（水文学及水资源专业论文）潘家口水库降雨径流变化趋势问题的研究.pdf

中文摘要 我国是一个干旱缺水严重的国家，扣除难以利用的洪水径流和散布在偏远地 区的地下水资源后，人均可利用水资源量只有9 0 0 m 3 。为了缓解水资源供需紧张 的局面，人们长期以来过量开采地下水，造成地面下沉、房屋裂缝及海水倒灌等 事赦，严重破坏了自然环境的生态平衡。 近几十年来，随着社会经济的迅速发展及人口的“爆炸性”增长，水危机不 断出现。作为引滦入津水源地的潘家口水库，水资源状况发生了明显的变化，入 库水量大幅度衰减，迫使天津索放2 0 0 0 年至2 0 0 5 年己连续4 次实旄弓l 黄济津应 急调水。 本文基于资源水利和生态水利的基本指导思想，结合潘家口水库控制流域的 实际情况，对该流域的降雨径流进行了变化趋势研究，并分析了造成该趋势的成 因，其主要研究工作涵盖以下几项内容： ( 1 ) 分析了该流域内的的河流分布，归纳出能覆盖整个流域的8 个子流域， 选取有代表性的3 2 个典型雨量径流测站，收集这些测站的降雨径流等基础资料， 分析了该区域的降雨径漉趋势。 ( 2 ) 在前人研究的基础上，引入了m a n n k e n d a l l 秩次相关检验法和线性滑动 平均法，并用这些方法对各测站的降雨径流趋势进行了分析。 ( 3 ) 将小波分析弓| 入到该流域的降雨径流序列的研究，基于小波分析具有薹暑 常强大的多尺度分辨功能，能识别出水文序列中各种高低不同的频率序列，不同 尺度的低频成分表示水文序列在该尺度下的变化趋势，进而分析各测站的降雨径 流趋势。 ( 4 ) 根据该流域的径流变化趋势，通过降雨、社会发展、水资源开发以及蒸 散发等因素对潘家口入库径流的变化成因进行了初步探讨，为水资源的开发、利 用提供了依据。 关键词：水资源降雨径流趋势研究小波分析变化成因 a b s t r a c t w a t e rr e s o u r c e si sv e r ya b s e n ti nm yc o u n t r y , a v e r a g ev o l u m eo fe v e r y o n ei so n l y 9 0 0 m 3t a k i n go u td i f f i c u l t l ya v a i l a b l es t o r mr u n o f fa n dg r o u n d w a t e ro fr e m o t ea r e a p e o p l eh a v eb e e ne x c e s s i v e l ye x p l o i t e dg r o u n d w a t e rf o rd e l a y i n gt e n s es i t u a t i o no f w a t e rr e s o u r c e sf o ral o n gt i m e ，a n ds oc a u s em u c ha c c i d e n t , s u c ha sg r o u n ds i n k a g e ， b u i l d i n gc r a c ka n ds e a w a t e rc o n v e r s ee t c ，t h eb e h a v i o rh a sd e s t r o y e de n v i r o n m e n t a l e c o l o g i c a lb a l a n c e i nr e c e n t l yy e a r s ，w a t e rc r i s i sc o m ef o r t hc e a s e l e s s l yw i t ht h er a p i d l ye c o n o m i c d e v e l o p m e n ta n dp o p u l a t i o n e x p l o d i n g i n c r e a s e p a n j i a k o ur e s e r v o i ra sw a t e r h e a do f l u a nt ot i a n j i nw a t e rt r a n s f e r r i n g ，i t sw a t e rr e s o u r c e sh a sa r i s e nc h a n g ea n di n f l o w v o l u m eh a sd e c r e a s e d ，s ot i a n j i nc i t ya c t u a l i z e df o u rt i m e sw a t e rt r a n s f e r r i n gf r o m y e l l o wr i v e rd u r i n g2 0 0 0t o2 0 0 5 b a s e do nt h ei d e ao fr e s o u r c e sw a t e ra n de c o l o g i c a lw a t e r , a n db yc o m b i n e d p r a c t i c a ls i t u a t i o no fp a n j i a k o ur e s e r v o i r , c h a n g i n gt r e n dw a sr e s e a r c h e da b o u tt h e r a i n f a l l - r u n o f fi nt h ed r a i n a g e i na d d i t i o n ，t h ef a c t o r sw e r ea n a l y z e da b o u tt h et r e n d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h er i v e rd i s t r i b u t i o n ，e i g h ts u b d r a i n a g e sw e r e s u m m a r i z e dt h a tc o u l dc o v e rw i t hw h o l ed r a i n a g e t h et r e n do fr a i n f a l la n dr u n o f f w a sa n a l y z e dd e p e n d i n go ns e l e c t i n gt h et y p i c a lm e a s l l r es t a t i o na n dc o l l e c t i n g f u n d a m e n t a ld a t a ( 2 ) t h ea u t h o rp r e s e n t e dm a n n - k e n d a l lc o r r e l a t i o nc h e c k o u ta n dl i n e a rs l i p p a g e a v e r a g ea c c o r d i n gt op r e v i o u ss t u d i e s ，a n da n a l y z i n gt h et r e n do ft h er a i n f a l la n dt h e r u n o f f b ya p p l y i n gt ot h e m e t h o d s ( 3 ) w a v e l e ta n a l y s i sw a si n t r o d u c e dt ot h er e s e a r c ho ft h er a i n f a l la n dt h er u n o f f s e r i e s i th a sv e r yp o w e r f u lm u l t i s c a l ef u n c t i o n ，a n dc o u l di d e n t i f yd i f f e r e n t f r e q u e n c ys e r i e s 。i t sl o wf r e q u e n c ys e r i e s i n d i c a t et h ev a r i a t i o nt r e n do ft h e h y d r o l o g i cs e r i e s ，s ot h et r e n do ft h er a i n f a l la n dt h er u n o f fc o u l db es h o w n ( 鸯b yt h ev a r i a t i o nt r e n do ft h er u n o f fi nt h ed r a i n a g e ，t h ec h a n g e d c a u s eo fi n f l o w r u n o f fw a sd i s c u s s e dp r i m a r i l yi na s p e c t so fr a i n f a l l ，s o c i a ld e v e l o p m e n t ，w a t e r r e s o u r c e se x p l o i t a t i o na n de v a p o r a t i o ne t c t h er e s u l t so ft h i sp a p e rp r o v i d e dt h eb a s i s f o r 氇ee x p l o i t a t i o na n dt h eu t i l i z a t i o no f 氇ew a t e rr e s o u r c e s 。 k e y w o r d s ：w a t e rr e s o u r c e s w a v e l e ta n a l y s i s r a i n f a l la n dr u n o f f t r e n dr e s e a r c h v a r i a t i o nc a u s e 独创性声明 本人声鳃所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行斡研究王作彝取褥的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中琴包含其他人已经发表 或撰写过的研究成巢，也不包含为获得基鲞蕉茎或其他教育机构的学位或证 书焉镬用过靛耩糕：与我弱工作的褥志对本研究所做酌任何贡献均已在论文中 作? 明确的说哽并袭示? 谢意。 学彼论文作者签名：删签字嚣麓：沙6 年 月言簪霉 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了髌薹连盘鐾有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞基鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采震影印、缩窝或扫描等复制手段保存、汇编竣供查阕和借溺。弱意学校 南罄家有关部门或机构送交论文的复印 牛和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说嚷) 学位论文作者签名： 妻锻俄 导师签名： 签字毯期： 净年羹；拳匿 签字弱麓： 瑟 夸 饧舻 第一章前言 1 1 问题的提出 第一章前言 水是人类及其他生物繁衍生存的基本条件，是人们生活不可替代的重要资 源，没有永，就没奄生命；永是生态环境中最活跃、影响最广泛的因素，具有许 多其他资源所没有的性能和多重的使用功能：水是工农业生产的重要资源。2 0 世纪5 0 年代以后，全球人口急剧增长，工业发展迅速，世界上许多国家正面临 水资源危机。墨前，全球有1 2 亿入用水短缺，3 0 亿人缺乏用水卫生设施，每年 有3 0 0 万到4 0 0 万人死于与水有关的疾病。到2 0 2 5 年，水危机将蔓延到4 8 个国 家，3 5 亿人为水所困。水资源危机带来的生态系统恶化和生物多样性破坏，也 将严重威胁人类生存，水资源危机既阻碍世界可持续发展，也威胁着世界和平。 过去5 0 年中，由水孳| 发酶冲突共5 0 7 起，其中3 7 起有暴力性质，2 l 起演变为 军事冲突。专家警告说，随着水资源日益紧缺，水的争夺战将愈演愈烈。 我国是一个干旱缺水严重的阑家，人均淡水资源占有量只有2 3 0 0 m 3 ，仅为 世界平均水平的1 4 ，在世界主名列1 2 1 位，全睡有3 0 0 座城市缺永，因缺水全 国城市工业每年损失1 2 0 0 亿元，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。 扣除难以利用的洪水径流和散布在偏远地区的地下水资源后，我国现实可利 用的淡水资源量鬟| j 歪少，人均可剃用永资源量约楚9 0 0 m 3 , 并且分布极不均衡。 到2 0 世纪末，全阑6 0 0 多座城市中，已有4 0 0 多个城市存在供水不足问题，其 中比较严重的缺水城市达1 1 0 个，全国城市缺水总量为6 0 亿m 3 。 近凡年来，我阑永资源紧缺以及永质污染问题目益突出，特别是在现代化城 市建设与工农业生产快速发展中，缺水形势更趋于严峻。为了解决水资源供需紧 张的局面，人们长期以来过量开采地下水，使地下水水位急剧下降，造成地丽下 沉、房屋裂缝、管道断裂，以致孳l 起爆炸事故、海承倒灌，严重破坏了自然环境 的生态平衡。 2 3 年前，举世瞩目、全国最大的引滦入津跨流域调水工程正式通水，天津人 民从此结束了喝咸水的历史。与此同时，天津王鼗生产缺拳的局面得到缓籍，地 面沉降得到有效控制。跨流域调水为天津的发展注入了生机与活力，成为攀关天 第一牵 l 蓼害 津经济社会发展的“生命线”，为天津的生存发展提供了强有力的支撑。 然而近1 0 年来，作为引滦入津水源地的潘家1 2 1 水库，水资源状况发生了明 显的交化，入痒水量大幅度衰减，多次造成天津市城市供水危视，追使天津市从 2 0 0 0 年至2 0 0 5 年已连续4 次实施引黄济津应急调水，这一现象已经引起市政府 有关部门的重视。 1 2 本文的研究背景和研究意义 1 2 1 研究背景 1 2 1 1 我国的水资源状况 上个世纪釉年代，在水利电力部的主持下，全国开展了第一次大规模的永资 源评价工作，利用1 9 5 6 - 1 9 7 9 年的水文气象资料，对全国l o 个水资源利用一级分 区进行了水资源量评价【1 】：全国多年平均 - - i ) l l 径流量为2 7 11 5 亿m 3 ，地下水资源 量为8 2 8 8 亿m 3 ，扣除两者之间的重复计算2 7 2 7 9 亿m 3 ，全国水资源总量为2 8 1 2 4 亿o 。 国外许多国家常用多年平均河川径流量近似代表水资源量，我国的河翊径流 量为2 7 1 1 5 亿m 3 ，居世晏第六位，仅次于巴西、前苏联、加拿大、美国和印度尼 西亚。但我国人口众多，耕地面积大，人均占有水资源量不足世界人均的1 4 ， 单馕耕地面积占有的永资源量只有世界平均的6 0 。按照联合国可持续发展委员 会等7 个有关组织1 9 9 7 年对全世界1 5 3 个国家和地区所做的统计，我国人均水资源 量排在第1 2 1 位。 除了人均水资源占有量偏少以外，我国地处亚欧大陆东侧，跨高、中、低3 个纬度区，受季风与自然地理条件的影响，南北气候差异很大，致使我国水资源 的时空分布极不均衡霹】。在地区分布上，表现为东南多、西托少，由东南沿海向 西北内陆递减的特点；在时程分布上，表现为夏季炎热多焉，冬季寒冷两干燥， 雨量集中，暴雨多发生在7 月下旬和8 月上甸，而春秋干旱少雨，并且年际丰枯变 仡比较悬殊，常出现连续事水年和连续桔水年的异常现象。我国水资源在时程上 分布的极不均衡性，不仅造成频繁的大面积的水翠灾害，丽且对水资源的开发利 用十分不利，在干早年份还加剧了缺水地区城市、工业与农业用水的困境。 篇一章前言 承资源评价的最新结果表甓，近年来，南方地区河娥径流帮水资源总量骞新 增加，增幅接近5 ；而北方地区水资源量明显减少，其中以黄河、淮河、海河 和辽河地区最为显著，资源总量减少了1 2 ，北方部分流域周期性的水资源短缺 加劂。水资源相对丰沛的南方地区也出现了区域性甚至流域性缺水的现象。 1 2 1 2 我国水资源开发利用现状 新中国成立以来，我国水源工程建设取得了辉煌成就，全豳供水量成倍增长， 供水不赣满足入因增长帮经济快速发展的需要，隽重民经济发震徽出了重大贡 献。1 9 4 9 - - - 1 9 9 9 年的5 0 年内，我阔人口增长了2 3 倍，国内生产总值( g d p ) 增长 了3 0 倍( 按可比价计算) ，用水总量增加了4 倍多。1 9 8 0 年以前，水资源利用以农 业篇水梵主，灌溉农业有了很大的发展。1 9 8 0 年以后，舞水的增长以工业和城市 生活用水为主，农业用水的增长缓幔，用水结构有了很大的变化，工业和城市用 水的比重增加，农业用水的比重下降。目前，城镇生活用水( 包括全部建制市、 建制镇以及具有集中供水设施的非建制镇的居民用水和公共设施用水) 占5 8 ， 农村生活震水( 包括农村居民和牲畜雳永) 占5 4 ，工盟蔫永蠢2 0 。8 ，农黧灌溉 用水占6 1 4 ，林牧渔用水占6 6 。工业和城市生活用水的持续增长，导致了城 市和正业用水挤占了农业用水，囡民经济用水挤占了生态环境用水，这不仅造成 了农她供水的困难，而且加剧了生态与环境的恶化p 】。 我国淡水资源的人均占有量低，时空分布变异性又特别大，水资源与土地资 源不相匹配，生态环境相当脆弱。目前，我国北方水资源开发利用程度很高，不 少河流超过5 0 ，上世纪7 0 年代以来频频出现河道断流和潮泊洼淀萎缩等生态环 境问题；南方水网地区，因用水艨的超标排放，水体污染及富营养化现象严重； 西北干早半干早地区，经济用水大量挤占生态用水，使荒漠化趋势蔓延；西南山 区，坡陡、田高水低，水资源开发利用困难，水土保持工作艰巨。从全国来看， 水资源现状承载麓力幂羹生态环境容量明显不足。由于气候医素豹影晚，奄涝：l 艺旱 的情况较为突出，北方地区水资源量减少趋势明显，水资源问题己成为当前影响 我国社会发展的瓶颈。我国水资源问题主要表现在以下几个方面【4 1 ：一是干早缺 水，水资源供需矛鹰尖锐；二是洪涝灾害频繁；三是水污染严重，导致水质性缺 水；隧是生态环境恶纯；五是水瓷源管理亟待加强。 2 1 世纪是我国进入全面建设小康社会、加快推进现代化的发展阶段，经济和 社会将进一步发展。尤其是2 l 世纪魄上半叶，g d p 将成倍增长，人口将达到1 6 亿，永资源能否既满足城市生活、工农业各 亍业用水需求，又保护好生态与环境 不樽继续恶化，将成为我国水资源面临的时代挑战f 5 】【6 】。 第一章前言 l 。2 。1 3 我国水资源拜发利用存在的主要问题 我国水资源开发利用己完成了有利于可持续发展的观念转变、政策创新的初 步转型，目前正在实施的管理体制改革将对水资源可持续开发利用奠定更加坚实 豹基勰。筵由于传统因素的影响，以及拳资源开发程用的露有属性，我国水资源 开发利用还存在一些制约因素，现进行分析如下： ( 1 ) 水的供需矛盾突出 经济的持续发展和我国水资源开发利用条件的限制，使圈民经济和社会生活 中水的需求矛盾越来越尖锐。目前全国每年缺水总量为4 0 0 6 0 0 亿m 3 ，一般年 份全国受早面积达1 - 3 亿亩，且随着经济的进一步发展和人鼹的增长，水的供需 矛蘑还有进一步翔剧的趋势。根据中国2 l 世纪议程的相关预测，裂本世纪中 叶，我国人口可望达到零增长，人口达1 6 亿，到那时全国用水需求为1 3 7 6 0 亿m 3 ， 相当于现状全国水资源总量的4 9 ，这种水资源开发利用程度是难以达到的，或 者说是极其困难的。由此可以得淑维论，水资源供不应求、供需矛瘗突出躺麓题 还将在我国较长时期内存在，成为我国水资源开发利用模式选择和社会经济发展 规划中需要面对和解决的首要问题之一。 0 ) 水环境质量恶倦 在水资源供需矛盾日益尖锐的情况下，由于水资源管理筝段和措施不力，人 们用水方式不当，造成江河湖泊水环境污染严重，使部分地区出现水质型缺水。 基前全匿七大江河、湖泊郦大部分水库均遭受不同程度的污染，2 0 0 2 年七大水系 7 4 1 个重点监测断面中，4 0 9 的断面属劣v 类水质，一些城市饮用水安全得不到 保障【7 】。并且随着正业化和城市化进程的加快，水环境质量恶化呈加重趋势。在 一些工业较发达城市和经济发达地区，水域污染程度尤为突出，磷、氮超标，富 营养化严重，使涯河潮水部分失去了利用价僮，对生产生活产生严重影响，甚至 危害人们的身体健康。 疆前，造成我隔水环境污染的主要污染物是有机污染，污染源来自化王、造 纸、纺织等企业撵放的高浓度有机废水和大量来经处理鳃城镪生活污水。而且城 市生活污水排放量逐年增加，污水中化学耗氧量增加也比较快，且污水处理率很 低，大部分污水未经处理即排入江河湖泊中，导致了城市附近水域污染逐渐加重 的羯翁。另终，滥施亿驻、农药和严重的水土流失给水髂带来严重的污染，也是 水环境恶化的一大罪魁祸首强】。总体来看，水资源短缺和水污染严重己成为我国 第一搴 l 萋言 不少地区和城市生存与发展的巨大障碍。 ( 3 ) 水资源浪费严重 我国水资源开发利用和社会经济发展实践中呈现出来的水资源供需矛盾，是 由水资源开发利用水平、水环境污染和水资源严重浪费三大因素共同作用造成 的。水资源紧缺与水资源浪费并存，是水资源供需矛盾激化的重要原因。我匿作 为农业大国，农业用水占总用水量的8 0 以上【州1 1 们。有文献估计，我国的灌溉用 水为1 0 0 0 m 3 亩，超过需水量一倍多，农业用水浪费严重。此外，我国目前灌溉 水的利用率很低，据统计，全营大、中型灌区灌溉面积达不捌设计灌溉面积的比 例很大，渠系水的利用系数不n o 5 ，与节水先进国家0 7 - - 0 。8 的水平相去甚远。 工业生产工艺水平低、水的重复利用率低、单位产品耗水量高等，也是水资源浪 费的主要原因。哥前我国工业用水重复利用率为3 0 4 0 ，距离发达国家7 5 - 8 0 的水平仍有很大差距。我匡工业产品单位耗水量与发达图家摆比存在较大差 距，以钢铁行业为例，每生产1 吨钢耗水量为7 0 - l o o m 3 ，而法、美、日每吨钢 耗水量分别为3 7 5 m 3 、4 0 m 3 和2 1 m 3 ，仅为我国平均水平的1 8 - - - , 1 5 0 h 】。我国城 市供求管道的漏失也不容忽视，全国供水管遂损失率为1 0 以上，少数城市高达 2 0 以上，这个损失直接影响城市供水的紧张局面。由此可见，加强水资源供需 管理，引导人们正确使用水资源，合理消费水资源，无疑是改善水资源供求矛盾 紧张局面的有效手段。 ( 4 ) 洪涝灾害损失加大 近四十年来，我国每年自然灾害造成的直接经济损失，约占国民生产总值的 3 - - - 5 ，平均每年嚣灾死亡数达万入，丽在所有的自然灾害中，洪旱灾害是最 常遇和损失最重的灾害【1 2 】。我国的洪水灾害，除受自然条件影响外，工程老化 失修；人为设障和河道淤积，使河道行洪能力下降；还有防洪抗洪的管理不够协 调等等，入为影响了防洪效益的发挥。我国有近l 忽的入口、l 乃的耕地和7 0 的 工农业产值均集中在江河的中下游地区，普遍蘧临着较大洪水的威胁，防洪除涝 工程对国民经济发展的保障作用勿容置疑。加强防洪除涝体系建设，是实施可持 续发展战略、促进国民经济和社会健康稳定发展的客观需要，我国“七五”以来 水剩建设的发展，特别是“丸五”、“十五国家实施积极的财政政策，加大对 水资源开发利用的投入，正是顺应了这一需要，而且，随着经济的持续发展和人 民生活水平的不断提高，一旦发生洪涝灾害，造成的损失呈现增长的态势，由此 可冕洪涝灾害应提高至l 匡家安全的高度作为特殊阀题进行处理，并兼颞考虑防洪 减灾、水资源利用与水环境保护等多方面的水资源开发利用的重大问题。 第一章前言 5 管理麓念察手段刽薪活力不够 受长期计划经济体制的影响，我国水资源开发利用和管理长期处于重建设、 轻管理的发震阶段f h l 。近年来，随着可持续发展理念在社会经济中的逐步渗 透，求资源开发裂用和管理理念逸在发生变纯，皴露持续发震露想隽指导的水姿 源开发利用观念正在逐步形成并得到一定的应用。但总体来说，水资源开发利用 行业管理观念转变较慢，管理手段创新不够，与其他行业相比，水资源开发利用 鲍经营黎管理较势褪放，导致永资源浪费严重，影响了东资源使焉效率的提高， 进而制约了永资源的可持续开发利耀。警理观念更新帮管理手段刨薪，是我窝水 资源开发利用走向可持续发展道路的关键所在 1 2 2 磺究意义 水资源是基础自然资源，也魁生态环境建设的控制性要素，同时又是战略性 经济瓷源，力综合黧力的有枫组成部分1 1 5 】。入嗣、资源和环境协调发展的核心 弱题是资源髭否满足人类整世代代的生存与发展。雷癸一些经济学家主张；匿家 的发展应该按一个l l j “短缺”所决定的发展来进行，而不是按个由“多余能力”所 决定的发展来进行。中国资源的短缺以水资源最为突出，有限的水资源目前不仅 无法满是蘑家发震黪需求，瑟显由于水琢境的变纯秘求覆的恶仡，永资源短缺的 形势越来越严竣，水污染进一步加劂了东短缺的紧张届势，水危机的危险遣在属 睫。水危机及其所衍生的水质和生态问题不仅束缚和制约我圜缀济发展第三步战 略目标的实现，而且将可能引发燮大的社会和政治危机，进藤黪响我国国家安全 格餍。 在未来相当长的历史时期内，需高度重视水汝源短缺的现实。特别值得指出 的是，未来的水危机与过去水资源的严重短缺的形势是很不一样盼，过去主要是 靠开源增黧供东量，现在具有可经济开发翁大型承源越来越少，鄄傻吴畜霹开发 的资源，其开发难度将越来越大，所需的费用将十分昂贵。中圈的水危机问题已 成为垒社会关注的个热点。 与簧统嚣研究承文痔舞趋势方法不霉，小波分析具有多分辨率功麓，嚣常 适合予分析水文时间序列，从多方面揭示水科学的内在规律，从而为水资源合理 开发、利用和有效配蓬提供更多依据。在水文学领域引进小波分析开创了一条崭 薪的研究途径，极大缝丰富了水文学静内容。 本文通过对潘家口水库控制流域实测降雨熊、径流量特征变化趋势进行研 第一章前言 究，进一步探讨了孳| 起潘家墨水簿降雨量、入瘁径流量变优的成因，力合理安排 天津市城市供水调度方案、科学规划天津市水资源供需配置、支持天津市社会经 济可持续发展提供一定的依据。 1 3 国内外的相关研究动态 小波分析是调和分析这一数学领域半个世纪以来的工作结晶，必将广泛地应 用于信号处理、地震勘探、语音识别与合成、枧槭故障诊断与监控以及数字毫视 等技术领域。原则上讲，传统上使用傅立时变换的地方，都可以用小波分析方法 来代替。小波分析方法实质上是一种窗口大小固定但其时频窗口都可以改变的时 频局部化分析方法，躲在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率， 在高频部分具有较赢的时闻分辨率和较 氐的频率分辨率。正是这种特性，馒小波 分析具有对信号的臼适应性。 从泛丞分析的角度来看，小波分析是把信号分解“投影”到由小波函数构成 的涵数空闻上，在“投影”过程中，与小波丞数穗似的信号将取得较大的投影值。 小波分析的母函数是一种由衰减的波动信号构成的“波包，小波分析的过程是 对整个“波包”( 被分析的信号) 进行处理以提取其波形特征，而不是对单个点或 单个频率进行处蓬。它利用了整个“波包”的熊墨，因面具有很强的抑制噪声的 能力，在波形的时域特征被噪声所淹没时，也能获得良好的识别效果【嘲。 1 3 。l 小波理论在水文学中的应用研究 小波理论是调和分析几十年来研究的成果，堪称傅里叶分析发展史上里程 碑式的进展【1 7 】。 随着小渡分蓼荦理论的形成帮发震，其在时阀域帮频率域阕时具有良好的局 部化的优势逐渐引起许多水文科学工作者的重视。小波分析具有多分辨率的功 能，非常适合分析水文时间序列。同时，小波分析可以深刻揭褥各种时间序列的 交他特性，对不同序列过程识剐分类，通过小波分析建立合适的小波模型用子预 测；通过小波分析穰重构可以随机模拟径流序别，用于水文水资源分析和计算。 因此，在水文水资源和水环境领域引进小波分析将开创一条崭新的研究分析途 径，大大丰富水文学的内容。将小波分析与现代科学理论和方法结合，能够从多 方面揭示水文科学的内在规律，必水资源合理开发利用和有效配置提供更多的依 据，既拓宽了小波分析理论应用范围，又推动了小波分析理论本身的发展 s 8 - 2 0 。 第一章前言 随着小波理论的形成帮发展，其皇身的优越性表现褥越来越明显，孳| 起了 几乎各个领域的专家和学者的重视。1 9 9 3 年，p k u m 拥e f o u f o u i a o e o r g i o u t 2 1 】首 次将小波理论引入到水文学中来，此后，在大量水科学工作者的努力下，小波理 论在水科学中取得了一定研究成果，主要表现在水文多时间尺度分析、水文时间 序列变化特性分析、水文预报和随机模拟等方瑟。 1 9 9 3 年，p 鼬h n a r 和e f o u f o u l a , g e c r g i o l l 在评述小波分析的基础上，运用h a r t 小波变换研究了空闻降水的尺度和振荡特征，研究表暖空阉降水存在标度的囊相 似性和时间尺度的多种成份。1 9 9 6 年，v v e n c k p 和e f 饨蠡嘲鼬g e o 唾o u i 2 2 l 用小波 包理论对降水序列进行小波分解，识别其时间一频率尺度，从而进行能量分解， 为研究降水形成机制开辟了新的途径。1 9 9 7 年邓自旺等【2 3 】根据m o d e t d x 波变换系 数的模、位提黧实部分析了西安市近5 0 年月降水量多时阌尺度结构，霹时还判 别降水序列中所包含突变点的存在性和位置：胡增臻利用墨西哥帽小波研究了华 北夏攀降水变化对时间尺度的依赖性，研究表明华北夏季降水在不同年代起主导 作用的时闻尺度有明显差异。1 9 9 8 年纪忠萍等【2 4 】通过对1 9 9 4 年6 胃广东省洪涝 期闳南雄与电自两站逐时地厦降水、气压帮温度的小渡分析，清楚地将影响两站 的不同尺度的扰动显示出来，利用小波方差图可帮助确定该时间段的主要天气系 统。 1 9 9 9 年杨辉等瓣5 】咎翻通过小波变换法分析了华北地区的水资源各分量的时间 一频率的多层次结构和突变特征；孙卫国掣2 7 硼m o f l e t d x 波变换法分析了河南省 近5 0 年来月降水量距平序列的多时间尺度结构，对其旱、涝时频变化特征进行 7 初步研究。 2 0 0 1 年姚建群r 8 】对上海地区1 9 0 0 - 1 9 9 9 年月降水，用m a 玎小波及m o r l e t 小波变换法分析了上海地区近百年冬、夏季降水的多层次时间尺度演变特征及其 突变特薤；郑昱等弦霸将小波分柝孳| 入随视永文过程研究领域，根据水文现象的 物理成因，对水文序列进行小波变换，借以确定水文序列隐含的近似周期。丁晶 【3 0 】用小波变换法分析了长江宜昌站近1 0 0 年年径流在不同时段表现出不同的周 期变化及突变点的位置及分布。 ， 1 3 2 小波理论的发展前景 小波理论的发震，不仅需要在理论上得到进一步提高耨丰富，面置需要在 实际应用中提出更多更新的研究课题来拓展其应用的广度和深度，尤其是小波 第一耄裁言 理论对新兴学科的嵌入。 近十多年来，出现了许多新理论、新方法并在水文水瓷源预测预报中得到 了广泛应用。将它们糯互耦合构建模型，将是现代水文预测的发展方向。小波 分析与分形、混沌、人工神经鼹络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) 、随机理论 结合，不失为一种有效途径。 1 9 9 8 年赵永龙等【3 1 】将小波分析、混沌与a n n 结合建立了小波网络模型，用 该模型对日流量序列进行了预测，并取得了成功。尤卫红等【3 2 】将小波分析与混 淹藕合建立了不靥尺度的气候预测模型，对滇中胃降水距平值在舞、季、年三种 尺度上进行了预测。 2 0 0 0 年金龙等【3 3 】基于a n n 与小波的优点提潦了多步预测的小渡毒枣经网络模 型，研究结果表明，该模型对历史样本具有很好的拟合效果，独立样本的预测结 果也令人满意。 2 0 0 4 年王文圣等p 4 】针对日流量时间序列的非线性和多时间尺度特性，将小 波分析与人工神经网络进行耦合，提_ 出了一种新的组合模型小波神经网络组 合模型：将非线性时间序列进符小波变换，再以小波变换系数序列作力人工耪经 网络的输入，原始时间序列作为人工神经网络的输出，最后训练网络并进行预测。 以长江三峡水库入库站寸滩日流量预测为例，对该模型进行了验证。研究表明， 小波人工神经躁络缀合模型延长了预见期，提高了预报精度，具有广阔的应用蔷 景。 水资源的合理开发、利用和有效配置，关系剿社会和星民经济持续健康的发 展。将小波分析引入水科学应用研究中，并与现代科学理论和方法结合，从多方 面揭示水科学的内在规律，为水资源合理开发利用和有效配置提供了更多的依 据。将小波分析弓| 入水穗学的前景将十分广阔，不但拓宽了小波的应用范围，焉 且还推动了小波理论本身的发展【3 5 】【3 6 】。 1 4 本文硗究的主要内容 本文基于资源水利和生态水利的基本指导思想，在对我国水资源问题分析 研究的基础上，结合潘家口水库控制流域的实际情况，引入了线性滑动平均法、 m a n n - k e n d a l l 秩次相关检验法f 3 7 2 和小波分析方法，对该渡域豹降雨径流进行了变 化趋势研究，并对造成该趋势的成因进行了分析研究，其主要研究工作涵盖以下 筹一鬟蘩言 几项内容： ( 1 ) 介绍了水资源这种基础自然资源的重要性、我国的水资源状况及未来 可能存在的水危视，分析了潘家口控制流域对华托部分地区的重要性；研究了该 流域内的的河流分衣，归纳出能覆盖整个流域的8 个子流域，选取有代表性的3 2 个典型测站，收集这些测站的降雨径流等基础资料，分析了该区域的降雨径流趋 势： ( 2 ) 在前人研究的基础上，引入了m a n i l - k e n d a l l 秩次相关检验法和线性滑动 平均法，分析了这些方法的发展、应用情况及各鸯优点，若羯这些方法对各测站 的降雨径流趋势进行了分析； ( 3 ) 将小波分析弓| 入到该流域的降雨径流序列的磷究，基于小波分析具有 非常强大的多尺度分辨功能，能识别出水文序列中各种高低不同的频率序列，不 同尺度的低频成分表示水文序列在该尺度下的变化趋势，进而分析各测站的降雨 径流趋势； ( 4 ) 根据该流域的降雨径流变化趋势，通过降雨、社会发展、水贸礁泵升厦 以及蒸散发等因素对潘家因入瘁径流的变化戒嚣进行了初步探讨，为水资源的开 发、利用提供了依据。 第二章滦河流域及潘家口水库概况 第二章滦河流域及潘家口水库概况 2 1 滦河流域概况 滦河发源于河北省丰宁县坝上骆驼沟乡小粱出南坡大吉遭沟，流经内蒙古自 治区、辽宁省和河北省的2 7 个市县区，于河j 艺省乐亭县竟溺铺注入渤海，全长 8 8 8 k m ，流域面积4 4 7 5 万k m 2 ，其中山区面积4 3 9 4 万k m 2 ，平原面积0 0 8 1 万 k m 2 。 滦河流域位于华北平原东北部，介子东经1 1 5 0 3 0 1 1 9 0 4 57 ，北纬3 9 0 1 0 ， 4 2 。4 0 ，北部、东部以苏克斜鲁山、七老图山、努鲁尔虎山及松岭为界，与蹶拉 木伦河、老哈河、大凌河、小凌河、洋河相邻，西南以燕山山脉为乔，与潮白河、 蓟运河楱邻，南临渤海。流域自西毙至东南长4 3 5 k m ，平均宽度1 0 3 k m 。其中重 要控制性工程潘家翻水库以上流域面积为3 3 7 万k m 2 ，大黑汀水库以上流域控制 面积为3 5 l 万k m 2 。整个流域地势由西北向东南倾斜，主要为山地。多伦以上为 内蒙草原，海拔1 3 0 0 - - 1 4 0 0 m ，地势平坦，多辈甸沼泽，植被较好；多伦以下， 河流赢东南开始蛲蜒迂回于由区峡谷和盆地之中，大部分为磊质由区；罗家屯以 下进入丘陵区，河谷逐渐展开，滦县京山铁路桥以下进入渤海平原，河道顺直平 缓。 滦河流域地处温带大陆性季风气候区，夏季炎热多雨，冬季寒冷面子燥，多 年平均降雨量为4 0 0 7 0 0 m m ，雨量集中和暴雨频多量大是本地区气候的一个显 著特点，流域内的洪水由暴雨形成，多发生在7 月下旬和8 月上旬。而春秋干旱 少两，并且年际丰桔变化毙较悬殊，常窭现连续事水年和连续糖水年豹异常现象。 2 2 地质地貌 滦河流域属华薯乏地台豹一部分，地层发育帮大地构造都经历了悠久的历史。 在太古代末期，冀东古陆已经形成，出现稳定的构造区，构成华北地台的重要组 成部分。早元古代发生吕梁运动，该区地层普遍变质，使地台的褶皱基底形成。 在中魄元吉代，该区大规模下降形成沉降带，到晋宁运动时期形成了近万米厚覆 盖层，至此华北地台形成。 第二章滦河流域及潘家口水库概况 该区在经历古生代地台演化之后，在中生代发生强烈的燕山运动，形成燕山 山地和河北拗陷，为地貌发育奠定了基础。进入新生代又经历第三纪的喜马拉雅 运动，北部( 张北、围场北部) 沿断裂发生大规模玄武岩溢出，形成玄武岩高原， 南部冀东继续下陷，接受第三纪、第四纪沉积，形成冀东平原。该区构造单元包 括内蒙古斜背、燕山沉积带和河北凹陷的冀东部分。 该区按地表形态可分为高原、山地、平原三大地貌类型。高原地貌分布于流 域北部，海拔在1 4 0 0 - - 1 6 0 0 米，相对高度平均为2 0 0 米。山地地貌分布在高原 以南，平原以北，坡度一般在2 0 0 - - , 4 0 0 之间；按海拔高度又可分为高山、中山、 低山和丘陵四种类型。平原地貌分布在流域南部，属山前倾斜平原，纵坡1 3 0 0 - - - 1 1 0 0 0 ，地表以黄土、亚沙土和沙土为主。 2 3 水文气象 滦河流域位于中纬度欧亚大陆东岸，南部为暖温带，向北到坝上逐渐过渡到 冷温带，由东南向西北依次为湿润、较湿润、半湿润、半干旱的大陆性季风气候 类型。主要特征如下： ( 1 ) 季风显著，四季分明。冬季受强大的蒙古高压控制，盛行由大陆吹向海 洋干冷的偏北风；夏季受西北太平洋副热带高压控制，盛行白海洋吹向大陆湿热 的偏南风；春秋两季是干冷与湿热两种气团的交替时期。因两种气流的物理性质 截然不同，导致一年四季的天气有明显的不同。冬季天气寒冷、干燥而少雨雪。 坝上受西伯利亚冷空气的影响，多寒潮天气，有剧烈的降温和大风。夏季天气温 热，湿润多雨，山区雷雨、冰雹较多。春季降雨少，空气干燥、多大风，形成风 沙天气，坝上地区尤为严重。秋季天气晴朗少云，降雨减少，风力微弱。 ( 2 ) 雨量集中，雨热同期。降水量年内分配不均，冬季仅占全年的l 2 ， 春季占9 9 6 ，夏季占6 7 - 7 6 ，秋季占11 1 9 。降水量年际变化也较大，年降 水变化率在1 4 - - - 2 6 之间。 ( 3 ) 气候复杂。流域内地形差异很大，高原、山地、丘陵、平原以及河谷、 盆地等各自形成小气候区。坝上、坝下因地势跌落明显，气候截然不同。坝上为 高原气候，坝下山地、丘陵、河谷、盆地又各具特色。山地中迎风坡降雨多，背 风坡降雨少。 第二章滦河流域及潘家口水库概况 2 3 1 水文 2 3 1 1 降水 降水量年际变化大，差异悬殊；降水量的季节分配极不均匀，年内各月差异 明显，夏季降水量集中，降水量在2 0 0 - 5 6 0 m ，又以7 月和8 月最为集中，这两 个月可占全年降水量的5 0 - 6 5 。 2 3 1 2 暴雨 该流域暴雨日数的地理分布是东南多、西北少。兴隆、宽城、青龙一线以南， 年均2 - - 3 次，此线以北到承德、平泉一线，年均1 次，丰宁及西北地区无大暴 雨出现。暴雨出现的时间一般是4 - - 1 0 月份，大暴雨在6 - 9 月份。7 、8 月暴雨 最多。 2 3 1 3 洪水 该流域洪水由暴雨形成，一般发生在7 、8 两月，最大洪峰流量多出现在7 月下旬至8 月上旬。由于流域暴雨历时短、强度大，以及地面坡度陡，汇流快， 因此洪峰具有峰高、量大、势猛等特点。 2 3 2 气象 2 3 。2 1 气温 该流域年平均气温介于一o 3 1 1 ，一般由东南向西北逐渐降低。坝上最 低年平均气温在0 - - 4 c 。流域南北年平均气温相差1 1 5 c 。纬度增高1 度，年 均气温降低3 。 2 3 2 2 无霜期 该流域的无霜期北短南长，由北向南递增。西北部坝上的御道口不足8 0 天， 而滦河下游平原可达1 8 0 - - 2 0 0 天。 2 3 2 3 蒸发 流域多年平均水面蒸发量为9 5 0 - - l1 5 0 m m 。承德到平泉一线约11 5 0 r n m ，燕 第二章滦潺流域及潘家舀承库概况 由迎风坡的迁安、迁西一带约9 6 0 m m ，高值区的承德地区，年蒸发量达1 4 3 0 - - - 1 8 0 1 m m ，低值区的御道霞，年蒸发量只有9 2 6 m m 。 2 4 滦河水系 滦河自坝上高原汇集燕山、七老图由、阴山东端水流，水量丰沛。沿途、汇入 的常年有水支流约5 0 0 条，其中河长2 0 k m 以上的一级支流3 3 条，总长2 4 0 2 k m ； 二三级支流4 8 条，总长1 5 2 2 k m 。滦河水系支流较多，其中较大的支流由小滦河、 兴洲河、伊逊河、武烈河、老牛河、柳河帮瀑河等。滦河水系见图2 一l 第二章滦河流域及潘窳鞠水库概况 2 。5 潘家口水库基本情况 潘家a 农麾地处蒸出出区，位于河毒乏省摩出市与零德地区熬交雾缝，地跨承 德、宽城、兴隆、迁谣四县，予1 9 7 9 年汛末建成，是跨流域向天津、唐出帘供水 的鲎要水源地，坝址位于滦河予流河北省迂蘧县境内，主坝坝顶高程2 3 0 。5 m ( 大 沽高程) ，正常蓄水位2 2 2 m ，设计洪水位2 2 4 。5 m ，校核洪水位2 2 7 m ，汛限水位 2 1 6 m 。潘家霞永库设计防洪瘴蜜9 7 钇岔，兴莉痒容1 9 。5 亿矗，总痒容2 蕃。3 亿岔， 水库以供水为变，兼顾防洪、发电f 3 研