錦凌水庫徑流特性分析

劉 倩

(遼寧省錦州水文局,遼寧 錦州 121000)

徑流量變化可以在一定程度上改變流域水資源供需關系,對當地經濟建設和工農業發展影響顯著[1]。錦凌水庫坐落于小凌河干流上,承擔著錦州市供水、防洪及改善區域生態環境的任務,屬錦州城市防洪規劃和總體規劃的重要骨干工程,也為市區提供一處集休閑、度假、觀光于一體的綜合生態景觀。所以,文章結合2014—2020年錦凌水庫徑流數據,采用DFA和Mann-Kendall方法探討水庫長時間序列徑流特性,旨在為流域度汛防洪、水資源規劃及水庫調度提供科學依據。

1 區域概況

錦凌水庫建于錦州市境內的小凌河干流上,總庫容8.08億m3,控制水域面積3029km2,正常蓄水面積52.71km2,調節水量1.61億m3。錦凌水庫將錦州城市、沈山鐵路橋防洪標準從50a提升至200a和100a一遇。另外,對小凌河發揮著徑流調節作用,向錦州每年供水量達到0.98億m3,更好地滿足城市用水需求。水庫供水作為地下水替代水源,有利于恢復采補平衡。庫區為小凌河水系,屬中溫帶大陸性季風氣候,水資源豐富,地下水平均埋深2～6m,水量較大,多年平均降水量570mm,降水時空分布極為不均,徑流量大多集中于6～9月(汛期),約占全年的70%,特別是主汛期降雨更集中。

2 數據與方法

2.1 數據來源

根據2014—2020年錦凌水庫入庫徑流數據計算各旬汛期徑流分配比、旬徑流量、汛期徑流量和年徑流量,通過嚴格檢查保證數據序列的可靠性和準確性[2]。

2.2 研究方法

1)Mann-Kendall趨勢法。這種非參數統計檢驗方法在水文時間序列分析研究中的應用日趨廣泛,按照判斷規則能夠確定滿足正態分布的統計量Z,具體如下:如果Z>0則表示水文時間序列呈現出上升趨勢,如果Z<0則代表水文時間序列呈現出下降趨勢,設定通過98%、95%、90%顯著性檢驗時的|Z|≥2.32、1.64和1.28[3-5]。

2)DFA法。這是一種適用于非平穩時間序列長程(或冪律)相關性定量分析的標度法,依標度指數α可以合理判定序列的趨勢性成分,其判別規則如下:如果α<0.5則代表該序列存在反持續性,即過去與未來具有相反的變化趨勢;如果α=0.5則代表序列存在白噪聲,即表現出標度的不變性;如果α>0.5則代表該序列存在持續性,即過去與未來具有相同的變化趨勢;α=1或1.5時分別于信號和布朗信號相對應[6-9]。為了保證水庫調度的科學合理性,在計算過程中將時間程度分割成1、2、4年,在此基礎上深入揭示水庫徑流變化特征。

3 結果與分析

3.1 汛期徑流量特征

年內徑流量分配曲線,如圖1所示。

圖1 年內徑流量分配曲線

由圖1可知,錦凌水庫徑流大多集中于6～9月(汛期),在8月出現徑流峰值。對于年內分配過程,錦凌水庫2014—2020年凈流量呈現出春汛、夏汛的“雙峰型”特征,究其原因是春汛氣溫變暖致使冰雪消融而夏汛降雨充沛。

采用Mann-Kendall法計算確定全年、主汛期、汛期錦凌水庫徑流量特征參數見表1,結果顯示錦凌水庫全年、主汛期、汛期徑流量均表現出不顯著下降趨勢,該變化趨勢與線性擬合結果基本一致。

3.2 汛期各旬徑流量及分配比

采用DFA法檢驗分析全年、主汛期、汛期錦凌水庫徑流量變化特征見表2,結果表明錦凌水庫全年、主汛期、汛期徑流量具有相同標度的1～2a區間尺度,其具有相似的長程相關性變化趨勢和相近的標度指數α,依次為0.568、0.570和0.562,均超過0.5,說明徑流量全年、主汛期、汛期序列均存在持續性,即過去與未來具有相同的變化趨勢,當前呈現出下降趨勢則下一個區間尺度具有該趨勢的概率更高。

表2 各旬徑流量分配特征值

從表2可以看出,錦凌水庫各旬汛期徑流量極值比在2017年、2018年較大為14.28和10.26,這與該時段發生的大洪水有關,該時段的汛期徑流量達到多年平均的3.5倍和3.1倍。在不考慮洪水影響的情況下,2014—2020年錦凌水庫各旬汛期徑流量極值比呈現出下降趨勢,表明徑流分配相對變化呈現一定的下降趨勢;研究期間偏態系數波動下降,這表明錦凌水庫汛期徑流分配呈現出平穩發展態勢;2014—2020年變差系數呈現不明顯變化趨勢,這表明錦凌水庫各旬汛期徑流分配不均性呈現出一定的下降趨勢。

3.3 汛期各旬徑流分配比

采用Mann-Kendall法檢驗分析主汛期和汛期各旬錦凌水庫徑流分配比變化特征如表3所示,結果表明汛期徑流分配比在主汛期8月上旬呈現出顯著下降趨勢,且顯著性檢驗達到90%置信水平;汛期徑流分配比在7月下旬呈現出顯著下降趨勢,且顯著性檢驗達到95%置信水平;汛期徑流分配比在8月下旬呈現顯著上升趨勢,且顯著性檢驗達到95%置信水平;汛期徑流分配比在9月上旬表現出顯著上升趨勢,且顯著性檢驗達到90%置信水平;汛期徑流分配比在6月上旬、7月上旬與中旬、9月下旬均表現出不顯著下降趨勢,汛期徑流分配比在6月中旬與下旬、8月中旬和9月中旬均表現出不顯著上升趨勢,該變化趨勢與線性擬合結果基本一致。

表3 汛期各旬徑流分配比特征參數

采用DFA法檢驗分析主汛期和汛期各旬錦凌水庫徑流分配比變化特征如表3所示,結果表明各旬和主汛期錦凌水庫徑流分配比存在標度相同的1～2a區間尺度;標度指數α在9月上旬、7月上旬和6月中旬均<0.5,說明該序列存在反持續性,即過去與未來具有相反的變化趨勢;標度指數α在其它時間均超過0.5,說明該序列存在持續性,即過去與未來具有相同的變化趨勢。根據Mann-Kendall法檢驗結果,8月上旬、7月下旬和7月中旬的徑流分配比在下一個1～2a區間尺度上呈現出下降趨勢的概率更高,9月上旬和8月下旬的徑流分配比在下一個1～2a區間尺度上呈現出上升趨勢的概率更高。

4 結 論

文章結合2014—2020年錦凌水庫徑流數據,采用DFA和Mann-Kendall方法研究分析水庫長時間序列徑流變化特性,主要結論如下:

1)全年、主汛期和汛期錦凌水庫徑流量均表現出不顯著下降趨勢,全年、主汛期和汛期徑流量在下一個1～2a區間尺度上表現出下降趨勢的概率更高。主汛期錦凌水庫徑流分配比表現出顯著下降趨勢,這表明錦凌水庫各旬汛期徑流分配不均性呈現出一定的下降趨勢,該變化趨勢與偏差析出呈下降趨勢基本一致。

2)錦凌水庫徑流分配比在8月上旬、7月下旬和中旬均表現出顯著下降趨勢,汛期徑流分配比在9月上旬和8月均表現出上升趨勢,從區間尺度上在下一個1～2a存在持續性,表明主汛期徑流分配比存在一定的延后性。錦凌水庫汛期徑流量的近40%發生在7月中旬到8月上旬,所以為更好地開展防汛工作建議將7月中旬到8月上旬重新劃定為主汛期。