（水文学及水资源专业论文）岷江上游径流变化特性分析及其预测研究.pdf

嚣雕丈学博士论文 携要 岷江上游径流变化特性分析及其预测研究 水文学及水资源专业 麟圭磷究生徐锯兴搓导教疼粱， 撼要 河流径流受气候、流域自然地瑾及人类活动的综合影响，其变化堡一个非 线茬确努系统。缎江上游整予蹬埘簸逢嚣就部，秘襞垂治燃东部，青藏褰擐寒 部地区，秦岭纬向构造带，龙门山北东向构造带与马尔康北西向构造带间的三 角形地块内。东丽与北川、安县、绵竹交界，南接索庆、大邑，西连红原、马 尔康，兹与涛坪、若尔麓县接壤。受墙彩交往瓣影穗，致使流域建气象万予， _ 扫珏上近2 0 每人类活动( 修建大量的水电站等) 的影响，导致冰文现象镄综复杂。 也由于对其流域水文过程的认识程度，以及分析、模拟流域所持有实测的、文 献记录的或掰史调查等黉科情况酌羯陧，至今述难驻完全溺羧学秘毽方法确甥 地描述其中每一个子过程。况且其径流、泱水簿变化特性的分析与研究方淡主 辫依赖于传统的统计理论和方法，而在聪有的降雨及径流分析模拟中，概念性 流域永文模整或弓l 入气象等多 部因子分轿建禳占有童鲁堍往，献丽导致嚣蓊蠛 菠上游水文水资源墙势变化规缍的分辑与颈测，主要借助于传统的统计方法， 概念髋模拟或经骏函数关系的描述。 本论文依托国家重点基础研究发展擒翅4 9 7 3 ”顼露# 长敬流域永沙产输 及其鸯环境变让载台扭理( 2 0 0 3 c b 4 1 5 2 0 2 ) 与项题。都汪堰灌区水瓷源捷化 配置与调控管理研究( n 0 0 4 h 4 5 4 ) ”，利用紫坪铺站提供的数十年径流焚化 的时闻序列郓实测资辩，针对紫坪铺站姜射坝始年径漭长期变纯的重囊特悭妇： 蠲蘩燃、箱荚性、随极性和越势蛙进行分板磷宠：势对太阳黑予数的生消与蛾 江上游径流时序相关性进行多尺度分析，挖掘太阳滔动这一外部重要作用因子 对其长期变化产生的影响，从而加深对氓江上游的径流长期演变规律的认谖。 四川大学博士论文 摘要 与此同时，在初步分析水文模型研究现状与进展的基础上，利用实测水文气象 资料，用e l m a n 动态神经网络研究建立了岷江上游降雨径流预测模型和偏最 小二乘预测模型，并基于动态神经网络的特点，采用改进的e l m a n 模型，对紫 坪铺站来年( 2 0 0 4 年) 月径流和未来5 年( 2 0 0 4 2 0 0 8 年) 岷江上游天然年径 流变化趋势进行了预测分析。概括起来，本次研究和预测分析取得以下主要成 果： 1 基于小波分析法，揭示了氓江上游年径流在长期的多时间尺度变化中， 主要存在5 年、1 3 年和2 4 年左右的周期变化。所以。要求应在不同的时间尺 度下对未来趋势进行分析和预测。 2 岷江上游紫坪铺站和姜射坝站年径流时序长期变化中，时序间都存在 有一定的自和互相关性。 3 基于小波分析法，对紫坪铺的月径流和年径流进行去噪分析；通过低 频分析揭示岷江上游紫坪铺站来水量呈现出降低的趋势。 4 分析太阳活动这一外部重要作用因子与岷江上游年径流时间序列，表明 在长期的变化中，在不同时间尺度下具有一定的相关性。 5 采用动态e l m a n 神经网络，建立人工神经网络的降雨径流预测模型； 根据紫坪铺站和岷江上游自然、社会和经济等的相关性；建立了偏最t b - = 乘回 归的紫坪铺年径流量预测模型。 6 采用多尺度分析理论中的m a l l a t 算法与d a u b e c h i c s 小波去噪、重构， 并结合改进e l m a n 神经网络理论建立岷江上游紫坪铺站月径流和年径流网络 预测耦合模型。 总之，本文运用现代新理论、新方法，多途径地研究了岷江上游年径流长 期变化的特性，并为决策、研究以及公众提供岷江上游径流的未来变化。 关键词：岷江上游月( 年) 径流周期性相关性随机性 太阳黑子小波方法神经网络预测 ， 1 f - 四川大学博士论文 摘要 t h eu p p e rr e a c ho f t h em i n j i a n gr i v e rr u n o f f a n a l y s i sa n d i t sf o r e c a s t m a j o r ：h y d r o l o g ya n dw a t e rr e s o u r c e s p h d c a n d i d a t e ：x ul i u - x i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i a n gc h u a n a b s t r a c t w a t e rr c s o q t l l c e ss y s t e ma n dh y d r o - e n v i r o n m e n ta r ev a s t , v a r i a n ta n dn o n l i n e a r e n e r g y - s y s t e m t h ev a r i a n c eo fr u n o f f , w h i c hi s m a i nf a c t o ri nt h es y s t e ma n d d o m i n a n t st l l e a 瑚：eo ft h ew h o l es y s t e m , h a si i j ! l p 咖te f f e c t s0 1 1s o c i a le c o n o m y a n d e n v i r o n m e n t o f w a l e l r c , s o u i o e s o f t h e d i s u i c lb c c a n s e o f t h es y a t h c t i c i n f l u e n c e o f w e a t h e r , g e o g r a p h ya n dh u m a n - m a d ed e v e l o p m e n ta c t i o n s ，r u n o f fo ft h et h eu p p e r r e a c h o f t h e m i n j i a n g r i v e r b a s i n i s c o m p l i c a t e d , m u l t i - t i m e - s c a l e d e p e n d e 咄r a n d o m , d i s c o n t i n u o u s ，a n dn o n - l i n e a re t c t r a d i t i o n a lm e t h o d so fr u n o f fa n a l y s i sa n d p r e d i c t i o n 黜d i f f i c u l tt og e ts a t i s f a c t o r yr e s n l t sa n df a c i n gc l m l l e n g e s f o rt h e i n t e g r a t e dm a n a g e m e n ta n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h et h eu p p e rr e a c ho ft h e m i n j i a n gr i v e rb a s i n ，m a n ye f f e c t sh a v eb e e nm a d e t oa n a l y z ei t sr u n o f fc h a r a c t c r i s f i c a n dc a i l yo u ti t sn m o f ff o r e c a s t , i n c l u d i n gm a n yd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h p r o g r a m s t h eu p p e rr e a c ho ft h em i n j i a n gr i v e rr e s e a r c hi sb e c o m i n go n eo ft h e t 砸c a ls t u d yb a s i n si nw a t e rs c i e n c e t h i st h e s i s u n d e rt h es u p p o r to fc h i 船s cn a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hd e v e l o p m e n t p l a n n i n g “9 7 3 ”( n o 2 0 0 3 c b 4 1 5 2 0 2 ) ，a n dd o u j i a n gw e i ri r r i g a t i o na r e , a so p t i m 矗l a l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sa n da d j u s t i n gt h em a n a g e m e n ts t u d y ( n o 0 4 h 4 5 4 ) ， a p p l i e sm o d e r no c wt h e o r i 嚣( s u c ha ss t o c h a s t i ct h e o r y , w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n , m s i f i c i a ln e r v e ：n e t w o r kt h e o r y ) a n dt r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t os y s t e m a t i c a l l ys t u d yt h e 四川大学博七论文 摘要 v a r i a n tc h a r a c t e r i s t i co fr u n o f f sf o rt h et h eu p p e rr e a c ho ft h em i n j i a n gr i v e rz i _ p i n p ua n dj i a n g - - s h e b ab yu s i n g t h el a t e s th y d r o l o g i c a lr e c o r d s b a s e do ns u c h a n a l y s e s ，t h i ss t u d yf o r e c a s t st h em o n t h l yr u n o f f ( 2 0 0 4 ) a n dt h e f u t u r e 5 - y e a r ( 2 0 0 4 - 2 0 0 8 ) a n n u a lr u n o f f c h a n g et r e n df o rt h et h eu p p e rr e a c ho f t h em m j i a n gr i v e r p r i n c i p a lf i n d i n g s 黜c o n c l u d e d a sf o l l o w s ： f i r s t l y ，b a s e do i lt h en a t u r a la n n u a lr u n o f ft i m es e r i e so fh u n d r e d sy e a r sf o rt h e t h eu p p e rr e a c ho ft h em i n j i a n gr i v e rb a s i n ，v a r i a n c ei nm u m - t i m ea c a l e so ft h e s e r i e sa l ep r o b e dw i t hm o r l e tw a v e l e tt r a n s f o m lt h em a j o rp e r i o d so f t h en m o f f o f t h e t h eu p p e rr e a c ho ft h em i n j i a n gr i v e ra r ea b o u t5y e a r s 。1 3y e a r sa n d2 4y e a r s ， r e s p e c t i v d y t h e s em a j o rp e r i o d s 雠d o m i n a n tc h a n g et r e n d so ft h eu p p e rr e a c ho f t h em i n j i a n gr i v e rr u n o f f s e c o n d l y , t h ec o r r e l a t i o no fa n n u a lr u n o f ft i m es e r i e s a td i f f e r e n ts t a t i o ni nt h e b a s i ni sr e l a t e dt ot h ev a r i a n td e d o d so fa n n u a lr u n o f f s w b 朗t h ev a r i a n tt 僦o d so f a n n u a ln m o f fa r et h es 刮：n cb e t w e e nd i f f e r e n ts t a t i o n s ，t h ec o r r e l a t i o ni ss t r e n g t h e n e d b e t w e e n d i f f e r e n ts e r i e s ，a n d i t i s w e a k o r c o t m a d i c t e d w h e n t h e p e r i o d sa r e d i f f e r e n l t h i r d l y , r e m o v et h ep a r to ft h en o i s em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n , a n dt or e v e a lt h e u p p e rr e a c ho ft h em i n j i a n gr i v e rs h o wl o w e rz i - p i n g p us t a t i o n t r e n d sw i t h d a u h e c h i e sw a v e l e tt r a n s f o r m f o u r t h l y , 勰f o rt h e m a i n p e r i o a o f1 1 y e a r s a n dp e f i o ao fc o n v e r t i b l e m a g n e t i c - p o l et ot h em a c u l am o v e m e n t , t h ea p p e a l e af r e q u e n c yo fh i g ho rl o wr u n o f f i sm 眦t h a no t h e rt i m ei ne x t r e m u r n - y e a ro fm a c u l a , a n dt h a ts u d d e nc h a n g e so ft h e n a t u r a la n n u a lr u n o f fo ft h et h eu p p e rr e a c ho ft h em i n j i a n gr i v e rh a v eg o o d r e l a t i o n sw i t hm a c u l a i ti st h a tv a r i a n c eo ft h el o wo rh i 【咖r u n o f fi se x t r e m e l yi n c o n n e c t i o nw i t hm a c u l af o rl o n gt i m e f i f t h l y , u s i n ge l m a nn e t w o r k , ar a i n f a l l - r u n o f fm o d e lw a sd e v e l o p e d a c x 脚d i n g z i - p i n g p u 删。璐 a n dm i n j i a n gr i v e ru p s t r e a mn a t u r a l ,s o c i a l a n de c o n o m i c r e l e v a n c e ；z i - p i n g p us t a t i o n sb e i n ge s t a b l i s h e di nt h ep a r t i a ll e a s t - s q u a r e sr e g r e s s i o n m o d e lr e t u r l lf l o wf o r e c a s tm o d e l s 四川大学博士论文 。s i x t h l y ，i na d d i t i o n , a ni m p r o v e de l m a nn e t w o r km o d e lf o rr u n o f fs e r i e sp r e d i c t i o n w a s p r o p o s e dw i t ht h em a l l a t sa l g o r i t h m sa n dd a u b e c h i e s sw a v e l e t b o t hh e w m o d e l s w g l 3 9a p p l i e dt of o r e c a s tt h em o n t h l yr u n o f fa n da n n u a lr u n o f fo ft h et h eu p p e rr e a c h o f t h em i n j i a n gr i v e ra n dt h e i ra p p u c a 脚w e r ed e m o n s a a t e d f i n a l l y ，i nt h i ss t u d y ，m o d e l - f ln e wt h e o r i e sa n dm e t h o d sw e r ea p p l i e dt ot h et h e u p p e rr e a c ho ft h em i n j i a n gr i v e rt oa n a l y z ea n df o r e c a s tt h el o n g - t e r mv a r i a n t c h a r a c t e r i s t i co f 戤a n n u a lr u n o f f k e yw o r d s ：t h eu p p e rr e a c ho f t h em i n j i a n gr i v e r ；m o n t h l y ( a n n u a l ) r u n o f f ； l o n g - t e r ma n n u a lr u n o f fa n a l y s i sa n dp r e d i e t i o mp e f i o d i c i t y ；c o r r e l a t i o ms t o c h a s t i c c h a r a c t e r i s t i cm a n u l am o v e m e n tw a v e l e tt h e o r y ； n c l v en e t w o r k ；f o r e c a s t 、 四川大学博士论文 第1 章绪论 1 1 选题背景、目的及意义 1 1 1 研究背景 岷江发源于四川与甘肃交界处的岷山南麓，是长江上游的一级支流。岷江上 游指河源到都江堰以上区域，介于1 0 2 。5 9 e - 1 0 4 41 4 7 e ，3 1 。2 6 n 一3 3 。1 6 n 之间。其范围与四川省阿坝藏族羌族自治州的汶川县、理县、茂县、黑水和 松潘5 县的行政辖区基本重合。流域属于高山峡谷地区，海拔高程范围变化在 8 7 0 6 2 5 3 m 之间，高差悬殊，河道平均比降为7 5 。其上游主要有小姓沟、黑 水河、杂谷脑河、渔子溪、寿溪5 条支流，且均集中在右岸，致使左右岸面积很 不对称，流域面积不对称系数达1 2 1 。位于流域东南端的紫坪铺水文站为流域控 制出口站，集水面积为2 2 5 6 4 1 m 2 ，河长约3 4 0 k m 。岷江上游的来水经都江堰工程进 入成都平原，使成都平原成为我国西部的经济中心和文明摇篮，同时也是我国西 部难得的一片生态环境优良的宝地眦她q 。 都江堰水利工程创建于公元前2 5 6 年，距今2 2 5 9 年。关于创建都江堰的历 史记载，最早见于西汉时期司马迁的 4 8 0 0 ( 5 0 0 0 ) 冰雪带永久积雪( 无植被)永久积雪( 无土被) 4 4 0 0 ( 4 5 0 0 y - 4 8 0 0 ( 5 0 0 0 ) 寒带 流石滩植被带 高山寒漠土 亚高山灌丛草甸、高 3 8 0 0 ( 4 0 0 0 ) - 4 4 0 0 ( 4 5 0 0 ) 亚寒带寒毡土、寒冻毡土 山草甸带 3 0 0 0 ( 3 2 0 0 卜3 8 0 0 ( 4 0 0 0 ) 寒温带 冷、云杉林带暗棕壤、寒棕壤 针阔叶混交林带( 松 2 0 0 0 ( 2 2 0 0 ) - 3 0 0 0 ( 3 2 0 0 ) 温带棕壤、褐土 栎林带) 常绿、落叶阔叶林、 1 5 0 0 ( 1 6 0 0 ) - 2 0 0 0 ( 2 2 0 0 ) 暖温带石灰性褐土 干旱灌丛植被带 常绿阔叶林、干旱灌黄壤、准黄壤、石灰 1 5 0 0 ( 1 6 0 0 ) 亚热带 丛植被带性揭土 从高到低依次为：褐土( 海拔也8 0 0 米) 一棕壤( 1 8 0 0 - 3 0 0 0 米) 一暗棕壤 四川大学博士论文 岷江上游流域概况 ( 3 0 0 0 - 3 5 0 0 米) 一寒棕壤( 3 5 0 0 - 0 0 0 米) 一寒毡土( 亚高山草甸土) 、寒冻 毡土( 高山草甸土) 和高山寒漠土。岷江上游南段由下往上依次为：黄壤、准 黄壤( 海拔 1 6 0 0 米) 一黄棕壤( 1 6 0 0 - 2 1 0 0 米) 一暗棕壤( 2 1 0 0 - 2 8 0 0 米) 一 寒棕壤( 2 8 0 0 - 3 5 0 0 米) 一寒毡壤( 3 5 0 0 - 4 0 0 0 米) 一寒冻毡壤( 4 0 0 0 - 4 4 0 0 米) 和高山寒漠土。 区内林地土壤面积1 2 1 4 0 平方公里，占全区土壤面积的5 8 8 ，占全区土 地面积的4 9 1 ；草地土壤面积7 2 1 5 平方公里，占全区土壤面积的3 0 o ，占 全区土地面积的2 9 1 。林草地土壤面积合计占全区土壤面积的9 3 8 ，占全 区土地面积7 8 2 。 褐土土壤面积4 4 5 6 平方公里，占全区土壤面积的2 0 1 0 。褐土是在温带 半湿润旱生落叶阔叶林下发育的土壤，主要分布在半于旱河谷谷坡下部，气候 温凉干燥，土壤矿物风化浅，中性至碱性，富含碳酸盐，潜在养分丰富，自然 肥力较高。 棕壤土壤面积9 0 1 9 平方公里，占全区土壤面积的4 0 6 8 。棕壤是在温 带常绿阔叶林与针阔叶混交林下发育的土壤，主要分布在河谷谷坡中上部，分 布于褐土分布带之上，气候温凉湿润，淋溶势较强，碳酸盐已被淋失，呈微酸 性至中性，比褐土有机质含量高，自然肥力较高。为岷江上游中山区的重要农 业土壤。棕壤是岷江上游主要森林土壤，具有良好的水源涵养作用，厚度o _ _ 5 0 厘米土层内的土壤贮水量达2 3 0 0 吨公顷，适宜于发展针叶林、针阔叶混交林、 木材与水源涵养兼顾的多效益森林。 暗棕壤土壤面积4 4 4 7 平方公里，占全区土壤面积的2 0 0 6 ，主要分布 在岷江上游的高山中上部。是在温带湿润针阔叶混交林下发育的土壤，分布于 棕壤分布带之上。土壤分布海拔高，气候寒冷，风化微弱，土层薄，含砾石多， 湿度大，酸度大，盐基缺乏。为川西高山坡谷区水源涵养林、用材林区主要森 林土壤，其水源涵养能力极大，厚度o _ - 5 0 厘米上层内的土壤贮水量达5 0 0 0 吨 公顷，远大于棕壤的水源涵养能力。 黄壤和黄棕壤土壤面积1 5 6 5 平方公里，占全区土壤面积的6 3 ，属亚 热带常绿阔叶林与常绿阔叶、落叶阔叶混交林下发育的土地类型，主要分布在 四川大学博士论文岷江上游流域概况 岷江上游南段中低山地，海拔较低，气候温和湿润，土壤矿物风化较深，微酸 性至酸性，养分少，缺磷。 岷江上游土壤类型统计见表2 5 表2 5 螺江上游土壤类型统计表 序号土壤类型面积( k i n 2 )面积百分比( ) l黄壤2 7 3 5 21 2 3 2 黄棕壤1 2 9 1 7 25 8 3 3棕壤9 0 1 8 8 84 0 6 8 4褐土4 4 5 5 9 62 0 1 0 5 暗棕壤 4 4 4 6 8 4 2 0 0 6 6 暗色草甸土5 6 40 0 3 7泥炭沼泽士2 5 4 80 1 l 8 山地灌丛草甸土 3 4 4 00 1 6 9 亚高山草甸土2 3 8 6 9 21 0 7 7 1 0 高山草甸土 2 3 0 2 01 0 4 合计2 2 1 6 9 5 61 0 0 0 0 岷江上游植被分布情况见表2 6 。 表2 8 岷江上游地区植被分布情况 植被类型分布状况 特征 分布于渡江堰、汶 地带性优势植被建群种以樟科的汶川钩樟、 川、茂县等部分地 乌药、楠木和钝叶木姜子及壳斗科的曼青冈、 山地常绿阔叶林区，海拔8 0 0 小叶青冈为主，并多具棕榈、衫、慈竹、茶 1 6 0 0 米( 1 8 0 0 米) 等亚热带经济林木，土壤为山地黄壤和山地 黄棕壤，本类型由于人为滥伐，原生植物已 以下 不多见。只在局部陡峭谷坡，岩壁尚有残留 主要组成种类有川甘亚菊、小叶薄皮木、黄 本类型多分布在栌、小马鞍叶羊蹄甲、细叶野丁香、百刺花、 干旱河谷灌丛植被 1 6 0 0 - - 2 3 0 0 米范 旱茅、牛筋草、芒稷、石莲等耐旱植物，并 围之内 在不同的地段形成干旱河谷灌丛，成为山地 垂直带的基带植被 四川大学博士论文 氓江上辨流域概况 分布在渡江堰、汶 山地常绿与落叶阔 j i i 、松潘等县的部 本类型主要的常绿优势树种有汶川钓樟、曼 分地区。分布海拔青网等，落叶树种以桦属槭属，栎类等为主。 叶林混交 多在1 8 0 0 - - 2 3 0 0灌木层常见有拐棍竹、箭竹与等种类 米之闻 以松潘、理县、黑以油松、辽东栎为建群种。以松潘、理县、 油松、辽东 水等地海拔黑水等地海拔2 0 0 0 2 5 0 0 米左右的山地阳坡 中山栎混交林 2 0 0 0 - 2 5 0 0 米左右半阳坡较为常见。林内常伴生有槭树，鹅耳 针叶、 的山地阳坡半阳栎、华山松等树种，灌木层常见有箭竹等植 阔叶 坡较为常见 物 混交 该类型分布分为 组成以铁杉、槭树、桦本等为主的针阔叶混 林 铁杉、槭较广，幅度较宽， 交林。除上述树种外常渗入青杆、岷江冷 树、桦木林在本区2 2 0 0 一 杉及华山松等针叶树中和曼青冈、巴朗栎、 水青树等阔叶树种。灌木层以拐棍竹、箭竹 2 8 0 0 米的地带 为主。草被稀疏 岷江冷杉 多分布于海拔较 常见有青杆、川西云杉、云杉等种类渗入形 林高或阴湿的沟尾成混交 常见于卧龙、黑水 亚高 青杆林等林区。分布海拔 常有云杉、川西云杉、岷江冷杉等渗入 山暗 2 8 0 0 米左右 针叶 云杉、川西 常见于理县、松 云杉、紫果常有青杆、岷江冷杉等渗入 林 潘、毛几盖等林区 云杉林 鳞皮冷杉、 云杉、青杆见于米亚罗林区 常有川西云杉、岷江冷杉等书中渗入 林 常见有小叶型杜鹃、山柳等属植物。其中植 该类植物多分布鹃、山柳等科形成单优势灌丛，其余种类多 高山灌丛、草甸于3 8 0 0 米以上地组成杂灌丛，草本植物以嵩草、苔草、草矛、 带早熟禾、披碱草、细柄草等属植物为主，组 成嵩草草甸和禾草草甸等类型 据四川植被 2 1 6 土地类型 岷江上游土地利用类型主要为耕地、林地、草地、水体、建设用地和未完全 利用地。其土地利用种类及其分布见图2 3 ，土地利用类型编码见表2 7 。 2 4 四川大学博士论文氓江上游流域概况 表2 7 岷江上游土地利用土地覆被类型编码 一级分类 二级分类特征 编码 山区水田 1 1 1 水田 丘水田陵水田 1 1 2 平坝水田按照我国对山地、丘陵和平坝的分类标准 1 1 3 耕地 山区旱地 来分的 1 2 1 旱地 丘陵旱地 1 2 2 平坝早地 1 2 3 森林 2 1 灌木林 按照覆盖率和树冠高度来分的 2 2 林地 疏林 2 3 园地和迹地果园生长的地方或火烧林地 2 4 高覆盖度草 3 l 草地 中覆盖度草 主要是按照覆盖率来分的3 2 低覆盖度草 3 3 河流宽度丈于1 2 0 米 4 i 天然水域 4 2 有无明显人工改造痕迹 水体人工水域4 3 高山积雪和冰川终年积雪区 4 4 河漫滩河谷两侧 4 6 县级以上城镇特指县级行政所在地 5 1 建设用地普通居民用地除县城外的所有居民用地 5 2 大型工矿用地 主要指郊外大型用地5 3 沼泽地有水草，但不归草地 6 4 未完全利用地 裸土、裸岩寸草不生之地 6 6 据2 0 0 0 年土地普查 四川大学博士论文 岷江上游流域概况 图2 3 岷江上游土地利用分布图 各种土地利用类型面积及其面积比参见表2 8 。 表2 8 岷江上游土地利用类型统计表 序号 土地类型面积( k m 2 )面积百分比( ) i 森林 4 2 7 1 0 41 9 2 6 2灌木林4 8 4 3 8 42 1 8 5 3 疏林 3 7 2 21 6 8 4 园地和迹地5 7 6o 2 6 5 高覆盖度草 n 0 9 3 65 0 0 6 中覆盖度草 1 0 0 3 8 7 64 5 2 8 7 低覆盖度草4 0 6 8 1 8 4 8 河流 1 3 60 o l 9 天然水域1 4 20 0 6 1 0 高山积雪和冰川3 5 2 5 21 5 9 四川大学博士论文岷江上游流域概况 l l 河漫滩 1 8 1 2o 0 8 1 2县级以上城镇2 8 40 0 1 1 3 普通居民用地 7 9 20 0 4 1 4沼泽地9 9 6o 0 5 1 5 裸土、裸岩3 4 8 o 1 6 1 6 丘陵水田 3 3 20 0 2 1 7 平坝水田 2 1 20 0 1 1 8山区早地6 0 1 4 82 7 1 9 丘陵旱地 7 0 80 0 3 2 0 平坝早地 1 4 2 40 0 6 合计2 2 1 6 9 5 6 1 0 0 0 0 2 1 7 矿藏 目前已查明该地区金属矿有：金、银、铜、锡、铁、铅、锰、铝、钛、锌、 钾、锑、汞等。燃料矿产有煤等。非金属矿有大理石、石英石、花岗石、石钚、 金钢砂、水晶、云母、碲，硫磺等。稀有元素有钼、锂、铍、铌、钽、镓、铋、 钍等。另外还有温泉和石灰石可以利用。 2 2 社会经济 2 2 1 社会发展 岷江上游五县，总人口3 8 万人，平均人口密度为1 3 5 人平方公里。全区 以藏族、羌族为主，是中国最大的也是唯一的羌族聚居区。人口沿河谷地带分 布，以汶川县诚、映秀、漩口一带最密集如图2 4 。绝大部分人口集中分布在 河谷和山间台地，造成局部区域人口密度大，人地矛盾尖锐。由于历史原因， 区域社会发育程度不高，文盲率较高，人口素质低，人力资源不足。 岷江上游地区居民以藏、羌、回等少数民族为主，占其总人口的7 3 0 3 ， 有的县高达9 2 5 6 ，生育政策相对四川省其它地区而言，较为宽松。解放前人 口不足1 8 万人，1 9 7 8 年达到3 1 9 8 万人。1 9 8 5 年到1 9 9 9 年1 5 年间，其人口 四川大学博士论文岷江上辩流域概况 总数从3 3 1 6 7 3 人上升到3 7 4 9 3 7 人，增长了1 3 4 。远高于四川盆地平坝丘陵 区( 5 0 8 5 7 9 ) n 1 ) 。 人口密度图倒 班m 匿习 触囹 l i n k 四 理量 口 埘口 图2 4 氓江上游地区人口密度图 2 2 2 国民经济 区域经济发展水平较低、发展速度缓慢，1 9 9 9 年岷江上游地区所在的阿坝 州g d p 增长率为2 ，比全国平均水平发展速度低6 6 个百分点。产业结构初 级化特征较为明显，第一产业比重大，二、三产业滞后，第一产业从业人员比 重占总比重的6 9 5 。该区农业开发较晚，生产力落后，生产方式多为广种薄 收，农业劳动生产力偏低。畜牧业是当地藏族和羌族同胞的传统产业，几乎每 家饲养牛马，但一般养殖比较分散，而且都是半野生状的散放。林业是本区各 县的经济收入支柱，但随着禁伐政策的出台，产业结构将被重新调整。工业落 后，第三产业刚起步，全区7 0 以上工业集中在汶川的映秀、漩口一带：旅游 业是本区的另一主要收入。也是未来几十年内新的经济增长点。本区基础设施 条件较差，信息闭塞，总体来讲，属于经济发展相对滞后的少数民族贫困山区 1 4 3 1 。 四川大学博士论文氓江上游流域概况 该区经济落后，贫困问题突出，产业结构失调。随着改革开放的深入，和 西部大开发战略的提出，该区域的经济也取得了快速的发展。但是产业结构不 合理，没有优势产业，农业上，经济结构单一。农牧业比重较大，产值低，工 业不发达，是典型的低水平产业结构类型见表2 9 。人民为了生计，发展经济， 面对人口的快速增长，只有大量增加养殖的牲畜量，过牧、滥牧现象严重。 表2 9氓江上游5 县9 9 年b d p 及产业结构表 第一产业 第二产业第三产业g d p 产值占g d p产值占g d p产值占g d p 汶川i 2 01 1 2 4 7 1 9 2 07 4 0 3 t 4 3 0 71 4 7 3 9 7 1 4 7 理县5 2 4 82 6 7 9 8 6 1 04 3 9 5 5 7 3 22 9 2 6 1 9 5 9 0 茂县9 6 6 43 7 0 1 7 6 6 72 9 t 3 6 8 7 7 93 3 6 2 2 6 l l o 松潘8 3 0 33 9 5 6 3 9 7 21 8 9 3 8 7 1 14 1 5 l 2 0 9 8 6 黑水5 0 5 04 3 5 8 2 2 1 21 9 0 9 4 3 2 63 7 3 3 1 1 5 8 8 2 3 水利工程建设情况 岷江上游规划和已建、在建的水电工程较多，其中映秀以上流域已建成的 水电站主要有干流上的铜钟( 2 0 0 1 年并网发电) 、福堂坝( 2 0 0 4 年建成) 、 太平驿( 1 9 9 4 年建成) 、映秀湾( 1 9 7 2 年建成) ，支流渔子溪上的渔子溪电 站( 渔子溪一级，1 9 7 5 年建成) ，耿达电站( 渔子溪二级，1 9 8 7 年建成) 、 寿溪河上的黑土坡电站，草坡河上的草坡电站，杂谷脑河上的红叶一、二级( 2 0 0 2 年建成) 、理县、甘堡( 1 9 9 0 年建成) 下庄等电站；在建的水电站主要有干流 上的天龙湖( 2 0 0 4 年第一期完成，已并网发电) 、姜射坝等，杂谷脑河上的狮 子坪电站，草坡河上的沙牌电站，黑水河上的竹格多等电站；正在开展设计的 水电工程主要有干流上的十里铺，支流黑水河上的毛儿盖等电站。上述水电站 中除了干流上的十里铺，支流黑水河上的毛儿盖，杂谷脑河上的狮子坪等电站 具有季以上调节能力外，其它大多为径流式或具有日调节性能的中、小型水电 站，开发方式多为引水式开发。 四川大学博士论文 氓江上游流域概况 参考文献 【l 】吴敏良岷江上游森林植被与都江堰水源【a 1 见：治水兴蜀成都：四川科技出版社， 1 9 9 8 ，1 2 3 1 2 【2 】胀一平，张昭辉，何云玲岷江上游气候立体分布特征唧山地学报2 0 0 4 ，2 2 ( 2 ) 1 7 9 - 1 8 3 【3 】四川森林编辑委员会四川森林北京：中国林业出版社，1 9 9 2 ，1 1 5 1 3 0 t 4 1 黄成敏，龚子同何毓蓉土壤与景观关系探讨们土壤通报，1 9 9 9 ，3 0 ( 6 ) ：2 4 1 2 4 4 【5 1 中国科学院成都分院土壤研究室中国紫色土( 上) 瞰1 北京：科学出版社，1 9 9 1 2 5 8 3 0 0 f 6 】汪德宇岷江上游森林对水文特征影响的分析们水文，1 9 8 9 ， 【7 】四川省水利水电勘测设计院都江堰紫坪铺水库工程可行性研究阶段水文分析报告旺u 成都：1 9 8 9 1 0 【8 】林礼群岷江上游流域水文特性们岷江水电，1 9 9 4 ，1 ：3 4 - 3 9 【9 】中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所岷江上游、沱、涪、嘉、渠五江水文 特性研究匹u 成都：1 9 9 0 【1 0 1 国家电力公司成都勘测设计研究院四川省岷江紫坪铺水利枢纽工程施工期水情测 预报系统设计方案伍q 成都：2 0 0 2 5 【1 1 】张建平，叶延琼，樊宏岷江上游草地资源及合理利用阴山地学报，2 0 0 2 ，2 0 ( 3 ) ： 3 4 3 3 4 7 【1 2 】郭永明，汤宗祥，唐时嘉，等岷江上游土壤资源的保护性作用田山地研究，1 9 9 3 1 1 ( 4 ) ：2 5 】2 5 6 四川大学博士论文基于小波的岷江上游径流变化特性分析 第3 章基于小波理论的岷江上游径流变化特性分析 基于小波分析方法，对岷江上游紫坪铺站和姜射坝站年径流时间序列 变化进行了多时间尺度分析，展示了在不同时间尺度下，岷江上游紫坪 铺站和姜射坝站年径流丰，枯变化的过程，揭示了其年径流具有不同的 周期变化；紫坪铺年径流存在以5 年、1 3 年和2 4 年左右的年际周期变化， 它们主导着岷江上游天然年径流变化特性 3 1 引言 小波分析引入到水文水资源系统，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，不仅扩宽了其应用范围，而且还推动了小波理论本 身的发展。受天气系统和流域下垫面因素、特别是人类活动等影响，岷江上游 流域的水文水资源系统呈一个非线性动力系统，探索其内部诸要素变化的规律 历来是人们关心的重大课题。此前，许多学者对岷江上游径流的演变规律进行 了多方面的研究，并取得了许多有意义的研究成果【l 3 l 。但是，以往的研究多 是基于单一尺度，且主要是采用数理统计方法进行。由于河川径流是以多时间 尺度变化的，即它的变化不是以一种固定的尺度( 周期) 运动，而是包涵着各种 时间尺度的变化和局部运动，使系统变化在时域中存在多层次时间尺度结构和 局部化的特征。因此，要了解岷江上游径流的变化特点，就必须在不同的时间 尺度上和局部的变化特性上进行分析，剖析其内部的精细结构。 小波分析方法被应用到岷江上游水文水资源系统分析中，为进一步深入研 究其系统的变化规律开辟了一条崭新的途径咿御。本章尝试用小波分析的多分 辨功能，对岷江上游紫坪铺站的天然年径流量进行多时间尺度( 周期) 分析，进 而了解岷江上游自然来水在不同时间尺度上( 周期) 的变化，揭示其天然径流波 动变化的特性，进而对岷江上游月、年径流变化特性有更加深入的认识。为岷 江下游成都平原的用水的可持续发展提供参考。 3 2 小波分析方法 3 2 1 小波变换 四j i l 大学博士论文基于小波的岷江上游径流变化特性分析 数学上把小波变换定义为：设母小波p ( f ) 为一平方可积函数，若其f o u r i e r 变换满足小波函数的可容许条件，则对于任函数f ( t ) 61 2 ( r ) 连续小波变换的 公式t 9 7 1 ： 晰) _ 旷i 丘如旷( 警) d r ( 3 - t ) 式中，w r ( a , b ) 捏y ：l j 、波变换系数，函数1 4 l 嘿y 亡) 是母小波y ( f ) 的位移b 与尺度4 的伸缩。旷( 三生) 为矿二生) 的复共轭，4 是尺度参数，在一定意义上1 ，a 对应于 a 口 频率历，b 为时间参数，反映时间上的平移。因此，小波分析实际上是一族小 波函数表示的时间函数f ( t ) ，而通过小波变换就可得到小波变换系数，而对这 些系数的分析可以显示出f ( t ) 的时频特性和其重要的局部变化特性。 实际工作中，函数多为离散的，则离散的小波变换的形式为： w s ( a , 6 ) = 旷i2 兰，( 拙) 多芒等) ( 3 - 2 ) 式中，七= l ，2 , - ，n ；a t 为取样时间间隔。 3 2 2 小波函效 本文研究的岷江上游紫坪铺站和姜射坝站的小波变换系数，( d ，6 ) 分析 根据经验和试算，本章小波函数主要采用m o r l e t 复小波对岷江上游紫坪铺和姜 射坝流量进行分析。小波函数采用m o r l c t 复小波，它是高斯包络下的单频率复 正弦函数。m o r l e t 小波在时、频域局部性都较好，表示为： 妒o ) = e i a w e 叫1 2( 3 ，3 ) 式中：翻。为常数；i 表示虚数，它的傅氏变换为：白) ；j 孑e - ( a - - 鳓2 儿m o r 慨 小蝴帅胜鸦脯哺虾烁例一- ( 。+ 两一珀 - - 6 2 时t 。a 。因此，m o r l e t 小波可用于进行周期分析。y 白) 在翻= o 处 的斜率很小，其一、二阶导数近似为零，在5 时近似满足相容条件。 四川大学博士论文 基于小波的岷江上游径流变化特性分析 本