锦凌水库径流特性分析

刘 倩

(辽宁省锦州水文局,辽宁 锦州 121000)

径流量变化可以在一定程度上改变流域水资源供需关系,对当地经济建设和工农业发展影响显著[1]。锦凌水库坐落于小凌河干流上,承担着锦州市供水、防洪及改善区域生态环境的任务,属锦州城市防洪规划和总体规划的重要骨干工程,也为市区提供一处集休闲、度假、观光于一体的综合生态景观。所以,文章结合2014—2020年锦凌水库径流数据,采用DFA和Mann-Kendall方法探讨水库长时间序列径流特性,旨在为流域度汛防洪、水资源规划及水库调度提供科学依据。

1 区域概况

锦凌水库建于锦州市境内的小凌河干流上,总库容8.08亿m3,控制水域面积3029km2,正常蓄水面积52.71km2,调节水量1.61亿m3。锦凌水库将锦州城市、沈山铁路桥防洪标准从50a提升至200a和100a一遇。另外,对小凌河发挥着径流调节作用,向锦州每年供水量达到0.98亿m3,更好地满足城市用水需求。水库供水作为地下水替代水源,有利于恢复采补平衡。库区为小凌河水系,属中温带大陆性季风气候,水资源丰富,地下水平均埋深2～6m,水量较大,多年平均降水量570mm,降水时空分布极为不均,径流量大多集中于6～9月(汛期),约占全年的70%,特别是主汛期降雨更集中。

2 数据与方法

2.1 数据来源

根据2014—2020年锦凌水库入库径流数据计算各旬汛期径流分配比、旬径流量、汛期径流量和年径流量,通过严格检查保证数据序列的可靠性和准确性[2]。

2.2 研究方法

1)Mann-Kendall趋势法。这种非参数统计检验方法在水文时间序列分析研究中的应用日趋广泛,按照判断规则能够确定满足正态分布的统计量Z,具体如下:如果Z>0则表示水文时间序列呈现出上升趋势,如果Z<0则代表水文时间序列呈现出下降趋势,设定通过98%、95%、90%显著性检验时的|Z|≥2.32、1.64和1.28[3-5]。

2)DFA法。这是一种适用于非平稳时间序列长程(或幂律)相关性定量分析的标度法,依标度指数α可以合理判定序列的趋势性成分,其判别规则如下:如果α<0.5则代表该序列存在反持续性,即过去与未来具有相反的变化趋势;如果α=0.5则代表序列存在白噪声,即表现出标度的不变性;如果α>0.5则代表该序列存在持续性,即过去与未来具有相同的变化趋势;α=1或1.5时分别于信号和布朗信号相对应[6-9]。为了保证水库调度的科学合理性,在计算过程中将时间程度分割成1、2、4年,在此基础上深入揭示水库径流变化特征。

3 结果与分析

3.1 汛期径流量特征

年内径流量分配曲线,如图1所示。

图1 年内径流量分配曲线

由图1可知,锦凌水库径流大多集中于6～9月(汛期),在8月出现径流峰值。对于年内分配过程,锦凌水库2014—2020年净流量呈现出春汛、夏汛的“双峰型”特征,究其原因是春汛气温变暖致使冰雪消融而夏汛降雨充沛。

采用Mann-Kendall法计算确定全年、主汛期、汛期锦凌水库径流量特征参数见表1,结果显示锦凌水库全年、主汛期、汛期径流量均表现出不显著下降趋势,该变化趋势与线性拟合结果基本一致。

3.2 汛期各旬径流量及分配比

采用DFA法检验分析全年、主汛期、汛期锦凌水库径流量变化特征见表2,结果表明锦凌水库全年、主汛期、汛期径流量具有相同标度的1～2a区间尺度,其具有相似的长程相关性变化趋势和相近的标度指数α,依次为0.568、0.570和0.562,均超过0.5,说明径流量全年、主汛期、汛期序列均存在持续性,即过去与未来具有相同的变化趋势,当前呈现出下降趋势则下一个区间尺度具有该趋势的概率更高。

表2 各旬径流量分配特征值

从表2可以看出,锦凌水库各旬汛期径流量极值比在2017年、2018年较大为14.28和10.26,这与该时段发生的大洪水有关,该时段的汛期径流量达到多年平均的3.5倍和3.1倍。在不考虑洪水影响的情况下,2014—2020年锦凌水库各旬汛期径流量极值比呈现出下降趋势,表明径流分配相对变化呈现一定的下降趋势;研究期间偏态系数波动下降,这表明锦凌水库汛期径流分配呈现出平稳发展态势;2014—2020年变差系数呈现不明显变化趋势,这表明锦凌水库各旬汛期径流分配不均性呈现出一定的下降趋势。

3.3 汛期各旬径流分配比

采用Mann-Kendall法检验分析主汛期和汛期各旬锦凌水库径流分配比变化特征如表3所示,结果表明汛期径流分配比在主汛期8月上旬呈现出显著下降趋势,且显著性检验达到90%置信水平;汛期径流分配比在7月下旬呈现出显著下降趋势,且显著性检验达到95%置信水平;汛期径流分配比在8月下旬呈现显著上升趋势,且显著性检验达到95%置信水平;汛期径流分配比在9月上旬表现出显著上升趋势,且显著性检验达到90%置信水平;汛期径流分配比在6月上旬、7月上旬与中旬、9月下旬均表现出不显著下降趋势,汛期径流分配比在6月中旬与下旬、8月中旬和9月中旬均表现出不显著上升趋势,该变化趋势与线性拟合结果基本一致。

表3 汛期各旬径流分配比特征参数

采用DFA法检验分析主汛期和汛期各旬锦凌水库径流分配比变化特征如表3所示,结果表明各旬和主汛期锦凌水库径流分配比存在标度相同的1～2a区间尺度;标度指数α在9月上旬、7月上旬和6月中旬均<0.5,说明该序列存在反持续性,即过去与未来具有相反的变化趋势;标度指数α在其它时间均超过0.5,说明该序列存在持续性,即过去与未来具有相同的变化趋势。根据Mann-Kendall法检验结果,8月上旬、7月下旬和7月中旬的径流分配比在下一个1～2a区间尺度上呈现出下降趋势的概率更高,9月上旬和8月下旬的径流分配比在下一个1～2a区间尺度上呈现出上升趋势的概率更高。

4 结 论

文章结合2014—2020年锦凌水库径流数据,采用DFA和Mann-Kendall方法研究分析水库长时间序列径流变化特性,主要结论如下:

1)全年、主汛期和汛期锦凌水库径流量均表现出不显著下降趋势,全年、主汛期和汛期径流量在下一个1～2a区间尺度上表现出下降趋势的概率更高。主汛期锦凌水库径流分配比表现出显著下降趋势,这表明锦凌水库各旬汛期径流分配不均性呈现出一定的下降趋势,该变化趋势与偏差析出呈下降趋势基本一致。

2)锦凌水库径流分配比在8月上旬、7月下旬和中旬均表现出显著下降趋势,汛期径流分配比在9月上旬和8月均表现出上升趋势,从区间尺度上在下一个1～2a存在持续性,表明主汛期径流分配比存在一定的延后性。锦凌水库汛期径流量的近40%发生在7月中旬到8月上旬,所以为更好地开展防汛工作建议将7月中旬到8月上旬重新划定为主汛期。