讨赖河流域径流演变规律研究_郭韧.pdf

第 59 卷 第 5 期2023 年 5 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.59，No.5May，2023DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2023.05.003收稿日期：2023-04-15作者简介：郭 韧（1972-），男，甘肃榆中人，工程师，学士，主要从事水资源管理及科研，E-mail：。讨赖河流域径流演变规律研究郭韧，黄景荣（甘肃省水利厅 讨赖河流域水资源利用中心，甘肃 酒泉 735000）摘要：为探究讨赖河流域径流演变规律，依据1950-2020年长时间序列径流资料，采用累积距平法、累积滤波器法、Mann-Kendall检验法、有序聚类法和小波分析法，分析研究了讨赖河流域径流变化趋势、突变和周期规律。研究结果表明：（1）讨赖河流域年径流量主要呈下降趋势，存在1950-1953年、1970-1983年、2016-2020年的丰水期和1954-1969年、1984-2015年的枯水期5个阶段，年内分配不均匀程度较高，不均匀系数0.540.63。（2）径流量主要是以9 a为主周期。（3）径流量在1953年、1983年和2015年发生突变，径流量演变特征与气温存在正相关关系，径流突变与降水量突变有直接关系。关键词：讨赖河流域；径流量；演变规律；突变分析中图分类号：TV121文献标志码：A文章编号：2095-0144（2023）05-0010-041前言水资源已经成为一种关键的战略性资源，特别是在干旱与半干旱地区的需求更为显著1。讨赖河流域位于我国西北河西走廊中部，是西北典型的干旱区内陆河，属于黑河水系一级支流。降水量稀少，气候干燥，蒸发量大，植被覆盖稀疏，生态环境脆弱，水资源面临严重威胁2。因此，在当前气候变化条件下，研究讨赖河流域水资源演变规律，能够进一步掌握水资源分布规律，对水资源的合理配置和高效利用具有重要意义。流域径流规律的演变过程受地形地貌、气候、土壤和植被等自然条件以及人类活动的相互作用，存在一定的确定性规律，同时也伴随着随机性与突变性3。对流域径流变化过程、变化特征及变化过程的驱动因素进行研究，可以明确流域水资源演变的规律，并且为流域水资源保护、合理开发和利用奠定基础。近年来，对流域径流变化特征及变化趋势的研究已经成为一个热门课题。俞奇骏等4以佳芦河流域为研究对象，分别采用滑动平均法和有序聚类分析法研究了流域的水沙变化特征，基于水文分析法定量研究了降水和人类活动对佳芦河流域近53 a水沙变化的影响。郭文献等5根据长江中游宜昌站1952-2015年长时间序列径流泥沙资料，采用小波分析法、均值差异检验法等方法，揭示了宜昌站径流泥沙的演变规律及其驱动因素。目前，许多研究人员针对河流水资源演变规律和水资源优化配置，以及径流的变化规律及其影响因素等方面己做了大量的研究工作6。但是，针对讨赖河流域年内分配情况和周期性分析的研究相对较少。基于此，采用累积距平法、累积滤波器法、有序聚类法、Mann-Kendall突变检验法和小波分析法，以讨赖河冰沟站1950-2020年径流实测资料为基础，对讨赖河流域径流变化特征及趋势进行分析。同时，对径流演变影响因素进行了定性分析，以期为讨赖河流域合理开发利用水资源，促进河西干旱区内陆河流域的高质量发展提供理论依据。2研究区域及资料来源讨赖河是黑河水系一级支流，同时也是嘉峪关市境内唯一的地表河流（图1），全长260 km，多年平均降水量800 mm，集水面积6 883 km2，河流来水主要由降水、地下水和冰雪融水组成。选取讨赖河冰沟水文站1950-2020年逐月径流资料，研究采用的数据来自 甘肃省水文年鉴，数据来源真实可靠。3研究方法（1）累积距平法累积距平法是常用的判断长时间序列水文数10据丰枯趋势的方法之一7。如果计算得到的累积距平值增大，则在该时段内的水文数值大于自身平均值，处于“丰”段，反之则处于“枯”段。对于水文时间序列Wi，累积距平值可表示为式（1）。Wj=i=1nWi-W（jn，n为序列长度）（1）（2）累积滤波器法累积滤波器法是一种定性分析时间序列变化趋势的方法8，表达式为式（2）。S=i=1nPin-P（2）式中：S为时间序列累积平均值；Pi为序列中第i个值；-P为序列平均值；n为序列长度；n=1，2，n。（3）M-K趋势检验法Mann-Kendall趋势检验法是水文学中常用的非参数检验方法，主要用于分析时间序列变化的长期趋势，可以定量解释突变点的位置。由于不易受到异常值的干扰，因此广泛应用于检测突变、分析径流量和输沙量时间序列的长期趋势。标准正态分布系统变量UM-K按照式（3）计算。UM-K=|S-1Var（S）1/2（S0）0（S=0）S+1Var（S）1/2（S0）（3）UM-K参数可以用于判断水文序列是否具有显著趋势。当UM-K为正值时，该序列为上升趋势，反之则呈现下降趋势。在给定的显著性水平下，通过正态分布表，可以查得对应的临界值U/2，当|UM-K|U/2时，认为趋势不显著，反之则趋势显著。（4）有序聚类法有序聚类法又称最优分类法，在对有序样本进行分析时，以样本本段内部各样本间的差异最小，段与段之间的差异最大为客观最优的原则9。假设可能分割点为，则分割前后样本离差平方及总离差平方和可以表示为式（4）和式（5）。|V=t=1（xt-x）2Vn-=t=+1（xt-xn-）2Sn()=V+Vn-（4）S*n=minSn()（5）满足最优二次分割条件的Sn*时，对应的可以作为最有可能的分割点。（5）小波分析法通过实时剖面图的小波分析，可以有效地揭示时间序列的不同变化周期，充分反映不同时间尺度上的系统变化趋势，能够定性地估计系统未来的发展趋势。4结果与分析4.1径流时序变化分析为了分析讨赖河流域径流时序变化规律，利用冰沟水文站1950-2020年径流量数据来绘制变化趋势线（图2、图3），采用累积滤波器法对讨赖河径流进行趋势分析。由图2、图3可以看出，冰沟站年径流量随年份的变化呈波动性变化。从长时间序列上来看，总体呈减少趋势。根据径流量累积距平曲线可以将1950-2020年大致分为5个阶段，即1950-1953 年、1970-1983 年、2016-2020 年的丰水期和1954-1969年、1984-2015年的枯水期，并且在1983年达到极值。讨赖河流域各年代及多年平均径流量年内分配情况见图4、图5。由图4、图5可以看出，讨赖河径流量年内分配极不均匀，各年代及多年平均径流量均成单峰形式。径流量主要集中在6-9月，占年径流量的54.10%60.89%。嘉峪关酒泉金塔县讨河赖肃南裕固族自治县祁连县河水洪河山红河山观N县市水系县市界流域界图例图1讨赖河流域水系分布第5期郭 韧，等：讨赖河流域径流演变规律研究第59卷11冰沟站年径流分配特征系数见表1。由表1可知，在2010 s出现了0.25亿m3的最小月径流量，在1950 s出现了1.53亿m3的最大月径流量。不同时段的不均匀系数在0.540.63之间，均大于0.50。研究表明，径流量在一年之内分配不均匀程度较高，在各年代中年内分配不均匀程度基本相当。其中1950 s的不均匀系数Cvy最大，为0.63，径流量年内分配最不均匀，而且，绝对变化幅度和相对变化幅度的最大值也出现在1950 s。4.2径流周期性分析为了研究讨赖河流域径流量周期性变化规律，对冰沟站年径流量进行小波分析（图6）。由图6可知，讨赖河流域水资源开发及演化的过程中存在多个时间尺度。在流域水资源开发和演变过程中，存在 3 个周期性变化规律，即 2028 a、1018 a 和310 a。其中，在2028 a时间尺度上，年径流量有3个交替的枯丰振荡，主要出现在1970年以后；在1018 a时间尺度上，出现了7次枯丰交替振荡；在 310 a 时间尺度上，出现了 10 次枯丰交替振荡。由图7年径流量小波方差图可以看出，年径流量存在4个峰值。在时间尺度为9 a时峰值很明显，说明讨赖河流域年径流量主要以9 a为主周期。4.3径流突变性分析基于Mann-Kendall突变检验法，分析讨赖河冰沟水文站年径流量，结果如图8所示。由图8可以看出，年径流量UFk、UBk统计值曲线3次相交，而且3次相交的交点均位于置信度区间之内。因此，说明讨赖河流域的径流量可能在1953年、2015年和2020年的3个汇合点发生了突变。为了进一步分析讨赖河流域年径流量的变化过程，采用有序分组法分析1950-2020年讨赖河径流量序列的变化特征，计算并绘制Sn（）曲线如图9所示。在1953年、1983年和2015年总离差平方和处于极小值，即在这3 a里出现了突变。为探究讨赖河径流量突变特性，分别绘制1950-1953年、1954-1983年、1984-2015年和2016-2020年4个阶段的径流量线性趋势线（图10）。由图 10 可以看出，径流量在 1950-1953 年和 2016-2020年有明显下降趋势；在1954-1983年和1984-2015年有不同幅度的上升趋势。根据相关文献8研究成果，讨赖河流域降水量在全时域表现出增加趋图2年径流量变化趋势121086420径流量/亿m3年径流量线性趋势线y=-0.007 4x+6.694 519501960197019801990200020102020年份1.61.41.21.00.80.6累积平均值19501960197019801990200020102020年份图3年径流量累积平均曲线121086420-2-4-6差积值/亿m319501960197019801990200020102020年份图4年径流量距平累积曲线1.61.41.21.00.80.60.40.20.0径流量/亿m31950 s1960 s1970 s1980 s1990 s2000 s2010 s多年平均010203040506070809101112月份图5径流量年内分配特征2023年第5期甘肃水利水电技术第59卷12势，在1983年达到极大值，可以得出讨赖河流域径流量在1983年的突变与降水量密切相关。另外，径流量的演变过程与气温也有重要关系。河西地区在1960 s前，气温有明显下降趋势；在1960 s中期到1980 s中期，气温有缓慢回升的趋势；到1980 s后期，气温迅速回升。讨赖河发源于祁连山，冰川融水是径流的主要来源，气温的变化直接影响了祁连山冰川融水量。同时，也间接影响了讨赖河的径流量。导致径流量在气温连续升高时，成上升趋势；在气温连续降低时，成下降趋势。综上所述，讨赖河的径流量演变特征与气温有正相关关系，径流突变与降水量突变统计量月最小值/亿m3月最大值/亿m3绝对变幅/亿m3相对变幅Cm不均匀系数Cvy1950 s0.291.531.255.340.631960 s0.291.140.843.870.551970 s0.321.180.863.640.541980 s0.301.130.833.740.571990 s0.281.100.823.970.582000 s0.281.130.854.040.592010 s0.251.491.245.970.58多年平均0.291.230.934.180.83表1径流量年内分配特征系数图7年径流量小波方差图05101520253035小波方差180160140120100806040200时间尺度/a302010时间尺度/a2.21.61.00.4-0.2-0.8-1.4-2.0-2.6指数1950 1960197019801990200020102020年份图6年径流量小波实部等值线43210-1-2-3统计量UFk统计量UBk统计量0.05显著水平线19501960197019801990200020102020年份图8年径流量M-K突变检验曲线959085807570总离差平方和年份19501960197019801990200020102020图9年径流量有序聚类检验图10径流量分阶段变化趋势121086420径流量/亿m3年径流量线性趋势线年份19501960197019801990200020102020（下转第29页）第5期郭 韧，等：讨赖河流域径流演变规律研究第59卷13快，形成生物量峰值。在调水期间，人为扰动可以有效降低湖区生物量，能够抑制水华发生的风险。在中等流量调水条件下，藻类主要分布在湖区西侧，随着藻类快速增长，湖区生物量呈现出中部高两侧低的分布特征，同时湖区藻类群落结构组成由硅藻门向绿藻门转变。在小流量调水条件下，藻类主要分布在湖区东侧岸边，随着藻类增长，湖区藻类生物量呈现出东侧高西侧低的分布特征，同时湖区藻类群落由蓝藻门向硅藻门转变。参考文献：1高金强,徐鹤,徐宁.永定河2021年全线通水效果评估分析C/中国大坝工程学会.水库大坝智慧化建设与高质量发展，北京：中国建筑工业出版社，2023:708-713.2邓中婷,张伟琪,韩洁,等.永定河（山峡段）补水成效分析J.四川环境,2023,45（1）：55-61.3田枭,林敦灵,刘洋,等.永定河流域地表沉降监测及生态补水影响分析J.测绘科学,2022,47（9）：95-101.4陈吉吉,吴悦,陶蕾,等.生态补水对永定河沿岸地下水水位水质的影响J.地球与环境，2023,51（3）：266-273.5马尧,杨勇,胡国金,等.永定河永定河（北京段）生态补水对地下水的补给分析J.北京水务,2020,45（4）：22-27.6于海燕,周斌,胡尊英,等.生物监测中叶绿素a浓度与藻类密度的关联性研究J.中国环境监测,2009,25（6）：40-43.7张海涵,王娜,宗容容,等.水动力条件对藻类生理生态学影响的研究进展J.环境科学研究,2022,35（1）：181-190.8魏自辉,玮黎思.基于QUAL2K模型的青海省北川河水质模拟研究J.皮革制作与环保科技,2023,4（2）：147-149.9王朝晖,林秋奇,胡韧,等.广东省水库的蓝藻污染状况与水质评价J.热带亚热带植物学报,2004,14（2）：117-123.有直接关系。5结论（1）通过对讨赖河年径流量趋势进行分析，发现年径流量主要呈下降趋势。存在1950-1953年、1970-1983年、2014-2020年的丰水期和1954-1969年、1984-2013年的枯水期，共5个阶段。流域年径流 量 集 中 在 6-9 月，占 年 径 流 量 的 54.10%60.89%。年径流量在年内分配不均匀程度较高，不均匀系数0.540.63。（2）采用小波分析法对讨赖河流域径流量进行周期性分析。结果表明，讨赖河流域径流量主要存在9 a的主周期。（3）采用M-K突变检验法和有序聚类法，对讨赖河流域径流量进行突变性分析，得出讨赖河流域径流量在1953年、1983年和2015年发生突变。针对降水、气温和径流的关系进行分析，得出讨赖河的径流量演变特征与气温存在正相关关系，径流突变与降水量突变有直接关系。参考文献：1周海鹰,沈明希,陈杰,等.塔里木河流域60 a来天然径流变化趋势分析J.干旱区地理,2018,41（2）：221-229.2齐桂花.讨赖河流域水资源优化配置对策的探讨J.水利科技与经济,2008,14（7）：561-564.3侯钦磊,白红英,任园园,等.50 a来渭河干流径流变化及其驱动力分析J.资源科学,2011,33（8）：1505-1512.4俞奇骏,张洪波,陈克宇,等.佳芦河流域水沙演变及其驱动因素分析J.水资源与水工程学报,2015,26（3）：151-156.5郭文献,李越,张陵,等.近60 a长江中游宜昌站水沙变化与驱动因素分析J.水文,2019,39（6）：69-73.6张耀宗,张勃,吕永清.祁连山区流域径流变化及影响因子研究以讨赖河为例J.干旱区资源与环境,2008,22（7）：109-114.7许文龙,赵广举,穆兴民,等.近60 a黄河上游干流水沙变化及其关系J.中国水土保持科学,2018,16（6）：38-47.8张建兴,马孝义,屈金娜.昕水河流域水沙变化趋势及成因分析J.人民黄河,2007，59（12）：36-38.9李继清,王爽,黄婧,等.应用极点对称模态分解分析径流时空演化规律J.水力发电学报,2020,39（7）：73-87.10高妍,冯起,李宗省，等.1957-2012年讨赖河流域降水变化特征J.干旱区研究,2016,33（2）：275-282.11关颖慧,王淑芝,温得平.长江源区水沙变化特征及成因分析J.泥沙研究,2021,46（3）：43-49.（上接第13页）第5期王 超，等：跨流域调水过程中快速生长期的藻类模拟研究第59卷29