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引黄工程水源地年径流量长期演变规律研究

排行榜 收藏 打印 发给朋友 举报 来源: 水资源与水工程学报 发布者:cjk3d
热度193票 浏览92次 时间:2015年5月14日 12:56
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作者:徐聪 冯民权

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O]Uw TP G [E0摘要: 利用Kendall 秩次相关检验法、R/S 分析法、游程分析法和马尔可夫过程分析法对中部引黄工程水源地年径流量长期演变规律进行分析。黄河河曲站年径流量时序在1978-2010 年整个时段内呈现出显著的减少趋势,并且可以预测出未来河曲站的年径流量将继续呈较显著减少趋势; 河曲站连丰、连平和连枯状态的出现概率都随连续年数的增加而减小; 在长期丰枯演化过程中,偏枯年的重现时间最短,偏丰年的重现时间最长。中部引黄工程水源地年径流量未来呈较显著的减少趋势; 在年径流长期丰枯演化过程中,出现偏枯年的可能性较大。本研究旨在为黄河水资源的可持续开发利用和中部引黄工程供需调节提供科学依据。

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'}-B4zw&V\2r9W0关键词: 年径流量; 时序变化; 丰枯演化; 中部引黄工程

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中图分类号: P333.1 文献标识码: A 文章编号: 1672-643X(2014) 06-0105-04水利新闻3lph7aX&D)G!d!{g

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Study on long-term evolution law of annual runoff in water source of Yellow river diversion project

5]u@?5v9r9^j]'gI p0 水利新闻7NA2\du g

XU Cong,FENG Minquan水利新闻],xB?)j Nm

W&kS5K/Y6Q;|*q(Dl.UW0Abstract: By use of Kendall trend test method,R/S analysis method,run-length analysis method and Markov process analysis method,the paper analyzed the long-term evolution law of annual runoff at the water source of central Yellow River diversion project.The annual runoff timing at Hequ station of the Yellow River showed a significant decreasing trend during the whole period 1978 to 2010.According to the result,the runoff will continue to show a more significant decreasing trend in the future.The occurrence probability of continuous multi-annual high flow state,normal flow state and low flow state decreased with the increase of consecutive years.In the long-term evolution process of high and low state,the reproduce time of partial low flow year is the shortest and the reproduce time of partial high flow year is the longest.The annual runoff at water source of the central Yellow River diversion project will show a more significant decreasing trend in the future; In the process of high and low evolution of annual runoff,it is more likely to appear low flow year.The study can provide a scientific basis for the sustainable development and utilization of water resources on the Yellow River and the regulation of supply and demand of the central Yellow River diversion project.

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Key words: annual runoff; temporal variation; evolution of high and low state; central Yellow River diversion project水利新闻*c$p4v.t1u F

.\G(xl*Y:c;|5r&Li0黄河是中国的第二大河,干流长5 464 km,流域总面积达79.5 万km2。随着经济发展和人们生活水平的提高,黄河水资源供求形势日趋紧张,大型引黄调水工程也越来越多。为此,近年来许多专家学者作了大量的工作,从不同的角度来分析其长期演变规律,并且取得了大量有意义的成果。如ShiChangxing 等[1]基于长期水文气象系列、数字高程模型、土壤数据库和黄河中游水土保持措施的文件等多个方面分析了黄河中游年径流量的变化,并研究了其与水土保持和气候变化的关系。Wang Suiji等[2]利用累积异常识别法、线性回归法和改进的累积量斜率变化率分析方法(SCRCQ) 分析了气候和人类活动对黄河径流变化的贡献。还有学者分别利用希尔伯特-黄变换(HHT) 法[3,5]、重标度极差(R/S) 法[3]、Mann-Kendall 秩次相关检验[4]、流量历时曲线法[4]、双累积曲线法[4]、小波分析方法[6-7]的一种或几种对黄河径流长期变化趋势进行了分析研究。但是,这些研究所采用的研究方法相对较为单一,其研究结果具有一定的局限性,不能全面的揭示黄河年径流量长期演变的时序变化特征及丰枯演化规律。

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3?Mu]g0为了能够全面深入分析中部引黄工程水源地年径流量的长期演化规律,本研究结合Kendall 秩次相关检验法、R/S 分析法、游程分析法和马尔可夫过程分析法这4 种方法的优点,并将这些方法进行了有机的结合。首先应用Kendall 秩次相关检验法对径流量的时序变化趋势进行分析,并在其基础上,应用R/S 分析法分析径流序列的持续性; 然后,应用游程分析法和马尔可夫过程分析法对径流的丰枯演化规律进行分析。目的在于为黄河水资源的可持续开发利用和中部引黄工程供需调节提供科学依据。

6p|s4q6WuKX(f0 水利新闻 E|:f8[(`jn3M"l9C

1 基本理论及方法水利新闻9xZO$wd3R

A0J f5ON^]01.1 Kendall 秩次相关检验法[8]

f3L,sCb%eYM#O.c0

I9FNM$R$c0对于序列x1,x2,x3,…xn,先确定所有对偶值(xi,xj,j> i) 中的(xi < xj) 出现的次数,记为P,根据计算的P,代入下列公式:水利新闻X!e/|\(yJ @jPaq

X \f*pu0水利新闻 s Q3C0s.Y:U [H2},?

1n9pA6M!a{,x0式中: τ为Kendall 秩次统计量; U为Kendall 秩次相关检验系数,随n 的增加很快收敛于标准状态分布;n 为系列长度。

9hovun,DG0

I:k]\-u;t\h0若给定显著性水平为α,则其临界值为Uα/2。若| U | > Uα/2,则说明序列具有明显趋势性; 当U > 0时,则具有上升趋势; 当U < 0 时,则具有下降趋势。水利新闻:bVb4~ [](x3?2i

*PT-T2wcg+MrM0若| U | < Uα/2,则序列趋势性不明显。水利新闻(R/MGO[8e-i

水利新闻+F2^vq7`4K;W

1.2 R/S 分析法[3]水利新闻Zm%^!Qg(B

水利新闻 h8Ec$jj%a9RxKK

将R/S 分析法应用于径流时序特性分析时,判断径流时序状态的持续性,可通过计算Hurst 指数。

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3E{PV)CQ.@0R/S 分析法基本原理如下:水利新闻9RG{ cJ]

水利新闻}1|fY8[i@L4J

对于时间序列{ x(t) } (t=1,2…,n),下列量可定义为:

@tp,K {s0L;M-n0

|'B~/AM8[ U };@L0均值序列:水利新闻 ?7z:V|gtv

水利新闻Um!\sJr&X%pH

水利新闻}@6d"lD\6V

水利新闻#A4o5P c8q1H2v7OJ5f

累计离差:水利新闻 ^&o6~Np't

水利新闻,ib"L3RwP:h/A ^

uJ'y#Z)\ VViG!l0

O5AEu n @^)D0极差序列:水利新闻(r-].v }}v?2R+N

水利新闻^s,Dh,r"H-\_UC

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3d*b!cT1e'S.s Z y n'Z0标准差序列:

Z [~-_2l2Aiu0 水利新闻S3`2K I#]6? N"FP$o

水利新闻+k:@#_DF%T#k

g \s+fS*n-?O z0如果比值R(τ)/S(τ) ≡ R/S 存在关系: R/S ∝τH,则说明时间序列{ x(t) } (t=1,2…,n) 具有Hurst 现象,H 称为Hurst 指数。在双对数坐标系(lg(τ),lg(R/S) ) 中用最小二乘法拟合,拟合直线的斜率即为H。水利新闻MTQp~]} O

_Co GS2k g-P0根据H 的大小,可以对时间序列趋势成分所表现的持续性进行判断。Hurst 指数取值范围为[0,1],其存在以下3 种情况: H=0.5 时,表明该时间序列变化是随机的。0.5 < H < 1 时,表明该时间序列具有长程相关性,即过程具有正持续性。0 < H< 0.5 时,表明该时间序列具有反持续性。水利新闻kW?_V f}

q'M e|J.H6x01.3 游程分析法[9]

8R2o:bR6Cy$kuL0 水利新闻CYUKp3T

游程分析法的计算可用以下公式:水利新闻$vV^ V$USK

水利新闻 W(X"A+F{#q0j&d/QT

P=ρ(k-1) (1-ρ) (8)水利新闻6\s.Jc!T(e

r s#^X#u#[c(bj-m0ρ=(S1-S2)/S (9)水利新闻9_9i {S[(|o2r

L.BQ3A'f|0式中: P 为连续k 年枯水(丰水) 的概率; k 为连枯(连丰) 水年的年数; ρ为分布参数,其值在0 ~ 1 之间; S1为时间序列中连枯年(连丰年) 总年数; S2为时间序列中各种统计长度的连枯(连丰) 年发生的累积频次; S 为时间序列枯水年(丰水年) 的累积频次。

8rF cb'U3Y,x0 水利新闻nq~ Y zz

1.4 马尔可夫过程基本理论[10-11]水利新闻r-an:WDPGk

ckzwc![l0马尔可夫分析法是指在马尔可夫过程的假设前提下,通过分析随机变量的现时变化情况来预测这些变量未来变化情况的一种预测方法,又称为马尔可夫转移矩阵法。马尔可夫一步转移概率矩阵,用P(1) 表示; 多步转移概率矩阵,用P(m) 表示,它是由初始状态经多步(m 步) 转移从而达到相应状态的概率矩阵,则P(1) 、P(m) 可分别表示为:水利新闻G#S&S k,P b0w(`-Sv

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9\H"w1[B[w:Ku0 水利新闻yTwyt3x|8[

-|$Ui'm-Q|)O aA0 水利新闻#H%_4PX A;@

一步转移概率矩阵与m 步转移概率矩阵的关系为:水利新闻 LsSyRZ6o

水利新闻 NT#O$x zq"D

P(m)=[P(1) ]m  (12)水利新闻K1ro#Y,a]R_

水利新闻Fv!k ub B6pq,V

马尔可夫过程(有限状态的) 在经过长时间的转移后,会达到平稳状态,此后过程的状态将不再随时间的变化而变化。此时的概率被称为稳定概率,又称为极限概率,可定义为:

hd/clnL0 水利新闻d/\oF8\ t h`BX

?`1[/d1O-~W0BU0

)W U)g P Kdd[?0系统处于任意特定状态的概率可以由极限概率来代表,该特定状态重复再现的平均时间可用1/P表示。

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2 结果及分析

J.P%x6Az0

1K1s_qj4pQ? ],D \0由于黄河河曲水文站是国家基本水文站、中部引黄工程水源地天桥水库入库站,本研究采用黄河河曲站1978-2010 年的实测时序年径流量作为基本数据,具体如图1 所示。水利新闻6z,z7B+PrL&Y

水利新闻x%phR7t6t5V

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r*WJ%k#~G02.1 径流时序的年际变化趋势性

&g ?1~ }ue0

9|4\1Q d6n{3E0河曲水文站年径流量时序的累积距平曲线如图2 所示,由图可以看出: 1978-1986 年,年径流量呈现增加趋势; 1986-1994 年,年径流量呈现震荡趋势; 1994-2010 年,年径流量呈现下降趋势。根据Kendall(坎德尔) 秩次相关检验,当n=33时,计算的结果如下表1 所示。水利新闻 W?;|,F*Z?H0n

_ujd]5`0水利新闻 X9r0D'gMRXb

水利新闻l8i3c j/s z

当n=33 时,取置信度水平α=0.05,Uα/2 =1.96。而年径流量序列的检验统计量U =-2.884,可见黄河河曲水文站年径流量时序在1978-2010年整个时段内呈现出显著的减少趋势。

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^Z;fAs&^02.2 径流时序的年际变化持续性水利新闻9P9?*FIt

水利新闻IXm)s!lZ G

应用R/S 分析法对河曲水文站年径流量时序变化进行分析,结果如图3 所示。所求得的Hurst指数为0.9176,0.5 < 0.9176 < 1,可以看出黄河河曲水文站的年径流量存在正持续性。由上节的分析可知,黄河河曲站年径流量时序在整个观测时段内呈现出显著的减少趋势。因而,可以推测出在未来黄河河曲站的年径流量将继续呈较显著减少趋势。

7O\8y^2A0]h6C~'G0 水利新闻"p!VV lcPy

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/u*_"T C*b`Q(Y]02.3 径流的连丰、连平与连枯概率

3U0h s3QZ0 水利新闻%i1?U/C!xd8z

采用常用的频率分析法来划分径流丰枯,表2为划分标准[11],划分结果如表3 所示。

N!PV@o+l/^(n k2u0 水利新闻a%[JN!Q1mB0C"^H

应用条件概率分析法对黄河河曲水文站的连丰、连枯概率进行分析,结果如表4 所示。水利新闻|UG&Wh e,h

水利新闻 ~sS+]$~!y i C#~4d8{

水利新闻[?~ Vf2G X1i:sb8`

水利新闻G7WgG4y:EmgP

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水利新闻 L'dL!SJiz

从表4 中可知:

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3f7of2{'{d0(1) 当连续年数为2a时,连丰概率最大,为23.14%; 连枯次之,为18.75%; 连平最小,为13.89%。当连续年数为3a时,连丰概率最大,为14.73%; 连枯次之,为14.06%; 连平最小,为2.32%。当连续年数为4a时,连枯概率最大,为10.55%; 连丰次之,为9.37%; 连平最小,为0.39%。当连续年数为5 a时,连枯概率最大,为7.91%; 连丰次之,为5.96%; 连平最小,为0.06%。水利新闻,Z Q ^c J"ee

水利新闻;r;WUa\

(2) 连丰、连平和连枯状态的出现概率都随连续年数的增加而减小。

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2.4 径流丰枯状态的马尔可夫过程分析

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计算黄河河曲水文站年径流丰枯状态的结果如表5、表6 所示。水利新闻LK Q;n`aa

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水利新闻BIH,ACPB.w

SD1C~0Fyd0从表5 可以看出:

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o&H$B j;^3z6`9p0(1) 从各态自转移概率的角度来分析,丰水年、偏丰年、平水年、偏枯年、枯水年的状态值依次为57.14%、0、16.67%、33.33%、57.14%。这说明丰水状态与枯水状态的自保守性最强,偏丰水状态的自保守性最弱。

4D3P+m4H2@d0

'a5Ri,lX0(2) 从各态互转移概率的角度来分析,丰水年向偏丰年转移的概率较大,为28.57%,偏丰年向各态转移的概率相同,均为25.00%,平水年向偏枯年转移的概率较大,为33.32%,偏枯年向平水年的转移概率较大,为33.33%,枯水年向偏枯年转移的概率最大,为42.86%。

-H)x)V+K N[~0 水利新闻4qGK~4]}

(3) 年径流从各种状态向偏枯水状态转入的平均概率最大,为26.9%,向偏丰水状态转移的平均概率最小,为9.05%。这说明年径流量无论处于何种初始状态,其向偏枯水状态转移的概率均大于偏丰水状态转移的概率。

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3A1Jb b BQ3C4v0从表6 可以看出: 黄河河曲水文站出现丰水年、偏丰年、平水年、偏枯年、枯水年的概率分别为19.05%、8.32%、17.29%、28.81%、26.52%; 其平均重现时间分别为5.25、12.02、5.78、3.47、3.77 a。这说明在黄河河曲站年径流长期丰枯演化过程中,偏枯年的重现时间最短,偏丰年的重现时间最长。

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x-FV;x1z.a4X)C^:?(t03 结语水利新闻 `}3o`^

}'c_.\)Gq-F0(1) 黄河河曲站年径流量时序在1978-2010年整个时段内呈现出显著的减少趋势,并且可以推测出在未来黄河河曲站的年径流量将继续呈较显著减少趋势。水利新闻2z)K2D w8fp;ZK.GCE S

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(2) 黄河河曲站连丰、连平和连枯状态的出现概率都随连续年数的增加而减小。水利新闻E$z6cd)B;d,J m

水利新闻K0u"L6`9e-iK;]:k;o

(3) 黄河河曲站年径流丰水状态与枯水状态的自保守性最强,偏丰水状态的自保守性最弱。该站年径流无论处于何种初始状态,其向偏枯水状态转移的概率均大于偏丰水状态转移的概率。在该站年径流长期丰枯演化过程中,偏枯年的重现时间最短,偏丰年的重现时间最长。水利新闻V-^&I!o(Yg

水利新闻4?kJ-R&ez

由此可见: 中部引黄工程水源地年径流量未来呈较显著的减少趋势; 在年径流长期丰枯演化过程中,出现偏枯年的可能性较大。

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参考文献:水利新闻9l BOQ2R#J8W

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#I~-z+K"q WdmHD0作者简介: 徐聪(1990-),男,河南长葛人,硕士研究生,研究方向: 水环境模拟与预测。

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