近60年清涧河洪峰流量极值的变化特征分析

2019-07-01宋佳欣苏谢卫周旗

湖北农业科学 2019年4期

宋佳欣苏谢卫周旗

摘要：以清涧河流域水文站延川站和子长站建站以来的场次洪水实测洪峰流量为研究数据，通过线性倾向分析与累积距平分析其变化趋势，并通过R/S法进行可持续性分析;利用M-K检验进行突变分析，采用复Morlet小波来诊断清涧河洪峰流量的周期特征，并分析洪峰流量极值与降水量极值的相关性。结果表明，清涧河年最大洪峰流量均发生在6、7、8、9月，集中发生在7和8月，且以发生在0：00—5：59、18：00—23：59的时间段内为主;年最大洪峰流量在波动变化的过程中呈现减少趋势，减少趋势具有微弱持续性;在该时间段年最大洪峰流量发生突变，突变点为2007年;小波分析结果显示，在该时间段内存在4、7、11年的周期，控制着年最大洪峰流量变化过程;相关性检验表明洪峰流量极值与降水量极值在α=0.05的显著性水平上相关系数不显著。

关键词：变化趋势;突变点;周期;相关性

中图分类号：P333;TV882.1 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）04-0039-06

Abstract： Adopted the measured flood peak flow value which based on Yanchuan and Zichang stations since the Qingjian River basin hydrology station as research data. Then， its variation trend through the cumulative anomaly and the linear trend estimation were analyzed， and the sustainability analysis through R/S method was carried out， in addition to use the M-K test for the mutation analysis， and also the Morlet complex wavelet was used to diagnose the periodical characteristics of the flood peak discharge of the Qingjian River. Furthermore， the correlation between the peak value of the flood peak discharge and the extreme value of precipitation was analyzed. The results indicated that the annual peak discharges of the Qingjian River occurred in June， July， August and September. The concentrations occurred in July and August， and occurred at 0：00—5：59， 18：00—23：59. The main time period was dominated; The annual maximum peak discharge showed a decreasing trend in the process of fluctuations， and the decreasing trend had a weak persistence; During this time period， the annual maximum peak flood flow occured abruptly changes， and the mutation point was in 2007; Wavelet analysis results showed that the period of quasi-4a， 7a and 11a were within this time period， which controled the annual maximum peak flood flow change process; Correlation tests showed that the correlation coefficient between the peak value of flood peak flow and the extreme value of precipitation at α=0.05 was not significant.

Key words： variation trend; mutation point; cycle; correlation

20世纪80年代以来，全球气候变暖问题已经成为全人类不可忽视的问题之一，由此引发的极端降水、洪涝、高温热浪等极端天气事件屡见不鲜，给人类生命财产安全造成了严重威胁[1-5]。洪灾作为中国最主要的灾害类型之一，每年造成的直接经济损失达近千亿，并且还有逐年增加的趋势[6]。河流作为地球表面输送水流的通道，承担了地表水的接纳和汇集任务，是地球水循环的核心组成之一，与人类生产生活有着密不可分的关系[7，8]。研究流域内洪水的变化特征，对流域防洪减灾，保障流域内经济社会可持续发展具有重要意义。

在气候变化背景下，相对于中国东南湿润区的河流对气候变化的响应，西北干旱半干旱区的河流的响应更加显著[9]，这引起了众多学者的关注。李建成等[10]在研究干旱区气候转型对玉龙喀什河洪水变化趋势影响的基础上认为玉龙喀什河的洪水主要集中在7、8月，年最大洪峰流量的变幅较小;毛炜峄等[11]分析了近50年来新疆区域与天山典型流域极端洪水变化特征及其对气候变化的响应，认为自1957年以来新疆极端洪水区域性地呈现加重趋势;金双彦等[12]在分析黄河花园口水文站洪水特征值变化的基础上，认为皇甫川流域今年洪水发生次数开始减少;彭红等[13]通过研究黄河唐乃亥以上地区的洪水变化特点，指出该地区出现洪水次数减少、洪峰流量变小等特征，對黄河防洪产生了不利的影响;顾西辉等[14]在研究新疆塔河流域洪水量级、频率及峰现时间变化特征的基础上，认为塔河流域自1980年后，年最大洪峰流量和季节最大洪峰流量均呈现增加趋势。清涧河作为黄河一级支流，是延安市第三大河流，目前对于清涧河的研究引起了部分学者的关注[15，16]，但主要着重于对其径流的研究上，在清涧河洪水频发的状态下，对清涧河流域洪水变化规律有待深入探究。基于此，本研究通过分析黄河中游清涧河水文站延川站和子长站年最大洪峰流量的变化特征，并诊断其周期特征，从理论上为清涧河流域的防洪减灾工作提供支持与建议，促进流域内人与自然和谐发展。

1 研究区域概况

清涧河，黄河中游吴堡至龙门右岸一级支流，古称辱（溽）水、秀延水、吐延川发源于子长县李家岔乡周家土佥村一带，过安塞、子长、延川、延长和榆林地区的清涧等5县，在延川县土岗苏亚村附近汇入黄河[15，17]。清涧河流域水系见图1。清涧河长169.9 km，流域面积4 078 km2，流域水系如树枝状左右基本对称。该流域属于大陆性暖温带季风半干旱气候，使得降雨主要集中在6—9月汛期，且多为历时短、强度大的暴雨[16]。年平均气温9.5 ℃，多年平均降水460.8 mm，水资源总量为1.53亿m3[18]。由于清涧河流经黄土丘陵沟壑区，该区植被覆盖面积小，导致流域水土流失严重，使得清涧河成为黄河流域治理开发的重点支流。

清涧河流域内有2个水文站，分别是延川站和子长站，延川站作为清涧河流域的出口控制站，控制流域面积为3 468 km2，距离延川站72 km处的子长站作为流域第二个水文站，控制流域面积为913 km2。流域内的支流主要有永坪川、拓家川河和文安川河。

2 研究数据与方法

2.1 数据来源

研究数据可分为两个部分，一部分是水文数据，另一部分是气象数据。2006年之前的水文数据来源于文献[19]中对清涧河逐年实测洪峰流量统计表，2006年之后的数据来源于中华人民共和国水文年鉴黄河流域水文资料黄河中游区上段（河口至龙门），气象数据来源于陕西省气候中心国家站延川站和子长站的监测资料。

2.2 研究方法

通過线性倾向分析及累积距平分析清涧河年最大洪峰流量的变化趋势，利用M-K检验进行突变分析，并对两站进行相互验证。由于人为任意选择子序列长度可能会造成突变点隐匿或者漂移，为了避免这种情况发生，本研究通过多次变动子序列长度进行比较，以此来提高计算结果的准确性。为了检验变化趋势的持续性特征，引入由英国工程师Hurst提出的处理时间序列的分形结构分析方法——R/S分析法，该方法能够对时间序列长程相关持续性及反相关反持续性进行较好地识别，从而对变化趋势进行预测[20]。采用复Morlet小波来诊断清涧河洪峰流量的周期特征。小波分析法是一种最开始运用于复杂信号的分析，复Morlet小波具有能够同时较好地分析信号数据在时域和频域的细部信息的优点，这也满足了水文序列的分析需求[21]。

3 结果与分析

3.1 洪峰流量的变化特征

3.1.1 年内变化特征

1）月变化。统计无定河水文站实测年最大洪峰流量数据，从图2和图3可以看出，延川站和子长站的年最大洪峰流量均发生在6、7、8、9月，集中在7和8月，7月发生的频次最多，其次是8和9月，6月发生的频次最少。

2）日变化。根据资料对年最大洪峰流量的发生时间统计（图4、图5）可知，延川站年最大洪峰流量以发生在0：00—5：59、18：00—23：59的时间段内为主，发生频次均为20次;其次是6：00—11：59，发生频次为15次;12：00—17：59发生的频次最少，为9次。从图5可以看出，子长站的年最大洪峰流量最多发生在18：00—23：59，发生频次为23次，其次是0：00-5：59，发生频次为16次，6：00—11：59和12：00—17：59发生频次最少。

3.1.2 年际变化特征由图6、图7可知，从50年代中期到2017年，清涧河的实测年最大洪峰流量年际变化极不稳定。由图6可知，自1954年至2017年，延川站的年最大洪峰流量呈现减少趋势，变率为-21.4 m3/s，年最大洪峰流量自50年代中期至80年代初波动增加，从80年代开始持续减少，90年代又经历持续增加，从2002年至今呈现持续减少的状态。由图7可知，自1958年至2017年，子长站年最大洪峰流量总体上呈现减少趋势，变率为-5.3 m3/s，年最大洪峰流量从50年代末开始减少，在60年代初到70年代中期波动增加，70年代中期至90年代初持续减少，从90年代初至2002年，年最大洪峰流量迅速增加，自2002年至今呈现迅速减少的状态。

3.1.3 R/S分析为了检验清涧河洪峰流量的减少趋势有无持续性，本研究引入R/S分析。由图8和图9可知，延川站和子长站的年最大洪峰流量的赫斯特指数H的值分别为0.60和0.59。根据赫斯特指数的含义可知，清涧河年最大洪峰流量与过去的变化趋势保持一致，呈现正相关，且减小趋势具有微弱持续性。

3.2 突变分析

对清涧河实测年最大洪峰流量进行M-K检验，如图10、图11所示，延川站和子长站的UF值均在1980年之前一直围绕y=0这条直线上下波动，说明清涧河年最大洪峰流量在80年代年之前并无明显的增加或者减少趋势。1980—1995年，两站的UF值一直处于小于0的状态，说明在该时间段年最大洪峰流量呈减少趋势。

延川站UF值1995—2005年又回到围绕y=0直线上下波动的状态，但振幅明显小于1980年之前的状态。子长站UF值1995—2009年均大于0，说明在该时间段子长站年最大洪峰流量呈增加趋势。从2006年开始，延川站UF值均小于0且持续变小，在2010年之后，甚至跌破显著性水平α=0.05临界线，年最大洪峰流量具有明显的减少趋势。从2010年开始，子长站UF值也开始小于0并持续变小，年最大洪峰流量呈减少趋势。在α=0.05的临界线范围内，延川站UF线和UB线存在2006年1个交点，子长站存在2007、2010、2012年3个交点。

通过多次调整子序列长度，发现两站的突变年份均未发生改变。为了消除极端降雨对突变结果的影响，本研究将延川站和子长站的极端降雨年份的年最大洪峰流量按实测序列的平均值计入，再次对序列进行M-K突变检验。结果表明，延川站与子长站的UF与UB曲线在α=0.05信度线范围内存在1个共同交点，为2007年。因此可以判定清涧河年最大洪峰流量的突变点为2007年，表明清涧河年最大洪峰流量从2007年开始进入由多到少的突变。

3.3 周期诊断

本研究選用被称为“数学显微镜”的小波分析法对清涧河年最大洪峰流量进行诊断，在与其他小波函数相比之后，选取具有更好频率分析能力的复Morlet小波进行分析[22]。

由图12、图13可知，延川站小波方差存在5个较为明显的峰值，依次对应着4、7、11、15年的时间尺度。其中最大峰值对应着15年的时间尺度，说明15年左右的周期震荡最强，是延川站年最大洪峰流量变化的第一主周期，15年尺度跨越的时间最长，表现在60年代中期至80年代中期;11年尺度对应着第二峰值，为年最大洪峰流量的第二主周期，表现在90年代初至2006年;第三、第四峰值分别对应着7和4年的尺度，是年最大洪峰流量的第三和第四主周期，7年尺度主要存在于90年代初至2004年，4年尺度主要表现在50年代末至60年代末。

由图14、图15可知，子长站小波方差存在5个较为明显的峰值，依次对应着4、7、11、13、18年的时间尺度。其中最大峰值对应着13和18年的时间尺度，说明13和18年左右的周期震荡最强，是子长站年最大洪峰流量变化的第一主周期，13年尺度贯穿于80年代初至90年代末，18年尺度表现在50年代末至80年代中期;11年尺度对应着第二峰值，为年最大洪峰流量的第二主周期，表现在90年代初至2006年;第三峰值分别对应着7和4年的尺度，是年最大洪峰流量的第三和第四主周期，7年尺度主要存在于90年代，4年尺度主要表现在60年代末至70年代初。这4个主周期共同控制着清涧河子长站年最大洪峰流量的变化特征。

综合可知，清涧河延川站与子长站年最大洪峰流量存在4、7、11年3个共同的主周期，且这3个主周期贯穿着基本一致的时间尺度，说明这3个主周期共同控制着清涧河流域年最大洪峰流量的变化特征。

3.4 极端洪峰流量和极端降水量的相关性分析

清涧河位于典型的干旱半干旱气候区，降水主要集中在夏秋两季，夏季暴雨更为集中。由图16可知，清涧河年最大洪峰流量和年最大降水量在70年代初至中期、70年代末至80年代初具有比较好的对应性，在其余时段的对应特征并不明显。对二者进行相关性分析，结果显示，年最大洪峰流量与年最大降水量的相关性系数r=-0.164，在α=0.05的显著性水平上，2.00

由图17可知，子长站年最大洪峰流量与年最大降雨量对应性较好，尤其体现在70年代、90年代至2003年这两个时间段。对二者进行相关性分析，结果显示，子长站年最大洪峰流量与年最大降雨量的相关性系数r=0.531，在α=0.05的显著性水平上，2.00

4 小结与讨论

洪峰流量极值作为衡量流域洪水的重要依据，受到研究区内气候条件、下垫面状况、水利水保工程及其人类活动等多种因素的影响[23-26]。其中，影响洪峰流量变化的最大因素是降水条件。本研究在进行清涧河流域洪峰流量极值突变点检测时，仅考虑了作为最大影响因子的降雨量，产生了一些不足。就为流域防洪减灾工作提供支持的基础而言，在分析清涧河流域洪水的变化特征时，选取洪峰流量年最大值作为惟一指标过于单一，选取更多的指标进行分析会达到更加完整的分析结果，从而为流域防洪减灾工作提供有力支持。

1）清涧河年最大洪峰流量均发生在6、7、8、9月，集中发生在7和8月，且以发生在0：00—5：59、18：00—23：59为主。

2）清涧河年最大洪峰流量在波动变化的过程中有减少趋势，自90年代开始至今保持持续减少的状态。

3）通过R/S分析可得，清涧河年最大洪峰流量与过去的变化趋势保持一致，减小趋势伴随微弱持续性的特征。

4）通过突变分析可知，清涧河年最大洪峰流量的突变点为2007年，年最大洪峰流量从2007年开始进入由多到少的突变。

5）小波分析结果显示，清涧河年最大洪峰流量存在4、7、11年3个主周期，这3个主周期共同控制着清涧河流域年最大洪峰流量的变化特征。

6）降水量是影响清涧河流域洪峰流量的重要因素之一，但是降水量极值与年最大洪峰流量在α=0.05的显著性水平上相关系数不显著。

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