若爾蓋濕地年徑流序列趨勢識別研究

李金晶 任小鳳 董瑩瑩

（河南黃河水文勘測設(shè)計(jì)院 河南鄭州 450004）

若爾蓋濕地年徑流序列趨勢識別研究

李金晶 任小鳳 董瑩瑩

（河南黃河水文勘測設(shè)計(jì)院 河南鄭州 450004）

若爾蓋濕地是黃河上游重要水源涵養(yǎng)地，由于沙化、退化等一系列生態(tài)問題對濕地水源涵養(yǎng)能力產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞。本文采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法、Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法和線形趨勢回歸檢驗(yàn)法對若爾蓋濕地黑河和白河流域進(jìn)行趨勢識別研究，利用大水和唐克年徑流資料進(jìn)行分析，結(jié)果表明若爾蓋濕地的年徑流存在較強(qiáng)的減小趨勢。

若爾蓋 年徑流 趨勢識別 趨勢檢驗(yàn)法

1 引言

若爾蓋濕地地處四川省阿壩藏族羌族自治州若爾蓋縣境內(nèi)，屬于國家級自然保護(hù)區(qū)，進(jìn)入國際重要濕地名錄，在自然流域上處于黃河與長江水系的分水嶺地帶，是兩大水系的重要水源涵養(yǎng)地區(qū)和大氣碳匯之地。若爾蓋濕地同時(shí)也是我國殘存面積最大的高原泥炭沼澤，其中泥炭沼澤、苔草沼澤、濕草甸及河漫灘、淺水湖泊等相間分布，對黃河上游具有很好的水源調(diào)節(jié)作用。然而，近年來若爾蓋濕地出現(xiàn)退化、沙化等一系列生態(tài)問題，對于濕地的水源涵養(yǎng)功能產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，同時(shí)也引起廣泛的關(guān)注。

水文時(shí)間序列的趨勢識別是分析水文要素變化趨勢的重要方法，常用的方法有參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法和非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法。兩類方法均有優(yōu)缺點(diǎn)，參數(shù)檢驗(yàn)方法更為有效，但同時(shí)要求數(shù)據(jù)獨(dú)立且服從正態(tài)分布，而非參數(shù)檢驗(yàn)方法只是要求數(shù)據(jù)獨(dú)立，且不受少數(shù)異常點(diǎn)的干擾，目前，非參數(shù)檢驗(yàn)法在水文序列分析中應(yīng)用較為廣泛。

水文時(shí)間序列的趨勢識別的非參數(shù)檢驗(yàn)方法主要有Mann-Kendall法和Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法。近年來，應(yīng)用Mann-Kendall法、Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法以及線形趨勢回歸檢驗(yàn)法分析水文序列的長期變化的研究很多。本文將應(yīng)用以上三種方法對若爾蓋濕地黑河和白河流域年徑流序列進(jìn)行趨勢分析。

2 趨勢檢驗(yàn)方法

2.1 Mann-Kendall法

Mann-Kendall法最初由曼（H. B. Mann）和肯德爾（M. G. Kendall）提出了原理并發(fā)展而來的方法。在水文序列趨勢分析中，該方法將觀測值序列的秩次和時(shí)間的秩進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)。方法假設(shè)時(shí)間序列為n的樣本（x1，x2，…，xn）服從獨(dú)立同分布，構(gòu)造統(tǒng)計(jì)變量為：

其中

式中：Ri和Rj分別為xi和xj的秩次；當(dāng)xi>xj時(shí)，aij=-1，當(dāng)xi=xj時(shí)，aij=0，當(dāng)xi

構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)變量Z，當(dāng)S>0時(shí)，

2.2 Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法

Sperarman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法是通過分析水文序列與其時(shí)序的相關(guān)性來檢驗(yàn)水文序列是否具有趨勢性，即對序列x1，x2，…，xn，分析序列xt與時(shí)序t（t=1，2，…，n）的相關(guān)關(guān)系。則秩次相關(guān)系數(shù)r為：

式中，n為序列長度；dt=Mi-Ti，其中Mi為序列從大到小排列對應(yīng)的序號，Ti為時(shí)間序列的秩次。如果r越小，即序列的秩次與時(shí)序越相近，趨勢則越顯著。序列是否顯著可采用t檢驗(yàn)法，構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量T為：

統(tǒng)計(jì)量T服從自由度為n-2的t分布，選擇顯著水平α=5%，當(dāng)時(shí)，拒絕原假設(shè)，認(rèn)為序列隨時(shí)間存在相依關(guān)系，趨勢成分明顯；反之，則認(rèn)為序列無明顯趨勢。

2.3線形趨勢回歸檢驗(yàn)法

線形趨勢回歸檢驗(yàn)法是根據(jù)線形回歸方法構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量，利用t檢驗(yàn)對時(shí)間序列進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)。對序列x1，x2，…，xn線形趨勢成分xt用下述數(shù)學(xué)模型來描述：

式中，a，b為回歸系數(shù)；εt為殘差項(xiàng)，假設(shè)其是平穩(wěn)、獨(dú)立的正態(tài)分布。a，b的估計(jì)式為：

則殘差εt平方和為：

那么，構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量d=b/Sb，其中的方差，則Sb為：

統(tǒng)計(jì)量d服從自由度為n-2的t分布，選擇顯著水平α=5%，當(dāng)時(shí)，拒絕原假設(shè)，認(rèn)為序列隨時(shí)間存在相依關(guān)系，趨勢成分明顯；反之，則認(rèn)為序列無明顯趨勢。

3 濕地年徑流趨勢分析

若爾蓋濕地地處四川省阿壩藏族羌族自治州若爾蓋縣境內(nèi)（圖1），濕地內(nèi)發(fā)育河流有黑河、白河和沃木曲河組成。黑河發(fā)源于紅原縣的哲波波亞山，縣南噶利坪，由南入若爾蓋縣，經(jīng)過若爾蓋縣腹部地區(qū)，在其西北角縣域與瑪曲縣交界處注入黃河，干流全場456km，流域面積7608km2；白河發(fā)源于紅原縣境內(nèi)嘎哇達(dá)則，流經(jīng)若爾蓋縣西南部，在唐克注入黃河，干流全長270km，流域面積5488km2。

圖1 若爾蓋濕地范圍示意圖

黑河流域出口處設(shè)有大水水文站，自1984年開始監(jiān)測；白河流域出口處設(shè)有唐克水文站，1978年開始監(jiān)測。本文分析若爾蓋濕地主要河流年徑流變化趨勢基于以上兩個(gè)水文站監(jiān)測資料，其水文序列長度分別為：大水：1984-2012年；唐克：1981-2012年。應(yīng)用上述三種方法對大水和唐克水文站年徑流序列進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

取α=0.05為顯著水平，Mann-Kendall檢驗(yàn)中Z1-α/2=0.8353，即，拒絕原假設(shè)，年徑流序列呈明顯的減小趨勢；Spearman相關(guān)檢

驗(yàn)，線形趨勢回歸檢驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果一致同Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果一致，若爾蓋濕地黑河和白河流域年徑流量呈減小趨勢。

表1 若爾蓋地區(qū)年徑流趨勢不同方法識別結(jié)果的比較

4 結(jié)論

本研究采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法、Spearman相關(guān)檢驗(yàn)法和線形趨勢回歸檢驗(yàn)法對若爾蓋濕地黑河和白河流域年徑流進(jìn)行趨勢識別研究。研究表明流域年徑流呈較強(qiáng)的減小趨勢，黑河流域減小趨勢較白河流域強(qiáng)，表明黑河流域比白河流域受到的破壞更為嚴(yán)重，生態(tài)問題更為嚴(yán)峻，對比近年來若爾蓋濕地退化現(xiàn)象，結(jié)果符合當(dāng)前變化趨勢。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.07.016

TV121

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1672-2469(2014)07-0050-03

李金晶（1981年—），男，工程師。