無定河流域徑流序列非一致性識(shí)別與驅(qū)動(dòng)分析

發(fā)布時(shí)間：2020-05-17 16:50

【摘要】：水文循環(huán)系統(tǒng)受氣象、環(huán)境及人類社會(huì)等多重系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。隨著氣候變化及人類活動(dòng)的加劇,地球表面水循環(huán)及水文要素產(chǎn)生或發(fā)展的物理?xiàng)l件正在發(fā)生顯著變化,水文氣象觀測(cè)序列(如降水、蒸發(fā)、徑流等)呈現(xiàn)出非一致性特征(如具有顯著的趨勢(shì),跳躍變異等),致使水資源規(guī)劃與管理、工程水文設(shè)計(jì)等水文工作的假設(shè)前提(即一致性)遭到破壞,進(jìn)而引發(fā)基于歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)所制定的水資源規(guī)劃與管理方案、已建水利工程的運(yùn)行規(guī)則等備受質(zhì)疑,水利工程與防洪抗旱措施面臨風(fēng)險(xiǎn),極易導(dǎo)致社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失,甚至威脅人類生命安全。因此,科學(xué)認(rèn)識(shí)和掌握水文非一致性變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制就顯得尤為重要。本文通過梳理水文序列與水文過程非一致性變化的概念,擴(kuò)展了水文非一致性變化的內(nèi)涵,提出了區(qū)別于實(shí)測(cè)徑流的自然徑流的概念,明確了水文序列非一致性變化與水文過程非一致性變化的區(qū)別。通過對(duì)無定河流域水文非一致性變化的量化識(shí)別與驅(qū)動(dòng)解析,形成了如下研究?jī)?nèi)容與結(jié)論。(1)水文序列非一致性與水文過程非一致性。本文提出了自然徑流的概念,認(rèn)為其是指氣候變化及下墊面條件聯(lián)合驅(qū)動(dòng)下的流域水文變化,即扣除人類取用水影響的徑流過程,可反映當(dāng)前氣象和下墊面條件下的產(chǎn)匯流規(guī)律和非一致性特征,一般可通過對(duì)實(shí)測(cè)徑流的還原計(jì)算獲得。而水文序列非一致性變化則是在氣象、下墊面以及人類直接影響下的徑流過程,即斷面的實(shí)際觀測(cè)序列,其反映的是現(xiàn)狀條件下斷面來水的實(shí)際狀態(tài)。透過兩者的差異,可區(qū)分水文非一致性變化類型,即物理非一致性和統(tǒng)計(jì)非一致性,從而回答產(chǎn)匯流過程是否發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變。(2)非一致性初步診斷。應(yīng)用Kolmogorov Smirnov(K-S)滑窗檢驗(yàn)識(shí)別無定河流域各水文站點(diǎn)的實(shí)測(cè)徑流與自然徑流的非一致性變化。結(jié)果表明,無定河流域各主要水文站點(diǎn)實(shí)測(cè)徑流序列在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)均發(fā)生了非一致性變化,即存在統(tǒng)計(jì)非一致性;而自然徑流序列除綏德水文站外亦均發(fā)生非一致性變化,即發(fā)生了物理非一致性變化。這表明綏德站徑流序列的產(chǎn)匯流機(jī)制并未發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變,而受人類取用水影響,表現(xiàn)為統(tǒng)計(jì)非一致性。其他站點(diǎn)則不同,氣候變化、下墊面條件及人類擾動(dòng)下其水文循環(huán)過程已經(jīng)不再如從前。(3)非一致性變化定量識(shí)別。構(gòu)建了無定河流域非一致性變化定量識(shí)別體系,主要涉及單調(diào)性變化、回歸性變化、跳躍性變化及周期性變化。其中,Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法及Theil-Sen坡度值被用于無定河流域徑流序列單調(diào)性變化的定性與定量識(shí)別。結(jié)果表明,無論實(shí)測(cè)徑流還是自然徑流,其主要水文站點(diǎn)數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)時(shí)段的前30年相較于后30年均具有更強(qiáng)的趨勢(shì)性變化。單就自然徑流序列而言,僅白家川與趙石窯站后30年徑流序列具有顯著趨勢(shì),而其余各站點(diǎn)均不顯著,說明這些站點(diǎn)的氣候于下墊面條件影響已趨于平穩(wěn)�；诜侄尉€性擬合技術(shù)的無定河流域?qū)崪y(cè)徑流與自然徑流的回歸性變化的定量識(shí)別結(jié)果表明,無定河流域的實(shí)測(cè)徑流與自然徑流序列的回歸性變化位置主要分布于兩個(gè)時(shí)期,即1975年前后與1995年前后。跳躍性變異的定量識(shí)別結(jié)果表明,無定河流域各水文站點(diǎn)的實(shí)測(cè)徑流與自然徑流均存在顯著跳躍變異點(diǎn),其中自然徑流相對(duì)實(shí)測(cè)徑流跳躍變異點(diǎn)偏少,且位置相對(duì)集中�；贛orlet小波分析方法的周期性變化結(jié)果表明,各水文站點(diǎn)的自然徑流序列主周期相對(duì)于實(shí)測(cè)徑流序列更為集中,能量值更大。(4)非一致性變化的環(huán)境參量解析。對(duì)無定河流域產(chǎn)匯流及徑流量影響較大的環(huán)境變量(氣象變量、下墊面變量、人類變量)進(jìn)行梳理與相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)無定河流域的降水序列在時(shí)間尺度上具有較小的下降趨勢(shì),但其下降趨勢(shì)不顯著,且降水的年際間變化在逐漸縮小;由蒸發(fā)(皿)序列的分析可知,無定河流域的水面蒸發(fā)序列具有一定的下降趨勢(shì),且隨著時(shí)間尺度增大,其變差系數(shù)趨于穩(wěn)定,年際間變化降低。采用SCS模型分析無定河流域土地利用變化對(duì)徑流的影響,可知單就土地利用而言,1990年土地利用條件下,徑流系數(shù)最高,為0.427,對(duì)產(chǎn)匯流更為有利,2005年土地利用條件下,徑流系數(shù)最低,僅為0.277。此外,采用DCCA方法建立無定河流域環(huán)境參量與自然徑流及實(shí)測(cè)徑流的相關(guān)關(guān)系,結(jié)果表明降水與實(shí)測(cè)及自然徑流序列的相關(guān)系數(shù)分別為0.558與0.663;蒸發(fā)(皿)量與實(shí)測(cè)及自然徑流的互相關(guān)系數(shù)分別為-0.163與-0.132;NDVI指數(shù)與實(shí)測(cè)及自然徑流的相關(guān)系數(shù)分別為-0.766與-0.658;人類取用水與實(shí)測(cè)序列的相關(guān)系數(shù)為-0.372。(5)非一致性變化場(chǎng)景梳理及徑流頻率分析計(jì)算。根據(jù)無定河流域非一致性變化定量識(shí)別體系計(jì)算結(jié)果,對(duì)各水文站的徑流非一致性變化特征進(jìn)行了場(chǎng)景梳理,將無定河流域各水文站點(diǎn)的徑流非一致性變化分為三組。并依據(jù)這三組分類特點(diǎn),選用適宜的方式,獲取無定河流域各水文站用于水文頻率分析計(jì)算的自然徑流序列,并使用P-III型曲線進(jìn)行擬合,獲取了無定河流域各主要水文站點(diǎn)不同頻率下的徑流值。
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