谱系群分析法在洮河大夏河流域水资源区划分中的分析应用

2024-03-08张昌顺

地下水 2024年1期

张昌顺

(甘肃省水文站,甘肃兰州 730000)

1 区域自然概况

据地质学家研究,受地球自转离心力作用,太平洋、印度洋、欧亚板块相向挤压移动和右旋扭曲影响,在我国西部形成世界屋脊之称的青藏高原与黄河流域一、二级阶地。其中洮河大夏河流域位于黄河流域第一阶梯东部边缘一隅,属海拔4 000 m以上的第一阶梯向海拔1 000～2 000 m第二阶梯的过渡地带。区域内山峦叠嶂,密布以高寒草甸丛和高寒草原,平均海拔3 000 m左右,属流域重要水源涵养区。西风环流使印度洋上空的暖湿气流爬越世界屋脊,在此区域平面东移,垂向下沉、并引起增温和水汽蒸凝,形成了洮河大夏河流域干旱、半干旱的气候条件。洮河大夏河均属黄河一级支流,主要流经甘肃省甘南州、定西市、临夏州至刘家峡汇入黄河,相邻两流域分隔于玛曲西倾山北支的太子山脉,最高峰海拔4 368 m,洮河甘肃省内流域面积23 960 km2,径流量46.56亿 m3、年均降水345 mm,大夏河甘肃省内流域面积7 154 km2,径流量10.25亿 m3、年均降水465 mm。区域内太子山山峰晶莹、山麓翠绿,降水量为区域内极值区。

2 水资源区划分意义

影响水资源特性的因素有很多,在无法实现区域全要素逐项研究的情况下,较大范围内水资源空间和时间分布各有不同的特征和一定范围内的相似性为水资源分区的变化规律提供了研究可能。水资源区划常规方法是基于区划内主要指标的计算和实地调查综合分析确定分区界限,把特定区域划分为若干个有着明显差异的水资源条件地区,主要反映水资源的数量、质量的差异,兼顾各部门的用水需求,开展水资源供需平衡分析以服务于区域高质量发展需要。

水资源开发利用的过程要基于尊重自然规律和经济合理为基础,统一区域内水资源变化的相似性,按照变化的最大差异性进行划分水资源分区。经充分考虑水资源时空分布的差异与联系,统筹经济发展与生态环境,自然规律与人工干预后,为分区制定合理的水资源可持续发展方案提供措施和建议,因时、因地制定区域工省效宏的高质量发展方案。

3 水资源区划分常用方法

为充分反映水资源的地区特征,通常选择两个以上的水资源区划指标,以基本指标为主,辅助指标作限制。对水资源一级区,以较概况和较稳定的水资源特征值为基本指标;对较低级的单元,则以较具体的和较易改变的特征值为基本指标。对我省黄河流域水资源分区划分基本指标是以流域完整性原则,尽可能保持河流水系的完整性,黄河干流根据主要水文站分为河段;以有利于算清水账,有利于水资源配置和规划为辅助指标。具体是要与全国分区相衔接,并保持与全国一致,同时也基本反映了甘肃省水资源及其开发利用条件的地区差异;合并自然条件相同的支流;按地形、地貌等下垫面条件和行政区界为辅助因素且有利于进行地表水资源的估算和水资源供需平衡分析,兼顾大型水利枢纽和重要水文站的控制作用。

4 水资源区划常用方法应用

表1 洮河大夏河流域水资源区划常用方法划分统计表

5 资料代表性分析

在洮河大夏河区域内,选择15个面上分布均匀的降水代表站的逐年实测资料系列,以降水量为基本指标绘制模比系数差积曲线分析各站点资料代表性,据曲线显示,在资料系列区间内均出现丰水年、平水年、枯水年转变,且各相关站点丰枯变化较一致,所选资料代表性和一致性较好(图1)。

图1 洮河大夏河流域降水站点代表性分析

6 谱系群分析法计算

现以洮河大夏河流域水资源区划为例对谱系群分析法的应用分析情况如下:各站组合计算相关系数,然后采用逐次形成法依次进行连接合群,反复进行直到所选代表站都已合群完为止,这时,大于或等于一定置信水平下相关系数临界值的群,即可作为水资源区划的依据。

以降水量作为基本指标的水资源区划分谱系群分析法步骤是:

在区域内选择资料较好的16个基本雨量代表站,站点布设均匀,计算泰森面积相差不大,站点密度适中,采用近30年实测降水资料相互逐站计算相关系数,计算公式为:

(1)

j,k=1、2、3、...M(站号),j≠k;

i=1、2、3、...N(年号)。

根据计算得M(M-1)/2=105个相关系数。

根据从+1→-1计算相关系数确定最相似至最不相似的系数矩阵的下三角(见表2)。

表2 洮河大夏河流域依降水划分水资源分区测站相关系数矩阵表

由105个相关系数组成一个对称相关采用逐次形成法依次进行联结合群,联结合群的原则是:

若两站在已形成群中首次出现,这两个站另成新群;

若两站中一个站已在分好的群中,另一个站就计入该群;

若两站已分别在的两个群中,则把这两群联结在一起;

若两站都已出现在分好的相同群中,这两站不再分群。

通过上述方法反复进行联结合群计算,直至所有的站都已合群完成为止。

根据实测年降水量资料系列,确定置信水平α=0.01,对显著相关系数通过查算检验表得临界值r0.01=0.65,若以0.67作为标准临界值。

可在图2中分为四个大群,根据测站位置将整个洮河大夏河区域分为四个大区,分区降水量特征值见表3。

图2 洮河大夏河流域依降水划分水资源分区谱系图

表3 洮河大夏河流域依降水量指标分区划分统计表

洮河大夏河流域分数独立的黄河一级支流,其分水岭太子山区站点的年降水量大于700 mm,属区域内高值区,谱系图分析结果属单独的分区;洮河上游、洮河中游、大夏河中上游、洮河大夏河下游共5个分区较符合区域内降水分布特性,计算结果与区域实际情况符合度较高,该方法可行。

7 谱系群分析法应用

水资源区划的指标一般以水资源的数量、质量指标为基本指标,以影响城市生活农业、生态用水年内的径流分配、年最小径流等为辅助指标,在基本指标中,水资源数量可用多年平均或不同频率的年、月径流量,地下水平衡量或水资源可利用量来表示;水资源质量可用反映水质本底情况的矿化度、总硬度、总碱度或pH值等指标来反映。基于上述水资源区划指标的谱系群分析法作为科学的度量标准能够较好地反映水资源变化在同一分区的相似性和不同分区的差异性。