绕阳河流域径流演变规律分析

王秀颖，刘和平，郭 锐

（辽宁省水文水资源勘测局，辽宁 沈阳 110003）

1 流域慨况

绕阳河发源于辽宁省阜新县扎兰营子乡骆驼山，流经阜新、黑山、北镇、台安及盘锦等县，汇入辽河下游双台子河。流域面积为9946 km2，河长283 km。主要支流有东沙河、羊肠河及西沙河等。年降水量460～520 mm，6—9月降水量占全年降水量的80%以上；局部暴雨较多，时空分布不均匀。流域内丘陵区面积占总面积的47%，植被稀疏，水土流失严重，下游河道坡降小。多数年干旱，丰水年又极易发生洪涝灾害[1]。

2 资料与方法

2.1 资料来源

绕阳河干流共有4个水文站点，鉴于资料的可靠性和完整性，从上游到下游，选取韩家杖子、东白城子和王回窝堡3个站点1957—2010年共54年的实测径流资料进行分析。

2.2 分析方法

2.2.1 基本统计量分析

运用SPSS软件对径流序列进行常规统计量分析，并通过计算Cv值，判断径流序列的离散程度，以分析径流多年来的基本变化情况。一般认为，Cv≤0时为弱变异性，0.1＜Cv＜1为中等变异性，Cv≥1时为强变异性[2]。

2.2.2 趋势分析

在径流系列距平计算的基础上，进行径流距平的9年滑动平均。滑动平均是趋势拟合技术最基础的方法，相当于低通滤波器。用确定时间序列的平滑值来显示变化趋势。经过滑动平均后，序列中短于滑动长度的周期大大削弱，显示出变化趋势[3]。

2.2.3 周期分析

小波分析，也称为多分辨率分析，是由法国工程师Morlet于1980年提出，随后逐渐发展起来的应用数学分支，被认为是傅里叶分析方法的突破性进展。随着小波理论的发展，其逐渐被引入水文水资源学科中，用于多方面的分析研究[4-6]。本文选择最普遍使用的复值小波Morlet小波来分析绕阳河径流周期规律[7]，利用Matelab完成。为消除资料两端的影响，采用数据反折法外延资料长度，在资料两端增加径流序列，共得到3倍于原序列的数据。小波变换完成后，去掉两端的小波变换系数，只保留原有资料的小波系数，以保证资料边界部分不产生歪曲。

3 结果与讨论

3.1 基本统计特征

对绕阳河韩家杖子、东白城子、王回窝堡等3个水文站1957—2010年实测径流资料进行基本统计分析得到表1。从表1可以看到，3个站点年均径流最小值分别为0.09，0.32和0.01 m3/s，分别出现在1998，2007和2002年；而径流最大值则出现在 1963，1964和 1994年，分别为 3.75，6.70和28.21 m3/s，韩家杖子和王回窝堡之间相差24.46 m3/s，据统计资料，1994年是王回窝堡站建国以来最大洪水年。3个站径流多年均值及标准差均是王回窝堡＞东白城子＞韩家杖子，说明从上游到下游，径流量量级及其变化幅度逐渐增大。从变异系数Cv来看，韩家杖子和王回窝堡均大于1，属于强变异性，说明两站点多年径流值离散程度较大；而东白城子站Cv值为0.91，属于中等变异，要小于前两个站点的变异性。对3个站点径流资料进行非参数 K-S 检验，P 值分别为 1.62，1.47，1.53，均大于0.05显著水平，说明3个站点的54年径流序列均呈正态分布。

表1 绕阳河代表水文站1957—2010年径流量统计特征 m3/s

3.2 趋势分析

计算绕阳河3个水文站54年来的径流距平（见图1）。从图1中可看到，韩家杖子、东白城子、王回窝堡3站均是负距平年数多于正距平年数，其负距平年数分别为36，35，35年，正距平年数分别为18，19，19年。可见，54年来，负距平年份约占2/3，正距平年份占1/3。负距平年份的出现具有连续性，3个站多在连续2～6年之间，韩家杖子和东白城子两站从1999年以来，连续12年出现负距平；而正距平年份连续出现的情况较少，除20世纪60年代前期连续出现3～4年正距平之外，很少出现连续2年较大的正距平，较大的正距平年份总是被连续的负距平年份分隔开。统计3个站正、负距平的平均值，得到：韩家杖子正、负距平的平均值分别为0.76和-0.38 m3/s，东白城子为2.08和-1.13 m3/s，王回窝堡为9.42和-5.11 m3/s，可见，平均来看，正距平的绝对值要大于负距平的绝对值。上述分析表明绕阳河流域枯水年多于丰水年，且丰水年径流量较大，易于形成洪水，枯水年连续出现，容易形成干旱。

利用径流距平值进行9年滑动平均，以去除年际振荡，更好地分析绕阳河年代际径流的变化趋势。从9年滑动平均曲线来看（见图1），3个站点的曲线变化情况总体相似，存在多次明显的丰水和枯水时期的交替变化。具体来说，在20世纪60年代初期到中后期为较大的丰水年，随后波动较小，丰枯交替较为频繁；70年代中期到末期，9年滑动距平大于0，为丰水期；80年代到90年代初期，滑动曲线位于0值以下，为枯水期，其中仅王回窝堡站在1985年和1986年出现一个短暂的丰水年；90年代初期到末期，滑动曲线又大于0，为丰水期；从20世纪90年代末期到21世纪前10年，9年滑动距平曲线均小于0，表现为枯水期。总体来看，从20世纪60年代到现在，3个站点年净流量呈减少的趋势，韩家杖子和东白城子两站表现得更为明显。

此外，从上游到下游，各站点径流量距平9年滑动曲线波动幅度不断增大，这与3个站点径流量标准差依次增大是一致的（见表1）。另外，结合上述分析和表1还可以得到，3个站点的年径流最大、最小值均位于相应的丰、枯期年代内。

图1 绕阳河水文站1957—2010年径流距平曲线

3.3 多尺度周期分析

应用复Morlet小波对绕阳河3个水文站的54年径流序列进行连续小波变换，得到小波系数实部时频图见图2。图2中，实线部分表示小波系数实部为正，对应时间段为径流偏多的时期，虚线则表示小波系数实部为负，对应的时期径流偏少；实线和虚线闭合中心对应的时间尺度的周期最强。由图2可知，绕阳河3个水文站均存在明显的多尺度的周期变化，总体上看，韩家杖子和东白城子水文站径流周期较为相似，存在15～20年、3～8年周期变化成分，王回窝堡水文站径流周期较短，主要为10～15年，同时也存在3～8年周期。

从10～20年较大尺度的周期来看，3个水文站径流变化均出现丰枯交替的4次振荡，具体表现为：1960年以前枯水期，1961—1967年丰水期，1968—1973年枯水期，1974—1983年丰水期，1984—1992年枯水期，1993—1998年丰水期，1999—2007年枯水期，2008年以后为丰水期。在这个周期尺度上，近年来3站均处于正周期，有出现较大径流量的可能性。整体上，3个站点13～20年尺度的周期变化具有全域性，且在20世纪90年代以前周期变化较稳定，这段时间径流变化周期在15年左右。80年代3站周期有变长的趋势，90年代后，韩家杖子和东白城子站出现更长的周期成分，达到25～30年，而王回窝堡站仍然为15年左右。

10年以下的小尺度周期在3个水文站的径流周期变化均不具有全域性。20世纪80年代之前，3个站点均具有小尺度的周期性变化，周期长度主要在6年左右，为高频振荡；在20世纪80年代至90年代早期这段时期内，周期中心上移，变为8～10年尺度的周期振荡，王回窝堡尤为明显；在20世纪90年代，周期中心下移，大约在3年尺度变化；在其他时间没有明显的周期变化。

小波方差由小波系数计算得到，可以通过小波方差进行小波检验，从而得到对径流序列变化起主要作用的周期尺度。小波方差极值对应的周期为主要周期，且极值越大，对应的周期越显著。绕阳河3个水文站的小波方差图见图3，从图3可得，韩家杖子和东白城子小波方差均有两个峰值，对应的时间尺度相同，分别为6年和15年尺度，其中15年尺度对应的小波方差最大，6年尺度次之，说明韩家杖子和东白城子两站径流变化的主周期是15年，同时存在6年的次周期。王回窝堡站仅有一个峰值，对应的时间尺度是12年，说明该站径流量仅有12年周期变化较为明显。

图2 绕阳河三水文站复Morlet小波变换系数实部时频图

上述分析中可得，绕阳河3个站点的径流演变规律具有一定的相似性，其中韩家杖子和东白城子两个站点变化趋势和周期较为一致，原因在于这两个站点相对距离较近，均位于阜新蒙古族自治县，可能自然和人类活动等可能影响径流的条件较为相近，因此径流表现出的变化也无明显差别。而王回窝堡站位于绕阳河下游，隶属盘锦市盘山县，其气候特征、下垫面条件、地表水资源利用管理等各种自然条件以及人类活动与阜新市有一定差别，因而王回窝堡站径流变化与前两个水文站有一定差异。然而影响绕阳河径流变化的影响因素等问题还需要进一步深入研究。

4 结语

本文基于绕阳河3个代表水文站点1957—2010年的年平均径流量资料，利用滑动平均、小波变换等分析方法，研究了绕阳河流域径流量变化趋势和周期特征，主要得到以下结论：

图3 绕阳河三水文站小波方差图

1）年径流量多年平均值及其方差均为韩家杖子＜东白城子＜王回窝堡；3个站点径流序列均呈正态分布，其中韩家杖子和王回窝堡的径流为强变异性，东白城子为中等变异性。

2）根据3个站点的年径流量距平序列分析得到，54年来，绕阳河流域枯水年多于丰水年，枯水年为35～36年，占径流序列的65%～67%。径流量距平的9年滑动平均分析得到，3个站点的曲线变化情况总体相似，在20世纪60年代初期到中后期、70年代中期到80年代初以及90年代初期到末期是丰水年；80年代到90年代初期、90年代末期到21世纪为枯水年。近50年来，3个站年径流量总体呈减小趋势。

3）3个水文站均存在多尺度的周期变化，其周期变化既有相似又有不同。韩家杖子和东白城子水文站径流振荡周期相同，存在15～20年、3～8年尺度的周期变化，王回窝堡存在10～15年和3～8年的周期变化；其中大尺度下的周期变化具有全域性。韩家杖子和东白城子的径流丰枯变化存在15年的主周期，同时存在6年的次周期，王回窝堡仅有12年的主周期。

［1］辽宁省水利厅.辽宁省水资源［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，2006.

［2］雷志栋，杨诗秀，谢森传.土壤水动力学［M］.北京：清华大学出版社，1988.

［3］魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术［M］.北京：气象出版社，1999.

［4］姜世中，张宏.黄河上游高寒地区水文时间序列小波特征［J］.人民黄河，2006，28（4）：26—27.

［5］马细霞，穆浩泽.基于小波分析的支持向量机径流预测模型及应用［J］.灌溉排水学报，2008，27（3）：79-81.

［6］王文圣，向红莲，赵东.水文序列分形维数估计的小波方法［J］.四川大学学报（工程科学版），2005，37（1）：1-4.

［7］黄强，赵雪花.河川径流时间序列分析预测［M］.郑州：黄河水利出版社，2008.