偏岩河流域年径流序列一致性分析

2024-04-03蒙天易汤飞飞

黑龙江水利科技 2024年3期

刘颖,吴昊,蒙天易,汤飞飞

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司,贵阳 550002)

0 引言

近年来,气温、降水等气候要素变化剧烈,加之人类通过兴建水利、土地利用、水土保持、雨水集蓄等方式改变了流域下垫面,使产汇流机制发生了变化,从而导致水文循环发生变化[1]。因此,气候变化和人类活动的使得水文序列的一致性发生了变化,径流、洪水等水文分析成果将随之变化,研究水文序列是否具有一致性愈发重要。

现阶段,国内外众多学者已对一致性等相关内容展开了诸多研究,如:2006年,Burn和Aziz采用Mann-kendall法检验了加拿大麦肯齐河流域水文成果的趋势性和跳跃性;2001年,夏军等通过验证得出:利用信息论及信息熵能够分析序列时间与空间的不同变异性,同时此方法具有一定的价值;2001年,郑泽全等为确定水文序列的趋势和变异形态,在水文序列的分析过程中引入了小波分析方法;2002年,王孝礼等将R/S法引用到了水文序列的跳跃变异点的识别与检验中;熊立华等结合贝叶斯理论,分析得到了检验水文序列跳跃点的相关方法;2007年,谢平等经分析各变异检验方法的差异后得出:滑动F法更适用于变差系数发生了变异的水文序列,其余方法均适用于均值发生变异的水文序列;2010年谢平等提出变异诊断系统思想[2-4]。

基于此,为研究偏岩河流域年径流序列是否存在一致性,文章选择该流域内的木孔水文站1957—2019共63a径流资料,同时采用M-K法、Speraman法进行该序列的趋势研究,同时采用滑动T检验法、有序聚类法判断该序列是否存在突变,以期为偏岩河流域年径流分析计算提供参考依据[5-7]。

1 流域及水文站概况

1.1 流域概况

偏岩河为乌江中游左岸一级支流,位于贵州省中北部,涉及金沙、遵义两县。流域东与湄江流域相邻,南与乌江渡水库相连,西与野纪河流域相接,北与赤水河流域毗邻。偏岩河发源于金沙县桂花乡西北,流经金沙县岩孔镇、西洛乡、至龙坝乡折向东北流,成为金沙、遵义两县界河,在茶园乡边界转向东南,至木孔乡边界折向东北流复折向东南流,于官田乡大河偏汇入乌江。流域形状呈阔叶形,集水面积2243km2,河长140km,平均比降3‰。

偏岩河自西北向东南在丘陵、盆地、峡谷中穿行,按河谷地貌及河道特征分为上游、中游、下游三段:①上游:河源至西洛河河口;②中游:西洛河河口至牛栏河河口;③下游:牛栏河河口至官田乡大河偏。流域内支流众多,呈树枝状分布,流域面积在20km2以上的支流有28条;流域面积在100km2以上的一级支流左岸有底水河、乐民河,右岸有西洛河、龙塘河、花滩河共5条,二级支流有三岔沟。

偏岩河流域属亚热带湿润季风气候区,年均气温15.5℃,平均相对湿度81%,年均日照1120.2h,无霜期313天,年降水量在800～1100mm之间,年均降水量1013mm,年均水面蒸发量763mm,年均径流量 9.39亿m3,输沙模数为100～200t/km2。流域地处大娄山西部,是黔中丘原向黔北山地的过渡带,西南多属中山区,东南面、北面、西北面多属低中山区,地貌属丘陵坝地,岩溶地貌发育,漏斗、峰丛、洼地、落水洞、伏流和天生桥等岩溶地貌特征随处可见。

1.2 木孔水文站基本情况

木孔水文站于1983年设立,站址位于金沙县木孔乡新江村,控制集水面积999km2,距偏岩河河口59.4km。测验河段顺直,长约200m,两岸河滩宽各约40m,高水时河宽约120m。河床主要由板石构成,河岸较稳定。基本断面上游400m右岸有一龙潭汇入,对测验无影响。测验河段内无弯道、急滩,河床稳定,但基本断面下游550m有石拦河坝一座,高0.5～1.8m,装有活动闸门,无规律开、关,对低水测验有一定影响。

木孔站观测项目有降水、水位、流量、蒸发、水温等,具有1984年以来的观测资料。年测流51次,多点法3次,单点法48次。实测最高水位836.48m,实测最低水位834.39m。测流水位变幅占全年水位变幅的98.1%,低水延长0.04m,占实测流量水位变幅的1.9%。过程控制一般,各级水位均可使用。

2 年径流序列诊断

2.1 序列趋势性诊断

2.1.1 Speraman秩次相关检验法

Spearman秩相关检验法的分析步骤为:为得到研究序列的秩次Si和相关系数γ,将该序列从小到大进行排序,然后采用以下公式进行计算:

(1)

式中:ci为秩次差值;n为序列长度。

滑动T检验法检验显著性公式为:

(2)

给定一显著性检验水平α,若|T|>T1-α/2,具有显著变化趋势。

2.1.2 Mann-Kendall检验法

Mann于1945年提出了Mann—Kendall检验法,该方法在分析气温、降水和径流等要素的趋势变化中应用广泛,计算公式为:

(3)

(4)

式中:S为符号函数;当aj-ai>0 时,S为1;当aj-ai=0 时,S为0;当aj-ai<0 时,S为-1;V为方差。

给定一显著性检验水平α,若|Y|>Y1-α/2,具有显著变化趋势。

2.2 序列跳跃性诊断

2.2.1 有序聚类法

有序聚类法的实质是寻求最优分割点．使同类间的离差平方和较小、类与类之间的离差平方和较大。设点t将序列分割为两部分,计算公式为:

Z=T1+T2

(5)

(6)

(7)

2.2.2 滑动T检验法

在时间序列yt的基准点C前、后分别选取子序列y1和y2,计算统计量:

(8)

(9)

给定一显著性检验水平α,若|gi|>gα,基准点处发生了突变。

2.3 诊断结果

2.3.1 趋势诊断结果

本次采用Spearman法、Mann-Kendall法对木孔水文站1957—2019年63a年径流资料的趋势性进行分析,两种诊断结果同时表明:木孔水文站年径流具有显著下降的趋势,其中:①Spearman法中,其检验统计量T=-2.14<0,其绝对值|T|>T1-α/2=1.64,故而序列是显著下降的;②Mann-Kendall法中,其检验统计量Y=-3.00<0,其绝对值|Y|>Y1-α/2=1.96,故而序列是显著下降的。