邯郸多个水文站近60年径流量变化特征分析

谷鹏程,宋利兵,袁龙龙,刘 颖,王利书

(1.河海大学 水文水资源学院,江苏 南京 210098;2.武安市水利局,河北 邯郸 056399; 3.邯郸市河湖长制技术服务中心,河北 邯郸 056005;4. 河北工程大学 水利水电学院,河北 邯郸 056038)

0 引言

近年来,随着科技的不断发展和社会的进步,人类活动对自然环境的影响也愈发显著,从而引起了气候的异常变化。全球气候的变暖导致了降雨、蒸发、径流等水文循环过程速率的加快以及洪涝、干旱等极端天气事件的发生。降雨量受气候变化的影响显著,同时径流量的变化又受降雨量的直接影响,对径流量变化特征进行分析[1],了解和掌握其变化的规律,对区域水资源的调度、管理,提高水资源的利用效率,保障社会的可持续发展具有重要意义[2-3]。

1 流域概况

邯郸市位于河北省的最南部,北纬 36°04′～37°01′,东经 113°28′～115°28′,其地形地貌有平原、洼地、丘陵等,地势西高东低;属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候区,雨热同期,受地形差异影响,年内各季降水分配不均。漳卫河水系、子牙河水系是邯郸河流的重要组成部分,漳河属漳卫河水系位于邯郸市南部,发源于山西省,上游支流有清漳河和浊漳河;滏阳河属子牙河水系,位于西北部,发源于峰峰矿区和村镇,流经磁县、邯山区等地,中途先有牤牛河、渚河等汇入。刘家庄、观台、东武仕、木鼻水文站分别位于涉县辽城新桥村、磁县都党乡冶子村、磁县东武仕村、马头镇木鼻村。

2 数据与方法

2.1 研究数据

选用河北省邯郸市刘家庄水文站、观台水文站、东武仕水文站以及木鼻水文站四个站点1956-2016年实测径流量资料,对其变化特征进行分析。

2.2 研究方法

2.2.1 线性回归法

建立年径流量序列与时间的一元线性回归方程:

y=ax+b

(1)

式中:y为年径流量平均值;x为时间;a表示年径流量在时间上的变化趋势,当a>0,为增加,a<0,为减小。

2.2.2 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法[4]是水文气象领域普遍使用的检验方法,用来检验时间系列资料是否具有变化趋势[5-6],方法优点是方法简单,样本无需按照一定规律分布,受异常值干扰小[7]。

对于具有n个样本量的时间序列,构造秩序列:

(2)

(3)

定义统计量:

(4)

(5)

(6)

式中:UF1=0,E(sk)和var(sk)是累积数Sk的均值和方差。

给定显著性水平α,若∣UFk>Uα∣,则表明序列有明显趋势变化。将时间序列逆序,再重复上述过程,使UFk=UBk(k=n,n-1,…,1)。如果UFk和UBk两条曲线在临界区间内有交点,则交点为突变开始时刻。

2.2.3 Morlet小波分析法

小波分析是由法国Morlet在20世纪80年代初提出的一种可以处理多时间尺度频率信号的方法。它在时频领域有着良好的局部分析功能,特别是对于比较稳定的数据序列,它的功能之强远远超越其他分析方法。常用来分析降雨、气温、径流等水文要素序列的周期[8],连续小波的变化定义如下:

(7)

离散时间序列的小波方差:

(8)

式中:W(a,b)是小波变化系数;var(a)是小波方差。

3 结果与分析

3.1 趋势分析

采用线性回归法,分别对刘家庄、观台、东武仕、木鼻四个水文站的实测年径流量序列进行计算,结果见图1。

图1 各站1956-2016 年实测年径流量变化趋势图

结果表明,刘家庄、观台、东武仕三个站点1956-2016年的年径流量均呈现下降的趋势,其中下降趋势最大的是观台站,速率为0.24亿 m3/a,下降趋势最小的是刘家庄站,速率为0.04亿 m3/a,东武仕站下降速率为0.05亿 m3/a。而木鼻站呈现上升趋势,上升速率为0.000 2亿 m3/a,说明漳河的年径流量年际变化幅度较大,而滏阳河的变化幅度较小。

3.2 突变分析

采用Mann-Kendall检验法,分别对刘家庄、观台、东武仕、木鼻四个水文站1956-2016年的实测年径流量序列进行突变分析,并绘制统计量变化曲线,结果见图2,其中UF与UB两条曲线的交点即为突变点。

图2 各站1956-2016 年实测年径流量突变检验结果图

结果表明,刘家庄站年径流量序列突变年份为1972年;观台站年径流量序列突变年份为1978年;东武仕站年径流量序列不存在突变点;木鼻站年径流量序列存在两个主要的突变点,突变年份为1956年和2002年。

3.3 周期分析

利用Morlet小波分析分别对刘家庄、观台、东武仕、木鼻四个水文站1956-2016年径流量数据进行周期性分析,成果见图3、图4。

图3 各站1956-2016 年实测年径流量小波方差图

图4 各站1956-2016 年实测年径流量Morlet小波时频分布图

由图3可知,刘家庄站和东武仕站年径流量序列周期大致为14年;观台站年径流量序列周期大致为13 a;木鼻站年径流量序列主周期大致为13 a,并伴有一个5 a的次周期。

由图4可知,刘家庄站径流量在10～25 a的尺度上,1975年、1991年、2013年是震荡中心,径流量较大;1970年、1981年、2002年也是震荡中心,径流量较小。在20～50 a的尺度上,1965年、2008年为径流量较大的震荡中心;1987年为径流量较小的震荡中心。

观台站在10～20 a尺度上的径流循环周期较稳定,在20～50 a的尺度上,1966年、2008年为径流较大的震荡中心;1989年为径流量较小的震荡中心。

东武仕站在10～20 a尺度上,1960年、1977年是震荡中心,径流量较大;1969年也是震荡中心,径流量较小。在25～50 a尺度上,1988年是径流较小的震荡中心,2008年是径流较大的震荡中心。

木鼻站在3～25 a尺度上的径流循环周期较稳定,在30～45 a尺度上,1963年、2008年是径流较大的震荡中心,1988年是径流较小的震荡中心。

4 结语

在近几十年全球气候变暖的大背景下,基于邯郸刘家庄、观台、东武仕、木鼻四个站点1956-2016年实测的径流量资料,对其变化特征进行分析,得出的主要结论如下:

(1)1956-2016年间,刘家庄、观台、东武仕三个站点的年径流量均呈现出下降的趋势,速率分别为0.24亿 m3/a、0.04亿 m3/a、0.05亿 m3/a;木鼻站年径流量呈现出上升趋势,速率为0.19亿 m3/a。

(2)刘家庄、观台站点年径流量序列的突变年份分别为1972年、1978年;东武仕站年径流量序列不存在突变年份;木鼻站年径流量序列突变年份为1956年和2002年。

(3)刘家庄站和东武仕年径流量序列周期大致为14 a;观台站年径流量序列周期大致为13 a;木鼻站年径流量序列主周期大致为13 a,并伴有一个5 a的次周期。各站在时间尺度上的振荡周期中,大径流与小径流震荡中心交替出现。

(4)1956-2016年间,流域的年径流量序列总体呈现出下降的趋势,突变多发生在70年代,周期为14 a左右。