變化環(huán)境下水文資料序列一致性探析

鄭曉霞

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

當(dāng)前，受氣候變化及人類活動(dòng)綜合影響，區(qū)域水文資料的一致性受到明顯影響[1]。而對于工程設(shè)計(jì)及水資源規(guī)劃而言，水文資料的一致性十分重要[2]。若水文資料存在非一致性，則需要對其進(jìn)行一致性處理，從而保證分析資料的一致性和總體性[3]。近些年來，水文資料非一致得到國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究，取得一定研究成果[4- 9]，這其中改進(jìn)的有序聚類方法針對水文資料非一致性的影響因素進(jìn)行定量分類，再進(jìn)行有效評價(jià)，在水文資料非一致性評估中應(yīng)用效果較好[10- 13]，但新疆遼寧地區(qū)還未得到應(yīng)用，為此本文結(jié)合改進(jìn)的有序聚類方法對新疆遼寧地區(qū)水文非一致性進(jìn)行綜合分析，研究成果對于遼寧地區(qū)水資源保護(hù)規(guī)劃具有參考價(jià)值。

1 改進(jìn)的有序聚類方法

改進(jìn)的有序聚類分析方法對評估因素進(jìn)行權(quán)重設(shè)置，并對其進(jìn)行有序歸類，其權(quán)重函數(shù)的計(jì)算方程為：

(1)

改進(jìn)的聚類方法對變量中心權(quán)重值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化后的各指標(biāo)中心聚類值，計(jì)算方程為：

(2)

改進(jìn)的有序聚類方法結(jié)合評價(jià)指標(biāo)及影響因素的種類對其進(jìn)行綜合分析，分析方程為：

(3)

對各影響指標(biāo)進(jìn)行定量分離，其分離度計(jì)算方程為：

(4)

2 實(shí)例分析

2.1 水文氣象概況

遼寧地區(qū)屬于典型溫帶大陸性干旱氣候，多年平均降水量為675mm，且60%以上的降水主要集中在夏季。區(qū)域多年水資源總量維持在78億～100億m3之間，由于受到人類活動(dòng)和氣象變化的綜合影響，區(qū)域的水文特性出現(xiàn)明顯變化，降水主要呈現(xiàn)先遞增后遞減的變化趨勢，而徑流總量受到影響更為明顯，區(qū)域徑流總量遞減趨勢顯著。

表1 主要站點(diǎn)年降水量變化分析

表2 主要站點(diǎn)年徑流變化分析

2.2 水文特征變化

結(jié)合遼寧地區(qū)典型4個(gè)水文站點(diǎn)降水、徑流數(shù)據(jù)，對其不同年代際的水文特征變化進(jìn)行分析，分析成果見表1—2。

從表1中可看出，遼寧地區(qū)站點(diǎn)年降水量相比于1970年代均呈現(xiàn)明顯的增加在遞減變化，突變點(diǎn)主要發(fā)生在1990年前后，1990年各站點(diǎn)年降水量相比于1970年代都呈現(xiàn)遞增變化，增幅在6.97%～39.71%之間，而1990年后降水呈現(xiàn)遞減變化，遞減變幅在-13.74%～-63.25%之間。降水變化主要受到氣候變化的影響，受到氣候變暖影響，遼寧地區(qū)平均氣溫具有一定的上升變化，使得蒸發(fā)上升，而降水有所遞減。從表2中可看出，年均流量和年降水變化特征較為相似，在1990年以前主要受到降水變化，年平均流量遞增變化，而從1990年以后，年均流量受到人類活動(dòng)影響，特別是水利工程建設(shè)的影響，年均流量下降趨勢明顯，遞減變幅在-7.06%～-52.59%之間。

2.3 各站點(diǎn)有序聚類綜合分析

結(jié)改進(jìn)的有序聚類綜合分析方法對不同分布下各站點(diǎn)的水文特征進(jìn)行非一致性變化分析，分析結(jié)果見表3。

從表3中可以看出，不同分布下各站點(diǎn)水文非一致檢驗(yàn)分布較為一致，從1#站點(diǎn)其水文非一致性檢驗(yàn)看出，其各分布下檢驗(yàn)值均在550以下，屬于高度不一致，而2#站點(diǎn)其各分布檢驗(yàn)值在510以下，屬于中度不一致，而3#站點(diǎn)的各分布檢驗(yàn)值高于其他站點(diǎn)，總體分布在650以下，也屬于高度不一致，4#站點(diǎn)各分布檢驗(yàn)值明顯低于其他站點(diǎn)，屬于低分布站點(diǎn)，其分布檢驗(yàn)值在540以下，也同樣屬于中度不一致。

2.4 水文非一致性分析

對遼寧地區(qū)各典型水文站點(diǎn)水文非一致性進(jìn)行不同分布模式的定量分析，分析結(jié)果見表4，并建立各要素和氣候指標(biāo)的相關(guān)性，結(jié)果如圖1所示。

從水文非一致分析結(jié)果可看出，各站點(diǎn)水文均值變化較為平穩(wěn)，最大變化度為0.152，最小值為0.000，從其方差變化結(jié)果可看出，方差變化總體在1.123～1.225之間，方差變幅較小，但方差總體較大，從其偏態(tài)系數(shù)和峰度系數(shù)可看出，遼寧地區(qū)各站點(diǎn)水文變化特征總體不高，偏態(tài)系數(shù)低于0.9，峰度系數(shù)在2.759～4.183之間。從其非一致性分析結(jié)果可看出，各站點(diǎn)水文非一致性總體在高度～中度之間。從圖1中可看出，各水文特征與氣象相關(guān)指標(biāo)較高，年最大流量與各氣象因子的相關(guān)度總體在0.7以上。

表3 不同分布下各站點(diǎn)有序聚類綜合分析成果

表4 遼寧地區(qū)主要站點(diǎn)水文非一致性分析結(jié)果

圖1 各水文特征與氣候指標(biāo)的相關(guān)度分析結(jié)果

2.5 遼寧地區(qū)水文非一致影響因素定量分解

在遼寧地區(qū)水文非一致分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對其影響因素進(jìn)行定量分解，分解結(jié)果見表5。

從其定量分解結(jié)果可看出，各站點(diǎn)年徑流滲主要受到降水因素以及人類活動(dòng)的綜合影響，其中人類活動(dòng)包括涉水活動(dòng)和下墊面活動(dòng)，從降水影響定量分解結(jié)果可看出，降雨影響下各因素的百分比-26.4～-46.32%之間，而涉水活動(dòng)影響的百分比在-17.57%～-31.07%之間，區(qū)域下墊面變化是主要影響因素，其影響百分比在-36.11%～-47.53%之間。綜合以上分析結(jié)果，遼寧地區(qū)受人類活動(dòng)和氣候變化綜合影響，其中氣候影響程度占60%，人類活動(dòng)影響程度占40%。

3 結(jié)論

遼寧地區(qū)水文特征突變點(diǎn)主要在1990年前后，1990年后降水呈現(xiàn)遞減變化，遞減變幅在-13.74%～-63.25%之間，年均流量遞減變幅在-7.06%～-52.59%之間。

遼寧地區(qū)各站點(diǎn)水文非一致性總體在高度～中度之間，各水文特征與氣象相關(guān)指標(biāo)較高，年最大流量與各氣象因子的相關(guān)度總體在0.7以上。

區(qū)域下墊面變化是水文非一致性主要影響因素，遼寧地區(qū)水文非一致性氣候影響程度占60%，人類活動(dòng)影響程度占40%。

表5 主要站點(diǎn)水文非一致影響要素定量分解結(jié)果