渾河中上游近60年水文氣象要素變化特征及周期演變分析

劉 佳

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110003)

長系列水文氣象要素變化特性的分析對于區域水資源評估至關重要。當前，對于區域水文要素變化特征研究的成果較多[1- 5]，但是對于水文氣象全要素變化特征的研究成果較少，渾河為遼寧省第二大河，水系眾多，水資源量較為豐富。而對渾河中上游水文氣象要素變化特征及其周期演變分析的成果還較少，為此本文結合渾河中上游近60年的水文氣象要素數據，并結合趨勢檢驗法[6- 7]以及周期分析方法[8- 9]對渾河中上游的水文氣象要素變化特征及其周期演變進行分析。研究成果對于渾河中上游水資源評估和分析具有較高的參考價值。

1 研究方法

1.1 趨勢檢驗方法

為對水文氣象要素特征變化趨勢進行檢驗，采用非線性趨勢檢驗方法對水文變化特征進行檢驗，該方法假設時間數據序列(x1，x2，，xn)為獨立、隨機同變量分布的樣本序列，檢驗統計變量S計算方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—正態分布的檢驗統計變量；xi和xj—分別為同一樣本中不同分布的兩個系列，其中E(ck)=k(k-1)/4；σs—標準方差；sign—運算符號；n—樣本的總個數；Z—檢驗值，若Z>0，檢驗的時間序列為上升變化趨勢，Z<0，檢驗的時間序列為上下降變化趨勢；Z的絕對值大于或等于2.32、1.64、1.28，表示通過置信度分別為99%、95%以及90%的顯著性檢驗水平。

1.2 周期分析方法

小波函數可定義為：設φ(t)為一平方可積函數，即φ(t)∈L2(R)，若其傅立葉變換ψ(ω)滿足容許條件：

(5)

則φ(t)稱為一個基本小波或小波母函數，將小波函數φ(t)進行伸縮和平移，得到連續小波：

(6)

對于任意函數f(t)∈L2(R)的連續小波變換為：

(7)

式中，a—尺度因子，τ—平移因子，Wf(a，τ)—小波系數。

2 研究成果

2.1 研究區域概括

渾河流域面積28260km2，河流長度495km，河流平均比降0.420‰，多年平均年降水量742.3mm，多年平均年徑流深220.9mm，多年平均年蒸發量677～822mm，流域平均寬度為46.9km，河道彎曲系數為1.7，河流形狀系數為0.09，河網密度為0.3。本文選取渾河中上游的北口前及邢家窩棚2個控制站為研究站點，北口前水文站位于清原縣南口前鎮北口前村，位于渾河干流，距離大伙房水庫壩址64km。水文站以上集水面積1832km2，是大伙房水庫主要入庫站。邢家窩棚水文站是渾河中游重要的控制站。站址位于遼陽縣唐馬寨鎮劉坨子村。該站距渾河河口57km，距上游黃臘坨水文站58km，集水面積11090km2。邢家窩棚水文站至黃臘坨水文站區間有支流蒲河由渾河右岸匯入渾河。

2.2 變化趨勢特征

2.2.1 年變化趨勢特征分析

結合渾河中上游主要的兩個控制站北口前及邢家窩棚水文站近60年的徑流量以及降水量，對2個主要控制站的年徑流和年降水進行變化趨勢的分析，分析成果如圖1、2所示。

從圖1、2中可看出，渾河上游北口前站年徑流呈現一定上升趨勢外，中游年徑流變化較為平穩，中游邢家窩棚站的年徑流明顯高于上游徑流量，中游年徑流量均值為上游徑流量均值的4倍。渾河中上游年降水變化趨勢波動性較低，可見渾河上游氣候變化較小。

2.2.2 季節變化趨勢特征分析

對2個主要控制站的徑流和降水進行季節變化趨勢的分析，分析成果如圖3、4所示。并對變化趨勢進行了檢驗，檢驗結果見表1。

從圖3中可看出，渾河中游邢家窩棚站冬季降水量較其他季節變化趨勢的顯著性最高，總體呈現上升趨勢，平均+4mm/a，其他季節變化趨勢性較弱，上游北口前站各季節降水變化較為平穩，波動幅度不高。圖4直觀的反映渾河中上游徑流的季節變化特征，渾河中游邢家窩棚站春季受灌溉補水影響，具有上升趨勢，而冬季徑流上升趨勢的主因在于冬季降水量的增加，上游北口前站的徑流季節變化特征較為平穩。從表1中可看出，渾河中游邢家窩棚站冬季徑流和降水的趨勢變化通過90%的顯著性檢驗，呈現較為顯著的上升趨勢，而其他季節渾河中上游的檢驗統計值均為通過90%的顯著性檢驗。

圖1 兩個站點年徑流變化

圖3 渾河中上游降水季節變化特征

圖4 渾河中上游徑流季節變化特征

站名徑流量降水量春夏秋冬春夏秋冬北口前0.00210.00340.0260.0750.04210.00230.0034-0.0054邢家窩棚1.0210.00030.00051.4250.06250.0313-0.23451.315

2.3 周期變化特征

結合周期分析方法，對渾河中上游近60年的水文氣象要素的周期性進行變化分析，結果如圖5、6所示。

圖5 渾河中上游降水周期變化特征

圖6 渾河中上游徑流周期變化特征

從圖5中可以看出，渾河中上游邢家窩棚站和北口前站的降水周期性變化較為一致，存在10～20年的變化周期，而從圖6中可看出，渾河中上游邢家窩棚站和北口前站的徑流周期性變化也較為一致，存在5～10年的變化周期，徑流變化周期較短，而降水變化周期較長，徑流變化周期較短的主因是受水利工程措施的影響。

3 結語

(1)渾河中上游水文氣象要素總體變化較為平穩，突變特征減弱。

(2)渾河中游受春季灌溉補水措施影響，在降水未明顯變化下，徑流上升趨勢較為明顯，而冬季受氣候變化影響，降水量增加，也直接導致冬季渾河中游徑流量的上升。

(3)受渾河中上游水利工程措施影響，中上游徑流變化周期較短。