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      武關(guān)河流域水沙變化特征及其趨勢分析

      2013-09-05 01:53:02李世全汪建武
      地下水 2013年5期
      關(guān)鍵詞:水沙輸沙量持續(xù)性

      李世全,汪建武

      (1.陜西省眉縣水利局,陜西眉縣 722300;2.甘肅省水利廳,甘肅 蘭州 730000)

      武關(guān)河流域水沙變化特征及其趨勢分析

      李世全1,汪建武2

      (1.陜西省眉縣水利局,陜西眉縣 722300;2.甘肅省水利廳,甘肅 蘭州 730000)

      采用實測資料,對武關(guān)河流域水沙量進行統(tǒng)計分析。采用滑動平均法、Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗法、R/S分析法,對流域水沙變化趨勢進行研究。結(jié)果表明:在一定顯著性水平下,武關(guān)河流域徑流與泥沙在多年變化中均呈明顯下降趨勢。

      武關(guān)河流域;水沙變化;趨勢分析;Mann-Kendall檢驗 ;R/S分析

      武關(guān)河發(fā)源于秦嶺南部蟒嶺主脊,在丹鳳縣武關(guān)鄉(xiāng)注入丹江,屬長江水系,丹江一級支流,干流長116.7 km,流域面積900 km2。地形特點為北高南低,相對高差在400~200 m之間,多為土石組成的淺山丘陵區(qū),山地森林植被較好,森林覆蓋率達40%以上。河道兩岸山坡較陡,河床大多由沙石和礫石組成,縱剖面上比降較大,河流在平面形態(tài)上表現(xiàn)出寬谷與峽谷交替的特點。河流彎曲段多,河流湍急。

      1 徑流、泥沙特性

      為研究武關(guān)河流域多年來水沙條件的變化,選取其主要控制站武關(guān)水文站進行水沙基本特征分析。武關(guān)水文站在武關(guān)河中下游丹鳳縣武關(guān)鄉(xiāng)西河村,位于東經(jīng)110°37',北緯33°35',1959年1月設(shè)立。測站以上控制流域面積724 km2,占武關(guān)河全流域面積的80.4%。以下計算將武關(guān)水文站徑流、泥沙資料按照水文比擬法推算到整個流域。武關(guān)河流域水文泥沙特征統(tǒng)計見表1。

      表1 武關(guān)河流域水文泥沙特征統(tǒng)計表

      1.1 徑流特性

      據(jù)武關(guān)河1967~2010年共44年的徑流系列資料統(tǒng)計,多年平均徑流量為1.89億m3,最大年徑流量7.43億m3(1964年),最小年徑流量0.45億m3(1999年),最大值和最小值分別為平均值的3.74倍和0.23倍。武關(guān)河流域徑流特點是:年徑流量相對較大,產(chǎn)流不均勻,年際變化大,年內(nèi)分配很不均勻。據(jù)實測資料分析,武關(guān)河流域徑流從60年代至80年代總體呈現(xiàn)遞增趨勢,但從80年代至10年代有遞減趨勢。60年代流域徑流量達1.93億m3,至80年代已增至至2.49億 m3,但到10年代減至1.91億 m3。武關(guān)河流域7~10月的徑流量占全年徑流量的64.8%,11月~次年3月的徑流量占全年徑流量的13.2%,徑流泥沙多集中在幾次大洪水。

      圖1 武關(guān)河多年平均各月徑流量圖

      1.2 泥沙特性

      據(jù)實測資料分析,武關(guān)河流域泥沙特點是,河流汛期含沙量大,含沙量年內(nèi)變化大。一般是4、5月漲水期開始增大,最大含沙量多出現(xiàn)在6、7、8月,汛期后迅速減小,最小含沙量在枯水期。據(jù)實測資料分析,武關(guān)河流域輸沙量從60年代至80年代總體呈現(xiàn)遞增趨勢,但從80年代至今有遞減趨勢。60年代流域徑流量達14.98萬m3,至80年代已增至至51.43萬 m3,但到10年代減至37.54萬 m3。武關(guān)河流域6~8月的輸沙量量占全年輸沙量的84.64%,11月~次年3月的徑流量占全年徑流量的6.35%,且泥沙多集中在幾次大洪水。

      圖2 武關(guān)河多年平均各月輸沙量圖

      2 武關(guān)河流域水沙關(guān)系分析

      2.1 水沙相關(guān)分析

      從流域水沙量相關(guān)關(guān)系(圖3)可以看出,武關(guān)河流域大部分輸沙量與徑流量關(guān)系點均密集在相關(guān)線附近,各年代點據(jù)在相關(guān)線兩側(cè)均有分布,但輸沙量與徑流量相關(guān)性很低,主要是有兩年水沙關(guān)系與系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重偏離現(xiàn)象。據(jù)實測資料分析,1972年、1987年均發(fā)生歷史特大洪水,同時伴隨大量泥沙,當年武關(guān)河流域輸沙量分別達到254.8萬t和237.4萬t。由圖3經(jīng)分析可以得出,徑流量較大的年份,輸沙量也相對較大,同時輸沙量與當年最大洪峰也存在密切關(guān)系。

      圖3 武關(guān)河歷年徑流量~輸沙量相關(guān)圖

      圖4 武關(guān)河年徑流量~年輸沙量雙累積曲線圖

      2.2 累積水沙量關(guān)系

      為了更準確地反映水沙關(guān)系的變化,筆者建立了年徑流量和年輸沙量的雙累積曲線[4]。

      式中:SRi,SWi分別為前i年的累積徑流量和累積輸沙量,億m3、萬t;Ri、Wi分別為第i年的徑流量和輸沙量,億m3、萬t。流域水沙特性如發(fā)生系統(tǒng)變化,在水沙量雙累積曲線圖上將表現(xiàn)出明顯的轉(zhuǎn)折,即累積曲線斜率明顯變大或減小。

      從武關(guān)河流域水沙量雙累積曲線圖(圖4)可以看出,武關(guān)河流域雙累積曲線出現(xiàn)明顯波動,大致可分為以下五個階段:(1)1967~1971,斜率減小(向徑流軸偏轉(zhuǎn)),此時段內(nèi)沙量也有所減少,為下降段Ⅰ;(2)1972~1986,至1972年以后,斜率又有所減少,沙量增加的趨勢已有所緩解,直至1986年,流域水沙關(guān)系均呈相對穩(wěn)定關(guān)系,此時段為平滑段Ⅰ;(3)1987~1997,斜率增大(向輸沙量軸偏轉(zhuǎn)),說明自1987年以后,輸沙量明顯增加,為上升段;(4)1997~2007,斜率減小(向徑流軸偏轉(zhuǎn)),此時段內(nèi)沙量也有所減少,為下降段Ⅱ;(5)2008~2010,至2008年以后,斜率又有所減少,沙量增加的趨勢已有所緩解,直至2010年,流域水沙關(guān)系均呈相對穩(wěn)定關(guān)系,此時段為平滑段Ⅱ;

      3 武關(guān)河流域水沙變化趨勢初步分析

      水沙序列特征值隨時間呈一定的變化趨勢。采用滑動平均法、Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗法、R/S分析法對皇甫水文站水沙變化趨勢進行統(tǒng)計分析[8,9]。

      3.1 滑動平均法

      對于武關(guān)河流域的徑流量和輸沙量取5年進行滑動平均,使序列高頻震蕩(水沙特別年份)對水沙變化趨勢分析的影響得以弱化,結(jié)果見圖5。可以看出武關(guān)河水沙變化過程基本對應,二者均呈下降趨勢,其中泥沙下降趨勢比徑流要明顯。

      圖5 武關(guān)河年徑流量和輸沙量滑動平均圖

      3.2 Mann-Kendall(M -K)趨勢分析檢驗

      通過對武關(guān)河徑流系列與輸沙量系列的Mann-Ken-dall(M-K)檢驗,可得徑流、輸沙量的統(tǒng)計量分別為-2.92、-3.74,二者均滿足|M|> Mα/2=1.96。因此,在一定顯著性水平下,武關(guān)河流域徑流與泥沙在多年變化中均呈明顯下降趨勢。

      3.3 分析法

      持續(xù)性也是徑流多年變化趨勢的一個重要指標,對于非線性具有統(tǒng)計特性的數(shù)據(jù)系列,采用Hurst指數(shù)H來反映其持續(xù)性[8,9],對于 H的計算常采用域重新標度分析法(Rescaled Range Analysis)簡稱R/S分析法。

      R/S 分 析 方 法的基 本 原 理 為[8,9]: 對 于 時 間 序 列{x(t)}t=1,2,…,n,對于任意正整數(shù)τ≥1定義均值序列:

      對于比值如果存在如下關(guān)系:

      對于不同的Hurst指數(shù)H(0<H<1),存在三種情況:

      (1)H=0.5時表明時間序列變化是隨機的;

      (2)0<H<0.5時表明時間序列具有長期相關(guān)性,但將來的總體趨勢與過去的相反,過程具有反持續(xù)性。H值越接近于0,反持續(xù)性越強;

      (3)0.5<H<1時表明時間序列過程具有持續(xù)性,H越接近1,持續(xù)性越強。

      對武關(guān)河年徑流的變化趨勢,從圖6可得,通過R/S分析,得出武關(guān)河流域徑流的Hurst指數(shù)H為0.66,大于0.5,表明徑流具有持續(xù)性,武關(guān)河流域徑流表現(xiàn)出來的持續(xù)性說明未來流域徑流量的減少具有持續(xù)性,未來流域徑流量變化以偏枯為主。對武關(guān)河年輸沙量的變化趨勢從圖7可得,通過R/S分析,得出武關(guān)河流域輸沙量的Hurst指數(shù)H為0.47,小于0.5,表明輸沙量時間序列具有長期相關(guān)性,但將來的總體趨勢與過去的相反,過程具有反持續(xù)性,武關(guān)河流域輸沙量表現(xiàn)出來的反持續(xù)性說明未來流域輸沙量總體趨勢與過去的相反,未來流域輸沙量有增加趨勢。

      圖6 武關(guān)河實測年徑流序列分析圖

      圖7 武關(guān)河實測年泥沙序列分析圖

      4 結(jié)語

      (1)武關(guān)河流域多年平均徑流量1.89億m3,折合徑流深210 mm;多年平均輸沙量37.54萬t。流域徑流與泥沙近50年來均呈下降趨勢。

      (2)武關(guān)河流域徑流量較大的年份,輸沙量也相對較大,同時輸沙量與當年最大洪峰也存在密切關(guān)系。

      (3)應用年徑流量~年輸沙量雙累積曲線,從整體上表明流域水沙關(guān)系沒有出現(xiàn)系統(tǒng)偏離。但隨著時間的變化,流域水沙關(guān)系也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,大致可分為下降段Ⅰ(1967-1971),平滑段Ⅰ(1972-1986),上升段(1987-1997),下降段Ⅱ(1997-2007),平滑段Ⅱ(2008-2010)。

      (4)對武關(guān)河流域徑流、泥沙系列應用滑動平均法、Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗法表明,在一定顯著性水平下,武關(guān)河流域徑流與泥沙在多年變化中均呈明顯下降趨勢。

      (5)通過分析,得出武關(guān)河流域徑流具有持續(xù)性,武關(guān)河流域徑流表現(xiàn)出來的持續(xù)性說明未來流域徑流量的減少具有持續(xù)性,未來流域徑流量變化以偏枯為主;武關(guān)河流域輸沙量時間序列具有長期相關(guān)性,但將來的總體趨勢與過去的相反,過程具有反持續(xù)性,武關(guān)河流域輸沙量表現(xiàn)出來的反持續(xù)性說明未來流域輸沙量總體趨勢與過去的相反,未來流域輸沙量有增加趨勢。

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      TV149

      B

      1004-1184(2013)05-0096-03

      2013-05-17

      李世全(1963-),男,陜西眉縣人,助理工程師,主要從事水利工程等方面的工作。

      汪建武(1957-),男,河南信陽人,高級工程師,主要從事水利工程等方面的工作。

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