關(guān)麗娜

（伊犁水文勘測(cè)局，新疆 伊寧 835000）

0 引言

當(dāng)前，由于水文預(yù)報(bào)所需數(shù)據(jù)不足及計(jì)算因子方面的復(fù)雜性，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性一直不高，如何運(yùn)用已有水文資料進(jìn)行流域水情預(yù)報(bào)，滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、流域開(kāi)發(fā)管理的需要是水利領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。歷史演變法充分利用具體測(cè)站水文資料的歷史演變曲線(xiàn)，根據(jù)曲線(xiàn)特征，找出歷史演變曲線(xiàn)中較為明顯的變動(dòng)規(guī)律，并計(jì)算變動(dòng)規(guī)律特征所出現(xiàn)的次數(shù)。按照時(shí)間序列將隨機(jī)水文變量排列，基于過(guò)程線(xiàn)外形特征進(jìn)行流域年徑流量預(yù)測(cè)。實(shí)踐證明，歷史演變法作為流域年徑流量和水文情勢(shì)預(yù)測(cè)的方法具有實(shí)用、簡(jiǎn)便、可行等優(yōu)勢(shì)。

1 流域概況

奎屯河發(fā)源于依連哈比爾尕山北坡海拔2800 m～3600 m的山區(qū)，由南自北流經(jīng)準(zhǔn)噶爾地區(qū)，最后匯入艾比湖，全河流程359.6 km，沿途有14 條支流匯入，山區(qū)集水面積1945 km2，奎屯河的主要水文站是加勒果拉站和將軍廟水文站。河流從南至北分為高山區(qū)、中低山區(qū)和平原區(qū)，高山區(qū)常年積雪，是奎屯河的主要補(bǔ)給來(lái)源；中低山區(qū)以降水為主，流速快；平原區(qū)降水稀少，流速緩慢。

奎屯河發(fā)源于依連哈比爾尕山的西段，屬高山融冰、融雪及降雨補(bǔ)給類(lèi)型的內(nèi)陸河流，根據(jù)奎屯河加勒果拉站1970 年～2019 年實(shí)測(cè)資料，多年平均徑流量6.25 億m3。其徑流年內(nèi)分布不均，6 月～9 月水量占全年徑流的75%（僅洪水期6 月～8 月來(lái)水就占全年來(lái)水量的65%）?？秃雍恿鞯暮樗匦约俺梢蚝托陆蠖鄶?shù)融雪（冰）及降水補(bǔ)給的山區(qū)河流一樣，與冰川的面積、儲(chǔ)量、山區(qū)積雪厚度及暴雨面積、強(qiáng)度等有關(guān)。受天氣過(guò)程的控制，可形成暴雨型、融雪（冰）型、混合型三種類(lèi)型的洪水[1]。

2 奎屯河年徑流量歷史演變規(guī)律

奎屯河位于新疆維吾爾自治區(qū)天山北部，屬于季節(jié)性?xún)?nèi)陸河流，水源主要是天山融雪水和降水。根據(jù)奎屯河渠首站1970 年～2019 年共50 a 流量資料分析，多年平均流量20.7 m3/s，年內(nèi)分配不均，年際變化不大。

表1 奎屯河新渠首站歷年平均流量

圖1 奎屯河新渠首站歷年平均流量演化及多年平均流量圖

如圖1 所示，由新渠首站多年平均流量過(guò)程線(xiàn)分析，整個(gè)系列包含了豐水年、平水年和枯水年，演化規(guī)律較明顯，具體包括以下方面：

（1）持續(xù)性

奎屯河近25 a 河道平均流量明顯多于前25 a。其中：1970 年～1994 年，當(dāng)年均流量大于21.0 m3/s 時(shí)，第二年的平均流量很可能下降，持續(xù)時(shí)間大約為1 a～3 a，出現(xiàn)6 次。當(dāng)平均流量接近或低于18 m3/s 時(shí)，第二年的平均流量很可能上升，出現(xiàn)5 次。1995 年～2019 年，當(dāng)年均流量接近或大于23.0 m3/s時(shí)，第二年的平均流量很可能下降，持續(xù)時(shí)間大約為2 a～3 a，出現(xiàn)6 次。當(dāng)平均流量接近或低于20.0 m3/s 時(shí)，第二年的平均流量很可能上升，出現(xiàn)4 次。

（2）周期性及相似性

其中流量短期內(nèi)變化為：1970 年～1972 年、1973 年～1975 年、1976 年～1980 年、1981 年～1983 年、1984 年～1985 年、1986 年～1989 年、1990 年～1993 年、1994 年～1997 年、1998 年～2000 年，2001 年～2003 年，2004 年～2006 年、2007 年～2009 年、2010 年～2014 年、2015 年～2019 年線(xiàn)型有明顯的升- 降變化，且周期大部分為3 a～4 a，少部分持續(xù)5 a；比較明顯的長(zhǎng)周期規(guī)律性變化為：自1975 年～1983 年、1985 年～1993 年、1993 年～2000 年、2004 年～2009 年線(xiàn)型為升- 降- 升- 降，1993 年前后面升上去的流量比前面的高，出現(xiàn)2 次；1993 年后后面升上去的流量比前面的低，出現(xiàn)2 次。每個(gè)周期后面降得谷值都比前面降的低，出現(xiàn)4 次。自1969 年起～2009 年，每?jī)蓚€(gè)長(zhǎng)周期性變化后大都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短周期性變化，這種現(xiàn)象出現(xiàn)2 次。2009 年后沒(méi)有出現(xiàn)長(zhǎng)周期性變化，均為短周期性變化。

結(jié)合周期及線(xiàn)型變化，可以確定出枯—平—豐水年周期即：1972 年～1976 年為平—豐—枯水年第一周期，為短周期；1976 年～1983 年為枯—平—豐水年第二周期，為長(zhǎng)周期；1985 年～1992 年為枯—平—豐水年第三周期，為長(zhǎng)周期；1992 年～2000 年為枯—平—豐水年其四周期，為長(zhǎng)周期；2000 年～2003 年為枯—平—豐水年其四周期，為短周期；2003 年～2009 年為枯—平—豐水年第五周期，為長(zhǎng)周期；2009 年～2014 年為枯—平—豐水年第六周期，為短周期；2014 年～2018年為枯—平—豐水年第六周期，為短周期。根據(jù)流量變化圖及以上分析，2019 年流量變化年應(yīng)在2014 年之后的一個(gè)短周期時(shí)間內(nèi)，預(yù)測(cè)奎屯河2019 年≤多年平均流量20.7 m3/s。

（3）最大最小可能

在一定時(shí)期內(nèi)所有水文要素?cái)?shù)值都有一個(gè)變動(dòng)范圍，其取值超出該范圍的可能性很小。對(duì)于較長(zhǎng)年代的資料序列，水文要素取值超出某個(gè)范圍的情況即為最小可能性，而水文資料序列內(nèi)，常常出現(xiàn)在具體范圍內(nèi)的情況屬于最大可能性。根據(jù)以上分析，將每次周期性下降最低值取平均得17.6 m3/s，1993 年和2012 年是奎屯河平均流量歷史最低點(diǎn)和歷史最高點(diǎn)，流域平均流量必然在這個(gè)范圍內(nèi)變化，超出范圍的可能性很小。根據(jù)最大可能性，奎屯河2020 年平均流量預(yù)測(cè)值為17.6 m3/s～20.7 m3/s。

3 奎屯河年流量預(yù)測(cè)

3.1 歷史演變法中平穩(wěn)時(shí)間序列公式

平穩(wěn)時(shí)間序列是某種隨機(jī)變量按出現(xiàn)時(shí)間次序的排列，將奎屯河逐年平均流量按順序排列，就構(gòu)成一個(gè)平穩(wěn)時(shí)間序列，且時(shí)間間隔必須相等，平穩(wěn)時(shí)間序列前期演變過(guò)程的規(guī)律性在未來(lái)并不會(huì)改變，也就是說(shuō)序列的數(shù)學(xué)期望值與方差不會(huì)改變，其函數(shù)變化只和時(shí)間間隔有關(guān)而不受時(shí)間影響。為此，可以利用其出現(xiàn)時(shí)間序列進(jìn)行未來(lái)變動(dòng)趨勢(shì)的預(yù)報(bào)。

由于未來(lái)預(yù)報(bào)值和前期已經(jīng)出現(xiàn)的觀測(cè)值有關(guān)，也即：

前期量項(xiàng)數(shù)的不同決定著方程組形式的變化，為保證計(jì)算結(jié)果與歷史資料最佳擬合，前期量的項(xiàng)數(shù)通常按照小于水文資料項(xiàng)數(shù)的1/4 確定，本文前期量項(xiàng)數(shù)m 確定為20，所以式（1）可以寫(xiě)成：

3.2 2019 年流量的預(yù)測(cè)

通過(guò)上述方法進(jìn)行奎屯河流域2019 年流量預(yù)測(cè)，具體見(jiàn)圖2，從圖中可知，多年平均流量直線(xiàn)以上為豐水期，以下為枯水期，曲線(xiàn)表現(xiàn)出一定的周期性：最大值的出現(xiàn)約間隔5 a。根據(jù)水量分布的平衡性要求，多年總體上豐水期總水量和枯水期總水量應(yīng)達(dá)到平衡，2018 年以來(lái)水位已上升至歷年較高值，結(jié)合周期性規(guī)律，2019 年來(lái)水將出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.3 洪水發(fā)生日和年流量的對(duì)應(yīng)規(guī)律

以歷年洪水出現(xiàn)前的流量為基數(shù)，并將各年流量按年排序，表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，具體見(jiàn)圖3。由圖可知，奎屯河歷年洪水資料中，洪水發(fā)生在5 月前及推遲到7 月中旬以后的年份較少，洪水大多發(fā)生在6 月。而且，洪水提前或推后發(fā)生與年流量之間存在相關(guān)性關(guān)系，即洪水出現(xiàn)日越早，年流量越呈上升趨勢(shì)，相反，洪水出現(xiàn)日越晚，則年流量越呈下降趨勢(shì)。從長(zhǎng)期趨勢(shì)來(lái)看，洪水出現(xiàn)日呈不斷提前趨勢(shì)，流量呈增加趨勢(shì)。

圖2 奎屯河歷年洪水發(fā)生日及年流量對(duì)比

圖3 奎屯河歷年流量排序與洪水發(fā)生日關(guān)系

3.4 歷史演變法中平穩(wěn)時(shí)間序列量化計(jì)算

在進(jìn)行奎屯河流域年流量歷史資料規(guī)律性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)于時(shí)間序列變化穩(wěn)定的資料數(shù)據(jù)進(jìn)行年流量的預(yù)報(bào)。對(duì)奎屯河1970 年～2018 年流量資料檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，式（2）中取符合流域流量變動(dòng)規(guī)律的三項(xiàng)前期量，進(jìn)行2019 年流域年流量預(yù)測(cè)，則平穩(wěn)時(shí)間序列公式簡(jiǎn)化為：

式中：ΔQt+1為預(yù)測(cè)年流量年均值距平；ΔQt為預(yù)測(cè)年上年流量與多年均值之差；ΔQt-1為預(yù)測(cè)年上兩年流量與多年均值之差；ΔQt-2為預(yù)測(cè)年上三年流量與多年均值之差；b1、b2、b3為預(yù)報(bào)系數(shù)，查《新疆水文計(jì)算手冊(cè)》取b1=0.730、b2=-0.499、b3=0.430。

則2019 年奎屯河年流量預(yù)測(cè)方程為：ΔQ2019=0.730ΔQ2018+（-0.499）ΔQ2017+0.430 計(jì)算得ΔQ2016=23.1 m3/s，實(shí)際為20.6 m3/s，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值較為接近。

4 結(jié)論

通過(guò)本文分析不難發(fā)現(xiàn)，歷史演變法進(jìn)行流域水文情勢(shì)預(yù)測(cè)簡(jiǎn)便易行，通過(guò)此法進(jìn)行奎屯河流域近年來(lái)年流量簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值也較為接近。但是該方法的成功運(yùn)用必須基于詳實(shí)的多年歷史數(shù)據(jù)資料，否則預(yù)測(cè)過(guò)程則難以順利展開(kāi)。歷史演變法除適用于流域流量、降水、氣溫等水文要素的預(yù)測(cè)外，對(duì)于其他領(lǐng)域也較為適用。