禿尾河流域水沙變化特性分析

趙信峰 趙秋霞 趙鋒 趙麗霞 李超華

摘要：為深入了解禿尾河流域水沙的演變特征和變化趨勢(shì)，利用Kendall和Spearman秩次相關(guān)法分析了高家川站1956-2016年年降水量、年徑流量、年輸沙量的演化趨勢(shì);采用小波分析法提取年徑流量和年輸沙量的振動(dòng)周期，利用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法、有序聚類(lèi)法和雙累積曲線法分析了年徑流量和年輸沙量序列的突變年份。結(jié)果表明：禿尾河流域年降水量沒(méi)有顯著減少變化，年徑流量、年輸沙量均呈顯著遞減趨勢(shì);年徑流量、年輸沙量序列呈現(xiàn)以5，14，28 a左右為主的變化周期;年徑流量、年輸沙量在1979年、1996年發(fā)生突變，資料序列均劃分為1956-1979年、1980-1996年、1997-2016年3個(gè)系列。

關(guān)鍵詞：趨勢(shì)分析;周期分析;突變點(diǎn)分析;年徑流量;年輸沙量;高家川站;禿尾河流域

中圖分類(lèi)號(hào)：P338;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 流域概況

禿尾河流域地處鄂爾多斯盆地東部，北與窟野河流域相接，南以佳蘆河流域?yàn)榻纾饔蛎娣e3 294km²。流域地勢(shì)西北高、東南低，河流自西北向東南流經(jīng)高家川水文站匯入黃河。

近來(lái)年，隨著流域內(nèi)能源化工業(yè)的發(fā)展以及大量淤地壩、蓄水窖、植樹(shù)造林、治坡治溝工程的建設(shè)實(shí)施，使得流域徑流、輸沙序列的一致性規(guī)律發(fā)生變化。因此，分析禿尾河流域的水沙特性，對(duì)流域水資源開(kāi)發(fā)利用、水利工程建設(shè)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

2 研究方法

2.1 趨勢(shì)性分析方法

滑動(dòng)平均法是常用的趨勢(shì)分析方法，利用簡(jiǎn)明直觀的圖示分析序列的變化趨勢(shì)，與簡(jiǎn)單平均法相比，這種方法對(duì)近期數(shù)值賦予更大的權(quán)值，具有計(jì)算簡(jiǎn)便、結(jié)果明顯的特點(diǎn)[1]。Kendall和Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法通過(guò)計(jì)算，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定顯著檢驗(yàn)區(qū)間，分析序列變化趨勢(shì)，在氣象和水文行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[2]。

2.2 周期性分析方法

小波分析方法[3]是將時(shí)間序列分解到時(shí)間頻率域內(nèi)的轉(zhuǎn)換方法，得到時(shí)間序列的顯著波動(dòng)模式，即周期變化動(dòng)態(tài)以及周期變化動(dòng)態(tài)的時(shí)間格局，該方法廣泛應(yīng)用于時(shí)間序列的周期分析中。Morlet小波是復(fù)數(shù)小波，具有很好的時(shí)間頻率局域性。小波方差由小波系數(shù)的平方積分后所得，小波方差圖能直觀地確定一個(gè)序列存在幾個(gè)周期，且可確定有幾個(gè)主周期。

2.3 突變點(diǎn)分析方法

滑動(dòng)t檢驗(yàn)法[4-5]是均值檢驗(yàn)方法的一種，是指按時(shí)間順序?qū)⒃蛄袆澐譃閮蓚€(gè)等長(zhǎng)度的子系列，通過(guò)對(duì)兩個(gè)子系列進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，檢驗(yàn)原序列的均值是否發(fā)生突變;有序聚類(lèi)分析法[6-7]是按時(shí)間順序推求整體序列發(fā)生突變的有效方法之一，按照一致性較好序列間的離差平方和最小的原則，找出最優(yōu)分割點(diǎn)。雙累積曲線法[8-9]是目前我國(guó)分析水文資料一致性效果最直觀的統(tǒng)計(jì)方法之一，徑流量一輸沙量雙累積曲線隨時(shí)間單調(diào)增加，曲線的平均坡度反映單位降雨量的徑流深/輸沙量，若平均坡度變化明顯，則說(shuō)明產(chǎn)流量/產(chǎn)沙形態(tài)有所改變，徑流/輸沙量序列出現(xiàn)了非一致性現(xiàn)象。

3 結(jié)果分析

3.1 趨勢(shì)性分析

利用禿尾河流域控制站高家川水文站1956-2016年的降水量、徑流量和輸沙量資料進(jìn)行趨勢(shì)性分析，這些資料均通過(guò)水文資料的可靠性、一致性和代表性分析。由圖1可以看出，高家川站年降水量變化趨勢(shì)不明顯，5a平均值圍繞多年平均值（418mm）上下波動(dòng)。

高家川站年徑流量的變化影響著年輸沙量的趨勢(shì)走向，兩序列相關(guān)性較好。禿尾河流域豐、平、枯年交替出現(xiàn)，在1975以前年徑流量和年輸沙量呈微弱增長(zhǎng)趨勢(shì)，峰值均出現(xiàn)在1959年、1967年。1975年以后年徑流量和年輸沙量呈明顯減少趨勢(shì)，年徑流量5a平均值從最大值3.643億m³（1975年）降至最小值1.852億m³（2013年）;年輸沙量5a平均值從最大值1789.6萬(wàn)t（1975年）降至最小值77.2萬(wàn)t（2011年），降幅較大。年徑流量和年輸沙量均在1988年、1994年附近出現(xiàn)兩個(gè)波峰，年徑流量峰值分別為3.460億、3.341億m³，年輸沙量峰值分別為4630萬(wàn)、2520萬(wàn)t。

為檢驗(yàn)高家川站年徑流量和年輸沙量遞減趨勢(shì)的顯著性，采用Kendall和Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1（U_0.005=±2.58、T_0.005=±2.93分別為Kendall、Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法顯著性水平為0.005時(shí)的臨界值）。

由表1可以看出，高家川站年徑流量、年輸沙量序列線性趨勢(shì)線方程斜率均為負(fù)，且Kendall、Spearman秩次檢驗(yàn)法計(jì)算結(jié)果均超出顯著性水平臨界值，而年降水量序列變化不顯著，說(shuō)明高家川站年徑流量和年輸沙量序列均呈顯著減少趨勢(shì)。由此可初步判定，高家川水文站年徑流量和年輸沙量資料序列發(fā)生了非一致性變異，而年降水量序列一致性較好[10-11]。

3.2 周期性分析

將高家川站年徑流量和年輸沙量序列資料通過(guò)距平處理，采用Matlab小波分析工具進(jìn)行Morlet變換處理，繪制高家川站年徑流量和年輸沙量序列的小波方差圖，見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，高家川站年徑流量和年輸沙量序列呈現(xiàn)極高的一致性，水沙序列5、14、28a左右時(shí)間尺度的小波方差極值表現(xiàn)顯著，說(shuō)明高家川站水沙序列存在以5、14、28a左右變化的主周期。

3.3 突變點(diǎn)分析

3.3.1 滑動(dòng)t檢驗(yàn)

滑動(dòng)t檢驗(yàn)采用顯著性水平信度值t_0.05=3.2。高家川站滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3，由圖3（a）可以看出年徑流量t值在1962-2008年間均超出信度值，其中1979年、1996年為t極大值;年輸沙量t值在1967-2003年間均超出信度值，1979年、1996年為t極大值，由此說(shuō)明1979年、1996年可能是高家川站1956-2016年徑流量和輸沙量均值的突變年份。

3.3.2 有序聚類(lèi)分析法

對(duì)高家川站年徑流量和年輸沙量序列進(jìn)行有序聚類(lèi)分析，見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，1979年、1996年為年徑流量序列波動(dòng)的極低點(diǎn);1979年、1997年為年輸沙量序列波動(dòng)的極低點(diǎn)。采用有序聚類(lèi)法分析可知，年徑流量和年輸沙量的方差突變年份可能在1979年、1996年附近。

3.3.3 雙累積曲線

繪制高家川站1956-2016年降水量、徑流深、輸沙量間的雙累積曲線，并計(jì)算高家川站1956-2016年水文序列的年徑流系數(shù)與年產(chǎn)沙系數(shù)過(guò)程線，見(jiàn)圖5、圖6。

由圖5（a）可以看出，高家川站降水量一徑流量雙累積曲線平均坡度在1979年、1996年附近發(fā)生了明顯變化，累積曲線的平均坡度為徑流系數(shù)，平均坡度越大，說(shuō)明在相同降水量的情況下徑流量越大。由圖5（b）可以看出，高家川站年徑流系數(shù)在1956-1979年、1980-1996年、1997-2016年呈逐級(jí)遞減，說(shuō)明3個(gè)時(shí)期的徑流量呈跳躍減少趨勢(shì)，且1979年、1996年附近徑流系數(shù)的極值對(duì)應(yīng)時(shí)間也為 1979年、1996年。圖6表明高家川站降水量一輸沙量雙累積曲線和產(chǎn)沙系數(shù)曲線與年徑流量相關(guān)曲線轉(zhuǎn)折變化一致，說(shuō)明1979年、1996年為高家川站1956-2016年徑流量和年輸沙量序列的水文突變年。

綜合上述3種分析方法，滑動(dòng)t檢驗(yàn)法得出的高家川站年徑流量和年輸沙量序列的突變年份為1979年、1996年;有序聚類(lèi)法分析得出的方差突變年份也為1979年、1996年：雙累積曲線法判定1979年、1996年為水文突變年，與小波周期分析結(jié)論相吻合。所以，高家川站年徑流量和年輸沙量序列的突變年份分別為1979年、1996年。

3.3.4 資料序列劃分

禿尾河流域水土流失治理工作開(kāi)始于20世紀(jì)70年代初，1980年后流域內(nèi)大規(guī)模的水庫(kù)、淤地壩、水窖等蓄水工程和采礦行業(yè)廣泛發(fā)展，攔蓄了大量水量和沙量。20世紀(jì)90年代以來(lái)，為了防治水土流失，流域內(nèi)開(kāi)展了大規(guī)模的退耕還林還草、植樹(shù)造林、治坡工程、治溝工程等水土保持工作，降低了禿尾河流域人黃水沙量。結(jié)合高家川站年徑流量和年輸沙量序列的突變年份分別為1979年、1996年，因此大致將禿尾河流域水沙序列劃分為3個(gè)階段：①1956-1979年，即水沙序列突變前，表示天然下墊面條件下的降雨一徑流/輸沙關(guān)系;②1980-1996年，此階段流域下墊面發(fā)生了顯著變化，為流域下墊面變化的過(guò)渡期;③1997-2016年，為現(xiàn)階段下墊面條件下的水沙序列。3個(gè)序列的均值和方差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

4 結(jié)論

（1）禿尾河流域1956-2016年水沙序列減少趨勢(shì)顯著，年降水量基本穩(wěn)定，降水量對(duì)水沙量變化的影響不顯著。

（2）高家川站年徑流量和年輸沙量序列呈現(xiàn)極高的一致性，水沙序列小波方差曲線圖有3個(gè)較為明顯的峰值，分別是5、14、28a，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)主周期。

（3）高家川站年徑流量和年輸沙量序列通過(guò)滑動(dòng)t檢驗(yàn)、有序聚類(lèi)法和雙累積曲線法檢驗(yàn)，驗(yàn)證了禿尾河流域水沙序列發(fā)生了非一致性變化，突變年份為1979年、1996年。

（4）禿尾河流域水沙序列可以劃分為3個(gè)序列：1956-1979年，即水沙序列突變前，表示天然下墊面條件下的降水一徑流/輸沙關(guān)系;②1980-1996年，流域下墊面發(fā)生了顯著變化，代表禿尾河流域下墊面變化的過(guò)渡期;③1997-2016年，為現(xiàn)階段下墊面。

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