潘家口水庫(kù)入庫(kù)徑流趨勢(shì)分析

李爽

摘要：運(yùn)用滑動(dòng)平均法和Mann-Whitney-Pettitt突變點(diǎn)分析法對(duì)潘家口水庫(kù)1980～2007年28年間的入庫(kù)徑流量進(jìn)行趨勢(shì)分析和突變點(diǎn)分析。計(jì)算結(jié)果表明：潘家口水庫(kù)入庫(kù)徑流量減少趨勢(shì)明顯。分析了入庫(kù)徑流減少的原因。

關(guān)鍵詞：滑動(dòng)平均法；Mann-Whitney-Pettitt突變點(diǎn)分析法；潘家口水庫(kù)；入庫(kù)徑流；趨勢(shì)分析

1、概述

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)水資源的需求越來(lái)越大。另一方面，由于受氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響，北方大部分河流的年徑流量都有不同程度的減少。加之我國(guó)水資源時(shí)空分布不均，給水資源充分利用帶來(lái)很大困難。水資源短缺問(wèn)題已經(jīng)成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。

灤河是我國(guó)北方地區(qū)水資源較豐沛的河流，潘家口水庫(kù)位于灤河下游，不僅承擔(dān)著下游的防洪任務(wù)，而且承擔(dān)著向天津、唐山和秦皇島等城市供水任務(wù)。該水庫(kù)來(lái)水量的多少直接影響到天津、唐山和秦皇島等市的社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

本文利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法，潘家口水庫(kù)多年入庫(kù)徑流系列進(jìn)行分析，以期發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律，并探討引起徑流變化的原因，為該地區(qū)的供水安全提供科學(xué)支持。

2、入庫(kù)徑流變化趨勢(shì)分析方法

水庫(kù)徑流的來(lái)水趨勢(shì)性變化對(duì)于分析當(dāng)?shù)氐乃Y源以及對(duì)其水資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度有著至關(guān)重要的作用。序列是否具有某種趨勢(shì)可以通過(guò)一系列的方法進(jìn)行研究計(jì)算，主要方法有：線性滑動(dòng)平均法、Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法、一元線性回歸法等方法和Mann- Whitney- Pettitt突變點(diǎn)分析法等[2]。本文采用線性滑動(dòng)平均法和Mann- Whitney- Pettitt突變點(diǎn)分析法對(duì)潘家口水庫(kù)入庫(kù)徑流趨勢(shì)進(jìn)行分析。

2、1滑動(dòng)平均法

線性滑動(dòng)平均法是對(duì)一列時(shí)間序列的特定時(shí)間的幾個(gè)前期值和后期值取平均數(shù)，用來(lái)代替此時(shí)的數(shù)值，求出的新的數(shù)列能使原序列光滑，即為滑動(dòng)平均法[3]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中本文采取3點(diǎn)、5點(diǎn)和7點(diǎn)的滑動(dòng)平均并對(duì)其取平均數(shù)作為當(dāng)年的趨勢(shì)值。即取k=1、k=2和k=3三種情況。

2、2 Mann-Whitney-Pettitt突變點(diǎn)分析法

Mann- Whitney- Pettitt突變點(diǎn)分析法，是由Pettitt在1979年提出的用于檢測(cè)時(shí)間序列突變點(diǎn)的一種非參數(shù)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方法[4]。其使用過(guò)程為：假設(shè)時(shí)間序列在t時(shí)刻為最有可能產(chǎn)生突變的時(shí)刻。將其分成以t時(shí)刻為分割點(diǎn)的前后兩部分[5]。定義Ut的表達(dá)式為：

取最大值的時(shí)刻即為突變最有可能發(fā)生的時(shí)刻，t時(shí)刻的顯著性統(tǒng)計(jì)量p（t）的計(jì)算公式為：

當(dāng)t時(shí)刻的p值越接近去1，則其突變的顯著性越明顯，一般當(dāng)p（t）>0.75，則認(rèn)為此時(shí)間序列在t時(shí)刻突變顯著[6]。

3、潘家口入庫(kù)徑流趨勢(shì)分析

根據(jù)潘家口水庫(kù)入庫(kù)實(shí)測(cè)徑流量，得出表4- 1。從表中可以看出來(lái)，潘家口水庫(kù)多年平均徑流量為14.67億m3，最大徑流量和最小徑流量分別出現(xiàn)在1994年和2002年。分別為37.1m3和4.19m3。

3、1徑流參數(shù)分析

根據(jù)徑流參數(shù)分析方法計(jì)算潘家口水庫(kù)的徑流參數(shù)，分別計(jì)算徑流序列的均值、變差系數(shù)、極值比和不均勻系數(shù)，得到表4- 2。

由表4- 2可知，潘家口水庫(kù)28年間來(lái)水情況分布極不均勻，且徑流量整體呈下降趨勢(shì)。

3、2滑動(dòng)平均法分析徑流趨勢(shì)

采用3點(diǎn)、5點(diǎn)、7點(diǎn)的滑動(dòng)平均法，對(duì)潘家口水庫(kù)進(jìn)行計(jì)算，取平均值并將計(jì)算結(jié)果繪制如圖4- 1所示。

由圖4- 1可以看出，1980年到2008年這28年間，潘家口水庫(kù)徑流趨勢(shì)整體趨勢(shì)呈下降趨勢(shì)。尤其在1995年后水庫(kù)來(lái)水量急劇下降。

3.3Mann-Whitney-Pettitt突變點(diǎn)分析法分析徑流突變點(diǎn)

運(yùn)用Mann- Whitney- Pettitt突變點(diǎn)分析法分析潘家口水庫(kù)徑流序列，計(jì)算得其p（t）值為0.993。由表4- 3可知，潘家口水庫(kù)徑流序列突變顯著性非常顯著，其突變年為1998年。

將潘家口水庫(kù)入庫(kù)流量在突變年分為前后兩個(gè)階段，如圖4- 2所示為突變年前后兩個(gè)階段徑流量的平均水平。從圖中可以看出突變年前后的徑流量變化。與滑動(dòng)平均法得出的結(jié)果一致，均呈下降趨勢(shì)。

4、原因及對(duì)策分析

造成水庫(kù)入庫(kù)流量減少的原因有很多，其中最主要的有降水量的變化、下墊面的變化以及人類活動(dòng)。近年來(lái)由于人類生產(chǎn)生活對(duì)用水量的需求日益增大，對(duì)水庫(kù)的入流量產(chǎn)生了很大的影響。一方面水資源供給日益緊張，另一方面，生產(chǎn)生活中的水的浪費(fèi)又隨處可見(jiàn)。因此改變?nèi)祟惖挠盟Y(jié)構(gòu)，是我們能夠控制且效果最為明顯的方法。對(duì)流域內(nèi)水資源的宏觀調(diào)控，多水庫(kù)進(jìn)行有機(jī)的聯(lián)合調(diào)度，為此提供了有效的解決辦法。

結(jié)論：本文根據(jù)潘家口水庫(kù)的徑流序列，運(yùn)用滑動(dòng)平均法和 Mann- Whitney- Pettitt突變點(diǎn)分析法分別對(duì)潘家口水庫(kù)進(jìn)行來(lái)水趨勢(shì)分析和突變點(diǎn)分析。根據(jù)滑動(dòng)平均法計(jì)算結(jié)果可知，潘家口水庫(kù)在1994年來(lái)水量出現(xiàn)出峰值。但整體來(lái)看水庫(kù)的入庫(kù)流量呈下降趨勢(shì)。根據(jù)Mann- Whitney- Pettitt突變點(diǎn)分析法得到潘家口水庫(kù)徑流序列突變年為1998年。

參考文獻(xiàn)

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