邯鄲多個(gè)水文站近60年徑流量變化特征分析

谷鵬程,宋利兵,袁龍龍,劉 穎,王利書

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.武安市水利局,河北 邯鄲 056399; 3.邯鄲市河湖長(zhǎng)制技術(shù)服務(wù)中心,河北 邯鄲 056005;4. 河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院,河北 邯鄲 056038)

0 引言

近年來,隨著科技的不斷發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響也愈發(fā)顯著,從而引起了氣候的異常變化。全球氣候的變暖導(dǎo)致了降雨、蒸發(fā)、徑流等水文循環(huán)過程速率的加快以及洪澇、干旱等極端天氣事件的發(fā)生。降雨量受氣候變化的影響顯著,同時(shí)徑流量的變化又受降雨量的直接影響,對(duì)徑流量變化特征進(jìn)行分析[1],了解和掌握其變化的規(guī)律,對(duì)區(qū)域水資源的調(diào)度、管理,提高水資源的利用效率,保障社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2-3]。

1 流域概況

邯鄲市位于河北省的最南部,北緯 36°04′～37°01′,東經(jīng) 113°28′～115°28′,其地形地貌有平原、洼地、丘陵等,地勢(shì)西高東低;屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),雨熱同期,受地形差異影響,年內(nèi)各季降水分配不均。漳衛(wèi)河水系、子牙河水系是邯鄲河流的重要組成部分,漳河屬漳衛(wèi)河水系位于邯鄲市南部,發(fā)源于山西省,上游支流有清漳河和濁漳河;滏陽河屬子牙河水系,位于西北部,發(fā)源于峰峰礦區(qū)和村鎮(zhèn),流經(jīng)磁縣、邯山區(qū)等地,中途先有牤牛河、渚河等匯入。劉家莊、觀臺(tái)、東武仕、木鼻水文站分別位于涉縣遼城新橋村、磁縣都黨鄉(xiāng)冶子村、磁縣東武仕村、馬頭鎮(zhèn)木鼻村。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

選用河北省邯鄲市劉家莊水文站、觀臺(tái)水文站、東武仕水文站以及木鼻水文站四個(gè)站點(diǎn)1956-2016年實(shí)測(cè)徑流量資料,對(duì)其變化特征進(jìn)行分析。

2.2 研究方法

2.2.1 線性回歸法

建立年徑流量序列與時(shí)間的一元線性回歸方程:

y=ax+b

(1)

式中:y為年徑流量平均值;x為時(shí)間;a表示年徑流量在時(shí)間上的變化趨勢(shì),當(dāng)a>0,為增加,a<0,為減小。

2.2.2 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法[4]是水文氣象領(lǐng)域普遍使用的檢驗(yàn)方法,用來檢驗(yàn)時(shí)間系列資料是否具有變化趨勢(shì)[5-6],方法優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單,樣本無需按照一定規(guī)律分布,受異常值干擾小[7]。

對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列,構(gòu)造秩序列:

(2)

(3)

定義統(tǒng)計(jì)量:

(4)

(5)

(6)

式中:UF1=0,E(sk)和var(sk)是累積數(shù)Sk的均值和方差。

給定顯著性水平α,若∣UFk>Uα∣,則表明序列有明顯趨勢(shì)變化。將時(shí)間序列逆序,再重復(fù)上述過程,使UFk=UBk(k=n,n-1,…,1)。如果UFk和UBk兩條曲線在臨界區(qū)間內(nèi)有交點(diǎn),則交點(diǎn)為突變開始時(shí)刻。

2.2.3 Morlet小波分析法

小波分析是由法國(guó)Morlet在20世紀(jì)80年代初提出的一種可以處理多時(shí)間尺度頻率信號(hào)的方法。它在時(shí)頻領(lǐng)域有著良好的局部分析功能,特別是對(duì)于比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)序列,它的功能之強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越其他分析方法。常用來分析降雨、氣溫、徑流等水文要素序列的周期[8],連續(xù)小波的變化定義如下:

(7)

離散時(shí)間序列的小波方差:

(8)

式中:W(a,b)是小波變化系數(shù);var(a)是小波方差。

3 結(jié)果與分析

3.1 趨勢(shì)分析

采用線性回歸法,分別對(duì)劉家莊、觀臺(tái)、東武仕、木鼻四個(gè)水文站的實(shí)測(cè)年徑流量序列進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見圖1。

圖1 各站1956-2016 年實(shí)測(cè)年徑流量變化趨勢(shì)圖

結(jié)果表明,劉家莊、觀臺(tái)、東武仕三個(gè)站點(diǎn)1956-2016年的年徑流量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),其中下降趨勢(shì)最大的是觀臺(tái)站,速率為0.24億 m3/a,下降趨勢(shì)最小的是劉家莊站,速率為0.04億 m3/a,東武仕站下降速率為0.05億 m3/a。而木鼻站呈現(xiàn)上升趨勢(shì),上升速率為0.000 2億 m3/a,說明漳河的年徑流量年際變化幅度較大,而滏陽河的變化幅度較小。

3.2 突變分析

采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法,分別對(duì)劉家莊、觀臺(tái)、東武仕、木鼻四個(gè)水文站1956-2016年的實(shí)測(cè)年徑流量序列進(jìn)行突變分析,并繪制統(tǒng)計(jì)量變化曲線,結(jié)果見圖2,其中UF與UB兩條曲線的交點(diǎn)即為突變點(diǎn)。

圖2 各站1956-2016 年實(shí)測(cè)年徑流量突變檢驗(yàn)結(jié)果圖

結(jié)果表明,劉家莊站年徑流量序列突變年份為1972年;觀臺(tái)站年徑流量序列突變年份為1978年;東武仕站年徑流量序列不存在突變點(diǎn);木鼻站年徑流量序列存在兩個(gè)主要的突變點(diǎn),突變年份為1956年和2002年。

3.3 周期分析

利用Morlet小波分析分別對(duì)劉家莊、觀臺(tái)、東武仕、木鼻四個(gè)水文站1956-2016年徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性分析,成果見圖3、圖4。

圖3 各站1956-2016 年實(shí)測(cè)年徑流量小波方差圖

圖4 各站1956-2016 年實(shí)測(cè)年徑流量Morlet小波時(shí)頻分布圖

由圖3可知,劉家莊站和東武仕站年徑流量序列周期大致為14年;觀臺(tái)站年徑流量序列周期大致為13 a;木鼻站年徑流量序列主周期大致為13 a,并伴有一個(gè)5 a的次周期。

由圖4可知,劉家莊站徑流量在10～25 a的尺度上,1975年、1991年、2013年是震蕩中心,徑流量較大;1970年、1981年、2002年也是震蕩中心,徑流量較小。在20～50 a的尺度上,1965年、2008年為徑流量較大的震蕩中心;1987年為徑流量較小的震蕩中心。

觀臺(tái)站在10～20 a尺度上的徑流循環(huán)周期較穩(wěn)定,在20～50 a的尺度上,1966年、2008年為徑流較大的震蕩中心;1989年為徑流量較小的震蕩中心。

東武仕站在10～20 a尺度上,1960年、1977年是震蕩中心,徑流量較大;1969年也是震蕩中心,徑流量較小。在25～50 a尺度上,1988年是徑流較小的震蕩中心,2008年是徑流較大的震蕩中心。

木鼻站在3～25 a尺度上的徑流循環(huán)周期較穩(wěn)定,在30～45 a尺度上,1963年、2008年是徑流較大的震蕩中心,1988年是徑流較小的震蕩中心。

4 結(jié)語

在近幾十年全球氣候變暖的大背景下,基于邯鄲劉家莊、觀臺(tái)、東武仕、木鼻四個(gè)站點(diǎn)1956-2016年實(shí)測(cè)的徑流量資料,對(duì)其變化特征進(jìn)行分析,得出的主要結(jié)論如下:

(1)1956-2016年間,劉家莊、觀臺(tái)、東武仕三個(gè)站點(diǎn)的年徑流量均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),速率分別為0.24億 m3/a、0.04億 m3/a、0.05億 m3/a;木鼻站年徑流量呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),速率為0.19億 m3/a。

(2)劉家莊、觀臺(tái)站點(diǎn)年徑流量序列的突變年份分別為1972年、1978年;東武仕站年徑流量序列不存在突變年份;木鼻站年徑流量序列突變年份為1956年和2002年。

(3)劉家莊站和東武仕年徑流量序列周期大致為14 a;觀臺(tái)站年徑流量序列周期大致為13 a;木鼻站年徑流量序列主周期大致為13 a,并伴有一個(gè)5 a的次周期。各站在時(shí)間尺度上的振蕩周期中,大徑流與小徑流震蕩中心交替出現(xiàn)。

(4)1956-2016年間,流域的年徑流量序列總體呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),突變多發(fā)生在70年代,周期為14 a左右。