辽河流域水文要素时间变异特性分析

辽河流域水文要素时间变异特性分析

1水文要素在时间尺度上的变异由于气候变化和人类活动频繁，流域底部条件发生了很大变化，流域水文元素的序列（例如，年流量序列）失去了一致性，分布形式和分布参数发生了显著变化，即水文序列在统计意义上发生了显著变化。由于水资源具有时间和空间的双重属性,因此,在对水文序列进行变异分析时,同样也要考虑其时间变异特性和空间变异特性,从而全面地掌握变化环境下区域水资源的时空演变规律。由于受篇幅等原因的限制,本文主要对水文要素在时间尺度上的变异特性分析方法进行探讨。辽河区位于我国东北部,区内有本溪、鞍山、沈阳等重要的能源、重工业城市。按水资源分区,乌力吉木仁河是辽河区的三级区,流域面积37025km2。流域地势西北高、东南低,呈不规则扇形;气候特点是:春季干旱多风,夏季雨量集中,受海洋气候影响较小,是典型的温带大陆性季风气候。乌力吉木仁河流域内共有水文测站43个,监测项目较齐全的只有福山地、梅林庙、白音他拉等5个测站(包括径流、水位、降水等)。由于受到资料收集程度以及测站所在位置等客观原因限制,选择有代表性的梅林庙站进行实测径流时间尺度变异分析。梅林庙测站位于乌力吉木仁河与黑木林河交汇处下游约16km处,集水面积约18361km2,是乌力吉木仁河干流上的测站。该站的径流资料序列较长,且通过初步分析发现,其径流量具有较明显的增加趋势,这在北方河流径流量普遍减少的情况下,具有较为突出的特点。利用水文变异诊断系统,针对梅林庙站1956～2000年(共45年)的实测月径流序列,将其按照时间尺度划分为季度、汛/非汛期和年径流序列,在分析其变异形式及变异程度的基础上,构建不同时间尺度径流序列之间的相关关系和联系程度,掌握其在不同时间尺度上的演变规律,从而为乌力吉木仁河水资源规划和可持续开发利用以及防洪等工作,提出具有建设性的意见和建议。2不同时期流序列的突变诊断2.1跳飞性序列变异的诊断与分析由武汉大学谢平教授等人研究的水文变异诊断系统考虑了趋势和跳跃两种变异形式,由初步诊断、详细诊断和综合诊断三个部分组成,不仅可以从整体上识别与检验时间序列变异及其变异程度(无变异、弱变异、中变异、强变异、巨变异),而且可以识别非一致性序列发生变异的形式(趋势、跳跃变异点),检验指标全面,权重赋值客观,诊断结果可信。该系统解决了传统检验方法只能进行单一变异形式的识别问题,不能从整体上识别与检验时间序列变异及其变异程度;跳跃变异中单一检验方法有时存在检验结果不合理、多种检验方法常常检验结果不一致的问题。(1)初步诊断。主要采用过程线法、滑动平均法、Hurst系数法对序列变异进行检验,判断序列是否存在变异,如果判断结果为不存在变异,则转入成因调查分析,对结果进行确认;如存在变异,则转入详细诊断部分。(2)详细诊断。主要采用多种变异检验方法对序列进行变异判断,分别对序列的趋势变异、跳跃变异情况进行判断分析。对于趋势变异,采用基于线性趋势相关系数的趋势变异分级法和检验法、Spearman秩次相关检验法和Kendall秩次相关检验法对其进行判断;对于跳跃变异,采用有序聚类法、Lee-Heghinan法、秩和检验法、滑动F检验法、滑动T检验法、游程检验法、最优信息二分割模型、R/S法、Brown-Forsythe、MannKendall、Bayesian方法进行判断。(3)综合诊断。主要根据详细诊断结果,对趋势诊断结论进行趋势综合,对跳跃诊断结论进行跳跃综合。根据效率系数评价水文序列与趋势成分或跳跃成分的拟合程度,以效率系数较大者作为变异形式判断的结果。最后结合实际水文调查分析,对变异形式和结论进行确认,从而得到最可能的变异诊断结果。2.2hs:hurst系数的初步诊断结果月尺度的径流序列是其它尺度径流序列分析计算的基础,利用水文变异诊断系统对梅林庙站1956～2000年共45年的月尺度径流系列进行变异诊断,取第一信度水平α=0.05,第二信度水平β=0.01的条件下,1月、2月、9月和12月的Hurst系数分别为0.616、0.611、0.688和0.568,均小于第一Hurst系数置信限Hα=0.698,因此,初步诊断结果认为这四个月份的径流系列并没有发生变异。其它月份均出现了不同程度的变异,其诊断结果如表1所示。从表1的诊断结果可以看出:在出现变异的月份中,除10月份以外,其余月份的变异形式均为跳跃上升,而且出现变异的时间也比较集中,均在上世纪80年代中后期,具有明显的规律性。在出现变异的月份中,3月份的变异情况最为剧烈,虽然综合诊断结果为跳跃上升的巨变异,但是趋势变异也非常显著。2.3乌力吉木仁河不同季节、不同时间尺度径流序列的变异诊断结果将月尺度径流序列按照不同的方式进行组合,可以得到季度、汛/非汛期以及年尺度径流序列。对不同时间尺度的径流序列进行变异诊断,对于季度和年尺度而言,其诊断结果反映了流域水文水资源特征值的平均水平受到环境变化的影响程度;对于汛/非汛期尺度而言,汛期径流序列变异诊断结果反映了环境变化对洪水总量的增减效应,而非汛期的诊断结果则反映了环境变化对下游河道枯水总量的补给能力。通过查阅相关资料发现,乌力吉木仁河的汛期为每年的6～9月,而非汛期为每年10月到次年5月;对于季度的划分则采取通用的划分方法,即1～3月为第一季度,4～6为第二季度,并依次类推。利用水文变异诊断系统对梅林庙站1956～2000年不同时间尺度径流序列进行变异诊断,在第一信度水平α=0.05,第二信度水平β=0.01的条件下,其诊断结果如表2所示。从表2的诊断结果可以看出:虽然时间尺度划分的标准不同,但径流序列都出现了水文变异。除了第四季度跳跃向下的中变异发生在1961年外,其它时间尺度的变异形式均为跳跃向上,且变异点均在20世纪80年代中后期,具有较明显的一致性。第一季度的变异情况最为剧烈,虽然综合诊断结果为跳跃上升的巨变异,但是趋势变异也非常显著。2.4人类活动是制约乌力吉木仁河流域含沙量的主要原因从不同时间尺度径流序列的变异诊断结果中可以看出,在出现变异的径流序列中,除个别时间尺度外,其它径流序列的变异形式和变异时间均比较一致,因此,可能是较为集中的人类活动或气候剧烈变化导致这一情况的发生。通过查阅乌力吉木仁河相关资料发现,乌力吉木仁河流域上游山区森林植被多年来被严重破坏,尤其是从20世纪80年代中后期开始,导致流域的调蓄能力大大下降,即森林的水土涵养能力降低,而同等降水产生的径流增加,这些可以从含沙量的演变上得到佐证:乌力吉木仁河流域含沙量很小,90年代前平均值不足2kg/m3,侵蚀模数不足10t/km2;近年来其最大侵蚀模数高达1380t/km2,含沙量极值为12.3kg/m3;从20世纪60年代到90年代,其平均含沙量逐年代递增倍比高达3～4倍。这些资料列举的时间和上述变异诊断结果的时间非常吻合,因此可以得出,人类的剧烈活动是导致乌力吉木仁河流域径流出现变异的主要原因。不过令人欣慰的是,这种破坏植被的行为有望得到改善,当地政府近些年来积极借助国家政策将投入大量资金用于自然保护区建设和湿地恢复,已将乌力吉木仁河上游的湿地列为保护区,并命名为巴特根塔拉湿地保护区,这将对乌力吉木仁河上游自然生态环境及各种野生动植物资源的保护起到积极的作用。3不同时期流序列的突变分析将梅林庙站不同时间尺度径流序列的变异诊断结果进行汇总,分别从季节和汛/非汛期两个方面进行变异分析。3.1影响不同年份径流序列的变异情况汇总不同月份/季度/年尺度径流序列的变异诊断结果,并计算月和季度径流量占年径流量的比例,可以得出季度尺度径流序列变异情况,如图1所示。从图1中可以看出,由于季度和年尺度均由月份组成,且对于梅林庙站而言,径流序列出现变异的月份又比较多,因此,造成了季度和年径流序列均出现了不同程度的变异。通过分析发现,不同月份径流量占年径流量的比例是影响季度变异情况的主要因素。比如第一、四季度的变异情况,主要就是分别受到3、10月份的影响;而第二、三季度的变异情况与所包含月份较为一致,可以认为是受到其包含月份的共同影响。对于年径流序列,其变异情况和占径流量比例最大的7、8月份最为接近,同样,由于这两个月份包含在第三季度中,所以在各个季度中,对年径流变异情况影响最大的应当是第三季度。在变异程度方面,从各个季度及其所包含月份的变异程度上可以看出,第一季度的变异程度最大,而第三季度的变异程度则最小。3.2非汛期及年径流序列汇总不同月份/汛期非汛期/年尺度径流序列的变异诊断结果,并计算月和汛/非汛期径流量占年径流量的比例,可以得出汛/非汛期尺度径流序列变异情况,如图2所示。从图2中可以看出,由于汛/非汛期的划分方法是按照乌力吉木仁河的水文特性进行划分的,因此其时间尺度规律就更为明显。首先,汛期和非汛期径流的变异情况受所包含月份的综合影响,且月份的径流量比例系数越大,其影响程度也越大。其次,对于年径流序列,其变异情况主要受到汛期径流的影响,同时非汛期的变异情况和年径流也较为一致。综合上述结果可以得出:乌力吉木仁河梅林庙测站的实测径流资料按照不同时间尺度进行划分时,各自变异的情况不尽相同,对于年径流序列而言,其变异情况主要取决于丰水期或第三季度的变异情况,而丰水期和第三季度的变异情况又主要受其包含径流量比例系数较大月份的影响。4年径流序列的变异分析利用水文变异诊断系统,对乌力吉木仁河梅林庙测站1956～2000年的逐月径流资料按照不同的时间尺度进行划分,在对不同尺度径流序列进行变异诊断的基础上,对其在时间尺度上存在的规律进行分析,得到的主要结论如下:(1)在第一信度水平α=0.05,第二信度水平β=0.01的条件下,利用水文变异诊断系统对梅林庙测站月/季度汛期/非汛期/年尺度径流序列进行变异诊断,结果显示,除了个别月尺度(1、2、9、12月)的径流序列外,其它尺度的径流序列均出现了不同程度的跳跃变异,且出现变异的年份多为20世纪80年代中后期,而变异的形式则多为跳跃上升。通过成因分析发现,这种变异情况的出现和乌力吉木仁河上游森林植被遭破坏有密切联系。(2)对于按照季度尺度划分的径流序列,不同月份径流量占年径流量的比例是影响季度变异情况的主要因素。对于年径流序列,对其变异情况影响最大的同样是占径流量比例最大的第三季度。从各个季度及其所包含月份的变异程度上可以看出,在变异程度方面,第一季度的变异程度最大,而第三季度的变异程度则最小。(3)对于汛/非汛期尺度划分的径流序列,汛期和非汛期径流的变异情况受所包含月份的综合影响,且月份的径流量比例系数越