青衣江流域水文气象因子变化研究.pdf

文章编号:10062610(2016)05000505 青衣江流域水文气象因子变化研究 奚圆圆1,黄晓荣1,2,李晶晶1,杨鹏鹏1,柴雪蕊1 (1. 四川大学 水利水电学院,成都 610065; 2. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都 610065) 摘 要:根据青衣江流域乐山站以及夹江站19542011 年的水文气象资料,分别用 Mann-Kendal 方法、周期方差外 推法、小波分析法分析水文气象序列的变化趋势、周期及径流对降雨和温度的敏感性。 结果显示:年降雨、径流、降 雨蒸发差均有显著的减少趋势,而温度系列上升趋势显著;降雨、径流、温度存在 7 a 以内的短周期;通过计算弹性 系数,分析径流对降雨和温度变化的敏感性,发现径流对温度变化比较敏感,且随着温度的升高,径流有减少的趋 势。 关键词:水文气象;趋势;周期;敏感性;青衣江流域 中图分类号:P339 文献标识码:A DOI:10. 3969/ j. issn. 1006-2610. 2016. 05. 002 Study on Variation of Factors of hydrological Meteorology in Qingyi River Catchment XI Yuanyuan1, HUANG Xiaorong1,2, LI Jingjing1, YANG Pengpeng1, CHAI Xuerui1 (1. College of Water Resources and Hydropower, Chengdu 610065, China; 2. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Chengdu 610065, China) Abstract: In accordance with data of hydrological meteorology from Leshan and Jiajiang gauges (1954-2011) at Qingyi River catchment, Mann-Kendal method, periodic variance extrapolation method and wavelet analysis method are applied respectively to analyze sensitivity of the variation trend, period and runoff of the hydrological meteorological series to rainfall and temperature. The study presents that the annual rainfall, runoff and rainfall-evaporation difference all are with obvious decrease trend but the temperature series is with obvious rise trend. The short period of rainfall, runoff and temperature within 7a is available. Through calculation of elastic coefficient, the sensitivity of runoff to rainfall and temperature is analyzed. The calculation proves that runoff is sensitive to temperature variation, the sensitivity increases with temperature and the runoff trends to decrease. Key words:hydrological meteorology; trend; period; sensitivity; Qingyi River catchment 收稿日期:2016-06-20 作者简介:奚圆圆(1991- ),女,山东省菏泽市人,硕士研究生, 主要从事水文水资源方面的研究. 基金项目:国家重点基础研究发展计划(2015CB452701),国家 自然科学基金项目(51579161) 0 前 言 近年来全球极端气候灾害频发,气候变暖加剧, 水文气象因子的变化越来越剧烈,研究水文气象因 子的变化规律至关重要。 唐见1等对长江上游区 径流变化趋势特征及其对气候因子响应的区域差异 性进行了研究;张建云2等应用 1950 年以来的中国 六大流域 19 个重点控制水文站年径流观测资料,采 用 MK 检验方法研究了中国六大江河的年径流量变 化情况,发现近 50 年来中国六大江河的实测径流量 均呈下降趋势,其中海河、黄河、辽河、松花江实测径 流量下降明显,严重影响了中国社会经济的发展;刘 春蓁3以平衡的 GCM 模型输出作为大气中 CO2浓 度倍增时的气候情景,采用月水量平衡模型及水资 源利用综合评价模型研究中国部分流域年、月径流、 蒸发的可能变化及 2030 年水资源供需差额变化,结 果表明淮河及其以北气候变化的影响最为显著, 各 流域水量的增多或减少主要由汛期径流及蒸发的增 减决定。 在未来气候条件下,黄、淮、海 3 个流域水 资源短缺可能进一步加剧。 5 水文环保 西北水电2016 年第 5 期 万方数据 面对目前比较严峻的水文气象问题,合理地分 析水文系列变化趋势,掌握水文气象因子的变化规 律以及相互之间的关系,有助于我们更好地应对气 候变化带来的不利结果,做到未雨绸缪。 青衣江流域是中国西南地区重要的水能开发 区,同时也是中国重点生物多样性保护地区,有着重 要的地理位置特征,但目前国内对青衣江流域水资 源特征的研究尚不多见,胡东来4等人结合线性倾 向估计法、Mann-Kendall 秩次相关检验法、累积距 平法以及 Morlet 小波变换等方法来分析宜宾以上长 江流域 19562000 年降水、水资源量的趋势和周 期,其中青衣江与岷江流域的降水有下降趋势,长江 上游的其他各流域的降水变化趋势均不明显,南水 北调西线调水区存在 8 12 a 的周期。 本文选取青 衣江流域典型水文站及气象站的资料,研究区域水 资源特性,为青衣江后续的开发及发展提供一定的 科学依据。 1 资料与方法 1. 1 区域概况 青衣江,源出宝兴县东北巴郎山南麓,上段的东 河至县城北与西河汇合后入宝兴河,南流至芦山、天 全县边境飞仙关附近汇合天全河、荥经河后始称青 图 1 青衣江流域水系图 衣江(如图 1 所示)。 向东南于雅安接纳周公河,至 洪雅接纳花溪河,过夹江于乐山附近草鞋渡注入大 渡河,河长276 km,流域面积1. 33 万 km2,是大渡河 下游最大支流。 干流上游河道穿行于高山峡谷之 中,河道比降 12. 4/1000。 流域内冬暖夏凉、温和湿 润、降水丰富。 年平均降水量由东南向西北递减,年 平均降水量雅安 1 775 mm,宝兴 963 mm,79 月占 全年总量 60% 左右,12次年 2 月仅占全年总量 4%。 降水的年际变化,雅安的多雨年降水量为 2 510. 4 mm,少雨年降水量仅 1 204. 2 mm,相差 1 300多 mm。 日暴雨量雅安 339. 7 mm,下游千佛岩 则高达 565 mm,属于典型的暴雨区。 青衣江流域共 有耕地 9. 65 万 hm2,主要分布在飞仙关以下的河谷 平坝与丘陵区,水利化程度已达 55. 6%;在耕地中 的 5. 25 万 hm2稻田已趋全部保灌。 1. 2 数据资料 本文使用的径流资料,为青衣江流域下游河流 出口控制站夹江水文站 19542011 年的月径流资 料。 由于乐山站位于青衣江的干流上,具有完整的 月降雨和温度资料,其降雨和温度特征与全流域降 雨和温度特征类似,因此选择乐山气象站 1954 2011 年降雨和温度资料进行分析计算。 1. 3 方 法 趋势分析是研究水文气象时间序列变化的重要 方法5,水文气象序列趋势研究主要是判断该序列 上升与下降的变化过程及显著性6。 水文气象序 列中也存在周期成分,主要是由于地球的公转与自 转影响而成,周期性比较难以识别,需进行较复杂的 检验与提取7。 1. 3. 1 Mann-Kendall 检验法 目前,Mann-Kendall 检验法是分析水文气象数 据趋势应用最广的方法之一。 其原理是:假定 x1, x2,xn为时间序列变量,n 为时间序列的长度, Mann-Kendall 法定义了统计量 S: S = n-1 j = 1 n k = j+1sgn(x k - xj)(1) 式中:xk、xj分别为 k、j 年的测量值,且 kj。 sgn(xk- xj) = 1 xk- xj 0 0 xk- xj= 0 1 xk- xj 0 0 S = 0 S + 1 Var(S) S Z1-/2,则拒绝原假 设,即在 置信水平上,时间序列存在明显的上升 或下降趋势8。 其变化趋势的大小用 表示,计算 如下: = Medican(xk - xj k - j ),j 0,表示呈上升趋势;若 0,表示呈下降 趋势。 1. 3. 2 周期分析法 (1) 小波分析法 小波分析法早在 1984 年,法国的地质学家 J. Morlet 首先将小波概念引入到信号分析中,利用此 方法来对气候因子进行周期分析8。 小波变换的 离散形式为: wf= a 1 2t n i = 1 f(it) it - b a () (5) 式中:t 为取样间隔; n 为样本容量; (t)为基本 小波函数。 本文采用墨西哥帽小波。 标准化的墨西哥帽小 波是: (t) = 0. 867(1 - t2)e -t 2 2 (6) 把小波变换结果绘制成二维图像,以序列时间 作为横坐标,频率参数作为纵坐标,小波系数为图中 对应的数值,另外,小波方差图可以更加准确判断序 列存在周期以及其显著性8。 (2) 时间序列周期方差分析外推法9 此方法的基本原理是将时间序列按照不同的个 数分组排列,组间和组内差异较大的视为周期,基本 步骤如下: 1) 首先,将序列资料分组列表,分组时应按照 一定的周期长度,设某时间序列为 x(t),将其按周 期长度 n 分成 r 组分析方差,判断周期的显著性。 2) 计算 F 值,组内均方等于组内平方和(Q1) 除以相应的第 1 自由度(f1),组间均方等于组间平 方和(Q2)除以相应的第 2 自由度(f2),组间均方与 组内均方之比就是方差分析的 F 值。 公式如下: F = 组间差异 组内差异 = Q2/ f2 Q1/ f1 (7) 3) 周期的显著性检验。 如果按照式(7)算出 来的 F 值非常大,说明组间差异大,存在显著的周 期性。 因此必须根据 F 值计算相应的置信概率,选 择最高的一个,如果达到指定的显著水平,说明该周 期为主要周期。 1. 3. 3 高桥浩一郎蒸发公式 高桥浩一郎蒸发公式是由高桥一郎在 1979 年 推算出的经验公式10: E = 3100R 3100 + 1. 8R2 exp - 34. 4T 235. 0 + T () (8) 式中:E 为月蒸发量;R 为月降水量;T 为月平均气 温。 高桥一郎公式考虑了影响蒸发的 2 个最主要影 响因子,即降水和气温。 有实际资料做依据,能较好 地反映实际蒸发情况11。 2 结果分析 2. 1 趋势分析 根据参考水文站及气象站资料,利用高桥浩一 郎蒸发计算公式,得到逐月的蒸发系列,水文气象因 子趋势(见图 2)分析如下。 由图 2 可以看出,降雨与径流系列均有减小的 趋势,二者的变化过程类似,但降雨序列减少率大于 径流的减少率。 温度在研究时段内有上升趋势,这 图 2 代表站水文气象因