池河流域径流变化特征及趋势分析

2015-12-15何鸿政汪建武杨让瑕

地下水 2015年3期

何鸿政，汪建武，杨让瑕

(1.甘肃省庆阳市水务局，甘肃庆阳745000;2.甘肃省水利厅，甘肃兰州730000;3.陕西省杨凌区住建局，陕西杨凌712100)

池河为汉江北岸一级支流，发源于秦岭南麓太山庙镇平河梁龙谭子古山墩，主要由东沙河、梧桐沟、松树沟等汇集而成。池河由北向南主要流经宁陕、石泉两县，在石泉县莲花石注入汉江。池河流域北高南低，上游山岭纵横，河谷幽深，下游相对平缓、开阔，海拔2 679～346 m。河流蜿蜒曲折，略呈羽状。主要支流有东河、龙王沟，东沙河等。池河全流域面积1 030 km2，主河道长114 km，平均比降7.22‰。

为研究池河径流变化特征，本文选取其主要控制站马池水文站(1972—2011年)逐月径流观测资料进行分析。马池水文站设于1971年4月，控制面积984 km2，占全流域面积的 95.5% 。

1 径流变化特性

1.1 径流的代际变化

本文根据马池水文站1972—2011年径流资料以10年为一个代际，分析了池河径流代际变化规律，池河各年代及多年月平均径流量分配曲线如图1所示。由图1可知，池河1980—1989年是径流量相对偏丰时期，1990—1999年径流量相对偏枯时期，最丰时期径流量是最枯时期径流量的1.72倍，径流量无明显逐年代减少趋势。

图1 池河各年代及多年月平均径流量分配曲线图

1.2 径流的年际变化

在径流的分析中，径流年际变化的总体特征常用变差系数值来表示。变差系数用来反映数据系列的相对离散程度，计算公式如下:

径流的年际变化与水资源开发利用关系密切，年径流变差系数Cv值可以反映出一个地区径流年际之间的相对变化情况，Cv值越大则表示径流的年际丰枯变化越剧烈，对水资源开发利用不利［2，3］。依据1972—2011年的实测径流资料进行分析，池河年径流变差系数Cv值为0.45，数值相对不大，径流量年际变化不大，为以后流域水资源的开发利用提供参考。

1.3 径流的年内分配

根据研究区水文水资源的特点，选取集中度、集中期、峰型度和丰枯率来分析径流的年内分配情况。集中度和集中期是用逐月实测径流数据反映年径流量集中程度和最大径流出现时段。峰型度、年丰枯率反映不同径流补给来源的径流年内分配情况［1］。计算公式如下:

式中:Cn为集中度;D为集中期;ri和θi分别表示月径流向量的大小和方向;Rx，Ry，R分别为X，Y方向合成向量和合成总向量;Q表示年平均径流量;α为峰型度，β为年丰枯率;W4－6为每年4－6月径流总量;W7－9为每年 7－9月径流总量;W4－9为每年4－9月径流总量;W10－3为每年10月至翌年3月径流总量。

经分析计算得出，池河径流集中度为88.9%，集中期为230.2°，峰型度为 0.35，丰枯率为 2.31。根据集中期可以推算出其最大径流出现在8月，这与实际情况相符。对于池河，峰型度实质上反映了雨水补给量占年径流总量的比例，雨水量补给占年径流总量的比重越大，其值越小。年丰枯率实质上是汛期和非汛期径流总量比值，它反映了地下水补给量占年径流总量比重的大小，径流补给来源不同年丰枯率相差较大。由此可见，池河流域径流是以降水补给来源为主，年丰枯率也相差不大。

1.4 径流的持续性分析

1.4.1 Mann－Kendall检验法

Mann－Kendall检验法［6］主要是通过计算统计量 τ，方差和标准化变量M，来判断序列趋势是否显著。计算公式如下

式中:s为序列所有对偶观测值(Xi，Yj，i＜ j中 Xi＜ Yj)出现的次数;N为序列长度，取α=5%的显著水平，如果一时间序列有明显的趋势，则|M|＞Mα/2=1.96，M 值为正，表明具有上升或增加趋势，M值为负，则意味着下降或减少的趋势。

1.4.2 R/S 分析法

持续性也是径流多年变化趋势的一个重要指标，对于非线性具有统计特性的数据系列，采用Hurst指数H来反映其持续性［5，7］，对于 H的计算常采用域重新标度分析法(Rescaled Range Analysis)简称R/S分析法。

R/S分析方法的基本原理为［5，7］:对于时间序列{x(t)}t=1，2，…，n，对于任意正整数 τ≥1定义均值序列:

累积离差:

极差序列:

标准差序列:

对于比值如果存在如下关系:

对于不同的Hurst指数H(0＜H＜1)，存在三种情况:

(1)H=0.5时表明时间序列变化是随机的;

(2)0＜H＜0.5时表明时间序列具有长期相关性，但将来的总体趋势与过去的相反，过程具有反持续性。H值越接近于0，反持续性越强;

(3)0.5＜H＜1时表明时间序列过程具有持续性，H越接近1，持续性越强。

对池河年径流的变化趋势，应用Mann－Kendall秩次相关法进行分析，得出在一定显著性水平下，池河流域径流在多年变化中无明显变化趋势。从图2可得，通过R/S分析，得出池河流域径流的Hurst指数H为0.57，大于0.5，表明径流具有持续性，池河流域径流表现出来的持续性说明未来流域径流量无明显上升或下降趋势。