大通水文站水沙變化特征分析

王利花, 路 鵬

(1.成都信息工程大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 四川 成都610225； 2.吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 吉林 長春130026)

大通水文站水沙變化特征分析

王利花1, 路 鵬2

(1.成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，四川成都610225； 2.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春130026)

[目的] 分析大通水文站水文泥沙的趨勢性、突變性和周期性，揭示其長時間序列的特征，為河口三角洲的發(fā)育及演變研究提供理論依據(jù)。 [方法] 采用Mann-Kendall趨勢分析法、有序聚類分析法和小波分析法，對大通站近60 a來徑流量和輸沙量時間序列進(jìn)行特征分析。 [結(jié)果] 大通站年徑流量無明顯的趨勢性變化特征，年際波動較大，年內(nèi)分配極不均勻；年徑流量不存在顯著的突變性特征，但具有6和44 a的周期性變化特征。年輸沙量具有顯著的線性下降趨勢，同時年內(nèi)分配不均；年輸沙量存在顯著的三級突變性變化，2002年為一級突變，1984年為二級突變，1968和1991年為兩個三級突變；年輸沙量還存在明顯的12和30 a周期性變化特征。 [結(jié)論] 大通站年徑流量無明顯的趨勢性和突變性，存在一定的周期性；年輸沙量存在顯著的下降趨勢，具有明顯的突變性和周期性。

大通站； 徑流量； 輸沙量； 趨勢性； 突變性； 周期性

文獻(xiàn)參數(shù)： 王利花, 路鵬.大通水文站水沙變化特征分析[J].水土保持通報，2017,37(4)：266-270.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.045； Wang Lihua, Lu Peng. Analysis of runoff and sediment change characteristics at Datong hydrometric station[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：266-270.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.045

大通水文站距離入海口624 km，位于長江河口潮區(qū)界，是長江干流下游河段最后一個具有長時間序列觀測資料的關(guān)鍵控制站。因此大通站的徑流量和輸沙量基本可以代表長江進(jìn)入河口地區(qū)的水量和沙量，其變化趨勢和特征直接影響著長江河口及鄰近海域的泥沙時空分布特征、河口三角洲的生長發(fā)育和入海物質(zhì)通量的變化，對長江河口乃至鄰近海域的生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生重要影響[1]。長江水文情況本身復(fù)雜多變，疊加自然因素和人類活動綜合作用的影響，其變化特征具有不確定性和復(fù)雜性，單一分析方法難以對其變化趨勢和發(fā)展規(guī)律有清晰的了解和準(zhǔn)確的認(rèn)識，因此本文依據(jù)Mann-Kendall(M-K)趨勢分析法、有序聚類分析法和Mexican Hat小波分析法，深入分析大通站水文泥沙的趨勢性、突變性和周期性，以揭示其長時間序列的特征。

1 數(shù)據(jù)及方法

采用大通水文觀測站年輸沙量(1953—2010年)、年徑流量(1951—2010年)、月輸沙量(2001—2010年)和月徑流量(1950—2010年)長時間時序數(shù)據(jù)，基于M-K趨勢分析法、有序聚類分析法和Mexican Hat小波分析法等方法，對大通站輸沙量、徑流量分別做趨勢性、突變性和周期性的全面分析。

1.1 趨勢性分析方法

1.1.1 M-K方法 M-K方法是基于秩的趨勢性非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，用于提取時間序列變化趨勢，適用范圍廣。該方法對樣本的分布沒有要求，同時不受個別異常值干擾，人為參與少，并且定量化程度較高，因此受到國際水文組織的認(rèn)可，是世界氣象組織推薦的非參數(shù)檢驗(yàn)方法之一。M-K方法具體內(nèi)容可參考[2]。

1.1.2 累積曲線 累積曲線可反映長時間序列中的地理要素的階段性變化[3-4]。為了深入分析河流水文站徑流量、輸沙量及降水量的變化過程，采用累計(jì)值進(jìn)行分析。即假定河流水文站總輸沙量隨時間變化過程可以通過以下函數(shù)表示：

V=f(t)

(1)

則一階導(dǎo)數(shù)?V/?t代表總輸沙量隨時間的變化率，即累積曲線的切線斜率。當(dāng)?V/?t隨時間變化基本保持不變時，則二階導(dǎo)數(shù)?2V/?t2≈0，累積曲線為一直線，表明輸沙量隨時間沒有明顯的上升或下降的趨勢；當(dāng)?V/?t隨時間變化逐漸增大，?2V/?t2>0，輸沙量累積曲線呈上凹狀態(tài)，表明輸沙量有上升趨勢；相反，當(dāng)?V/?t隨時間變化逐漸減小，輸沙量累積曲線呈上凸?fàn)顟B(tài)，表明輸沙量有下降趨勢。

1.2 突變性分析方法

1.2.2 突變檢驗(yàn)法 通過有序聚類分析和累積曲線確定最有可能的突變點(diǎn)。借由信噪比來驗(yàn)證突變點(diǎn)的計(jì)算是否正確[6]。信噪比公式為：

S/N=│x1-x2│/(s1+s2)/2

(2)

x1,x2表示兩個階段的均值；s1,s2表示標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)S/N>1時，表明兩個階段均值的變化超過正常波動范圍(標(biāo)準(zhǔn)差)，即該點(diǎn)為突變點(diǎn)。

1.3 周期性分析方法

小波分析可以把一個時間序列分解成時域和頻域兩種形式，能夠展現(xiàn)復(fù)雜時間序列的變化規(guī)律，分析其內(nèi)在層次結(jié)構(gòu)，從而獲取時間序列的多尺度演變特征[7-9]。選用Mexican Hat小波函數(shù)對大通站輸沙量時間序列進(jìn)行連續(xù)小波變化，其母函數(shù)形式為[10]：

φ(t)=(1-t2)e-t2/2

(3)

小波變換得到的是一個尺度時間函數(shù)，計(jì)算小波方差可準(zhǔn)確解釋其過程，從而確定周期。小波方差的對應(yīng)峰值處即為主要周期，計(jì)算公式為：

(4)

式中：V(t)為——小波方差；wf(a,t)——小波系數(shù)。

2 近60 a來大通站入海水沙變化特征

2.1 趨勢性分析

2.1.1 年際變化 采用M-K趨勢分析法，對近60 a來徑流量的長時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，Zs=-0.34，│Zs│<1.96，所以大通站年徑流量未通過置信水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)，不具有明顯的年際變化趨勢。采用回歸分析方法對年徑流量進(jìn)行線性擬合，結(jié)果也顯示年徑流量隨時間變化基本保持穩(wěn)定，不存在明顯的趨勢變化(圖1)。但大通站徑流量年際波動大，最大徑流量出現(xiàn)在1954年，達(dá)1.36×1012m3；2006年最小，僅為1954年的1/2[1]。

同樣，對輸沙量時序資料進(jìn)行M-K趨勢檢驗(yàn)分析，Zs=-6.69，│Zs│>2.65，大通站年輸沙量通過0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，具有顯著下降的趨勢；對其進(jìn)行線性擬合，并判斷其顯著性，在置信水平0.01下F0.01(1,56)=7.08。F0>F0.01(1,56)，即大通站近60 a輸沙量存在顯著的線性關(guān)系[1]。因此，近60 a來大通站輸沙量有顯著的線性下降趨勢，并且通過置信水平為0.01的顯著性檢驗(yàn)，平均每年下降約5.77×106t。1962—1968年的年輸沙量在回歸線上方，說明為豐沙年；同理1979—1984年為豐沙年；1986—1997年對應(yīng)曲線在回歸線附近有微小波動，屬平沙年；2002—2010年輸沙量持續(xù)位于在擬合線以下，表現(xiàn)為顯著的下降趨勢，且下降速度加快，平均每年輸沙量銳減1.88×107t左右(圖1)。

圖1 大通站年徑流量與輸沙量變化過程

由表1可知，20世紀(jì)50年代大通站年均徑流量為9.14×1011m3，70年代和90年代分別為8.82×1011m3和9.59×1011m3，2001—2010為8.52×1011m3，都在近60 a的均值附近波動。

累計(jì)輸沙量變化曲線為上凸型(圖2)，與M-K檢驗(yàn)結(jié)果一致，即60 a來輸沙量呈現(xiàn)顯著的減小趨勢。具體地表現(xiàn)為：1970年以前累計(jì)輸沙量變化曲線基本為直線，說明1970年以前輸沙量相對穩(wěn)定；1970年以后曲線開始偏離原趨勢，向右向下偏移，表明年輸沙量逐漸減少，與統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致(表1)。具體地自50年代到70年代到90年代，平均輸沙量由4.59×108t依次減少到4.21×108t到3.37×108t；自2001年后，輸沙量加速減少，平均輸沙量僅為1.77×108t，遠(yuǎn)小于近60 a來的平均值3.89×108t，減小幅度高達(dá)55%(表1)。

大通站總徑流量和輸沙量的雙累積曲線(圖2)在20世紀(jì)50年代基本為直線，60年代年曲線略微偏向輸沙量，表明輸沙量略有增加，但增加幅度很小，對應(yīng)的平均含沙量(表1)僅增加了0.07 kg/m3；70—90年代輸沙量基本保持不變；自90年代以后雙累積曲線開始偏向徑流量，呈上凸趨勢，表明輸沙量開始呈現(xiàn)下降趨勢，相應(yīng)的平均含沙量(表1)從20世紀(jì)80年代到90年代到21世紀(jì)依次從0.48 kg/m3減小到0.35 kg/m3至到0.21 kg/m3。

圖2 大通站徑流量與輸沙量雙累積曲線

2.1.2 年內(nèi)分配 大通站徑流量和輸沙量年內(nèi)分配不均(圖3)，洪季5—10月徑流量合計(jì)占全年徑流量的61.1%；最大和最小月徑流量分別出現(xiàn)在7月和1，2月份，分別占全年徑流量的14.9%，3.3%，3.3%。大通站最大月輸沙量同樣出現(xiàn)在洪季，合計(jì)占全年輸沙量的81.9%；8和1月分別為最大和最小月輸沙量，分別占全年輸沙量的18.9%和1.6%。

圖3 大通站各月平均徑流量(1950-2010年)和輸沙量(2000-2010年)年內(nèi)分配

進(jìn)一步分析1950—2010年各月平均徑流量的趨勢性(圖4)，1月份月均徑流量通過置信水平為0.01的顯著性檢驗(yàn)，表明1月份月均徑流量存在顯著的增加趨勢；2，3和10月月均徑流量通過置信水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明這3個月份存在明顯的趨勢性變化，其中，2，3月為增加趨勢，10月有減小趨勢；其他月份無明顯的趨勢變化。

圖4 大通站月均徑流量M-K趨勢檢驗(yàn)

2.2 突變性分析

大通站1953—2010年58 a徑流量時間序列期間Sn最小值不明顯，最優(yōu)分割點(diǎn)不明顯(圖5)。在1954年出現(xiàn)極大值是由于1954年為洪水年，徑流量很大(1.359×1012m3/a)導(dǎo)致的方差極值。

圖5 大通站徑流量和輸沙量離差平方和曲線

大通站1953—2010年58 a輸沙量時間序列期間，當(dāng)p=50時，Sn有最小值(圖5)，滿足最優(yōu)分割，表明第50 a即2002年為最優(yōu)分割點(diǎn)。因此將1953—2002年劃分為突變前期，2003—2010年為突變后期。同理，將1953—2002，2003—2010兩個階段進(jìn)行次級聚類分析，得到1953—2002年間的最優(yōu)分割點(diǎn)1984年，而2003—2010年Sn整體變化不大，最優(yōu)分割點(diǎn)不明顯；同樣進(jìn)行三級聚類分析，得到1953—1984年最優(yōu)分割點(diǎn)1968年，1985—2002年最優(yōu)分割點(diǎn)1991年。進(jìn)一步采用信噪比法對突變點(diǎn)的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)，分別計(jì)算兩個相鄰階段(1953—2002年，2003—2010年)的信噪比為5.51；同理計(jì)算二級和三級突變點(diǎn)1984，1968和1991年的信噪比，結(jié)果分別為3.32，1.53，4.10，表明大通站入海泥沙在2003，1984，1968和1991年確實(shí)發(fā)生了突變。同樣，采用信噪比法對同期徑流量進(jìn)行計(jì)算，分別為5.54×10-4m3，9.43×10-5m3，5.11×10-5m3，1.03×10-3m3，表明徑流量時間序列數(shù)據(jù)未發(fā)生突變。圖6顯示了大通站輸沙量的突變情況。2002年為一級突變，輸沙量的突變幅度最大，達(dá)到了64.3%，1984年二級突變的突變幅度為27.3%，1968年和1991年兩個三級突變的突變幅度分別為12.5%和16.9%，遠(yuǎn)不如一級突變點(diǎn)2003年和二級突變點(diǎn)1984年。對于二級突變點(diǎn)1984年，1984年之后的平均輸沙量為3.37×108t，最大值為4.19×108t，還未達(dá)到1984年前的平均輸沙量(4.73×108t)，表明1984年后大通站的輸沙量發(fā)生了質(zhì)的變化，輸沙過程進(jìn)入不同于1984年的新一輪動態(tài)格局；自2003年開始，輸沙量除2005年有較小的增長外，連續(xù)7 a均大幅度下降，2003年之后的年平均輸沙量僅為1.45×108t，最大值也僅為2.16×108t，還未達(dá)到2003年前的平均輸沙量(4.22×108t)，因此我們認(rèn)為2003年后大通站的輸沙量發(fā)生了新的質(zhì)變，進(jìn)入新一輪的泥沙輸移過程狀態(tài)。

圖6 大通站突變階段平均輸沙量

2.3 周期性變化分析

根據(jù)大通站年徑流量和輸沙量時間序列，采用Mexican Hat小波進(jìn)行連續(xù)小波變換，得到小波變換等值線。徑流量存在5～8 a時間尺度的年際周期性變化規(guī)律，經(jīng)歷了高—低—高—低—高—低—高—低—高9個循環(huán)交替，周期變化整體相對穩(wěn)定，有全域性特點(diǎn)；其它尺度周期性特征不明顯。鑒于從小波變換得到的是一個尺度時間函數(shù)，通過小波方差可準(zhǔn)確解釋時間序列的周期性特征(圖7)，明顯峰值出現(xiàn)在6和44 a，其它峰值相對不明顯，同時可能存在57 a的周期性變化。因此，徑流量第一周期為6 a，第二周期為44 a。大通站年輸沙量存在明顯的年際變化規(guī)律，分別是大尺度30～33 a，中尺度18～22 a，小尺度10～14 a 3個尺度的周期變化。從30～33 a分析，輸沙量經(jīng)歷了低—高—低—高—低5個循環(huán)交替，至2002年后輸沙量一直處于較低狀態(tài)。從尺度18～22 a分析，輸沙量經(jīng)歷了低—高—低—高—低—高—低7個循環(huán)交替。在10～14 a尺度上，循環(huán)交替更多。因此，30～33 a和18～22 a的尺度上，周期變化基本穩(wěn)定，有全域性特點(diǎn)。小波方差(圖7)中存在4個峰值，分別對應(yīng)12，20，30和46 a的時間尺度，30和12 a周期震蕩最強(qiáng)，為輸沙量變化的第一周期，第二周期為20，46 a。

圖7 大通站年徑流量距平小波方差

3 結(jié) 論

(1) 大通站年徑流量無明顯的趨勢性變化特征，輸沙量年際變化呈現(xiàn)顯著的線性下降趨勢，平均每年下降5.77×106t，自21世紀(jì)以來，輸沙量下降速度明顯加快，平均每年下降約1.88×107t；徑流量和輸沙量年際波動都比較大，年內(nèi)分配很不均勻。

(2) 大通站年徑流量不存在顯著的突變性特征。輸沙量近60 a來下降趨勢存在突變性，2002年為顯著的一級突變點(diǎn)，輸沙量的突變幅度達(dá)到了64.3%，1984年為二級突變點(diǎn)，1968年和1991年為三級突變點(diǎn)。對于二級突變點(diǎn)1984年，1984年后大通站的輸沙量發(fā)生了質(zhì)的變化，輸沙過程進(jìn)入不同于1984年前的動態(tài)格局；對于一級突變點(diǎn)2002年，認(rèn)為隨著2003年三峽大壩開始蓄水，大通站的輸沙量又一次發(fā)生了質(zhì)的變化，進(jìn)入新一輪的輸沙過程狀態(tài)。

(3) 大通站年徑流量具有6和44 a的周期性變化特征，輸沙量具有12，20，30和46 a的時間尺度變化，其中30和12 a時間尺度周期震蕩最強(qiáng)。

[1] 王利花.長江河口及鄰近海域表層水體關(guān)鍵動力參數(shù)的遙感反演研究及應(yīng)用[D].上海：華東師范大學(xué),2014.

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Analysis of Runoff and Sediment Change Characteristics at Datong Hydrometric Station

WANG Lihua1, LU Peng2

(1.College of Resources and Environment, Chengdu University of Information Technology, Chengdu, Sichuan 610225, China; 2.College of Geoexploration Science and Technology, Jilin University, Changchun， Jilin 130026, China)

[Objective] The trend, fluctuation and change cycle of runoff and sediment discharge at Datong hydrometric station were analyzed in order to reveal its characteristics of long time series, which were expected to further provide theoretical basis for the development and evolution of estuarine delta. [Methods] Using Mann-Kendall test, Pettitt change point, Mexican Hat wavelet transform methods, the characteristics of runoff and sediment discharge were analyzed at Datong station in the past 60 years. [Results] The results showed that there was no significant change trend in the mean annual runoff at Datong station, while the inter-annual fluctuation was large and annual distribution was uneven. Repeated periodic oscillations were presented in the runoff series, the major cycle periods of the time series were about 6 and 44 years, respectively. Furthermore, sediment discharge had been declined obviously over the past 60 years and its annual distribution was uneven. There existed significant hopping site in the mean annual sediment discharge. In 2002, the hopping site of step down was first grade, the second grade was in 1984 and the third grades were in 1968 and in 1991. Repeated periodic oscillations also existed in the sediment discharge series, the major cycle periods of the time series were about 12 and 30 years, respectively. [Conclusion] There were no obvious trend and abrupt change of annual runoff at Datong station, but periodicity existed to some extent. There was a significant downward trend of annual sediment transport with obvious periodicity and abrupt change.

Datonghydrometricstation;runoff;sedimentdischarge;trend;mutability;periodicity

A

： 1000-288X(2017)04-0266-05

： TV147

2017-01-10

：2017-02-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于SAR的淺海水域地形反演研究”(41476151); 成都信息工程大學(xué)科研基金項(xiàng)目(KYTZ201513)

王利花(1983—),女(漢族),河南省洛陽市人,博士,講師,主要從事海洋及海岸帶水文特征、海洋微波遙感等方面的研究。E-mail:wanglh@cuit.edu.cn。