淮河干流蚌埠水文站枯水期径流变化特征探究

赵家祥，刘 猛

(1.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院,安徽 合肥 230088;2.安徽省水利水资源重点实验室,安徽 合肥 230088)

近年来,淮河干流用水量逐年增加,枯水期发生频次与延续时间呈上升趋势,区域水资源供需矛盾日趋突出。为实现淮河流域水资源的有效利用,科学合理地配置干旱季节淮河水资源,有效保障淮河沿岸的城镇居民用水安全,对淮河干流蚌埠水文站枯水期径流变化特征进行探究十分必要。文章以1952至2012年近60年淮河干流中游段蚌埠水文站连续3个月和连续5个月枯水期径流量资料为研究基础,探究淮河干流中游段枯水期径流量变化特征,对于深入了解淮河中游地区水资源变化情势,科学制定干旱季节淮河流域水资源配置与调度方案具有一定的意义。

1 研究方法

文章选用Morlet小波变换方法,对淮河干流中游蚌埠水文站近60年连续3个月和5个月的枯水期径流量变化特征进行综合分析。20世纪80年代初,法国著名的石油信号处理工程师Morlet在分析法国当地地震数据时开发了一种谐波分析方法,即小波分析方法,该方法一直是世界科学技术界研究的热点[1-2]。目前,小波分析已广泛应用于水文学,并取得了许多研究成果[3-4]。通过小波分析方法得到的系数,可以在一定程度上反映不同时间尺度对信号的响应程度,进一步借助方差分析方法,对小波系数进行方差分析,进而研究何种时间尺度最能反映信号的波动周期规律,对应于方差大小的时标表示序列能量的强度。小波方差的计算公式为:

其中,V(a)表示尺度为a时间xj处的小波方差,n为时间序列长度。因此,小波方差又称为在尺度a处小波变换系数平方和的均值。

2 枯水期径流量变化周期探究

2.1 线性趋势分析

在对蚌埠水文站1952～2012年连续3个月枯水期径流量线性变化趋势进行研究的基础上,分析枯水期径流量近60年总体上呈现减少的趋势,减少速率为0.84×108m3/10a,且有较明显的变化。分别对1952～1979年和1980～2012年2个时段进行研究分析,前者连续3个月枯水期径流量总体呈现减少的趋势,减少速率0.79×108m3/10a;后者连续3个月枯水期径流量总体呈增加趋势,增加速率0.25×108m3/10a,增加较慢。蚌埠水文站连续3个月枯水期径流量变化趋势如图1所示。

图1 蚌埠水文站1952-1979年、1980-2012年连续3个月枯水期径流量变化趋势图

采用相同方法分析蚌埠水文站连续5个月枯水期径流量,可得到近60年枯水期径流量总体也呈减少趋势,减少速率为0.11×108m3/10a,相比于连续3个月枯水期径流量减少速率有所减缓。分时段研究,1952-1979年时段,连续5个月枯水期径流量呈减少趋势,减少速率为1.30×108m3/10a,减少速率相比于连续3个月明显加快;而在1980-2012年时段,连续5个月枯水期径流量呈减少趋势,减少速率相对于1952-1979年时段有所减慢,为0.10×108m3/10a。蚌埠水文站连续5个月枯水期径流量变化趋势如图2所示。

图2 蚌埠水文站1952-1979年、1980-2012年连续5个月枯水期径流量变化趋势图

2.2 小波动态模拟分析

采用Morlet小波检测分析蚌埠水文站连续3个月枯水期径流数据,结果得出近60年来枯水期径流量在小尺度a=2～10上表现显著,存在4a和7a 2个周期;中尺度a=20～30上表现显著,存在1个12a周期;从大尺度上分析检测结果,蚌埠水文站径流量在20世纪50年代到60年代中期偏丰,70年代初到80年代末偏枯,90年代到21世纪初由枯转丰。在小波过程分析中,主周期和次主周期的波动情况决定着连续数月枯水期径流量在整个时间域内变化特征。通过Morlet小波方差检测得出蚌埠水文站连续3个月枯水期径流量在41～42a尺度的方差极值表现最为显著,说明存在1个41.5a的主周期;连续3个月枯水期径流量在7a和14 a尺度的方差极值表现次显著,说明存在7a和14a 2个次主周期。连续3个月枯水期径流量Morlet小波方差检测系数图,如图3所示。

图3 连续3个月枯水期径流量Morlet小波方差检测系数图

另外,从小波变换系数模值计算中可以得出连续3个月枯水期径流量在41a～42a尺度的周期变化最为显著,模值和能量都最大;其次,径流量在尺度为7a和14a周期变化表现次明显,且随着时间的推移,能量进而加大。相比于41.5a,7a,14a这3种尺度,其他尺度周期变化都较弱,能量偏低。采用同样的方法对蚌埠水文站连续5个月枯水期径流量进行检测分析,得出枯水期径流量在小尺度a=2～10上表现显著,存在3a的周期;在中尺度a=10～20上周期表现显著,存在1个13a的周期;从大尺度上看,连续5个月枯水期径流量变化趋势与连续3个月枯水期径流量变化趋势类似,都经历了一个由丰转枯再由枯转丰的变化过程。采用Morlet小波方差检测蚌埠水文站连续5个月枯水期径流量序列,得到在连续5个月枯水期径流过程中存在1个13a主周期,2个次主周期分别为3a和36a。13a、3a、36a这几个周期的波动对连续5个月枯水期径流量在整个时间域内的变化起着决定性的作用。连续5个月枯水期径流量Morlet小波方差检测系数图,如图4所示。从蚌埠水文站连续5个月枯水期径流量小波变换系数模值计算中同样可以得出,径流量在13a尺度的周期变化最为明显,模值和能量都最大;其次,在3a和36a尺度周期变化次明显,随时间的推移,能量进而加大,其他尺度周期变化都较弱,能量较低。

图4 连续5个月枯水期径流量Morlet小波方差检测系数图

3 结束语

本文采用Morlet小波分析方法,对淮河干流蚌埠水文站1952年至2012年枯水期径流量变化特征进行了分析与探究,主要结论为:从20世纪50年代～21世纪初的60年期间,淮河干流上蚌埠水文站枯水期径流量总体呈下降趋势,且在1952～1979年时段内,枯水期径流量的减少速率明显加快;在1980年至2012年时段内,枯水期径流量减少速率逐渐减慢,且该时段内连续3个月枯水期径流量呈略微上升趋势。淮河干流蚌埠水文站近60年枯水期径流量总体经历了一个由丰转枯,再由枯转丰的变化过程,在连续3个月枯水期径流序列中,蚌埠水文站枯水期径流量具有一个时间尺度为41.5a的主周期;在连续5个月枯水期径流序列中,蚌埠水文站枯水期径流量具有一个时间尺度为13a的主周期。Morlet小波多时间尺度分析方法形象地展现了蚌埠水文站近60年枯水期径流序列的突变点分布、枯水极值点位置及径流变化趋势，为探究淮河干流中游段枯水径流变化特征及时间尺度提供了一种新的方法与思路。