、3a 和14a;折橋站年徑流量的4 個主周期,依次是9a、3a、15a 和22a。

        4)大夏河流域年徑流量在1956~1970 年基本呈上升趨勢,1980~2016 年呈下降趨勢,其中1997~2007 年期間下降趨勢顯著,而1997~1979 年變化趨勢上下游不一致;夏河站、雙城站和折橋站年徑流量均有突變點,分別出現(xiàn)在1985 年、1979 年和1985 年。

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