湟水樂都水文站洪峰流量演變特征

李媛媛

(青海省水文水資源測報(bào)中心，西寧 810000)

洪峰為一次洪水過程中測流斷面上的最大流量。洪峰流量是洪水的重要特征之一，它不僅僅反映了洪水的強(qiáng)度，也預(yù)示防洪的級(jí)別。洪峰流量所對(duì)應(yīng)的最高洪水位是修建堤防參照量之一，洪峰流量的分析和預(yù)測對(duì)防洪建設(shè)至關(guān)重要[1]。

樂都水文站是設(shè)在黃河流域湟水水系湟水干流控制站、國家重要水文站、中央報(bào)汛站，屬一類精度流量站，二類精度泥沙站。該站位于青海省海東市樂都區(qū)崗溝鎮(zhèn)下教場村，距西寧市約70 km。地理坐標(biāo)位于E102°25′，N36°29′，海拔高程為1 971 m。樂都水文站集水面積13 025 km2，至河源距離245 km，至河口距離128 km，河道平均比降6.02‰。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

樂都水文站(圖1)的水文資料來源于青海省水文水資源測報(bào)中心。本研究選取樂都水文站1956-2013年的洪峰流量作為分析的數(shù)據(jù)資料(圖2)。

圖1 樂都水文站位置示意圖

圖2 樂都站1956-2013年洪峰流量序列

1.2 研究方法

1.2.1 趨勢(shì)分析

線性回歸法能夠簡單地判斷時(shí)間序列的增減情況，并通過斜率指標(biāo)判斷序列趨勢(shì)的變化率。

滑動(dòng)平均法可以有效消除水文序列異常點(diǎn)波動(dòng)的影響，直觀展現(xiàn)水文氣象要素整體變化的趨勢(shì)。因此，采用5年滑動(dòng)平均法對(duì)樂都站洪峰流量進(jìn)行趨勢(shì)分析。

1.2.2 突變分析

采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法評(píng)估水文氣候要素時(shí)間序列趨勢(shì)變化和實(shí)現(xiàn)突變點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定分布，分析不受少數(shù)異常值的干擾。M-K分析趨勢(shì)是通過計(jì)算構(gòu)造序列的統(tǒng)計(jì)量UFK的大小來判別的。而M-K識(shí)別突變點(diǎn)則在趨勢(shì)分析基礎(chǔ)上構(gòu)建反序列求出統(tǒng)計(jì)量UBK，根據(jù)UFK與UBK曲線的交點(diǎn)可準(zhǔn)確找出突變點(diǎn)。最后，在給定信度下檢驗(yàn)趨勢(shì)和突變點(diǎn)的顯著性。M-K分析方法的計(jì)算過程參考文獻(xiàn)[2]。

1.2.3 周期分析

本研究采用Morlet連續(xù)復(fù)小波變換來分析洪峰流量時(shí)間序列的多時(shí)間尺度特征。實(shí)小波變換只能給出時(shí)間序列變化的振幅和正負(fù)，而復(fù)小波變換可同時(shí)給出時(shí)間序列變化的位相和振幅，且復(fù)小波函數(shù)的實(shí)部和虛部位相差為π/2，能消除用實(shí)小波變換系數(shù)作為判據(jù)而產(chǎn)生的虛假震蕩，使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2 結(jié)果分析

2.1 趨勢(shì)分析

樂都水文站洪峰流量序列距平變化圖見圖3，其相關(guān)統(tǒng)計(jì)特征量見表1。

圖3 樂都站1956-2013年洪峰流量距平變化

表1 樂都站洪峰流量統(tǒng)計(jì)特征值

線性回歸的方法結(jié)果顯示，樂都站洪峰流量呈下降趨勢(shì)，且下降明顯(相關(guān)系數(shù)R通過0.05信度檢驗(yàn))，變化傾向率為-45.69 m3/sa-1。

2.2 突變分析

M-K方法識(shí)別突變點(diǎn)結(jié)果見圖4。從圖4可看出，UBk的值小于零，樂都站洪峰流量序列呈下降趨勢(shì)，且超過臨界值(±1.96)，表明樂都站洪峰流量序列下降趨勢(shì)明顯，與采用線性回歸法的結(jié)果一致。

從圖4還可以看出，UFk與UBk兩條曲線出現(xiàn)4個(gè)交叉點(diǎn)，且交叉點(diǎn)均在臨界線之間，交點(diǎn)的對(duì)應(yīng)時(shí)刻便是洪峰流量發(fā)生突變點(diǎn)時(shí)間，即樂都站洪峰流量在1999、2001、2003和2004年發(fā)生突變。

圖4 樂都站洪峰流量序列M-K統(tǒng)計(jì)量突變圖

2.3 周期分析

采用Morlet連續(xù)復(fù)小波變換來對(duì)樂都站58年洪峰流量進(jìn)行周期分析，得到樂都站小波系數(shù)實(shí)部等值線圖，見圖5。實(shí)部圖中洪峰流量值偏多通過實(shí)線來表示，其小波變換系數(shù)為正值。洪峰流量值偏少通過虛線來表示，其小波變換系數(shù)為負(fù)值。

圖5 樂都站小波系數(shù)實(shí)部等值線圖

從圖5可以看出，在樂都站洪峰流量演變過程中存在著3～7年尺度的周期變化規(guī)律，且該尺度上存在準(zhǔn)5次震蕩，可以看出這個(gè)尺度的周期變化在整個(gè)分析時(shí)段表現(xiàn)的非常穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

本文分析了樂都站黃河流域湟水水系樂都站的變化趨勢(shì)、突變和周期，總結(jié)了樂都站近58年來洪峰流量的演變規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1) 通過線性回歸和5年平均滑動(dòng)法分析得出樂都站洪峰流量成下降趨勢(shì)，且下降趨勢(shì)明顯。

2) M-K檢驗(yàn)法與線性回歸法得到結(jié)論一致，樂都站洪峰流量呈下降趨勢(shì)，且樂都站在1999、2001、2003和2004年發(fā)生突變。

3) 樂都站洪峰流量演變過程中存在著3～7年尺度的周期變化規(guī)律，且該尺度的周期變化在整個(gè)分析時(shí)段表現(xiàn)的非常穩(wěn)定。