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        渭河支流黑河徑流變化特征分析

        2022-10-18 13:32:02
        地下水 2022年5期
        關(guān)鍵詞:峪口黑河年際

        張 萍

        (陜西江河工程項目管理有限責任公司,陜西 西安 710018)

        河川徑流量是地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水的重要來源,是生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的制約因素[1]。受氣候變化和人類活動影響,河川徑流過程變化明顯。黑河作為渭河的一級支流,水質(zhì)優(yōu)良,是黑惠渠灌區(qū)的灌溉水源,流域上建有黑河金盆水庫,為西安市300萬市民提供飲用水,是西安市最重要的地表水源地[2]。隨著西安國家中心城市和引領(lǐng)“一帶一路”、亞歐合作交流的國際化大都市的建設(shè),對黑河流域水資源提出更高的要求。近年來,水資源短缺已成為經(jīng)濟社會快速發(fā)展的制約因素。黑河流域水資源變化對西安市經(jīng)濟發(fā)展和市民生活用水有重要影響,因此研究黑河流域的徑流變化特征意義重大。

        針對河川徑流變化分析,業(yè)內(nèi)學者開展了大量研究,取得了一批研究成果。肖潔等[3]對渭河干流徑流年際及年內(nèi)變化趨勢進行分析,發(fā)現(xiàn)60a來渭河徑流量顯著減少,并在未來一段時間內(nèi)保持持續(xù)減少態(tài)勢;年內(nèi)徑流分配不均,徑流多集中在5-10月。姜世中[4]在分析黃河源區(qū)達日至瑪曲段近50 a徑流量變化趨勢中發(fā)現(xiàn)徑流量存在3.2 a、7.5 a、19.5 a和36.5 a左右的主周期,1986年以來出現(xiàn)的枯水期,2004年左右以后發(fā)生改變。楊春利等[5]對1958-2015年疏勒河上游徑流變化及其氣候因素進行分析,發(fā)現(xiàn)疏勒河出山徑流量呈現(xiàn)增加趨勢,降水是出山徑流變化的主控因素,氣溫升高引起的冰雪融化是近年來出山徑流增長較快的重要原因。

        通過分析黑河流域徑流變化特征,對黑河流域水資源開發(fā)利用具有重要現(xiàn)實意義。本文以黑河流域為研究區(qū)域,選用黑河黑峪口水文站1950-2015年徑流量為研究對象,采用線性回歸法[6]、滑動平均法[7]和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法分析徑流量變化趨勢,采用累積距平法[8-9]分析徑流量變化過程,采用Mann-Kendall突變檢驗法分析徑流量突變情況,采用R/S分析法預(yù)測徑流量未來變化趨勢;通過對黑河流域徑流年際年內(nèi)年代變化過程、趨勢、突變狀況及未來趨勢分析,旨在為黑河流域水資源調(diào)度和生態(tài)保護高質(zhì)量發(fā)展提供依據(jù)。

        1 資料與方法

        1.1 黑河概況

        黑河為渭河右岸一級支流,發(fā)源于秦嶺北麓太白山,最大海拔2 710 m,入渭口海拔404 m,河道總落差2 306 m,平均比降8.8‰。干流總長125.8 km,集水面積2 258 km2,其中:峪口以上河長96.3 km,集水面積1 887 km2,峪口以下河長29.5 km,集水面積371 km2。黑河流域概況如圖1所示。

        圖1 黑河流域及水文測站分布圖

        1.2 資料來源

        根據(jù)黑河流域水文站點分布情況,本文選取黑峪口水文站1950-2015年共66 a實測徑流資料。經(jīng)過三性審查,黑峪口站徑流數(shù)據(jù)具有良好的周期性、代表性和一致性,可用于徑流變化特征分析研究。

        1.3 研究方法

        1.3.1 Mann-Kendall趨勢檢驗法

        Mann-Kendall檢驗是水文氣象領(lǐng)域普遍使用的檢驗方法,優(yōu)點是方法簡單,樣本無需按照一定規(guī)律分布,受異常值干擾小[10-11]。

        1.3.2 Mann-Kendall突變檢驗方法

        對于具有n個樣本量的時間序列,構(gòu)造秩序列[12]:

        (1)

        (2)

        定義統(tǒng)計量:

        (3)

        E(sk)=n(n+1)/4

        (4)

        var(sk)=n(n-1)(2n+5)/72

        (5)

        式中:UF1=0,E(sk)和var(sk)是累積數(shù)sk的均值和方差。

        給定顯著性水平α,若∣UFk>Uα∣,則表明序列有明顯趨勢變化。將時間序列逆序,再重復(fù)上述過程,使UFk=UBk(k=n,n-1,… 1)。UFk和UBk的值大于0,說明有上升趨勢,反之下降趨勢,當其值超出臨界線時,說明變化趨勢顯著。如果UFk和UBk兩條曲線有交點,且交點出現(xiàn)在臨界區(qū)間,則交點為突變開始時刻[13]。

        1.3.3 R/S分析法

        R/S分析法基本原理為:

        設(shè)有一時間序列:{ζ(t)},t=1,2,3,…,N;然后取一個系列τ=1,2,3,…,N,對于某個τ,定義:

        (6)

        (7)

        Hurst指數(shù):ln(R/S)=Hlnτ+Hlna

        (8)

        Hurst指數(shù)(00.5,表明未來趨勢與歷史一致,H越大持續(xù)性越強;當H<0.5,表明未來趨勢與歷史相反,H越小反持續(xù)性越強[14]。

        2 結(jié)果分析

        2.1 徑流年內(nèi)變化特征分析

        圖2 (a)為黑峪口站徑流量年內(nèi)分配過程,柱狀為月徑流值,折線為月徑流占全年總量百分率。從結(jié)果看:該站月徑流最大值為9月(0.98×108m3),9月之前呈增加趨勢,之后呈遞減趨勢。徑流年內(nèi)分配不均,主要集中在汛期6-10月,占全年的70.7%。

        (a)基本趨勢 (b)Mann-Kendall趨勢檢驗圖2 黑峪口站徑流量變化趨勢

        圖2(b)為黑河流域黑峪口站徑流量Mann-Kendall趨勢檢驗。取顯著性置信水平,則。由圖可知,黑峪口站月流量均為減少趨勢,且除了9月徑流量減少趨勢未通過顯著性檢驗外,其余月份均為顯著性減少。4月減少趨勢的幅度最大,9月減少趨勢的幅度最小,汛期(6-10月)減少趨勢的幅度小于非汛期。

        2.2 徑流年際變化特征分析

        為排除偶然因素的影響,通常使用平滑法分析處理數(shù)據(jù)。對黑峪口站66 a的年徑流系列采用3 a、5 a分析年際徑流變化特征,分析結(jié)果見圖3(a)。由圖可知,黑峪口站年徑流量整體呈減少趨勢,年徑流量以0.083×108m3/a的速率減少。采用MK法分析徑流變化規(guī)律。經(jīng)計算,年徑流量的Z值為-4.77,采用顯著性置信水平α=0.05檢驗,該站徑流量顯著減少。年徑流量最大值為1983年的12.31×108m3,最小值為2013年的1.09×108m3,兩者相差11.22×108m3,最大值是最小值的11.29倍,平均值為5.33×108m3,最小值是平均值的0.20倍,可以看出黑峪口站徑流量的年際變化較大。

        (a)年際變化 (b)徑流距平圖3 黑峪口站徑流變化趨勢

        圖3(b)為徑流距平圖,從結(jié)果看出:1964年之前,黑峪口站年徑流量呈增加趨勢;1964-1979年,呈現(xiàn)波動變化趨勢;1979-1990年,呈增加趨勢;1990年之后,呈減少趨勢。黑峪口站年徑流量出現(xiàn)3個拐點和4個階段的變化(增加-波動-增加-減小)。

        2.3 徑流年代變化特征分析

        圖4為黑峪口站年代徑流量Boxplot圖。從結(jié)果看,黑峪口站各年代平均值均大于中位數(shù),表明徑流量多集中于均值以下部分。年代徑流量1980年最大,2010年最小。1950-1960年代徑流量均大于多年均值,徑流偏豐;1990-2010年均小于多年均值,徑流偏枯。1970-1980年呈增加趨勢,1950-1970年和1980-2010年均呈減少趨勢,且在1980-1990年減少最多。

        圖4 黑峪口站徑流量年代變化分析

        2.4 徑流突變分析

        采用MK突變檢驗法分析黑峪口站年徑流量突變。取顯著水平α=0.05,查表得臨界值Uα/2=±1.96。圖5為黑峪口站年徑流量M-K突變曲線。從結(jié)果看出,該站1950-1965年UF>0,年徑流量上升趨勢。1965-2015年UF<0,年徑流量呈下降趨勢,其中1995-2015年通過了0.05顯著水平,為顯著性下降。年徑流量統(tǒng)計量曲線UF和UB在1992年相交于置信區(qū)間內(nèi),表明黑峪口站徑流量在1992年發(fā)生了突變。

        2.5 徑流序列R/S分析

        圖6(a)為該站年徑流量R/S分析圖。從結(jié)果看出,該站年徑流量呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。年、月徑流的相關(guān)系數(shù)均超過0.94,趨勢為線性關(guān)系。圖6(b)為該站年、月徑流H指數(shù),從分析結(jié)果看出:年、月徑流H指數(shù)均超過0.5,與歷史正相關(guān),即未來相同時間內(nèi)該站年、月徑流量將呈現(xiàn)減少趨勢。10月H指數(shù)最小,持續(xù)性最弱;1月H指數(shù)最大,持續(xù)性最強。汛期(6-10月)H指數(shù)小于非汛期,說明未來汛期徑流持續(xù)減少的趨勢要小于非汛期。

        圖5 黑峪口站徑流量突變分析

        (a)年際 (b)Hurst指數(shù)圖6 黑峪口站徑流量R/S分析

        3 結(jié)語

        (1)黑河黑峪口站徑流量年內(nèi)分配不均,主要集中在汛期(6-10月),占全年徑流量的70%。年代徑流量多集中于小于均值的部分,1950-1960年代徑流量均大于多年均值,徑流偏豐;1990-2010年之間年代徑流量均小于多年均值,徑流偏枯。各年代徑流量增減交替,在1970-1980年代徑流呈增加趨勢,1950-1970年和1980-2010年呈減少趨勢,在1980-1990年減少最多。

        (2)黑河黑峪口站的年和月徑流量均為減少趨勢,且除了9月徑流量減少趨勢未通過顯著性檢驗外,其余月份均為顯著性減少,汛期(6-10月)減少趨勢的幅度小于非汛期。黑峪口站的年和月徑流量Hurst指數(shù)均大于0.5,汛期徑流量Hurst指數(shù)整體上小于非汛期,表明黑峪口站年和月徑流量具有持續(xù)下降的趨勢,未來汛期徑流量持續(xù)性減少的趨勢要小于非汛期。

        (3)黑河黑峪口站徑流量呈現(xiàn)增加-波動-增加-減小的變化過程,且存在1992年突變點。流域徑流量變化是由氣候變化和人類活動共同作用引起,氣候變化對徑流的影響主要為降水量和潛在蒸散量的增減,人類活動對徑流的影響主要為水利工程修建和取用水量的增減。后續(xù)研究將在本文基礎(chǔ)上深入分析各階段徑流變化的影響因素。

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