偏巖河流域年徑流序列一致性分析

劉 穎,吳 昊,蒙天易,湯飛飛

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司,貴陽 550002)

0 引 言

近年來,氣溫、降水等氣候要素變化劇烈,加之人類通過興建水利、土地利用、水土保持、雨水集蓄等方式改變了流域下墊面,使產匯流機制發生了變化,從而導致水文循環發生變化[1]。因此,氣候變化和人類活動的使得水文序列的一致性發生了變化,徑流、洪水等水文分析成果將隨之變化,研究水文序列是否具有一致性愈發重要。

現階段,國內外眾多學者已對一致性等相關內容展開了諸多研究,如:2006年,Burn和Aziz采用Mann-kendall法檢驗了加拿大麥肯齊河流域水文成果的趨勢性和跳躍性;2001年,夏軍等通過驗證得出:利用信息論及信息熵能夠分析序列時間與空間的不同變異性,同時此方法具有一定的價值;2001年,鄭澤全等為確定水文序列的趨勢和變異形態,在水文序列的分析過程中引入了小波分析方法;2002年,王孝禮等將R/S法引用到了水文序列的跳躍變異點的識別與檢驗中;熊立華等結合貝葉斯理論,分析得到了檢驗水文序列跳躍點的相關方法;2007年,謝平等經分析各變異檢驗方法的差異后得出:滑動F法更適用于變差系數發生了變異的水文序列,其余方法均適用于均值發生變異的水文序列;2010年謝平等提出變異診斷系統思想[2-4]。

基于此,為研究偏巖河流域年徑流序列是否存在一致性,文章選擇該流域內的木孔水文站1957—2019共63a徑流資料,同時采用M-K法、Speraman法進行該序列的趨勢研究,同時采用滑動T檢驗法、有序聚類法判斷該序列是否存在突變,以期為偏巖河流域年徑流分析計算提供參考依據[5-7]。

1 流域及水文站概況

1.1 流域概況

偏巖河為烏江中游左岸一級支流,位于貴州省中北部,涉及金沙、遵義兩縣。流域東與湄江流域相鄰,南與烏江渡水庫相連,西與野紀河流域相接,北與赤水河流域毗鄰。偏巖河發源于金沙縣桂花鄉西北,流經金沙縣巖孔鎮、西洛鄉、至龍壩鄉折向東北流,成為金沙、遵義兩縣界河,在茶園鄉邊界轉向東南,至木孔鄉邊界折向東北流復折向東南流,于官田鄉大河偏匯入烏江。流域形狀呈闊葉形,集水面積2243km2,河長140km,平均比降3‰。

偏巖河自西北向東南在丘陵、盆地、峽谷中穿行,按河谷地貌及河道特征分為上游、中游、下游三段:①上游:河源至西洛河河口;②中游:西洛河河口至牛欄河河口;③下游:牛欄河河口至官田鄉大河偏。流域內支流眾多,呈樹枝狀分布,流域面積在20km2以上的支流有28條;流域面積在100km2以上的一級支流左岸有底水河、樂民河,右岸有西洛河、龍塘河、花灘河共5條,二級支流有三岔溝。

偏巖河流域屬亞熱帶濕潤季風氣候區,年均氣溫15.5℃,平均相對濕度81%,年均日照1120.2h,無霜期313天,年降水量在800～1100mm之間,年均降水量1013mm,年均水面蒸發量763mm,年均徑流量 9.39億m3,輸沙模數為100～200t/km2。流域地處大婁山西部,是黔中丘原向黔北山地的過渡帶,西南多屬中山區,東南面、北面、西北面多屬低中山區,地貌屬丘陵壩地,巖溶地貌發育,漏斗、峰叢、洼地、落水洞、伏流和天生橋等巖溶地貌特征隨處可見。

1.2 木孔水文站基本情況

木孔水文站于1983年設立,站址位于金沙縣木孔鄉新江村,控制集水面積999km2,距偏巖河河口59.4km。測驗河段順直,長約200m,兩岸河灘寬各約40m,高水時河寬約120m。河床主要由板石構成,河岸較穩定。基本斷面上游400m右岸有一龍潭匯入,對測驗無影響。測驗河段內無彎道、急灘,河床穩定,但基本斷面下游550m有石攔河壩一座,高0.5～1.8m,裝有活動閘門,無規律開、關,對低水測驗有一定影響。

木孔站觀測項目有降水、水位、流量、蒸發、水溫等,具有1984年以來的觀測資料。年測流51次,多點法3次,單點法48次。實測最高水位836.48m,實測最低水位834.39m。測流水位變幅占全年水位變幅的98.1%,低水延長0.04m,占實測流量水位變幅的1.9%。過程控制一般,各級水位均可使用。

2 年徑流序列診斷

2.1 序列趨勢性診斷

2.1.1 Speraman秩次相關檢驗法

Spearman秩相關檢驗法的分析步驟為:為得到研究序列的秩次Si和相關系數γ,將該序列從小到大進行排序,然后采用以下公式進行計算:

(1)

式中:ci為秩次差值;n為序列長度。

滑動T檢驗法檢驗顯著性公式為:

(2)

給定一顯著性檢驗水平α,若|T|>T1-α/2,具有顯著變化趨勢。

2.1.2 Mann-Kendall檢驗法

Mann于1945年提出了Mann—Kendall檢驗法,該方法在分析氣溫、降水和徑流等要素的趨勢變化中應用廣泛,計算公式為:

(3)

(4)

式中:S為符號函數;當aj-ai>0 時,S為1;當aj-ai=0 時,S為0;當aj-ai<0 時,S為-1;V為方差。

給定一顯著性檢驗水平α,若|Y|>Y1-α/2,具有顯著變化趨勢。

2.2 序列跳躍性診斷

2.2.1 有序聚類法

有序聚類法的實質是尋求最優分割點．使同類間的離差平方和較小、類與類之間的離差平方和較大。設點t將序列分割為兩部分,計算公式為:

Z=T1+T2

(5)

(6)

(7)

2.2.2 滑動T檢驗法

在時間序列yt的基準點C前、后分別選取子序列y1和y2,計算統計量:

(8)

(9)

給定一顯著性檢驗水平α,若|gi|>gα,基準點處發生了突變。

2.3 診斷結果

2.3.1 趨勢診斷結果

本次采用Spearman法、Mann-Kendall法對木孔水文站1957—2019年63a年徑流資料的趨勢性進行分析,兩種診斷結果同時表明:木孔水文站年徑流具有顯著下降的趨勢,其中:①Spearman法中,其檢驗統計量T=-2.14<0,其絕對值|T|>T1-α/2=1.64,故而序列是顯著下降的;②Mann-Kendall法中,其檢驗統計量Y=-3.00<0,其絕對值|Y|>Y1-α/2=1.96,故而序列是顯著下降的。

表1 木孔水文站年徑流趨勢檢驗結果

2.3.2 突變診斷結果

本次采用有序聚類法、滑動T檢驗法對木孔水文站1957—2019年63年年徑流的跳躍性進行分析,兩種診斷結果同時表明:木孔水文站的年徑流在2002年發生顯著性突變。

表2 木孔水文站年徑流跳躍性檢驗結果

3 結 論

1)由于氣候變化以及人類興建水利、土地利用等活動,改變了流域下墊面,使產匯流機制發生了變化,從而導致水文循環發生變化。因此,水文序列資料不能直接用于水文分析計算,應首先對其進行趨勢性和跳躍性分析,研究判斷該水文序列是否具有一致性。

2)文章根據偏巖河流域內的木孔水文站1957—2019共63a徑流序列,采用Spearman法、Mann-Kendall法對木孔水文站1957—2019年63a年徑流的趨勢性進行了分析,兩種診斷結果同時表明:木孔水文站年徑流具有顯著下降的趨勢

3)采用有序聚類法、滑動T檢驗法對木孔水文站1957—2019年63a的年徑流的跳躍性進行分析,兩種診斷結果同時表明:木孔水文站的年徑流在2002年發生顯著性突變。