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基于35a的径流量演变特征进行绿兰水文站研究

2020-06-08 240 上传者：管理员

摘要：为了研究中小河流径流量演变的特征，选用线性趋势法、morlet小波分析法、Mann-Kendall突变检验法等多种方法，对绿兰水文站1982-2016年35a径流量变化趋势性、突变性、周期性进行分析。结果表明：（1）绿兰水文站径流量序列整体呈微弱上升变化趋势，年上升量为0.0085m3/s;（2）径流量序列不存在实质性突变；（3）径流量序列存在多尺度周期变化规律，第一主周期为30a，第二主周期为12a，第三主周期为5a。

关键词：
Mann-Kendall突变检验法
小波分析
径流量
水文学
演变特征
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近年来，党中央国务院高度重视中小河流治理，2015年11月29日起实施的《中共中央国务院关于打赢脱贫攻坚战的决定》（中发[2015]34号）明确提出要“加大对贫困地区抗旱水源建设、中小河流治理、水土流失综合治理力度”。目前绝大多数的沿岸乡镇、村屯和农田都没有设防，只有通过河岸阶梯抵御洪水，防洪标准很低，中小河流洪水灾害造成的损失已经成为广西洪涝灾害的主体[1]。因此，针对中小河流的径流量变化规律进行研究，就显得十分的必要。鉴于此，本文选择位于广西中小河流九曲河上的绿兰水文站近35a的径流量演变特征进行分析，为中小河流的治理及水资源的利用提供科学的参考。

1、研究概况及数据处理

绿兰水文站位于广西河池东兰县，是我国基本水文控制站，站号为B0406000，该水文站于1980年设立于中小河流九曲河（又名曲江）上，控制集水面积205.2km3。绿兰水文站上游河段有于1969年建成巴康水库，该水库的总库容为24.6万m3，有效库容为9.9万m3，水库集雨面积1.58km2，仅为绿兰水文站集雨面积的。

九曲河是珠江水系西江红水河段支流。有两源，南源出广西壮族自治区东兰县新烟溶洞，经巴拉、伦界至绿兰林场场部；西源自达文溶洞东流至绿兰林场。向东流至东兰县县城有委荣溪注入，穿过县城中心至安篓汇入红水河，全长29km，流域面积为335.8km2，是广西典型的中小河流。

本次研究收集到了绿兰水文站1982-2016年共计35a逐日平均径流量，通过算术平均值计算得到历年年均径流量，作为研究分析的基础数据。

2、研究思路与方法

为了更好地研究绿兰水文站近35a径流量的变化特点，拟从径流量变化的趋势性、突变性和周期性3个角度进行分析。采用的方法分别如下：

（1）线性趋势法。利用线性趋势法[2]对绿兰水文站近35a径流量整体变化趋势进行分析。

（2）Mann-Kendall检验法。此方法在检验水文时间序列突变性领域得到了广泛的应用[3,4,5]，本次研究通过Mann-Kendall检验法对绿兰水文站近35a的径流量突变性进行分析。

（3）Morlet小波分析法。由于Morlet复小波变换能够同时求出径流量随时间序列变化的相位和振幅，通过相位可以求出水文参数在时间尺度上的变化周期，利用小波系数方差可以表达周期震荡的强弱程度。本次研究通过Morlet小波分析法[6]对绿兰水文站近35a的径流量周期性进行分析。

3、结果分析

3.1趋势性分析

根据绿兰水文站近35a年平均径流量进行趋势分析，并绘制趋势分析图（见图1）。绿兰水文站近35a径流量变化很小，呈微弱上升趋势，每年上升量仅为0.0085m3/s。近35a来，最大年均径流量为12m3/s，出现在2008年；最小年均径流量为2.275m3/s，出现在2016年。

图1绿兰水文站近35a径流量变化趋势图

3.2突变性分析

采用Mann-Kendall突变检验法对绿兰水文站近35a年均进行突变性检验，并绘制UF、UB曲线（见图2），本次研究采用显著性水平α=0.05，因此统计量UF和UB的临界值为±1.96。由图2可知，UF、UB曲线在置信区间内不存在相交情况，说明在近35a绿兰水文站径流量没有发生突变。

图2Mann-Kendall突变检验法突变分析图

3.3周期性分析

利用matlab数值软件计算绿兰水文站近35a径流量序列小波系数，并绘制小波系数实部和模值等值线图，结果如图3、图4所示，同时计算小波系数的方差，并绘制方差在时间尺度上的变化曲线，结果如图5所示。由图3可知，绿兰水文站径流量序列存在着4～6a、9～16a、16～22a、28～32a多尺度周期变化规律；由图4可知，周期在5a、12a、30a三个时间尺度处震荡较为强烈，处于周期震荡中心。由图5可知，小波方差曲线的3个峰值分别对应着5a、12a、30a三个时间尺度，这跟小波模值等值线图一致，进一步印证了其震荡中心的特征。三个峰值中，30a尺度对应的峰值最高，说明30a为绿兰水文站径流量时间序列的第一主周期，其次为12a、5a，分别为第二、第三主周期。

图3绿兰水文站径流量序列小波系数实部等值线图

图4绿兰水文站径流量序列小波系数模值等值线图

图5绿兰水文站径流量序列小波方差曲线图

4、讨论

（1）径流量序列变异性问题讨论。根据绿兰水文站径流量序列近35a趋势性和突变性分析可知，径流量35a来变化很小，也没有发生实质性突变。这主要是由于九曲河径流量比较小，开发利用程度比较低，人类对河道径流的影响小，能够保存原有自然的河流生态系统。这也是众多中小河流的特性，后续为了更为科学研究中小河流的径流演变特征，建议采用多河流多水文站对比分析研究。

（2）未来径流量变化问题讨论。由图5进一步分析，对于第一主周期，2016年正处于径流量偏多周期末期，即将进入径流量偏少周期，由此可以遇见，在未来30a内，绿兰水文站径流量总体将处于偏少状态；对于第二主周期，2016年正处于径流量偏多周期的中心位置，说明未来6a，绿兰水文站径流量还持续保持相对偏多状态；对于第三周期，2016年处于偏少周期前部分，未来2～3a仍处于径流量偏少状态，这与绿兰水文站2017-2019年实际平均径流量偏少的情况相符，说明通过周期尺度预测未来径流量的变化具有较好的准确性。

5、结论

（1）近35a，绿兰水文站径流量整体变化呈微弱上升趋势，每年上升量仅为0.0085m3/s。

（2）近35a，绿兰水文站径流量没有发生实质性突变，主要是由于中小河流开发利用程度较低。

（3）绿兰水文站径流量序列存在着多尺度周期变化。第一主周期为30a；第二主周期为12a；第三主周期为5a。

参考文献：

[1]李恒昌.广西中小河流治理项目建设管理探讨[J].广西水利水电,2013(6):77-79.

[2]陈樟,吴仁广.3月北半球海冰趋势变化的区域特征及影响因子分析[J].西南大学学报(自然科学版),2019,41(10):101-107.

[3]莫崇勋,刘朋,朱新荣,等.变化环境下岩溶区流域径流变化特征研究[J].广西大学学报(自然科学版),2019,44(4):1164-1170.

[4]李勃,穆兴民,高鹏,等.1956-2017年黄河干流径流量时空变化新特征[J].水土保持研究,2019,26(6):120-126,132.

[5]肖杨,袁淑杰,张碧,等.大渡河流域降水时空分布特征[J].人民长江,2019,50(S1):60-67.

[6]王文圣,丁晶.水文小波分析[M].北京:化学工业出版社,2005.

魏炜,李程程,莫崇勋.绿兰水文站1982-2016年径流量演变特征分析[J].广西水利水电,2020(02):47-49.