泾河干流径流变化分析研究.pdf

第10 期2023年10 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3）10-0 0 55-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.10October,2023泾河干流径流变化分析研究党喜成，雒仪，李宏录（甘肃省平?水文站，甘肃平?744000）【摘要为探究泾河干流径流变化趋势及特性，选取泾河干流4 个水文站资料。采用过程线及线性拟合线、Theil-SenMedian、距平累积曲线、Mann-Kendall、M o r le t 小波函数等方法，对19 57 年 2 0 16 年泾河千流杨家坪水文站断面以上水文关键要素径流变化进行分析研究，结果表明：泾河干流杨家坪以上区域19 57 年 2 0 16 年径流量呈现递减趋势，且有周期性丰枯震荡现象；泾川站径流突变年份是19 8 2 年，崆峡、平?、杨家坪水文站径流突变年份均在19 8 6 年；19 57 年 2 0 16 年泾河干流崆峡站、平?站、泾川站、杨家坪4 个水文站年径流量变化基本可以分为六个大的变化周期，19 56 年 19 6 3 年为径流平稳期,19 6 4 年19 7 0 年为径流上升期，19 7 1年 19 9 0年为径流平稳期，19 9 1年 2 0 0 8 年为径流下降期，2 0 0 9 年 2 0 13 年为上升期,2 0 14 年 2 0 16 年为下降期。【关键词径流变化；水文关键要素；分析研究；泾河干流【中图分类号TV121文献标识码B干流全长4 55km，流域总面积4 54 2 1km，总落差1517 m。1引言2.2数据来源水是生命之源、生产之要、生态之基，西部水资源问题逐渐突出，水资源开发利用具有中高度风险，尤以甘肃、新疆、宁夏严重2。水资源的匮乏已成为制约西北部地区社会经济发展和生态保护的重要因素，泾河干流区域水资源承载力逐渐降低3，宁夏固原地区城乡饮水安全水源工程从泾河源头引水对下游泾河干流产生严重影响在降水量因素稳定的基础上，泾河干流多年平均径流显著减少，水资源短缺的情势显著增加，加剧了平?市水资源供需矛盾5。以上表明泾河干流水资源短缺矛盾突出，受气候变化和人类活动影响显著，因此对泾河干流水文关键要素径流变化的分析研究，对保障黄河水资源安全和水资源可持续发展有重大意义本文选取泾河干流崆峡、平?、泾川、杨家坪4个水文站，采用过程线及线性拟合线法、Theil-SenMedian法、距平累积曲线法、Mann-Kendall法、Morlet小波函数法和径流还原的方法，对19 57 年 2 0 16 年泾河干流家坪水文站断面以上水文关键要素径流变化进行分析研究。2数据来源和研究方法2.1简介泾河属黄河二级支流，发源于宁夏回族自治区泾源县泾河源乡老龙潭以上山坡，河源处海拔约2 8 50 m，河流由西南流向东北，于甘肃省平?市崆区麻武乡大阴山附近人崆区，经崆区、泾川县，在长庆桥以下4 km处进入陕西省，资料来源为甘肃省水资源公报黄河流域泾渭河水系水文年鉴平?市水利年鉴，黄委会水文局、甘肃省水文站所属站点近年实测径流资料整编成果。收集了1957年 2 0 16 年腔响峡、平?、泾川、杨家坪4 个水文站实测径流量等资料，站点代表性好，资料序列完整，质量可靠，满足本次分析研究需要。2.3研究方法本次主要对19 57 年 2 0 16 年泾河干流杨家坪水文站断面以上水文关键因素径流变化进行分析研究，采用过程线及线性拟合线法和Theil-SenMedian对径流变化趋势进行统计分析，采用距平累积曲线法和Mann-Kendall 对径流突变进行分析检验，利用Morlet小波函数对径流变化进行周期分析。过程线及线性拟合线、距平累积曲线方法不再赘述。(1)Theil-Sen Median 方法Theil-Sen Median方法又被称为Sen斜率估算法7-8 ,目前被用于水文参数统计和趋势分析中较多，尤其是对长时间序列的分析，其斜率计算表达见公式（1）：=median(1ji0表示时间序列呈现上升趋势；x,)T=(0(x;x,)定义统计变量，见式（4）。UFi=ISi-E(S,)VVar(St)式中:E(St)=h(K+1)/4;var(St)=k(k-1)(2K+5)/72。UB=-UFk(k=n+1-k(k=1,2,n)对时间序列逆序排列，再用上面公式计算，用式（5）进行分析，绘出的UFk、U B曲线图，临界值为0.0 5,用UFs、U B值的正负判断在时间序列上呈上升或下降趋势，为正值说明序列呈上升趋势，负值说明序列呈下降趋势。当趋势线和临界线交叉，且超过临界线时，则表明趋势显著。若UFK、U B.有交点，且交点超过临界值，此交点所对应的时刻就是突变时间。(3)Morlet小波分析小波分析13-16 1具有时频同时局部化的优点，是一个强有力的统计工具，研究对象多时间尺度演变特性可通过小波系数的分析可识别，多分辨率分析是小波变换的特点。Morlet小波分析应用在水文中，主要用于多时间尺度分析水资源在时间序列上的变化规律。根据小波分析的特点，以非稳态不连续的水文时间序列为例，用小波系数函数分析其在多时间尺度上的变化周期。本次用Morlet小波函数对峡、平?、泾川、杨家坪站水文站19 57 年 2 0 16 年实测进行径流序列计算，连续变换小波为7：W,(a,b):a式中：W(a,b)为小波变换系数；为尺度因子；6 为平移因子。3分析讨论3.1径流趋势分析采用过程线及线性拟合线法，对泾河干流杨家坪以上4个水文站多年实测径流量变化过程进行分析，4 站沿泾河干流依次顺序为崆峡、平?、泾川、杨家坪水文站，19 57 年2016年泾河干流4 站实测径流变化见图1,各站实测径流量呈现递减趋势。用Theil-SenMedian法检验，分析各站径流量变化趋势，崆峡、平?、泾川、杨家坪水文站径流变化速率、变差系数、Sen斜率和变化趋势见表1。19 57 年 2 0 16 年腔响峡、平?、泾川、杨家坪水文站径流量总体呈降低趋势，变化速率在-0.0 1亿m/10a-0.11亿m/10a之间,Cv在0.52 0.6 3 之间与年径流变化过程线吻合。56.陕西水利Shaanxi WaterResources3.02.52.01.51.0(2)0.50.01950 1960 1970 1980 1990 2000 20102020(j-1,2,n)(3)(k=1,2,n)(4)(5)-6dtNo.10October,2023一腔崎峡站一平?站3.0腔崛峡站趋势线y=-0.0141x+29.126(2)/2R=0.169,2.01.51.00.50.01950 1960 1970 1980 1990 2000 20102020年份(a)崆峡站7.0泾川站6.0一泾川站趋势线5.0y=0.0417x+85.1194.0R=0.29422.03.01.00.01950 1960 1970 1980 1990 2000 20102020(c)泾川站图11957年2 0 16 年泾河干流4 站实测径流变化趋势表1泾河干流径流趋势分析结果水文站变化速率/亿m/10a变差系数Cv腔响峡-0.01平?0.02泾川-0.04杨家坪-0.11各站实测径流量呈现递减趋势，且有周期性的丰枯震荡现象，而在19 8 6 年后各站径流量变化趋势不同。19 57 年2016年泾河各站实测径流各时段变化趋势见图2。崆水文站19 57 年 19 8 6 年多年平均实测径流量为1.4 4 亿m，径流量偏丰，19 8 6 年后径流量递减速率为0.0 0 2 1亿m/a,递减速率变缓，平均径流量比前期减少4 2%；平?水文站19 57 年1986年多年平均实测径流量为1.6 7 亿m，径流量偏(6)丰，19 8 6 年后径流量递减速率为0.0 0 2 1亿m/a,递减速率变缓，19 8 6 年后径流量递减速率为0.0 0 2 6 亿m/a,平均径流量比前期减少4 5%；泾川水文站19 57 年 19 8 6 年多年平均实测径流量为3.2 4 亿m,1986年后多年平均实测径流量两站分别为1.7 6 亿m，较19 8 6 年前分别减少4 6%；杨家坪水文站1957年19 8 6 年多年平均实测径流量为8.6 8 亿m,1986年后多年平均实测径流量两站分别为4.9 7 亿m，较19 8 6 年前分别减少4 3%。1957-1985年1985-2016年一19 57-19 8 5年趋势线3.51985-2016年趋势线3.0y=6E-05x+0.7195R=2E-061.00.50.0y=0.0034x+8.0245LR=0.0019-0.519501960197019801990200020102020(a)崆峡站+平?站趋势线2.5y=-0.0247x+50.235R=0.1777年份(b)平?站20.0r杨家坪一杨家坪站趋势线15.0=0.1082x+221.4810.0R=0.30635.00.01950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020年份(d)杨家坪变化趋势0.56-0.020.63-0.020.57-0.060.52-0.111974-1985年1985-2016年一19 7 4-19 8 5年趋势线3.51985-2016年趋势线3.0y=-0.0447x+90.09(2)/吾2.52.00.00.519501960197019801990200020102020年份(b)平?站年份递减递减递减递减R=0.048y=-0.0044x+9.6029R=0.0047年份第10 期2023年10 月+1956-1981年1981-2016年一19 56-19 8 1年趋势线8.0一19 8 1-2 0 16 年趋势线7.0,y=0.0201x+42.8736.0R=0.01015.04.01.00.019501960 1970 1980 1990 200020102020图2 19 57 年 2 0 16 年泾河干流4 站实测径流各时段变化趋势经分析计算表明，泾河干流杨家坪以上区域19 57 年2016年径流量呈现递减趋势，且有周期性的丰枯震荡现象。3.2径流突变分析利用Mann-Kendall方法对泾河干流4 个水文站19 57 年2016年的径流量突变进行检验，突变点检验的和值均小于0,检验统计量分别为-2.14、-2.0 7、-2.8 2、-3.14,均通过0.0 5显著性检验，泾川水文站和曲线在19 8 2 年有交点，崆峡、平?、杨家坪水文站曲线在19 8 6 年有交点，结果表明崆峡、平?、杨家坪3 个水文站径流突变年份均在19 8 6 年，泾川站径流突变年份是19 8 2 年。1957年 2 0 16 年泾河干流崆峡、平?、泾川、杨家坪站距平累积曲线图见图3。19 57 年 2 0 16 年崆、平?、杨家坪三站在19 8 6 年以前丰枯不一，总体呈丰水年偏多苦水年偏少。平?站在19 8 7 年19 9 4 年有8 年累积距平量上升。崆、平?站在19 8 6 年后两站距平累积距平量总体开始下降，2 0 10 年 2 0 14 年有5年累积距平量短期上升期。杨家坪站19 7 0 年 19 7 5有6 年累积距平量下降期，19 57 年 19 7 0 年有14 年相对较长的累积距平量上升期，19 8 6 年后总体累积距平量呈下降趋势。19 57 年 2 0 16 年崆、平?、杨家坪三站累积曲线呈现效果与Mann-Kendall方法突变检验结果一致；泾川站在19 8 2 年以前总体呈丰水年偏多枯水年偏少，在1982年后总体累积距平量呈下降趋势，累积距平曲线呈现效果与Mann-Kendall方法突变检验结果一致。40.035.030.025.020.0二15.010.05.00.0-5.01950 1960 1970 1980 1990 2000 20102020(a)崆峡站80.070.060.050.040.030.020.010.00.0-10.01950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020图3 19 57 年2 0 16 年泾河干流响峡、平?、泾川、杨家坪水文站累积距平曲线图陕西水利Shaanxi Water Resources+1956-1985年1985-2016年1956-1985年趋势线20.01985-2016年势线y=0.0313x+70.296R=0.0036y=0.0679x+140.83=0.0204x+42.451R0.076年份(c）泾川站腔响峡站年份一泾川站年份(c）泾川站No.10October,20233.3周期变化分析利用Morlet小波函数进行周期变化分析，泾河干流腔峡、平?、泾川、杨家坪4 个水文站多年实测径流量小波变换分析结果见图4,小波方差见图5。经过小波连续分析计算，10.0R0.12975.00.019501960197019801990200020102020(d)杨家坪25.0一平?站20.0(/)15.010.05.00.0-5.0-10.01950 1960 1970 1980 1990 2000 20102020180.0130.0(s)80.030.0-20.01950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020崆峡、平?、泾川、杨家坪4 个水文站的年径流周期变化尺度分别为2 年 10 年、10 年 3 0、大于3 0 年。4 个站大于30年的尺度周期中心分别为4 5年、3 5年、4 5年、4 5年，变年份化周期明显；4 个站小周期变化比较明显是崆响站，分别为8年、2 5年，平?、泾川、杨家坪3 站2 5年变化周期较明显；70年代初到8 0 年代末主要为小尺度周期性变化，总体周期变化和突变年份一致。60(a)8988101957 1962 1967 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2007 2012(a)崆响峡水文站60(c)5020101956161 196 197 1976 181 186 19 196 201 206211 216(c)泾川水文站图4泾河干流4 个水文站多年实测径流量小波变换分析结果1.00.80.60.40.20.00102030405060时间尺度/年(a）崆峡水文站7.06.05.04.03.02.0年份1.0(b)平?站0.0051015202530354045505560时间尺度/年一杨家坪(c)泾川水文站图5泾河干流4 个水文站多年实测径流量小波方差图泾河干流崆峡站、平?站、泾川站、杨家坪4 个水文站年径流量变化基本可以分为六个大的变化周期，19 57 年1963年为径流平稳期,19 6 4 年 19 7 0 年为径流上升期，19 7 1年年份19 9 0 年为径流平稳期，19 9 1年 2 0 0 8 年为径流下降期，2 0 0 9 年(d)杨家坪2013年为上升期，2 0 14 年 2 0 16 年为下降期。443838305(b)1974 1979 1984 1989 1994 19992004 2009 2014年份6420-2-4-6年份25.020.015.010.05.00.00510 15 20 25 30 35 4045.50 55 60时间尺度年(d）杨家坪水文站（下转第6 6 页）5710.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1年份(b)平?水文站60(d)403020101956161 196197 1976 1 196 19 196 201 20621120161.21.00.60.40.20.0051015202530354045时间尺度/年(b)平?水文站40.035.030.06420一24-6年份(d)杨家坪水文站第10 期2023年10 月司，2 0 2 0.2翟媛,李爱玲,林振豪,等.第三次海南省水资源调查评价报告R.海口：海南省水利水电勘测设计研究院有限公司，2 0 2 0.3卢裕景，宋炫颖，张仁东，等。海南省水利基础设计空间布局规划关键问题探讨J.水利规划与设计,2 0 2 2（1）：2 0-2 2+4 8.陕西水利ShaanxiWater Resources4王霞，郑雄伟，陈志刚.某梯级水库溃坝应急分析.水利规划与设计,2 0 0 9,8 7(1):52-53+7 0.5杨磊。上游水库溃坝影响的水库调洪计算研究以海丰县赤沙水库为例J.广东水利水电，2 0 15（7）：16-17.No.10October,2023（上接第57 页）5黄慧娟.泾河干流上游降水和径流变化趋势分析J.甘肃水利水4结论电技术,2 0 17,57(6):10-12.6-8.（1）19 57 年2 0 16 年崆峡、平?、泾川、杨家坪各水6刘昌明.19 56 一2 0 16 年黄河流域径流及其影响因素的变化分析文站径流量总体呈减少趋势，减少速率在-0.0 1亿m/10aJ.人民黄河,2 0 2 2,4 4（9):1-16.-0.11亿m/10a之间，与年径流变化过程线吻合。7余欣.湟水流域水沙情势演变及驱动力分析J.人民黄河,2 0 2 2,4 4（2）19 57 年 2 0 16 年崆、平?、杨家坪三站在19 8 6 年(9):64-70.以前丰枯不一，总体呈丰水年偏多苦水年偏少。泾川站在8南林江.19 6 52 0 14 年重庆地区降水时空分布特征分析J.人民1982年以前总体呈丰水年偏多枯水年偏少，在19 8 2 年后总长江,2 0 2 1,52 第52 增刊（2)：6 4-6 9.体累积距平量呈下降趋势。结果表明崆峡、平?、杨家坪9管晓祥.多种方法在水文关键要素一致性检验中的比较J.华北3个水文站径流突变年份均在19 8 6 年，泾川站径流突变年份水利水电大学学报（自然科学版），2 0 18,3 9（2）：6 4-7 0.是19 8 2 年。10】王俊骄.综合R/S法和Mann-Kendall法分析杭州市6 0 年小雨（3）泾河干流崆崎峡站、平?站、泾川站、杨家坪4降水日趋势变化J.科技通报，2 0 19,3 5（12 2）：4 1-4 5.个水文站年径流量变化基本可以分为6 个大的变化周期。11蔡涛.基于Mann一Kendall方法的大凌河中上游19 56 2 0 161956年 19 6 3 年为径流平稳期，19 6 4 年 19 7 0 年为径流上升年降水变化特性分析J.人民珠江,2 0 18,3 9（10）：8 3-8 8.期，19 7 1年 19 9 0 年为径流平稳期，19 9 1年 2 0 0 8 年为径流12陈晨.泾河流域近8 0 a径流变化趋势及特征分析J.人民黄下降期，2 0 0 9 年 2 0 13 年为上升期,2 0 14 年 2 0 16 年为下降期。河,2 0 13,3 5(1):2 6-2 8.13钟瑞森.基于小波变换的开都河径流量多时间尺度分析J.人参考文献民黄河,2 0 11,3 5（8）：3 4-3 6.1王浩：“三之”表述高度概括水的重要性N.中国水利报,2 0 11-14王文圣.小波分析在水文学中的应用研究及展望J.水科学进2-17(006).展,2 0 0 2,13(4):514-52 0.2】杜朝阳，于静洁.西部水资源开发利用风险现状评价.中国人15钟瑞森。基于小波变换的开都河径流量多时间尺度分析J.人口资源与环境2 0 13,2 3（10）：59-6 6.民黄河,2 0 11,3 5（8)：3 4-3 6.3郭嘉兵.平?市崆区水资源及可持续开发利用对策J.太原理16桑燕芳。小波分析方法在水文学研究中的应用现状及展望J.工大学学报,2 0 2 2,58（4）:4 3 6-4 2 2.地理科学进展,2 0 13,3 2（9):14 13-14 2 2.4】李海林.宁夏固原地区城乡饮水安全水源工程对平?市用水的影17李彦彬.黄河径流变化规律的小波分析J.水利水电技技响J.水资源保护,2 0 11,2 7（4):9 0-9 4.术,2 0 12,4 3(0 1):17-2 0+2 6.（上接第6 3 页）量53 3 ms，重现期接近2 0 年一遇。5结论（4)洪水过程涨水快（11h），落水慢（3 2 4 h），整个洪水“2021.10”达溪河流域暴雨洪水属该流域历史同期最大过程长达14 天，显示出干旱半干旱地区中小河流秋汛洪水的秋汛洪水，系泾渭流域大范围普遍暴雨洪水。其主要特性如特性。下：（1）达溪河流域发生秋末罕见暴雨，流域内点暴雨量239.2mm，属大暴雨等级。(2)该场暴雨历时长、范围广，为泾渭河流域普遍暴雨。达溪河流域平均降雨量达到2 18.0 mm；前期降雨多，流域坡面含水率高，易于产流形成洪水。2 0 2 1年9 月、10 月两月流域平均降水量52 4.3 mm，比多年平均降雨量（13 5.1mm）增加389.2mm,增加了近3 倍。（3）本次洪水属达溪河历史同期最大秋汛洪水，洪峰流:66.参考文献1沙作菊，黄维东.祖厉河上游区局地暴雨洪水特性分析J.甘肃水利水电技术,2 0 17,53（0 9）：10-13.2张洪清，江平，罗碧瑜.韩江流域中上游“0 7 6”暴雨洪水特性分析J.人民珠江,2 0 0 7（0 5)：16-17+3 6.3楚楚，任立新.黄河源区2 0 18 年洪水特性分析J.人民黄河,2 0 2 0,4 2 (S2):14-16.