桃花園河徑流規(guī)律分析

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002)

桃花園河徑流規(guī)律分析

程明偉王永立

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002)

為探究桃花園河徑流變化規(guī)律，以1962—2013年的月均徑流資料為基礎(chǔ)，運用HP濾波對河流年徑流、汛期徑流和枯水期徑流分別進行了趨勢成分及周期成分的分析，利用M-K突變點檢驗確定了徑流的突變年份，并據(jù)此制定了現(xiàn)狀河流徑流的恢復(fù)閾值。結(jié)果表明，桃花園河的年徑流和汛期徑流存在明顯周期成分，而枯水期徑流存在明顯趨勢成分，突變點為1985年，通過對突變點前后徑流序列的分析，選取了突變點前25%和75%的徑流作為現(xiàn)狀條件下河流枯水期徑流恢復(fù)的閾值。

徑流；規(guī)律；分析；桃花園河

1 引 言

徑流是河流的水文特征之一，徑流變化趨勢評估對于水資源可利用量分析、洪水和干旱變化等具有重要的參考價值。同時，河流徑流規(guī)律對河流的水質(zhì)變化和河流生態(tài)的影響也十分明顯。但隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程也隨之加快，這導(dǎo)致了河流的徑流規(guī)律遭到了破壞。

目前已有許多學(xué)者對徑流規(guī)律展開了廣泛的研究，借助小波理論、濾波分析、重標極差(R/S)法、Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗等對河川徑流的水文變化、周期和突變檢驗進行了計算分析。常浩娟等利用Morlet小波、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗以及集中度等多種分析方法對瑪納斯河紅山嘴水文站60年的徑流資料進行了年際和年內(nèi)的規(guī)律特征分析。李寶玲等針對徑流過程具有分形和灰色特征的特點，對黑河正義峽水文站60年的年徑流量資料進行了R/S分析，確定了徑流量序列的Hurst指數(shù)H和平均循環(huán)周期T，并對年徑流量進行了灰色預(yù)測。王元超等采用線性回歸法和Mann-Kendall檢驗法進行趨勢分析，然后采用Pettitt突變檢驗法、Morlet小波法分別對1965—2013年的丹江口水庫月平均入庫流量進行了徑流特性分析。魯春霞等利用線性回歸和Mann-Kendall法分析了貓?zhí)恿饔虻闹饕淖兞恐懈饕蛩氐淖兓厔?，利用FAO56方法計算了流域參考作物的蒸散發(fā)狀況等主要氣象變量，研究結(jié)果表明貓?zhí)恿饔蚩傮w上呈現(xiàn)一定程度的暖化現(xiàn)象,但氣候變化對水資源的影響程度有限。

相比之前研究，本文在分析河流年徑流變化的基礎(chǔ)上，針對河流汛期和枯水期徑流量差異明顯的特點，對汛期徑流序列和枯水期徑流序列分別進行了趨勢成分和周期成分識別，并利用M-K檢驗判斷出徑流突變點，以突變點前的徑流情況作為生態(tài)良好的徑流依據(jù)，對現(xiàn)狀河流的枯水期徑流制定了生態(tài)良好的徑流閾值，從而為桃花園河的綜合治理提供科學(xué)合理的支持。

2 研究區(qū)概況及研究方法

2.1 研究區(qū)概況

桃花園河位于貴州高原中部的樂平鄉(xiāng)境內(nèi)，是貓?zhí)拥闹饕Я?，也是紅楓湖主要的入湖河流。樂平河流域內(nèi)氣候溫和多雨，年均降雨量為1200mm，但降雨量年內(nèi)分布不均，汛期降雨占75%。近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，河流水質(zhì)日益惡化，嚴重影響下游紅楓湖飲用水源地的水質(zhì)安全。河流的徑流規(guī)律影響著污染物的遷移擴散，因此，在進行污染源控制的同時，分析河流的徑流規(guī)律，對保護河流及下游水源地的水質(zhì)安全具有重要意義。

麥翁站為桃花園河控制站，建于1960年，坐標為東經(jīng)106°19′，北緯26°32′，控制集水面積189km2。本次收集到1962—2012年共51年的月徑流資料，作為桃花園河徑流變化規(guī)律的基礎(chǔ)資料。

2.2 研究方法

2.2.1 徑流趨勢成分與周期成分確定

HP濾波法由Hodrick和Prescott于1980年在分析美國戰(zhàn)后的經(jīng)濟情況時首先提出。HP濾波法是一種時間序列在狀態(tài)空間中的分析方法，相當(dāng)于對波動方差進行極小化處理。HP濾波可以近似的看作是一個高通濾波器(High-Pass Filter)，其理論基礎(chǔ)是時間序列的譜分析方法，譜分析方法把時間序列看作是不同頻率的成分的疊加，時間序列的High-Pass濾波就是要在這些所有的不同頻率的成分中，分離出頻率較高的成分，去掉頻率較低的成分，也即分離出長期的趨勢項，而對短期的隨機波動項進行度量。

(1)

式中，B(L)為延遲算子，B(L)=(L-1-1)-(1-L)。

將B(L)=(L-1-1)-(1-L)帶回式(1)，可得HP濾波的最小損失函數(shù)為

(2)

2.2.2 徑流突變點確定

Mann-Kendall檢驗最初由Mann和Kendall提出，該檢驗不需要樣本遵循一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計算方便，許多學(xué)者不斷應(yīng)用Mann-Kendall方法分析降水、徑流、氣溫和水質(zhì)等要素時間序列的趨勢變化。

對于某一個樣本容量為n的時間序列X(X1,X2,X3,…,Xn)，構(gòu)造它的秩序列：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中Dτ——第i時刻時所有大于j時刻數(shù)值的個數(shù)累計值；

τ——i的取值范圍，τ=1,2,…,n；

n——樣本容量；

Ri——i時刻時依據(jù)Xi與Xj的大小取值0或1；

Xi——i時刻的數(shù)值；

Xj——j時刻的數(shù)值，j=1,2,…,i；

UFτ——Dτ標準化計算后得到的值；

E(Dτ)、V(Dτ)——Dτ的均值和方差。

通過查找正態(tài)分布函數(shù)表，可以得出在一個顯著水平為α?xí)r的臨界值Uα，若公式(5)所計算的|UFτ|>Uα，則該序列存在明顯的上升或者下降的變化趨勢。同理，以逆序列{Xn,Xn-1,…,1}重復(fù)以上過程，令UBτ=-UFτ，其中τ=n,n-1,…,1，根據(jù)UFτ和UBτ值繪制UF和UB曲線圖，若UFτ和UBτ值小于0，則序列呈現(xiàn)下降趨勢，反之則為上升趨勢。若UFτ和UBτ曲線相交在臨界值Uα=±1.96之間(α=0.05)，則交點對應(yīng)的時刻有可能為序列變異開始時刻。

2.2.3 枯水期徑流恢復(fù)閾值確定

在對河流的徑流序列進行周期成分和趨勢成分分析基礎(chǔ)上，利用M-K檢驗識別出徑流變化的突變點，認為突變點前的徑流規(guī)律代表近自然的徑流規(guī)律，并以此為依據(jù)，根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者常以25%和75%作為水文請示變化范圍的上下限的做法，對突變點后的徑流制定了徑流恢復(fù)的閾值。

3 結(jié)果分析

3.1 HP濾波分析

3.1.1 年際徑流變化分析

為檢驗桃花園河徑流變化情況，首先對桃花園河麥翁站51年的年徑流進行分析計算，運用Eviews軟件對年徑流序列進行HP濾波分析。經(jīng)HP濾波將年徑流序列的趨勢成分和周期成分分離分后，可以分別判斷其發(fā)生趨勢和周期大小，其中，周期成分可以根據(jù)谷—谷或者峰—峰來進行判斷。分析桃花園河周期成分，從51年的年徑流整體變化來看，年徑流序列存在以10年為周期的周期成分，同時結(jié)合距平分析可知，一個周期內(nèi)有3年豐水年，4年平水年，3年枯水年。分析桃花園河趨勢成分，趨勢成分存在一定波動，總體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，但不明顯，如圖1所示。

圖1 桃花園河年徑流序列HP濾波分析

3.1.2 年內(nèi)徑流變化分析

圖2 桃花園河汛期徑流序列HP濾波分析

考慮到桃花園河流域豐枯變化明顯，將其年徑流劃分成汛期徑流序列(10月至次年4月)和枯水期徑流序列(5—9月)，對年內(nèi)徑流序列的變化進行分析。對汛期和枯水期序列分別進行HP濾波分析，分析結(jié)果分別見圖2和圖3。由圖2可見，桃花園河汛期徑流序列的趨勢成分與年徑流基本一致，周期成分存在一定差別，但總體也符合10年的周期變化規(guī)律；由圖3可見，枯水期徑流序列與年徑流和汛期徑流存在明顯差別，在枯水期桃花園河徑流趨勢成分較為明顯，存在下降趨勢，而周期成分波動較大，不存在明顯的周期。由此可知，桃花園河流枯水期徑流減少，是導(dǎo)致桃花園河徑流規(guī)律變化的主要原因。

圖3 桃花園河枯水期徑流序列HP濾波分析

3.2 M-K突變點檢驗及枯水期徑流還原計算

根據(jù)以上分析,通過Matlab對桃花園河的枯水期徑流進行Mann-Kendall突變點檢驗，通過計算分析，分別繪出徑流時間序列的順序統(tǒng)計曲線UF和逆序統(tǒng)計曲線UB，分析結(jié)果見圖4。由圖4可知，桃花園河的枯水期徑流在1985年出現(xiàn)突變。結(jié)合實際，主要是因為貓?zhí)釉?979年完成六個梯級電站建成。因此，選取1985年作為河流徑流的突變點符合實際情況。

圖4 枯水期期徑流突變分析

綜上分析，桃花園河在受人為干擾下，枯水期徑流在年際間產(chǎn)生了突變，對河流的徑流規(guī)律產(chǎn)生了一定影響，對河流的水質(zhì)及生態(tài)也產(chǎn)生了不利影響。因此，為使桃花園河枯水期徑流恢復(fù)突變點前的規(guī)律，本文對突變點前后逐年枯水期徑流進行統(tǒng)計，見下表。經(jīng)分析，突變點前桃花園河枯水期徑流的均值為1.52m3/s，突變點后變?yōu)?.05m3/s，相對突變點前變化30.9%。同時經(jīng)計算得突變點前25%與75%對應(yīng)的徑流分別為1.08m3/s和1.98m3/s，經(jīng)比較突變點后的均值低于突變點前25%的枯水期徑流的下限，這也從另一方面說明枯水期徑流發(fā)生了明顯突變。以歷史上發(fā)生過的枯水期徑流作為恢復(fù)閾值，既可保證河流流量不低于生態(tài)基流又可避免過量補水造成的水文情勢破壞，因此選取突變點前25%與75%對應(yīng)的徑流作為現(xiàn)狀徑流恢復(fù)閾值較為合理。

桃花園河突變點前后枯水期徑流年際變化表

4 結(jié) 論

本文利用HP濾波法分別對桃花園河的年徑流、汛期徑流和枯水期徑流進行了分析，得出了各自的趨勢成分序列和周期成分序列，更加細致的分析了河流徑流的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，利用M-K檢驗分析了枯水期徑流的突變年份，并對現(xiàn)狀枯水期徑流制定了恢復(fù)閾值，為現(xiàn)狀河流的治理提供了科學(xué)的依據(jù)。具體結(jié)論如下：

a. 桃花園河的年徑流和汛期徑流存在較明顯的周期成分，但無明顯趨勢變化；枯水期徑流則表現(xiàn)為有明顯下降趨勢但無明顯周期成分。

b. 枯水期徑流的突變年份為1985年，分析其原因主要是1979年貓?zhí)油瓿闪鶄€梯級電站建設(shè)，對貓?zhí)恿饔虍a(chǎn)流與徑流產(chǎn)生部分影響。

c. 以1962—1985年枯水期的徑流為標準，選取25%和75%的值作為現(xiàn)狀枯水期徑流的恢復(fù)范圍，計算得枯水期徑流的恢復(fù)范圍為[1.08，1.98]m3/s。

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AnalysisonTaohuayuanRiverrunoffregularpattern

CHENG Mingwei, WANG Yongli

(GuizhouWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Guiyang550002,China)

Monthly average runoff data from 1962 to 2013 are regarded as basis to explore the change rule of Taohuayuan River runoff. HP filter is utilized for respectively analyzing trend components and cycle components aiming at river annual runoff, flood season runoff and runoff during drought season. M-K mutation point test is utilized for determining the mutation year of runoff. The recovery threshold of current river runoff is formulated accordingly. The results show that annual runoff and flood season runoff of Taohuayuan River have prominent cycle components. The runoff of drought season has prominent trend components, the mutation point is 1985. The runoff sequence before and after mutation point are analyzed. 25% and 75% runoff before and after the mutation point are regarded as the threshold of runoff recovery during river drought seasons under current status.

runoff; regular; analysis; Taohuayuan River

TV211.2

：A

：2096-0131(2017)09-0055-04

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.09.013