基于不同診斷模型的渭河流域水文變異分析

李紅英

(山西省長治市屯留區水利局，山西 長治 046000)

1 流域概況

渭河流域水系發達，水資源量充沛，流域面積13.48萬km2，其主要支流達14條。河流北岸支流多處于黃土高原及丘陵區，南岸支流大多河道處于潛流山脈中，支流徑流量較小。流域地形地貌自西至東經過隴西高原、關中平原，地勢西高東低，河床受水力沖刷及流沙影響，整體河道狹長，順河向河谷漸寬，水面比降大，水流流速高[1]。流域多年平均氣溫7.8～13.5℃；多年平均降水量572mm，年際間基本均衡，年內汛期、非汛期雨量相差較大；降水的不均勻性使得流域徑流量南北岸相差顯著，且中下游輸沙量相比上游明顯加重，泥沙量>4億t/a，河床抬升增加了沿線地區的洪災風險；流域年平均蒸發為660～1600mm，空間自東向西依次降低；黃土高原的水土流失、土壤侵蝕和人類的肆意活動，流域生態環境不斷惡化，直接或間接對水文系統的變異造成重大影響。近些年地方采取一系列的生態改善措施，取得了不錯的成效，目前生態環境大大改觀提升。

2 不同診斷模型基本原理

水文變異診斷[2]取決于改變水文條件的基本因子，根據因子對象的不同，將結構體系分為統計學、系統演化和水文特征分析。根據因子維度分類，包括水文變異點的空間分布、強度分布的過程變化。當水文條件改變時，水文系統特征的反應各異，部分變異點時空滯后，為能準確捕捉并識別變異特征和各模塊的變異點，按標準步長劃分時間序列，顏色各異燈號表示時區分布，不同變異區分類及時間區段統計表，見表1。

表1 不同變異區分類及時間區段統計表

3 流域水文變異診斷結果

水文變異診斷基于流域干流及支流典型水文監測站點，通過不同站點的系統分析，準確評價各因子對河流水文條件的影響后果，為流域中下游治理和科學規劃提供一定的參考依據[3]。渭河流域典型水文站監測點匯總表，見表2。

表2 渭河流域典型水文站監測點匯總表

3.1 均值變異

根據咸陽水文站的實測水文數據，采用TFPW算法計算站點年徑流檢驗序列的自相關性，將待檢數據序列匯入Pettitt-BS耦合模型，輸出多點變異的診斷結果[4]，年徑流均值變異點及統計量結果，見圖1。由圖1可知：均值跳躍變異點出現時間為1985年，屬4類變異區；統計量Ut,N最大值時間是1985年，概率>0.95。

(a) (b)

3.2 回歸變異

年徑流回歸變異檢測曲線圖，見圖2。圖中波形曲線為年徑流量實測值繪制，直線段為分段回歸的線性預測變化圖，虛實線矩形框的邊界為變異點置信區間的限位。可知，回歸變異診斷結果時間為1974年，為2類變異區；變異點前后徑流量變化明顯，變異點前降幅明顯>變異后[5]，咸陽站回歸變異特征統計表，見表3。

圖2 年徑流回歸變異檢測曲線圖

表3 咸陽站回歸變異特征統計表

3.3 方差變異

為保證計算的準確率，在模型中需擇出年徑流量序列內的趨勢成分，本節結合臨潼水文站實測數據，定義待檢序列均值為零，預置白過程(PW)剔除自相關性后，將序列輸入ICSS模型。方差變異統計量Dk的變化關系，年徑流方差變異計算結果，見圖3，可知流域年徑流序列未出現明顯的方差變異(Dk<1.358)。

圖3 年徑流方差變異計算結果

3.4 周期變異

周期診斷用年徑流和人類活動序列的小波系數對比總結，年徑流時間序列主要集中于周期3～4a、9a、25～30a，其中主時間尺度為25～30a，1985年后小周期消失，1998年后中周期時間尺度分布無規律性。故認為1985年為周期變異點，屬4類區。

3.5 長程自相關性

該檢測需擇出周期變化的序列影響因素，待檢序列輸入MFDFA模型，結合qRMS值分析月徑流時間序列變異點。各階數的自相關性診斷結果，見表4，由表可知，分區后燈號指數的2類變異區均值跳躍較為頻繁，方差變異均在4類變異區。

表4 各階數的自相關性診斷結果

3.6 熵值

結合周期變異的時間序列分布，選擇時間尺度為3、5、10、20年進行典型分析，檢測流域熵值的真實變異區。熵值時間序列變異結果，各時間尺度下的熵值變異計算結果，見表5。結果顯示各尺度的熵值變異均集中分布在2、4類變異區。

表5 各時間尺度下的熵值變異計算結果

3.7 水沙關系

檢測指標擬定為輸沙量，辨識水沙關系的實際變異點。該檢測需結合狀頭站、華縣站的輸沙量總和，輸沙量時間序列變異點，見圖4。結果顯示：輸沙量均值變異點為1978年和2003年，變異區位于3類、5類區；方差變異點為1974年，為2類變異區。

圖4 輸沙量時間序列變異點

3.8 綜合診斷結果

綜合診斷分析法對流域多年平均徑流量檢測的意義非凡，綜合上述結果，分析各站點的年徑流序列均值跳躍變異結果，反映變異空間分布及多點特征。同時，為多方位反映水文條件變異特征，將水文序列及監測數據帶入各模塊，進行綜合性的對比分析，由各影響因子的檢測結果可知，流域多數水文站年徑流序列均值變異在1985年附近(4類變異區)，除狀頭站外。分析認為該年份水文條件變化受面因素影響，如蒸發量、降雨量的空間分布變化，其影響效果波及流域整體。2類變異區的均值變異多出現于林家村站點的下游干流，表明在該時間區段內的人類活動明顯加劇造成徑流量的大幅變化。下游變異大都位于5類變異區，除臨潼站，分析認為涇河匯入徑流量變大。

水文因子變異區主要為2類和4類變異區，2類區驅動因子為回歸、長程自相關性、熵值、生態水文關系，4類區驅動因子為均值、周期、長程自相關性。結合水文變異診斷基本原理，僅當多因子在同時間區段內同時變異時，該因子才能認定為水文變異的真實變異點，綜合認為2類和4類區為實際變異區，首次渭河流域出現大范圍變異的時間點為1970年。

4 結 論

文章基于水文變異不同診斷模塊的基本原理及計算步驟，結合渭河流域研究區域水文變異的典型時段和歷程變化。結果表明：渭河流域時間序列均值、周期變異點在1985年，年徑流量和輸沙量序列逐年降低，水文各要素相關關系時域空間存在變異，主要變異點均發生于2類和4類變異區，各模塊計算結果的相互佐證反映綜合診斷方法的科學性與合理性。