劉建衛(wèi)，張慧哲，李　想

(1.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024；2.黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 黑龍江 哈爾濱 150090)

洮兒河下游區(qū)域徑流演變規(guī)律研究

劉建衛(wèi)1，張慧哲1，李想2

(1.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024；2.黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 黑龍江 哈爾濱 150090)

摘要：我國(guó)北方水資源供需矛盾突出，洪水資源利用成為緩解水資源短缺的有效途徑。為了減少洪水資源利用風(fēng)險(xiǎn)，提高洪水資源利用效益，以洮兒河下游區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，分別利用回歸分析、Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法、Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法、M-K法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)法、小波分析對(duì)區(qū)域的干支流年徑流的趨勢(shì)、突變和多時(shí)間尺度特征進(jìn)行了對(duì)比分析和干支年徑流變化規(guī)律研究。結(jié)果表明，區(qū)域支流年徑流系列下降趨勢(shì)較干流明顯；干支流的突變時(shí)間存在不一致性，支流的突變點(diǎn)為1972年、1984年、1999年，干流的突變點(diǎn)為1964年、1983年、1999年；干支流的主周期存在差異性，分別為22 a、11 a、7 a、4 a與14 a、20 a、9 a、7 a。通過對(duì)洮兒河下游區(qū)域干支流年徑流演變規(guī)律進(jìn)行研究，為未來(lái)徑流趨勢(shì)合理預(yù)測(cè)提供了技術(shù)支持，并對(duì)區(qū)域洪水資源利用具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：洪水資源利用；洮兒河；Morlet小波分析；多時(shí)間尺度；演變規(guī)律

近幾十年來(lái)，由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響，北方地區(qū)的徑流呈減少趨勢(shì)[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)水的需求量越來(lái)越大，水資源供需矛盾突出。加快非常規(guī)水資源的利用成為緩解我國(guó)水資源短缺的有效途徑[2]。洪水資源利用是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題，許士國(guó)[3]等提出了洪水資源利用開發(fā)的原則與規(guī)劃設(shè)計(jì)、預(yù)案制定與實(shí)施管理系統(tǒng)。然而制定科學(xué)合理的洪水資源利用規(guī)劃，減少洪水資源利用風(fēng)險(xiǎn)，提高洪水資源利用效益，需準(zhǔn)確把握當(dāng)?shù)氐乃?、水資源狀況；而徑流預(yù)報(bào)，尤其是中長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)工作是制定洪水資源利用預(yù)案的重要部分。加強(qiáng)對(duì)區(qū)域徑流演變規(guī)律的研究，有助于了解當(dāng)?shù)厮?、水資源狀況，可為流域徑流的中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)提供背景分析依據(jù)，也可為洪水資源利用規(guī)劃的制定提供技術(shù)支撐。徐東霞[4]等針對(duì)嫩江流域近50年的徑流資料進(jìn)行了徑流演變及其影響因素的分析，并對(duì)嫩江流域的多時(shí)間尺度特征進(jìn)行了專門的研究[5]，李鴻雁等[6]分別從空間和時(shí)間尺度上對(duì)嫩江流域徑流演變規(guī)律進(jìn)行了分析，張艷紅、姜德娟[7-8]等對(duì)洮兒河中上游河流徑流變化趨勢(shì)進(jìn)行了特征分析。但這些研究都缺乏對(duì)洮兒河下游區(qū)域徑流演變規(guī)律以及多時(shí)間尺度周期的研究，本文通過對(duì)洮兒河下游區(qū)域干流與支流徑流演變特征進(jìn)行對(duì)比研究，以有效地指導(dǎo)洮兒河下游區(qū)域洪水資源規(guī)劃和預(yù)案工作。

1研究區(qū)概況和方法

1.1　研究區(qū)概況

洮兒河流域位于吉林省西北部，流域面積25 692 km2，屬于干旱、半干旱地區(qū)。洮兒河是嫩江最大的支流(圖1)，在洮兒河與嫩江的交匯處，建有月亮泡水庫(kù)，洮兒河的水通過水庫(kù)泄入嫩江。嫩江洪水一般在八月份以后形成，往往流量較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，而洮兒河洪水流量小，歷時(shí)較短(圖2)。

圖1洮兒河流域水系

圖2嫩江(江橋)與洮兒河(洮南)年流量對(duì)比過程(1965年)

1.2　研究方法

對(duì)洮兒河下游區(qū)域支流和干流的趨勢(shì)性、突變性和周期性進(jìn)行了對(duì)比分析。其中，趨勢(shì)性識(shí)別采用線性回歸法、Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法[9]和Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法。線性回歸法是目前趨勢(shì)分析中最常用的方法，Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法是世界氣象組織(WMO)推薦的趨勢(shì)性識(shí)別方法[10]；突變性分析采用Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)檢驗(yàn)法[11-12]，由于M-K法對(duì)臨界線間有多個(gè)交點(diǎn)的時(shí)候，檢驗(yàn)結(jié)果沒那么靈驗(yàn)，所以結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對(duì)M-K法的檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；周期性分析采用復(fù)值Morlet小波法[13]，同時(shí)為了減少?gòu)搅餍蛄兄屑竟?jié)變化及短期噪聲的干擾，也有利于兩者的對(duì)比分析，在采用小波分析時(shí)，對(duì)兩水文站的年徑流量序列進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2結(jié)果分析

2.1　趨勢(shì)性

由洮南水文站和江橋水文站1956年—2008年徑流變化曲線圖(圖3)可以看出，兩者的年徑流量在波動(dòng)中都呈減少的趨勢(shì)。其中洮南站和江橋站近53年年均徑流量分別下降了9.38億m3和78.65億m3，各占其多年年平均徑流量的82%和38%，洮南站年徑流量的下降趨勢(shì)更為明顯。

圖3洮南站與江橋站年徑流變化趨勢(shì)圖

Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法和Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法檢驗(yàn)結(jié)果(表1)表明，洮南站和江橋站分別通過了a=0.01 和a=0.05的顯著性檢驗(yàn)，下降趨勢(shì)均為顯著；且兩種方法得到的洮南站統(tǒng)計(jì)量的絕對(duì)值較江橋站大，說(shuō)明同等條件下，洮南站年徑流的下降趨勢(shì)更為明顯。這與回歸分析的判定結(jié)果一致。

表1　洮南站與江橋站1956年—2008年年徑流變化趨勢(shì)

注：*表示通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，**表示通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。

由圖3和表1可知，洮兒河下游區(qū)域以洮南站為代表的洮兒河與以江橋站為代表的嫩江的年徑流都呈下降趨勢(shì)，洮兒河區(qū)域徑流的變化主要受氣候變化和人類活動(dòng)的影響[4,14]，近幾十年來(lái)，氣溫顯著升高，降水減少，加上中下游工農(nóng)業(yè)用水增加，導(dǎo)致了區(qū)域徑流的減少。年徑流趨勢(shì)的下降和用水需求的增長(zhǎng)加劇了區(qū)域的用水緊張問題。而江橋站的下降趨勢(shì)沒有洮南站明顯，其在洪水量級(jí)上的優(yōu)勢(shì)，為區(qū)域支流引用干流洪水徑流提供了可能性，加強(qiáng)洪水資源的利用成為區(qū)域以后的用水方向。

2.2　突變性

利用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)洮兒河流域下游的年徑流變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見圖4。由圖4可看出，(1) 洮南站年徑流在兩臨界線a=0.05之間共有多次交點(diǎn)，其中前幾次分別發(fā)生在1966年、1969年—1972年，另一次突變發(fā)生在1999年，在臨界線之外1984年有一個(gè)交點(diǎn)。1967年—1969年與1975年—1987年UFk超過臨界線，下降趨勢(shì)明顯。(2) 江橋站在兩臨界線之間共有四次交點(diǎn)，分別位于1964年、2000年、2002年、2006年，在臨界線之外1983年有一交點(diǎn)。1967年—1987年UFk線超過下臨界線，年徑流下降趨勢(shì)明顯。

圖4M-K秩次相關(guān)檢驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法分別得到洮南站與江橋站的年徑流變化的突變點(diǎn)，檢驗(yàn)結(jié)果見圖5。對(duì)比兩種檢驗(yàn)方法得到的結(jié)果，得到最終干支流的突變點(diǎn)(表2)。

圖5滑動(dòng)t檢驗(yàn)法突變點(diǎn)檢測(cè)

表2表明干支流的突變點(diǎn)比較相似，但江橋站年徑流發(fā)生突變的年份稍早于洮南站，如洮南站在1972年發(fā)生減少突變，而江橋站則在1964年發(fā)生減少突變。兩站徑流突變發(fā)生的不一致性說(shuō)明，年徑流的突變除了與更大尺度的氣候變化引起的局部地理環(huán)境的改變有關(guān)，還與人類活動(dòng)有密切關(guān)系。經(jīng)調(diào)查，全流域的降水經(jīng)歷了從20世紀(jì)60年代到70年代的減少，70年代到80年代的增加，90年代以后又減少的過程，和徑流發(fā)生突變的趨勢(shì)一致；此外，受政策因素和資源管理上的時(shí)代特點(diǎn)[15]，在60年代左右，濫砍濫伐現(xiàn)象嚴(yán)重，且自20世紀(jì)50年代開始，流域上先后建立了一些水庫(kù)和引水工程，水利工程的建立，改變了區(qū)域徑流的時(shí)空分布。

表2　洮南站與江橋站年徑流突變點(diǎn)

2.3　周期性

2.3.1主周期分析

圖6為基于Matlab2009環(huán)境下的洮南站與江橋站的Morlet小波變換實(shí)部等值線圖，從圖6中可以看出洮南站和江橋站的年徑流量呈現(xiàn)出不同尺度的周期變化。以1985年為界，得出1956年—1985年與1986年—2008年的時(shí)段小波方差圖(圖7)，結(jié)果顯示在整個(gè)時(shí)期洮南站和江橋站(除4 a尺度外)小波方差值相當(dāng)。結(jié)合圖7，對(duì)圖6識(shí)別出來(lái)的周期作進(jìn)一步判斷。其中：(1) 洮南站和江橋站53 a的年徑流系列中都存在4個(gè)明顯的特征時(shí)間尺度，洮南站主周期從強(qiáng)到弱依次為14 a，20 a，9 a與7 a，江橋站主周期從強(qiáng)到弱依次為7 a，11 a、22 a、4 a；(2) 洮南站中20 a左右的時(shí)間尺度的周期變化貫穿整個(gè)分析時(shí)期，且其震蕩中心一直在下降，80年代中后期之前以25 a左右特征時(shí)間尺度為主，80年代中后期之后下降為16 a左右特征時(shí)間尺度。14 a和7 a特征時(shí)間尺度的周期變化在70年代之前和80年代中后期以來(lái)比較明顯，9 a特征時(shí)間尺度在80年代中后期開始變化明顯，具有局部性；(3) 江橋站22 a與4 a特征時(shí)間尺度的周期變化在53 a以來(lái)一直很明顯，11 a和7 a時(shí)間尺度的周期變化從20世紀(jì)80年代中后期開始變化明顯。

圖6　洮南站與江橋站年徑流實(shí)部等值線圖

圖7小波方差分布

結(jié)合圖6和圖7，得出各時(shí)期的干支徑流序列的主周期(表3)。由表3可以看出，1985年之前，兩河的第一主周期相似，為22 a時(shí)間尺度左右，第二主周期洮南站為13 a，江橋站為5 a，洮南站的第二主周期大于嫩江江橋站，說(shuō)明洮南站主要以大尺度的時(shí)間周期控制流域徑流的變動(dòng)，并且周期變動(dòng)較嫩江復(fù)雜。1986年—2008年間，流域中小尺度時(shí)間周期突出，江橋站第一二主周期稍大于洮南站，分別為11 a、7 a?？赡苡捎诮鼛资陙?lái)，流域的土地利用活動(dòng)改變了區(qū)域地表性質(zhì)，進(jìn)而改變了流域水文過程，導(dǎo)致了流域洪水更加頻繁的發(fā)生，使得小時(shí)間尺度周期突出。

表3　洮南站與江橋站徑流序列主要周期的時(shí)間尺度

2.3.2相同尺度下的徑流對(duì)比分析

通過對(duì)兩站年徑流系列的周期分析，可以得出兩站的年徑流存在多時(shí)間尺度變化周期特征，由兩站年徑流的趨勢(shì)變化圖(圖3)可以直觀地看出，兩站的年徑流變化趨勢(shì)比較一致，下面通過小波分析結(jié)構(gòu)對(duì)比圖來(lái)分析兩站相同尺度下的年徑流的變化情況，以小波系數(shù)實(shí)部大于零為豐水期，小于零為枯水期，見圖8。

圖8不同時(shí)間尺度下洮南站與江橋站年徑流變化對(duì)比

從圖8中可以看出，在22 a的大時(shí)間尺度上，兩者的變化趨勢(shì)總體一致，徑流的平均變化周期為14.5 a左右。干支流徑流的豐枯也較為一致，可以指導(dǎo)階段性洪水資源規(guī)劃的制定，同時(shí)根據(jù)徑流的豐枯周期，合理調(diào)整人們生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，將會(huì)大大減少洪水和干旱等自然災(zāi)害的威脅。干支流在14 a與7 a的中小時(shí)間尺度上，尤以90年代末開始，徑流變化趨勢(shì)一致，可以利用小尺度上由豐轉(zhuǎn)枯的突變年份(例如1995年)，抓住豐水年的有利時(shí)機(jī)，調(diào)用區(qū)域一切可利用的洪水資源(包括主動(dòng)利用蓄滯洪區(qū))，在不對(duì)區(qū)域生產(chǎn)、生活、生態(tài)安全構(gòu)成威脅的前提下，最大能力蓄存洪水，以緩解后期連續(xù)枯水年造成的干旱問題，對(duì)洪水資源在年際間進(jìn)行合理的配置。

在7 a的小時(shí)間尺度上，1960年、1998年兩年歷史徑流最大的年份被很好地?cái)M合在小波分析的小尺度周期變化的豐水期中。此外，由圖6可知，10 a局部的特征時(shí)間尺度震動(dòng)強(qiáng)烈，至2010年，兩站年徑流都處于枯水周期中，即2009年—2010年處于大尺度枯水期下的小尺度枯水周期年徑流表現(xiàn)為枯。根據(jù)白城市水資源公報(bào)，2009年—2010年洮南的年徑流量分別為0.0258億m3、0.3271億m3(多年平均為11.48億m3)，嫩江大賚站的年徑流量分別為148.4億m3、130.6億m3(多年平均為209.2億m3)，兩河徑流都處于偏枯狀態(tài)，與小波分析預(yù)測(cè)結(jié)果一致。干支流都枯的年份，應(yīng)抓住汛期的有利時(shí)期，從干流引取洪水資源。這些研究為洪水資源預(yù)案準(zhǔn)備提供了背景條件，與流域中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)相結(jié)合，可減少洪水資源利用的風(fēng)險(xiǎn)。

由圖8可看出干支流徑流尤以70年代初至80年代末，豐枯變化規(guī)律呈現(xiàn)不一致性，這與M-K突變檢驗(yàn)得到的兩河徑流下降趨勢(shì)顯著的區(qū)間一致，說(shuō)明人類活動(dòng)可能對(duì)徑流的中小時(shí)間尺度周期變化規(guī)律造成影響。

3結(jié)論

選取洮南與江橋近53年的年徑流資料，分析了洮兒河下游區(qū)域干支流年徑流的演變規(guī)律以期為洪水資源的利用提供理論依據(jù)和背景支持。結(jié)論如下：

(1) 洮兒河下游區(qū)域支流年徑流的下降趨勢(shì)比干流明顯，而干流在洪水量級(jí)上的優(yōu)勢(shì)，為區(qū)域引用干流洪水徑流提供了可能性，加強(qiáng)洪水資源的利用成為區(qū)域以后的用水方向。

(2) 干支流年徑流的主周期不一致，并且干支流的變化具有階段性特征。利用干支流不同尺度的徑流變化規(guī)律，可以為洪水資源化提供理論依據(jù)。

(3) 干支流的突變點(diǎn)發(fā)生時(shí)間不一致，支流晚于干流。說(shuō)明年徑流除了與大尺度上的氣候變化引起的局部地理環(huán)境的改變有關(guān)，還與人類的活動(dòng)有關(guān)。對(duì)于徑流突變與時(shí)段人類活動(dòng)和氣候變化的關(guān)系，以及人類活動(dòng)對(duì)徑流中小尺度周期的影響問題還待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]張建云,賀瑞敏,齊晶,等.關(guān)于中國(guó)北方水資源問題的再認(rèn)識(shí)[J].水科學(xué)進(jìn)展,2013,24(3):303-310.

[2]張?jiān)?加快非常規(guī)水資源的開發(fā)利用[J].水利發(fā)展研究,2013,13(1):13-16.

[3]許士國(guó),劉建衛(wèi),張柏良.洪水資源利用及其風(fēng)險(xiǎn)管理研究[J].水力發(fā)電,2007,33(1):10-13.

[4]徐東霞,章光新,尹雄銳.近50年嫩江流域徑流變化及影響因素分析[J].水科學(xué)進(jìn)展,2009,20(3):416-421.

[5]徐東霞,章光新,馮夏清.嫩江流域徑流量多時(shí)間尺度特征分析[J].資源科學(xué),2009,31(9):1592-1598.

[6]李鴻雁,田琪,王小軍,等.嫩江流域徑流時(shí)空演化規(guī)律分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版,2014,44(4):1282-1289.

[7]張艷紅,張樹文.洮兒河上游徑流時(shí)序變化特征分析[J].水文,2009,29(6):46-49.

[8]姜德娟,李麗娟,侯西勇,等.洮兒河流域中上游水循環(huán)要素變化及其原因[J].地理研究,2009,28(1):55-64，275.

[9]許全喜,石國(guó)鈺,陳澤方.長(zhǎng)江上游近期水沙變化特點(diǎn)及其趨勢(shì)分析[J].水科學(xué)進(jìn)展,2004,15(4):420-426.

[10]王金星,張建云,李巖,等.近50年來(lái)中國(guó)六大流域徑流年內(nèi)分配變化趨勢(shì)[J].水科學(xué)進(jìn)展,2008,19(5):656-661.

[11]符淙斌,王強(qiáng).氣候突變的定義和檢測(cè)方法[J].大氣科學(xué),1992,16(4):482-493.

[12]賀天忠,潘剛,吳濤,等.高關(guān)水庫(kù)流域降雨變化趨勢(shì)分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2013,11(5):204-206.

[13]王文圣,丁晶,向紅蓮.水文時(shí)間序列多時(shí)間尺度分析的小波變換法[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版,2002,34(6):14-17.

[14]尹雄銳,王曉妮,侯琳,等.洮兒河流域水文氣象要素變化趨勢(shì)分析[J].東北水利水電,2012,30(1):45-47，72.

[15]張艷紅,張樹文,劉兆禮.洮兒河上游地區(qū)近50年土地利用演化過程分析[J].資源科學(xué),2006,28(5):62-67.

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.04.016

收稿日期：2015-03-10修稿日期：2015-04-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51209030)；河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(2011490711)

作者簡(jiǎn)介：張慧哲(1988—)，女，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，研究方向?yàn)楹樗Y源利用。 E-mail:zhanghuizhe@mail.dlut.edu.cn 通訊作者：劉建衛(wèi)(1978-)，男，河北深州人，博士研究生，講師，主要從事洪水資源利用與管理方向的研究。 E-mail:jwliu@dlut.edu.cn

中圖分類號(hào)：TV213.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2015)04—0080—06

Study on the Law of Runoff Variation in the Lower Region of Taoerhe River

LIU Jianwei1, ZHANG Huizhe1, LI Xiang2

(1.SchoolofHydraulicEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China;2.HeilongjiangAgriculturalReclamationSurveyDesignandResearchInstitute,Harbin,Heilongjiang150090,China)

Abstract：The contradiction between supply and demand of water resources is serious in north China and floodwater utilization has become an effective way to alleviate water shortages. To reduce the risk of floodwater utilization and improve its efficiency, the downstream region of Taoerhe river basin was taken as an example. The methods of regression analysis, Spearman rank correlation test, Kendall rank correlation test, Man-Kendall trend test, moving t test and wavelet analysis were used respectively to study the annual runoff of the main stream and the tributary. Its trend, mutations, multiple time scales and variation law were analyzed and compared. The results showed that the runoff of the tributary showed more significant downward trend than that of the main stream. The main stream abruptly changed in 1964, 1983 and 1999, while the tributary abruptly changed in 1972, 1984 and 1999. The main periods of the trunk were 22 a, 11 a, 7 a, 4 a which were different from that of the tributary of 14 a, 20 a, 9 a, 7 a. The law study of the annual runoff can offer some technical support for the future annual runoff prediction and some guidance for the use of flood water resources.

Keywords:floodwater utilization; Taoerhe; Morlet wavelet analysis; multiple time scales; evolution law