径流量变化趋势（精选9篇）
径流量变化趋势 篇1
1 引言
洪水河属内陆河流域黑河水系, 发源于青海省祁连山区的龙孔岭北坡, 东起卡登山, 西至青羊岭、鹿角山。径流由高山冰、雪融水及降水组成, 流经纳童子坝、海潮坝、小堵麻河、大堵麻河。河床多砂砾沙滩。修建防水渠道, 沿途引水灌溉, 因此老河床已断流, 只有洪水时, 多余的水排入老河床。流域面积578km2, 在甘肃民乐永固镇上湾村洪水河出山口建有双树寺水库, 总库容2 530万m3, 灌溉面积32.2万亩[1]。洪水特点为暴涨暴落, 径流变化悬殊。20世纪80年代以前, 洪水河上游放牧, 三岔、大河开采煤矿等人类活动对其产生间接的影响, 分析研究径流对指导洪水河乃至更大范围相同类型的河流水资源的管理具有重大意义。
2 洪水河径流分析
2.1 分析方法
在气候趋势分析中, 直线常用来表征气候变化的演变趋势。分析水文气象要素时间序列时, 以时间为自变量, 以要素为因变量建立一元回归方程, 即直线方程, 其直线即为序列的直线变化趋势。在序列变化图上可以绘出其拟合直线, 从图中可以看出演变趋势, 可以用直线的斜率的符号及大小来度量演变趋势是增加还是减少以及变化的程度[2]。
2.2 趋势性分析
2.2.1 流域变化特征
应用双树寺水文站1958—2013年降水、年径流分别建立直线回归方程, 见图1、图2。根据双树寺站实测数据分析:从降水径流变化看, 总体上天然来水量基本平稳, 年际之间变幅较大。降水径流量的年内分配主要集中在5—10月份, 约占年降水量、年径流的90﹪以上。最大年径流1.978亿m3, 发生在1989年, 最小年径流量0.710亿m3, 发生在2001年, 二者比值达2.8, 多年平均径流量1.187亿m3;最大年降水量584.9mm, 发生在2007年, 最小年降水量523.6mm, 发生在1997年, 二者比值达1.1, 多年平均降水量389.7mm。对1957—2013年年代降水径流进行距平分析, 见表1。由表中可看出:20世纪80年代、21世纪10年代距平值为正, 说明该时段降水径流有所增加, 20世纪60年、70年、90年代以及21世纪10以后距平值为负, 说明该时段径流减少, 从总体看径流在不同时期差异很大。
2.2.2 时间序列分析
对洪水河的年降水年径流采用时间序列进行分析, 在分析其变化趋势与突变时, 使用低通滤波方法, 它是把序列高频分量滤去以突出长期或气候变化趋势的一种方法。常用的低通滤波是对序列做滑动平均, 这里用5a滑动平均, 以消除5a内周期的影响, 揭示出序列的周期变化特点[3]。从图1、图2分析可知, 年降水径流变化呈现波动性, 逐年分布不均, 该系列呈现平稳缓慢上升趋势, 通过滑动平均计算知, 2003—2007年平均流量最大, 为1.497亿m3, 1991—1995年平均流量最小, 为0.9798亿m3。
分析表明洪水河流域径流带有明显的阶段性, 1960—1969年、1990—1999年。
从年径流距平分析有明显的阶段性。见表1, 1960—1969年、1990—1999年以及2000—2013年径流偏枯;1970—1979年径流偏少;1958—1959年、1980—1989年、2000—2009年径流为偏丰, 其中2002—2007年, 7a有5a偏丰。
2.2.3 趋势性检验
对洪水河降水径流分别进行检验, 采用Mann–Kendll检验分析, 当置信水平取0.01、0.05相应的临界值分别为1.96和1.64。从表中可以查出, 降水径流量Mann–Kendll统计值分别为0.36和0.41, 皆小于临界值, 说明降水径流量不显著增大, 呈现上升趋势。
3 成因分析
从上世纪80年代开始, 洪水河上游放牧, 三岔、大河兴起开挖煤矿的热潮。分析认为径流趋势缓慢减小, 主要是因为大规模的采矿业改变了原有的地下水的流畅性, 同时也造成地表径流的漏失, 不同程度地导致地表径流与地下径流同步减小, 造成降水入渗的改变, 造成了天然地表水与地下水之间转化规律的改变, 造成了土壤包气带水分的改变, 最终造成径流水量与水文过程的改变[4]。
3.1 系列数据阶段性减小
从双树寺水文站水文系列数据中提取1991—2013年的径流数据, 点绘径流直线方程, 显示其斜率为-0.0008 (图略) , 这说明上游来水量有逐年缓慢减小的趋势, 这与突变点在1991年相吻合。
3.2 年际降水径流呈逆势
年际降水径流呈逆势, 如2008年与1998年降水分别为435.6mm、431.0mm, 而径流量分别为1.17与1.304亿m3, 径流递减12%;2010年与2006年年降水分别为407.1mm、401.1mm, 而径流量分别为0.9312和1.217亿m3, 径流递减31%;2011年与1999年降水分别为399.7mm、373.3mm, 而径流量分别为0.9495和1.094亿m3, 径流递减15%。说明降水量随时间增大或相近, 而径流量有减小的趋势。
3.3 地下径流减弱
冬季上游来水量主要依靠冰、雪水融化后, 转化成地下水汇流至水库 (城市生活用水) 。近10余年双树寺水库非汛期每年2月份实测月径流显示:10%/年, 平均速度锐减。
3.4 牧业的兴起造成上游植被的损坏
洪水河发源于青海祁连县, 途经甘肃肃南裕固族自治县, 至民乐双树寺水库约60km, 复杂的区域, 丰富的资源, 形成了多变放牧形态。随着牧业的不断扩大, 打破了上游原生态的平衡, 不同程度地改变了产汇条件, 不同时期影响程度不同, 由于缺乏统计数据, 具体情况在此不做分析。
4 结论
本文应用直线回归方程和低通虑波方法对洪水河流域径流进行研究, 主要得出如下结论: (1) 洪水河径流年内分布不均, 年际变化大, 年径流量系列总体呈缓慢上升趋势。1958—1991年呈缓慢上升趋势, 突变点在1991年。 (2) 洪水河多年平均降水没有明显变化, 从降水、径流的关系来看, 两者变化具有较好的一致性, 降水是影响洪水河流域径流的主要因素。 (3) 通过对洪水河上游下垫面进行分析, 发现人类活动对区域径流的影响是间接的, 上游下垫面的变化对径流的影响是客观存在的, 其影响的定量数据目前没有科学结论, 尚有待进一步研究, 以为今后流域发展和合理规划水资源环境与保护提供科学依据。
摘要：采用双树寺水文站1958—2013年水文资料, 应用直线回归方程和低通虑波方法对洪水河流域降水径流进行研究, 结果表明:洪水河年内降水径流分配不均, 年际变化大, 年径流量系列总体呈平稳缓慢上升趋势, 其中1958年—1991年为缓慢上升趋势, 突变点在1991年, 其后径流呈现缓慢下降趋势。这也验证了洪水河上游大规模采矿、放牧等人类活动对其产生间接影响。
关键词：径流,直线回归方程,变化趋势,成因分析
参考文献
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径流量变化趋势 篇2
根据塔里木河流域40个气象站1961-2005年的降水、气温资料及源区内7个水文站1957-2005年年径流量资料,利用Mann-Kendall检验,分析了近45年来塔里木河流域的气候变化的`特征,探讨了气候变化对塔里木河流域水资源的影响.结果表明: 整个流域除个别站点外,塔里木河流域气温整体呈显著上升趋势, 且以秋季最显著, 降水增加以夏季最明显.特别是中天山南坡,而流域西南部、和田地区和巴州南部的降水量几乎没有增加.根据Mann-Kendall检验结果,除阿克苏河年径流量呈显著增加趋势外,其它3条源流(和田河、叶尔羌河、开都河)径流量近45年变化趋势均不显著.
作 者：陶辉 毛炜峄 白云岗 姜彤 TAO Hui MAO Wei-yi BAI Yun-gang JIANG Tong 作者单位：陶辉,TAO Hui(中国科学院,南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏,南京210008;中国气象局,国家气候中心,北京100081;中国科学院研究生院,北京,100039)
毛炜峄,MAO Wei-yi(新疆气候中心,新疆,乌鲁木齐830002)
白云岗,BAI Yun-gang(新疆水利水电科学研究院,新疆,乌鲁木齐830049)
姜彤,JIANG Tong(中国气象局,国家气候中心,北京100081)
径流量变化趋势 篇3
太湖流域是我国经济最发达的地区,但人口众多,人均水资源量远低于全国平均水平。近年来,由于人口和经济发展的双重压力,水资源(主要是地表水)成为其生态环境和社会经济协调发展的主要限制因子。西苕溪是湖州市重要水源地之一,是其工农业用水和生活用水的重要保障。随着湖州市经济社会发展,如何对水资源进行合理开发利用成为可持续发展问题的主要内容。缓解水资源危机,首先要认识和把握流域水循环特征规律,在此基础上进行开发利用才能实现水资源可持续利用的目的[4]。因此,对西苕溪流域径流变化趋势特征的研究对于合理规划流域水资源问题具有重要意义。
1 研究区概况
西苕溪流域位于太湖流域上游地区,是太湖流域的主要河流水系。西苕溪发源于天目山北麓,河流贯穿湖州市全境,自西南向东北注入太湖,其干流长98 km,主流为西溪,长52 km。西苕溪在湖州杭长桥以上流域面积2 274 km2,是太湖的重要水源之一。多年平均(1956-2000年)天然径流量15.78亿m3,主要的支流有南溪、龙王溪(大溪)、浒溪、里溪、晓墅港、浑泥港等6条河流。河流在安吉县安城以上呈山溪性特征,安城至梅溪为山溪性到平原性的过渡,流经梅溪后,进入平原地区。
西苕溪流域属亚热带季风气候区,多年平均降雨量1 465 mm,主要集中在4-9月,年降雨量从西南山区到东北平原区逐渐递减。河流上游两大水源西溪和南溪分别建有赋石水库和老石坎两座大型水库,分别控制西苕溪流域面积的14.6%和11.3%。
2 资料与方法
2.1 资料来源
本文所用的水文资料来自于湖州市和安吉县水文站、水利局以及部分水文年鉴。水文站点的选择考虑站点的代表性和完整性,选取赋石水库站、老石坎水库站、横塘村站和港口站(1997年前为范家村水文站)4个水文站点作为分析站点。赋石水库站和老石坎水库站代表上游地区,横塘村站为中游地区,港口站为下游地区。港口水文站的集水面积1 940 km2,占流域的85.31%,因而能够反映流域的基本情况。考虑到上游赋石水库和老石坎水库建站时间的限制以及流域的丰枯水文特征,本研究采用1972-2008年的水文序列,序列长度37 a,能够满足统计分析的要求。
降雨量资料来自国家气象局,共取22个站点1955-2008年54年降雨量数据。港口站的还原数据借鉴安吉县水资源综合规划报告数据和历年水资源公报。
2.2 分析方法
本文采用Mann-Kendall法(简称M-K法)分析西苕溪实测径流量变化趋势和天然径流量的突变点。M-K法是一种非参数统计检验方法,其优点是不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰,尤其适用于顺序变量[5],是世界气象组织推荐使用的评估环境数据时间序列变化趋势的方法[6]。因此,该法在国内外的气候研究和河流径流量变化趋势研究中得到广泛的应用[4,5,6,7,8,9,10]。
在M-K检测法中,首先按照时间序列的顺序,比较序列中的每一个值与其余值的大小,计算出大于该值的数值数目。定义统计量S为所有数目的总和,公式如下:
其中
S为正态分布,对于较大的样本量(n>8)[5],S近似符合标准正态分布,其均值和方差可定义为:
式中:m为相同值的数目;tp为第p组的相同值个数。
统计检测值Z计算式为:
原假设:序列无趋势变化,采用双边趋势检验,在给定的α显著性水平下,查正态分布表得临界值Zα/2。如|Z|≥Z1-α/2,则原假设不可接受,即在该置信水平上,时间序列数据存在明显的变化趋势。统计变量Z的大小代表数据的变化趋势,Z>0表示增加趋势,Z<0表示减少趋势。本研究选取α显著性水平0.05和0.10两个水平,对应Z1-α/2分别为1.96和1.64。为量化变化趋势,引入Kendall倾斜率β来估算趋势的变化幅度:
式中:xj,xi为时间序列的第j个和第i个的观测值,1≤i<j≤n;β >0表示增加趋势,β <0表示下降趋势。
参考浙江省水文局的规定,4月1日至10月31日为汛期时期。站点的年、汛期径流量统计值是按日流量数据算术平均生成,降雨量采用泰森多边形法计算。
3 结果分析
3.1 径流特征值
3.1.1 频率分析
在进行年径流量频率计算时,采用数学期望公式计算经验频率,用皮尔逊III型理论频率曲线进行适线,得西苕溪各水文站不同频率年径流量(表1)。
西苕溪上游地区(老石坎水库站与赋石水库站之和)多年平均年径流量在5.0亿m3左右,中游(横塘村站)为10.22亿m3,下游(港口站)14.22亿m3,可知西苕溪水资源分布比较均匀,上、中、下游产流量基本相等,上游略多。为计算不同保证率下径流量大小,设计保证率20%(丰水年),50%(平水年),75%(偏枯年)和95%(枯水年)4个频率,各保证率下的径流量及其出现的典型年具体见表1。可知,西苕溪径流量年际变化较大,枯水年径流量仅相当于多年平均的一半左右。
3.1.2 径流量年际变化幅度
通过计算径流量时间序列的变差系数Cv和偏态系数Cs,判断各站点年际径流量变动幅度和不同径流量出现的概率。表2为计算结果,从径流量年际波动看,变差系数值在0.30～0.38之间,均小于0.5,为轻度偏态;上下游变化为:上游和下游径流量年际波动大于中游,其中赋石水库年际变动幅度最大,变差系数达到0.383,老石坎水库站最小,仅0.305。
西苕溪上下游不同河段的大小径流量出现概率也有较大的差别。根据偏态系数Cs判断,全流域均为正偏态分布,说明流域出现小于平均流量的低流量概率较高,概率从上游到下游依次减小,上游赋石水库偏态系数Cs达到59.2%,而下游的港口只有19.4%。
3.2 年际变化特征
采用Mann-Kendall法对1972-2008年西苕溪各水文站的年径流量、汛期径流量和非汛期径流量的变化趋势进行检验,检验结果见表3。从年径流量变化趋势看,1972年以来,西苕溪上游老石坎水库站和中游横塘村站呈现出显著的下降趋势,老石坎水库径流量年均下降1.8亿m3/a,占多年平均径流量的0.75%,横塘村年下降960万m3/a,占多年平均径流量的0.93%,赋石水库站和下游港口站则无显著变化;从汛期径流量变化趋势看,汛期径流量变化与年径流量变化一致,出现显著下降的站点仍然是老石坎水库和赋石水库,其他站点无明显的下降趋势;从非汛期径流变化看,所有站点的非汛期径流量均无显著变化。从径流倾斜率β可知,汛期径流量下降幅度较大,占年下降总量的78%～85%。因此,西苕溪年径流下降
注:*表示通过α=0.10的显著性检验,**表示通过α=0.05的显著性检验,“-”号表示“下降”。
主要是汛期变化引起的,非汛期径流量变化的M-K检验显示径流量变化不明显。
3.3 年代变化特征
表4为西苕溪主要水文站点年径流量年代变化情况。由表可知,20世纪70年代至80年代,西苕溪各水文站点径流量变化以上升为主,其中上游赋石水库站上升了26.7%,下游港口站上升了14.4%;从80年代开始,各站点径流量均出现显著下降趋势,尤其是2000-2008年下降最明显。相比于80年代,2000-2008年上游赋石水库和中游横塘村径流量下降了近40%,下游港口站下降幅度稍低,但也达到26%。
注:1978年(特大枯水年)和1999年(特大丰水年)不参与运算。
3.4 年内变化特征
3.4.1 径流的年内分配
西苕溪流域属亚热带季风气候区,为降雨补给性河流,径流量季节变化显著。与南方地区其他河流一样,受季风气候影响,西苕溪一年出现一次汛期,且径流量主要集中于汛期。以赋石水库站为例,1972-2008年赋石水库汛期平均径流量占年径流量的77.09%。图1为西苕溪径流多年平均日分配情况。径流量一般从2月初开始逐渐升高,4月份进入汛期,在7月份出现峰值(7月1日左右达到最大值),最高流量达到152.09 m3/s(港口站),然后不断下降,最低流量出现在12月中旬左右,为16.07 m3/s(港口站)。上下游年内分配特征相似,径流量变化总体呈现出“山峰状”曲线。
3.4.2 径流的年内分配变化
汛期径流量是西苕溪径流量的主要组成,比例为60%～90%,但汛期径流量占年径流的比例年际变化较大。Mann-Kendall显著性检验表明,在α显著性水平0.05和0.10上,1972-2008年各水文站汛期径流比例均无显著变化趋势,由此可知20世纪70年代以来西苕溪径流量汛期分配未发生明显改变(表5)。
4 原因分析
以上3.3节的径流量的年代分析表明20世纪80年代以来,西苕溪的径流量出现显著的下降趋势。为了进一步分析导致径流量减少的因素,以下从流域的自然气候变化和人类活动两个角度来研究导致径流量减少的原因。
4.1 人类活动
人类活动主要是通过生产生活取水、水库调节、对流域下垫面条件的改变等对河川径流量的产生影响。其中,下垫面条件的变化会对流域产汇流过程产生影响,使降雨-径流曲线发生偏离。因此,为了定量分析人类活动对径流量的影响,首先进行降雨-径流一致性分析,将整个时间系列划分为参考期和影响期,在参考期假定人类活动未对下垫面造成影响,而影响期为下垫面受人类影响活动显著影响后的时期。根据参考期降雨-径流回归方程,用影响期的降雨量计算出回归径流量,即下垫面未发生显著变化时的径流量,回归径流量与实测径流量之差可以认为是人类活动对径流量的影响[10]。
以西苕溪下游水文站港口站为例,分析人类活动对西苕溪径流量影响,首先划分参考期与影响期。西苕溪在20世纪70年代分别于上游兴建了赋石水库和老石坎水库两座大型水库,根据水库建设时间,本研究以1974年为界,将1955-2008年系列划分为1955-1974年(参考期)和1975-2008年(影响期)2个阶段,分别进行降雨—径流相关性分析,得到不同时期的降雨-径流线性回归方程。F检验表明在α显著性水平0.01上,降雨与径流线性关系显著,判定系数达到0.9以上,回归方程见公式(1)和公式(2)。
参考期降雨-径流回归方程:
影响期降雨-径流回归方程:
式中:x为降雨量,亿m3;y为天然径流量,亿m3。
降雨-径流一致性分析见图2,从图2可知,1955-1974年降雨-径流曲线与1975-2008年不重合,说明下垫面变化对径流有较大的影响。根据参考期的降雨-径流回归方程(公式1),采用1975-2008年降雨量数据,可计算出未受人类活动影响的1975-2008年的天然径流量,即回归径流量,与实测径流量比较,可得出人类活动对径流量的影响量,计算结果见表6。从表中数据变化可知,1972-2008年由人类活动造成的径流量下降为0.211亿m3/a,占港口站多年平均天然径流量的1%,总体影响较小。从年代变化看,20世纪80年代以来,由人类活动造成的径流量的下降量不断减小,从80年代的0.388亿m3下降到2000-2008年的0.088亿m3,减少了77%,说明近年来西苕溪流域的生态环境保护较好。中上游的安吉县作为国家级生态示范区,近年来在水土保持、植被恢复方面做了大量工作,使西苕溪生态环境得到良好恢复与保护。
注:“-”号表示减少。
4.2 气候变化
西苕溪是降雨补给性河流,径流主要来源是降水,因此气候对径流量的影响主要考虑降雨量和蒸发量两个要素。由于水面蒸发量主要取决于温度、湿度、风速、日照等因素,而这些气候因素在特定的地理位置下,年际变化不大,因而水面蒸发量的年际变化也不大,故此处不考虑蒸发量变化对径流量的影响,仅研究降雨量变化的径流量效应。此外,国内相关研究也表明[10,11],影响降雨补给性河流径流量的气候因素主要是降雨。
从降雨量与径流量历年变化(图3)可知,西苕溪的降雨量与天然径流量变化具有良好的一致性,两者线性相关系数达到0.91,说明西苕溪下游港口站的径流量变化受降雨量影响显著。
为定量分析降雨量变化对径流量变化的影响,以20世纪80年代初(1980-1984年)的降雨量为比较基准,计算降雨量变化对径流量的影响,计算结果见表7。
注:径流量变化量采用基准期(1956-1974年)降雨-径流回归曲线推算。
以上分别分析了人类活动和降雨对径流量变化的影响,可知20世纪80年代以来西苕溪径流量的减少主要是由于降雨量减少导致。分析人类活动和气候变化对径流量下降的贡献可知(表8)。总体来看1980-2008年人类活动在径流量减少中贡献仅占10%,而降雨则占90%。由于降雨量的减少和环境保护工作的推进,人类活动对径流量减少的贡献不断下降,从20世纪80年代的50%降低到2000-2008年的2%。
5 结果与讨论
(1)径流量年际分析表明1972-2008年西苕溪上游(老石坎水库)和中游径流量有显著下降趋势,赋石水库和下游港口站变化不明显。
(2)西苕溪径流量年代变化显著,20世纪80年代以来,西苕溪径流量有显著的下降趋势。其中,2000年以来径流量下降更加显著,2000-2008年径流量较20世纪80年代下降26%～40%。
(3)汛期径流量是西苕溪年径流量的主要组成部分,占年径流量的60%～90%,也是年径流量下降的主要原因,中下游汛期径流量下降幅度甚至高于年径流量下降值;非汛期径流量无明显变化趋势。
(4)导致径流量下降的原因主要是降雨量和人类活动。定量分析表明,1980-2008年径流量下降的主要原因是降雨量变化,约占90%,人类活动对径流量的影响仅占10%,人类活动影响有不断下降的趋势。说明西苕溪的受人为干扰较小,自然性保持较好。
本文使用了水文变化趋势检验中常用的Mann-Kendall法对西苕溪近30年来的径流变化趋势进行了分析,水文序列满足方法要求,分析结果合理。但由于径流量存在年际丰枯变化,对计算结果会造成一定影响,因此,如何消除丰枯变化对径流趋势判断的影响将是今后水文趋势分析的重要研究内容之一。
摘要：西苕溪是太湖的主要入湖河流之一,也是流域主要的水源地,对支持太湖地区的经济社会发展具有重要意义。根据径流量时间序列资料,分析了西苕溪径流特征值,应用Mann-Kendall法分析了径流量的变化趋势,并定量分析了人类活动和气候变化两个要素对径流量变化的影响。结果表明:西苕溪径流量年际、年内变化较大,年际变差系数Cv最大达到0.38;径流量以汛期径流为主,汛期径流比例占全年最高达到90%;M-K趋势检验结果显示1972年以来,西苕溪上游和中游径流量有显著的下降的趋势,下降主要集中于汛期,非汛期径流变化不显著,年代分析则表明1980年以来径流量下降显著;在径流量的年内分配方面,汛期径流量所占比例有下降趋势。最后,分析了影响西苕溪径流变化的主要因素,发现降雨量的变化是西苕溪径流量减少的主要影响因素,1980-2008年降雨量变化对径流量减少贡献率占90%。
关键词：径流量,径流特征,趋势分析,Mann-Kendall检验,西苕溪
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气温变化与径流的相关性分析论文 篇4
降雨、气温变化对径流的影响分析
天然状态下，气温-降水量双累积曲线以及降雨-径流双累积曲线应该是一条直线。但近些年，人类对河流的影响剧烈，建坝拦水，由于人类活动对水文系列的干扰，大量的河道引水减小了河道的径流，许多流域不再是天然状态[6]。由于水源地气候、下垫面条件及人为因素的影响，改变了径流产生模式、水文事件发生的时间、频率和流量，气温和降水的微小变化能够引起径流的显著变化。渭河宝鸡市区段修建有林家村水文站，本文利用渭河林家村水文站的`气温、降水、径流量等长系列资料，通过该站的降雨径流双累积曲线[7]以及气温径流量双累积曲线，分析年径流序列随时间变化特征及趋势持续性，探讨影响渭河径流量变化的主要因素。近55年来宝鸡峡气温-降水量做累积曲线如图4所示，可见气温和降水量的累积量呈明显正相关，且相关系数高达99.97%，可以很好的说明气温和降水量是正向相关。林家村站降雨-径流双累积曲线见图5。降雨变化对渭河宝鸡段年径流量的影响存在两个突变点，分别是1971年和1993年。第一个突变点的原因比较明显，主要因素是宝鸡峡引渭工程引渭所致。宝鸡峡引渭工程于1971年7月15日通水，水源以渭河径流为主，引水流量95m3/s[8]。宝鸡峡灌区是陕西省“第一大粮仓”，是全国十大灌区之一。宝鸡峡引渭工程是解决宝鸡峡灌区乃至关中西部水源不足的一项跨世纪重点水利工程，但此项工程在林家村上游的引水直接导致了渭河宝鸡段年径流量的减少。第二个突变点为1993年，目前没有很好的证据证明径流突变的原因。同样采用气温-径流双累积曲线法作图见图6。气温变化对渭河宝鸡段年径流量的影响存在三个突变点，分别是1971年、1993年和2003年。前两个突变点原因如前。第三个突变点2003年原因分析为宝鸡峡渠首加坝加闸工程对渭河水量的引水和调蓄。该工程于2003年完工，在宝鸡峡引渭灌溉渠首低坝的基础上加坝加闸，以增加库容进行蓄水，主要解决宝鸡峡塬上179.3万亩的灌溉缺水，并结合灌溉进行发电。宝鸡峡渠首加坝加闸工程水库正常蓄水位636m，总库容5000万m3，有效库容3800万m3。工程设计最大引水流量65m3/s。
宝鸡峡引水对渭河宝鸡段径流量的影响分析
虽然降雨、气温等气候变化与径流量存在很好的相关性，但是突变点分析说明宝鸡峡引渭工程以及加坝加闸也是造成渭河宝鸡段径流量变化的主要原因，因此有必要分析宝鸡峡引水对渭河径流量的影响。按照突变点1971年、2003年将径流系列一分为三，并进行统计分析并计算引水对径流量的影响程度，见表2。宝鸡峡引水对渭河径流量的影响程度为27.2%，而加坝加闸工程对渭河径流量的影响程度为23%(扣除时段内宝鸡峡引水对渭河径流量的影响程度)。参照引水对径流量的影响程度计算方法，气候变化对渭河径流量的影响程度为10.2%(扣除时段内宝鸡峡引水对渭河径流量的影响程度)。由此可见宝鸡峡引水对渭河宝鸡段年径流量的影响最大，气候变化则是人为因素外对渭河宝鸡段年径流量影响最大的因素。
结果与讨论
近二十年以来，渭河宝鸡段河道生态基流得不到有效保障。分析降水变化及气温变化对渭河径流量的影响，采用相关系数法计算分析，得到降水与径流的正相关性较好，即降雨与径流之间存在同增同减的趋势;得到气温与径流的负相关，即气温与径流之间存在彼增此减的趋势。使用Mann-kendall趋势分析及突变点分析，认为1971年是重要突变点，主要原因是林家村渠首引水所致。2003年突变点的原因分析为宝鸡峡渠首加坝加闸工程对渭河水量的引水和调蓄。人为影响导致渭河宝鸡段年径流量减少最为明显，气候变化则是人为影响之外对渭河宝鸡段年径流量影响最大的因素。
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径流量变化趋势 篇5
关键词：潮河流域,径流量,气候变化,混合回归模型
近百年来全球气候系统正经历一次以变暖为主要特征的显著变化, 这种大幅度的气候变暖将加速全球水文循环, 驱动降水量、蒸发量等水文要素的变化, 从而改变区域水量平衡, 影响区域水资源的分布[1,2,3]。20世纪80年代以来, 许多气候学家对全球气候变化作了不少研究, 指出在过去100年里, 全球平均温度上升了0.3～0.6 ℃[4,5]。随着温度的升高, 气候变暖, 水循环加剧, 导致降水、河川地表径流和洪水的增多。气温和降水量是影响径流的主要气候因子, 气候变化主要通过温度和降水的变化对区域地表径流过程产生直接影响。近年来, 有关流域径流量变化及其影响因子的分析研究已有很多[6,7,8,9,10], 本文在统计分析潮河流域近45年来气温、降水变化特点的基础上, 探讨了潮河流域戴营水文站径流量对气温、降水变化的敏感性, 以及气候变化对天然径流量的影响。
1流域资料
潮河流域位于东经116°～118°、北纬40°～42°, 发源于河北省承德地区丰宁县上黄旗哈拉海沟分水岭, 流域面积4 787 km2, 河长约170 km, 流域高程为200～2 194 m, 平均高程851 m, 平均纵坡为0.84%, 流经丰宁、滦平与潮白河水系的另一条支流安道木河汇合后流入密云水库。
戴营水文站是潮河流域的控制水文站, 控制断面以上集水面积4 701 km2, 占潮河河北省总面积 (4 706 km2) 的99.9%。本区域属温带大陆性季风型气候, 具有冬季漫长寒冷干燥, 夏季炎热多雨, 昼夜温差大, 大风天数多, 日照时数长等特点, 属半湿润半干旱地区。年平均气温5～8 ℃, 极端最高气温41.5 ℃, 极端最低气温-29.5 ℃。区域多年平均降水量528 mm, 降水量年际变化较大, 最大年降水量为最小年降水量的2.3倍;降水量年内分配极不均匀, 年降水量的70%～80%集中在汛期6-9月份。多年平均蒸发能力916 mm, 干旱指数为1.73, 多年平均径流量1.804亿m3, 多年平均径流深74.7 mm。因此为充分体现径流量对降水量等气候因子的敏感性响应, 本文选用了1956-2000年潮河流域戴营水文站逐年、月径流量及气温、降水资料进行分析。
本文从气温、降水量变化趋势来分析气候变化对径流变化的影响。为了对气温、降水和径流量3种不同数据进行比较以及进行相关性分析, 首先要对数据做标准化处理, 消除数据单位和量纲的差异[11,12]。本文用标准化 (K-1) /CV来表示气温、降水量和径流量的多年变化情况, 变差系数:
式中:Xi为第i年的气温、降水量或径流量;
2近45年气候变化特点
2.1气温变化
戴营站年平均气温为4.7～8.2 ℃, 结合戴营水文站控制流域年平均气温距平演变曲线 (图1) 不难看出, 20世纪50～70年代区域平均气温较常年平均偏低, 80年代中期以来年均气温呈升高趋势, 尤其是1994年以来增温显著, 年平均气温较前期 (1956-1993年) 升高1.5 ℃。图2为戴营站年平均气温变化趋势。从图2中可以看出, 戴营站近45年的气温年际波动较大, 总体呈上升趋势, 其线性增长率为0.38 ℃/ (10 a) 。
2.2降水变化
戴营站年平均降水量为289.5～704.7 mm, 结合戴营水文站控制流域年降水量距平演变曲线 (图3) 不难看出, 降水量变化趋势大体上与气温相反, 50～60年代偏多, 70年代以来降水量偏少。图4为戴营站年平均降水量变化趋势图。从图4中可以看出, 戴营站近45年的降水量年际波动较大, 总体呈下降趋势, 其线性下降率为17.1 mm/ (10 a) 。
3戴营站天然径流量变化及其影响分析
3.1径流量变化
戴营水文站径流量历年平均为2.84亿m3, 结合戴营水文站控制流域年径流量距平演变曲线和变化曲线 (图5和图6) 可以看出, 近45年来, 戴营水文站年平均流量在年际间的波动当中呈现出下降趋势, 其气候倾向率达0.37 m3/[s· (10 a) ]。
3.2降水变化对径流的影响
图7给出了标准化处理后的戴营水文站年流量和年降水量的变化曲线。可以看出, 年径流量与年降水量的年际变化有着很好的一致性, 两者的波动起伏对应关系良好, 在45年当中, 两者的 (K-1) /CV正、负值一致的年份有33年, 一致率达73%。降水量与径流量的相关分析表明 (表1) , 年降水量和年径流量的相关系数达到0.75。因此, 可以认为降水量是影响戴营站径流量的最主要的因子。为进一步说明降水量对径流量的影响, 表1列出了四季、汛期、非汛期及年降水量和径流量的相关关系。由此可知:四季降水中夏季降水量与径流量的关系最为显著, 同时四季径流量当中夏季径流量与降水量相关关系更为显著, 说明夏季降水量的多少在很大程度上决定着流量的丰枯, 而夏季径流量对降水量的响应最为敏感。这一关系与径流量和降水量的变化情况也恰好是吻合的, 即降水量的增加以夏季最为显著, 而径流量的增加则以夏季径流量的增幅最大, 因此夏季降水量的增加与夏季径流量的增加之间的关系十分显著, 而夏季流量的增加最终决定了年径流量的增加。
3.3气温变化对径流的影响
表2列出了各月气温和流量的相关关系, 可见在1、2、3、12月份等降水量较少的月份, 气温和流量的同期相关关系较为显著, 4、6、11月份等降水量和同期流量具有较为显著的负相关关系, 1月和12月径流和气温关系可能与近几十年来的冬季升温有关。
4径流量对气候变化的敏感性分析
4.1天然径流量计算公式建立
戴营水文站年径流量的形成受到气候变化的影响, 即年径流量与气候因素, 如同期气温、降水或前期气温、降水等存在密切相关关系;另外, 由于年径流的相依性, 年径流量自身也存在相关关系。因此, 戴营水文站年径流形成系统, 可以看作是一个多 (因素) 输入、单 (径流) 输出系统。以戴营站1956-1992年前37年年径流量、降水量和气温为输入因子, 建立混合回归预测模型如下[13]:
式中:Qt为戴营站天然年径流量;Qt-1, Qt-2为上2年年径流量;Pt为同期年降水量;Pt-1为上年年降水量;Tt为同期年均气温;Tt-1为上年年均气温。
1956-1992年率定期和1993-2000年检验期的年径流量模拟结果表明, 天然径流量计算值与实际值拟合效果甚好, 两者变化趋势基本一致, 模型率定期实测径流与模拟径流的线性回归系数为0.80, 模型检验期实测径流与模拟径流的线性回归系数为0.82, 说明由式 (1) 计算分析径流对气候变化的敏感性具有较高的可信度。
4.2径流量对气候变化敏感性分析
为了更好地为各种水利工程和国民经济建设提供可靠的水文设计数据, 本文研究了在全球气候变化情况下戴营站未来年径流量的变化情况。在模型率定、验证的基础上, 根据近几十年来的气候变化趋势, 同时为了更加明确地分析降水和气温变化对径流的影响, 采用Scenario方法, 假定气候因素中的降水和气温独立变化, 设定了15种情景方案。分别将1956-2000年的气温变化±1 ℃或不变, 降水量变化±10%或不变, 根据上述线性混合回归模型预测1958-2000年的年径流量, 将得出的15种情景方案结果与变化前相比较, 得到下面的结果。戴营站样本 (1958-2000年) 多年平均径流量为2.73亿m3。
从不同方案下的预测结果可以看出:随着气温的变化, 年径流有不同比例的增减, 气温增加, 年径流减少;气温降低, 年径流增加。这是由于气温的增加使得流域内的实际蒸发量加大, 在总来水量不变的情况下, 径流量趋于减少。降水量的增减也不同程度地影响年径流量的变化, 降水量增加, 年径流量相应增加;反之, 降水量减少, 年径流量减少, 且径流变化比例大于降水量变化比例。这是由于降水量的增大, 在水循环过程中增加了流域的来水量, 从而增加了径流量。在气温不变时, 降水量每年增大10%, 径流量增大25.64%;降水量减少10%时, 径流减少24.53%。降水不变时, 温度升高2 ℃, 径流分别减少4.13%;温度升高1 ℃, 径流分别减少1.79%;温度降低1 ℃, 径流增大2.89%;温度降低2 ℃, 径流增大5.23%。在温度和降水均不发生变化的情况下, 多年平均径流量增加0.55%。
运用混合回归模型预测各种气候变化方案下径流的长期演化情况, 对于水资源的变化研究有着重要的实用价值。
径流量变化趋势 篇6
1 希尔伯特—黄变换
1.1 经验模态分解方法
经验模态分解方法的思想是对信号逐步进行分解, 提取出固有模态函数 (IMF) , 其实质则是一个筛分的过程。下面简要介绍一下IMF的计算步骤。
找出原时间序列x (t) 的各局部极值。极大 (小) 值定义为时间序列中某时刻的值, 其前后相邻的时刻值都比它小 (大) 。然后用3次样条函数进行插值, 得到原时间序列x (t) 的上包络线序列值xmax (t) 和下包络线序列值xmin (t) 。
求每个时刻xmax (t) 和xmin (t) 的瞬时平均值m (t) :
用原序列x (t) 减去瞬时平均值m (t) , 得到新数据系列:
求得的h (t) 如果满足在整个数据范围内极值点和过零点的数目相等或至多差一个, 且各个瞬时平均值为零, 那么h (t) 是IMF分量。否则把h (t) 当作原序列, 重复以上步骤, 直到满足上面2个要求, 求出固有模态函数为止。
在求出第1个固有模态函数I1 (t) 后, 也即从原序列中分解出了第1个分量。然后, 用原序列减去I1 (t) , 得到剩余值序列r1 (t) :
至此, 第1个固有模态函数的提取过程全部完成。然后, 把r1 (t) 作为一个新的原序列, 按照以上步骤, 依次提取第2, 第3……, 直至第n个固有模态函数In (t) 。最终, rn (t) 变成一个单调序列, 再没有固有模态函数被提取出来。
最后, 把分解后的各分量合并, 就得到原序列x (t) :
这样, 就把一个数据分解成为固有模态函数组和残余量之和。
1.2 Hilbe rt变换和Hilbe rt谱
通过EMD, 可以获得多个固有模态函数 (IMF) 的组合, 这样就可以对这些IMF分量进行Hilbert变换, 得到每个IMF分量的瞬时频率, 进而得到Hilbert谱。Hilbert变换是一种线性变换, 代表线性系统。如果输入信号是平稳的, 那么输出信号也应该是平稳的。下面对固有模态函数y (t) 进行Hibert变换:
式中:p——取积分的主值。
解析信号z (t) 可定义如下:
其中,
在此基础上, 可以把瞬时频率w (t) 定义为:
通过上式定义的瞬时频率是时间的单值函数, 在任何时间里有唯一确定的瞬时频率。为了使瞬时频率具有实际意义, 必须满足在任何信号经变换分解后, 得到的各个组的相位函数和瞬时频率等于正数或零。
2 端点效应
端点效应是存在于EMD分解过程中的一个非常棘手的问题。所谓端点效应, 是指在求取固有模态函数的筛分过程中, 当用3次样条函数拟合原时间序列的上下包络线时, 不能保证数据两端点就是极值点, 从而拟合得到的包络线在端点附近会偏离原信号的实际包络线, 使得分解出的固有模态函数失去实际的物理意义。所以, 只有对端点效应进行抑制, 才能保证经验模态分解的质量。在信号的高频分量, 由于时间尺度小, 极值间的间距小, 端部的边缘效应仅局限在两端很小的部分。但对于低频分量, 时间尺度大, 极值间的距离大, 端部的边缘效应就传播到信号的内部, 如果原始信号数据序列比较短时, 会严重影响EMD分解的质量, 使得分解出的IMF分量无实际物理意义。为了改善边界效应, 选用极值点对称延拓法来进行抑制。
该法分为2步:
第1步, 对原信号y (t) , 以端点为对称点向外对称加极值点。对长度为N的离散信号序列:Y (j) , T (j) =j, j=1, 2, 3, …, N;其极小值序列为:S (j) , Ts (j) , j=1, 2, 3, …, Ns, 其中S (j) =Y (Ts (j) ) ;其极大值序列为:M (j) , Tm (j) , j=1, 2, 3, …, Nm, 其中M (j) =Y (Tm (j) ) 。在原数据端点处, 以端点为对称点, 向外对称延伸Nc个周期的极值点。
第2步, 考虑端点是否作为极值点插入极值点序列。以近端点的极值点值作为判断的基准。前端点Y (1) , 当Y (1) ≥M (1) 时, Y (1) 作为极大值点;当S (1)
采用黄河上游贵德站1920年—2003年的年径流量资料, 对比分析了无端点处理的结果 (见图1) 和用极值点对称延拓法处理的结果 (见图2) 。
无端点抑制的EMD在两端处有发散现象, 导致上下包络线包络不完全。极值点对称延拓法较好地抑制了端点效应, 而且简单, 计算速度快, 占用存储空间小。但正如Huang所说, EMD分解过程中的端点效应可能是一个无法解决的问题, 我们能做的就是不断改进现有的方法, 争取能更好地抑制EMD的端点效应。
3 实例分析
采用1920年—2003年黄河上游贵德站的年径流量时序资料, 经Hilbert-Huang变换的结果表明, 黄河上游贵德站天然年径流序列分解见图3, 贵德站各阶IMF的时一频关系见图4, 天然年径流量时序可以分解为4个固有模态函数和1个单调递减的趋势项。天然年径流量时序的一阶IMF分量与原始序列相比有较好的一致性, 基本上可以反映序列的主要变化成分, 而且一阶IMF分量的频率变化最高。随着IMF阶次的递增, 以后各阶IMF分量的频率变化逐步降低, 波形也比原序列简单、规整, 非平稳性减弱。可以说明EMD方法的一阶固有模态函数包含了原始序列的主要信息, 对序列的影响相对较大, 而随着分解过程的逐步进行, 以后各阶IMF分量对序列的影响逐渐减弱。最后分解得到的趋势项是单调递减的, 表明自20世纪20年代至21世纪初, 贵德站的天然年径流量的变化总体呈下降趋势。
天然年径流量时序各阶IMF分量的中心频率依次为0.3922/年、0.1915/年、0.075/年和0.0218/年, 平均周期分别为2.55年、5.22年、13.33年和45.87年。频率表现为依次减小, 周期则由短变长。随着IMF分量阶次的递减, 频率也逐渐减小。从图4可以看出, 年径流量各阶IMF的波动能量基本上集中在0~0.2的频率内, 也就是5.22~45.87年的波动是贵德站年径流量变化的重要模式。
4 结论
罗定江流域径流变化分析 篇7
罗定江是西江下游一级支流, 从发源地到下游控制站官良水文站, 控制集水面积3164 km2, 河长135 km。流域内有罗定、郁南、云安等县市。气候变化和人类活动对水文情势的影响随着问题的突出也越来越得到关注, 尤其是人类活动的影响, 通过对该流域径流变化分析, 探索影响径流变化的主要因素。
1 流域基本概况
1.1 自然地理
罗定江 (又名南江) 系西江右岸一级支流, 发源于茂名市信宜县鸡笼山。从信宜流入境内罗定县, 流经罗定城区, 再郁南县的南江口镇汇入西江。流域集水面积为4493km2, 境内面积为3701.7 km2, 占总面积的82.4%。河流全长201km。河床平均比降为0.867‰, 总落差174.3m。流域内100 km2以上支流共15条。
流域的东、南、西三面有山环绕, 东有大紺山、云雾山。东南有八排顶。西南有亚婆髺、龙须顶。西有大苍顶。流域中部为丘陵盆地。流域是一个三面闭合倾斜的小盆地, 汇水条件较好, 但储水性差, 加上盆地并非同一岩体闭合, 断层裂隙纵横发育, 闭合程度较差, 中游为剥蚀地貌, 以干旱贫瘠的砂质红土丘陵及台地地貌为主, 也有部分冲积阶地和岩溶峰林, 红土丘陵台地占比重较大, 透水性较好, 地下水位较低, 故流域大部分坡面上野草灌木难以生长, 水土流失非常严重, 是满目黄土旱丘华南少有的下垫面状况
1.2 水利工程概况
随着社会的发展、人类活动的增强, 在流域内修建蓄水、引水等水利工程。流域内中型水库有6宗, 小型水库115宗, 水库控制面积1217km2, 占流域面积的27.1%, 且干流河道设有多个水电站。
1.3 测站概况
罗定江干流设有2个基本水文站, 上游罗定古榄站建于1958年, 集雨面积936km2, 1983年1月停测流量, 2005年恢复测流。下游官良站建于1958年, 集水面积3164km2, 至河口距离66km, 是罗定江流域控制水文站。全流域共设有17个雨量站, 其中有15个有35年资料, 7个有50年资料。站网分布及流域水系图如图1.
2 流域降水分析
流域内, 降水是径流的唯一补给源, 降水的分布、变化直接影响到径流的分布及其变化。为了保证资料的代表性和可靠性, 选取流域内观测年限在50年以上的7个雨量站资料进行分析, 资料系列从1961~2010年, 对个别资料不全的站点作适当插补。
2.1 流域年降水分布
流域内自上而下分布着加益、罗定古榄、官良站, 选用加益、罗定古榄、官良站作为代表站, 点绘降水对照图, 如图2所示, 降水对照关系非常好, 从图2中可以看出, 上游站降水量大于下游站, 这主要是上游在汛期受台风影响, 是流域降雨量高值区, 下游则主要受季候风影响, 是流域的低值区, 也是西江中下游降雨的低值区之一。加益多年平均降水量1629.1mm, 罗定古榄以上流域平均降水量1541.7mm, 全流域平均降雨量1423.0mm, 说明降水自上游向下游递减。
2.2 降水量年内及年际变化
流域内降水量受季节性影响, 年内分配很不均匀, 流域多年平均降水量1423.0 mm, 降水主要集中在汛期, 4~9月降水量1128.0 mm, 占全年降水的79.3%;汛期降水分布也相差较大, 最大月降水量766.4mm, 占该年降水量的38.3%, 降水年内分配不均导致流域水资源利用较难, 经常洪涝灾害和旱灾同时发生, 对生产和生活造成较大影响。年际变化大也是本流域的降水显著特点, 流域内年最大降水量2958.4 mm, 最小474.8 mm, 相差2483.6 mm, 年最大降水量是年最小的6倍。
2.3 降水近年变化形式
用每5年为统计系列, 计算年降水量和月降水量。从表1可以看出, 年降水量没有表现出明显变化趋势, 仍然在多年平均值附近摆动;在年内分配方面, 汛期降水所占比重也没有明显变化趋势;降水量基本没有发生变化。
3. 年径流系列分析
3.1 年径流的年际变化
根据官良站, 1961~~2010年径流资料统计, 多年平均径流量为26.92亿m3, 最大年径流量43.50亿m3, 最小年径流量11.14亿m3, 最大年径流量约是最小年径流量的4倍, 径流的年际变化很大。通过模比差积曲线来反映年际间的丰、枯水变化情况, 当一段时间内差积曲线总的趋势是下降的, 说明此时段是枯水期, 当一段时间内差积曲线总的趋势是上升的说明此时段是丰水期。计算公式为:
式中Ki为第i年径流量的模比差积系数Ri为第i年径流量R0为多年平均年径流量C为模比差积系数差值的代数和。
由年径流量模比差积曲线图可以看出, 年径流丰枯变化频繁, 丰枯交替出现, 多以3~5年为一个变化周期, 最长的丰水年组为1981~1986年, 平均径流量为35.13亿m3, 大于多年平均径流量26.92亿m3。最长的枯水年组1987~1993年, 平均径流量为23.7亿m3。
从上图可以看出, 径流变化和降雨基本一致, 径流分布和变化主要取决于降水的分布和变化。
3.2 年径流的年内分配
径流的年内分配和降水量的年内分配一致, 径流量在年内主要集中在汛期。5~9月的径流最大, 1月~3月最小, 径流在年内的分配极不均匀, 4~10月占全年径流量的76.1%。其中8月、9月、10月主要是受台风雨影响, 大洪水也多发生在8~10月。多年平均月径流量柱状图如图5所示。
由于流域70年代以前人类活动基本处于无影响状态, 采用61~65, 66~70年系列均值作为分析的基准, 76~80、86~90、96~00偏少, 其余则偏多, 71~75、81~85、91~95、01~05、06~10分别比基准偏多22.2%、45.1%、14.4%、4.1%、31.2%, 说明实测径流有缓慢上升的趋势。但是从图6可以看出汛期径流占年径流的比重呈现偏少的趋势, 这主要是由于流域兴建众多水库, 在汛期拦蓄洪水, 对径流进行调节的原因。
3.3 年径流的变化趋势
以5年为时段, 统计不同系列年平均径流量和各月径流量。见表2。
表2各系列月径流量和年径流量对照表
3.4 人类活动对径流的影响
随着社会的发展, 人类活动的增强, 罗定江流域发生了一定程度的变异。近二、三十年来, 流域内经济发展迅速, 城市建设加快, 使得地面不透水面积增加, 同时, 流域内水土流失严重。北江上游广大农村人民生活能源主要是薪柴、草秆, 随着人口的增长, 生活能源矛盾日益尖锐, 造成过量樵采砍伐植被, 同时, 不合理地垦殖土地, 粗放地进行坡地耕种, 以及缺乏完善措施的采矿、修路等工程, 都加剧了水土流失。同时人类活动的影响, 流域内的植被遭到了破坏, 而植被的破环减小了由于植物蒸腾而造成的水分损失, 增加了流域的径流量。同时由于众多水库工程兴建, 水库在汛期拦蓄洪水, 对径流进行调节, 使得近二三十年汛期径流占年径流的比重有所下降。
4 结语
根据罗定江流域降水资料及控制站官良水文站流量资料分析说明, 降水是影响本流域径流变化的主要原因, 径流的分布和变化决于降水的分布和变化, 径流年内主要集中在4~10月份, 后汛期洪水主要是台风雨造成, 但年际变化较大。近50年来, 流域内降水量基本没有发生变化, 而径流量呈缓慢上升趋势, 主要是由于人类活动导致植被改变、水土流失、城镇化等造成的下垫面条件变化, 使得地表及树木的水分蒸发和蒸腾作用相应减弱, 引起流域内径流增加。同时由于水库对径流的调节作用, 汛期径流占年径流的比重有所下降
摘要：采用罗定江流域50年 (1961-2010年) 的降水量资料及主要控制水文站官良站流量资料为基础对降水、径流的年内分配、年际变化及近年来的变化趋势进行分析, 发现降雨系列基本变化不大, 人类活动对土地利用结构的变化是间接造成径流增加的原因, 水库对径流的调节作用是汛期径流占年径流有所下降的主要原因。
关键词：径流变化,影响因素,人类活动
参考文献
[1]珠江流域水文资料第2册[R].北京:水利部水文局.
径流量变化趋势 篇8
关键词：丰枯指数,阿克苏河源流区,径流量,相关性
0 引言
一般而言,大气降水、温度与蒸发等因素都会对河流径流量产生一定的影响,而在内陆地区,由于河流的径流补给主要是依靠降水和高山冰雪融水,因此,降水量的丰枯变化往往会引起河流径流量的大幅度变化。研究降水量和径流量在时间尺度上的关系,对于认识河流的水文演变有着重要作用。从地理位置上来看,阿克苏河地处中国西北内陆地区,地理位置为40°17′—42°27′N,75°35′—8°59′E,属于典型的暖温带干旱气候区。从河流的流域来看,阿克苏河主要由托什干河及昆马力克河2条河流汇合而成,其主干流总长达到132 km,是塔里木河的主要源流之一。因此阿克苏河可以说是中国内陆干旱区河流的典型代表,对其径流量与降水量进行分析研究对中国的水文演变认知具有重要的积极意义。
1 阿克苏河源流补给状况
阿克苏河的源流山区随着海拔的上升,四季的区别愈加大小,海拔高度1 600 m~2 100 m的源流山区仅有1个月是处于夏季;海拔高度2 100 m以上的源流山区已没有了明显的四季之分;海拔4 200 m以上的源流山区基本上常年处于0℃以下。而降水量则出现随海拔的增加而增加的特点,目前在海拔2 500 m左右降水量最大,山区土壤植被垂直分异特征较为明显,具体为:1 800 m以下地区为温带灌木荒漠-棕漠土带;1 800 m~2 700 m之间地区为温带小半灌木荒漠-棕钙土带;2 700 m~3 800 m地区为亚高山、高山草原和草甸带;再往上就是高山垫状植被-高山原始土带与积雪带。而阿克苏河的两大支流托什干河及昆马力克河的具体冰川覆盖状况如表1所示。在两大支流的出口处都建有水文站来观测径流量和降水量的变化,其中托什干河出口处的水文站沙里桂兰克近30 a(1987年—2013年)监测的年平均径流量约为28.30×108m3,径流量的变化系数为0.21,而昆马力克河出口处的协合拉水文站监测近30 a(1987年—2013年)的年平均径流量为48.93×108m3,径流量的变化系数为0.16,两大支流的径流补给组成如表2所示。
2 研究方法
根据塔里木河流域管理局提供的阿克苏河源流区两大支流托什干河及昆马力克河近30 a(1987年—2013年)的径流资料和降水资料,采用径流量丰枯的Z指数法、小波交叉与交叉小波谱、参数检验与非参数检验等方法对两种的相关性进行了研究,具体方法如下。
2.1 径流量丰枯的z指数法
z指数法一直都是国家气象部门划分气候性干旱、洪涝灾害等级的主要方法之一,实践证明,该方法对于预测全国范围或者局部范围内的干旱洪涝灾害的发展频率是有着积极意义的。因此,认为采用z指数法来对阿克苏河源流的径流量和降水量丰枯相关性进行分析也是可行的,其中公式如下:
式(1)中,z为丰枯指数;zi为区域内各站z指标;n为区域内总站数。
根据z变量的正态曲线分布,可将丰枯状况划分为5个等级,如表3所示。
2.2 小波变换与交叉小波谱
小波变换通常是把被称为基本小波的函数位移,然后在不同的尺度域下对待分析信号做内积,进而分析径流量与降水量之间的多时间尺度的变化特征和相关性。而交叉小波谱则是小波交换与交叉谱分析技术相结合的一种新产物,其能有效揭示出2个时间序列在多时间尺度上的相互关系。
2.3 参数检验与非参数检验
对径流量和降水量的丰枯指数检验有多种方式,其中经常使用的有参数检验如T检验,非参数检验如Mann-Kendall单调趋势检验和Mann-Whitney阶段转换检验,采取正确的检验方法对于分析时间尺度内径流量和降水量的变化趋势是有着积极影响的[1]。阿克苏河源流的检验结果如表4所示(小波系数指的是对一个给定信号进行小波变换,就是将该信号按某一小波函数簇展开,即将信号表示为一系列不同尺度和不同时移的小波函数的线性组合,其中每一项的系数称为小波系数)。
通过表4的检测结果可发现,参数T检验和MannKendall单调趋势检验都拒绝了H0假设,这就表明径流量的增加趋势比较明显。此外,如果利用z指数法,在近30 a托什干河及昆马力克河的水文站监测到的数据基础上计算其丰枯指数值的话,就可看到2条河流的径流量丰枯指数都存在不同程度的单调趋势变化,且在变化之前2条河流的径流量主要是以“偏旱”和“正常”为主,变化之后则是“正常”和“偏涝”。而采用小波变换和交叉小波谱的方法发现托什干河及昆马力克河径流量都存在一定的周期,其中托什干河的径流量变化周期为7 a左右,昆马力克河径流量的变化周期为6 a左右,从近30 a来的整体径流量来看,托什干河及昆马力克河的径流量的小波变换在整个时间序列上的变化并不十分稳定,例如托什干河径流量在1995年—2000年出现了明显变化,昆马力克河则在20世纪80年代后期和90年代中后期出现了明显变化。
3 结语
由于阿克苏河地处亚欧大陆的腹地,因此,一直以来其地表径流的补给都是以降水和高山冰川融水为主,这这种情况下,一旦降水量或气温出现波动,那么阿克苏河的径流量也会产生相应的变化。当然,阿克苏河的2条支流流经的环境有所区别,因此位于其中的2个水文站监测到的径流量和降水量并不完全一致。例如降水量增加并不意味着温度上升,如果在降水量增加的情况下出现了温度下降现象,那么本来应该因降水量而增加的径流量就会被温度下降抵消,径流量不会出现太大波动。表现为以降水量为主要径流补给源的托什干河径流量与降水量丰枯指数以正相关为主,而以冰川融水补给为主的昆马力克河则以负相关为主。
根据阿克苏河源流的降水特点与径流量特点,认为在未来10 a内,阿克苏河流域的径流量和降水量仍旧会处于偏丰期。而气候暖湿、降水量加大,径流量增加毫无疑问会对河流流域的农业生产和生态保护产生积极影响,但也需注意的是,全球气候的变暖必将会导致阿克苏河源流的冰川融水在大幅度增加之后会逐渐减少,从长远角度来说,这对于生态环境的保护和区域经济的可持续发展相当不利。
参考文献
流量仪表的发展趋势 篇9
市场评估
国外市场
据Flowresearch的网络调查, 近5年国际经济普遍不太景气的形势下, 流量仪表世界市场年均增长率 (CAGR) 仍达到了2.6%, 销售额从2002年的31亿美元增长到2007年的35亿美元, 其中传统仪表 (节流、容积、涡轮、转子流量计等) 为负增长, CAGR为-2.2%, 从2002年的16.43亿美元 (占总量53%) 降至2007年的15.05亿美元 (占43%) ;而新型仪表 (电磁、超声、科氏流量计等) 年增长率平均达6.2%, 自2002年的14.57亿美元增至2007年的20.19亿美元, 其中, 电磁、超声、科氏流量计的年增长率及销售额见表1。电磁流量计的CAGR不到2%, 因其基数已较大, 而且技术也较成熟。
该调查认为, 涡轮流量计在国际上许多国家常用于测气体或粘度较小的液体, 由于仪表中有转动件, 维护工作量大, 近5年的CAGR为-3.2%, 销售额从2002年的4.1亿美元下滑至2007年的3.48亿美元。专家认为, 超声近年来增长势头虽咄咄逼人, 但涡轮较超声便宜得多, 有价格优势;与节流装置相比, 量程比可达10:1, 且较准确, 在贸易结算上, 仍为中小客户乐于选用。容积式流量仪表为非速度型仪表, 安装无直管段要求, 准确度一般可达到±0.5%, 但较笨重。口径一般小于0.2m。近5年销售额自2002年的5.2亿美元降至2007年的4.52亿美元, CAGR为-2.7%。专家认为新型仪表在不少领域中取代传统仪表, 是一个总的发展趋势, 但过程将是漫长的。
(单位:亿美元)
国内市场
据统计, 2005年在国内自动化仪表市场中, 年销售流量仪表达23亿元人民币;压力变送器约18亿元 (其中约5亿元左右的差压变送器是与差压流量计配套的) ;温度仪表12亿元;物位、液位仪表10亿元。从流量仪表的类型来看, 由于节流装置较为笨重, 技术含量相对较低, 国外厂商基本未涉足这类产品的中国市场, 我国工程中选用这类仪表也主要立足于国内产品, 年销售量不少于20万台, 约6亿元人民币以上。
我国研制、开发流量仪表的力度与国外有较大差距, 多满足于仿制, 这个问题可以从仪器仪表知名展会MICONEX2006, 略见端倪。参加这次展会中外厂商共展出10余种原理的流量仪表共297台次, 按展出的频率数列于表2。从表2可知, 在所分类的16项中, 展出前6项展品的厂家共204家占总数69%, 说明它们是当前中外仪表厂家所关注的热点, 而其中科氏流量计, 国外参展有17家占总数68%, 国内仅8家, 是否说明对这种准确计量质量流量的仪表, 国内是否重视不足;而内锥流量计, 国内参展达30家占总数91%;国外仅3家, 国内市场又是否过热?
表2还反映了以下一些情况:
■电磁流量计仍是流量仪表中的热点, 居于首位。我国各大仪表厂 (上海光华、威尔泰、开封仪表, 重庆川仪) 都将其列为主要产品。据美国ARC咨询公司评估, 中国近年由于特别重视环境保护, 依靠上水/下水, 冶金、矿山、纸浆、制药业的高速发展, 今后5年, 电磁流量计在我国CAGR将达到10.7%, 预计从2003年的3.8亿增至2008年的6.4亿人民币。
■超声的优点较多, 既准确、压损又小, 特别适宜贵重流体的贸易计量, 国内外都较重视, 只是国内展品多为测液体的, 测气体的虽也有几家, 应用于现场、特别是用于贸易结算尚存在一些问题。
■热电式的展品也较多, 由于它可以测质量流量, 且灵敏度较高, 受到业内的重视, 但它的插入式形式只能测干燥, 纯洁的气体, 准确度也不是厂家所宣传的那么高, 距实用尚待时日。
发展趋势
结构日趋简洁、轻便
早期流量仪表为纯机械就地显示, 如容积式流量计。不仅结构复杂笨重, 重量/口径比很大;且其中的转动件因磨损需经常维修。随着工业管道口径日益增大, 插入式仪表以其结构简单、轻巧、拆装简便, 日益受到用户青睐, 而近十年发展最快的电磁、超声流量仪表, 管道中更是没有任何转动件、阻力件, 结构更为简洁, 且压损小, 准确度高, 是最有发展潜力的流量仪表。
功能力求完善、多样
早期流量仪表为就地显示 (如容积、转子) , 随着工业水平的不断提高, 已不能适应工艺要求数十台仪表集中显示、调节、控制。有必要将传感器 (也称一次表, 如孔板、喷嘴、内锥) 与变送器 (也称二次表) 分离开。并将流量参数转换为电参数, 远传至中央控制室。随着工业规模再扩大, 模拟信号已无法适应, 输出信号需转换为数字信号, 以适应现场总线系统、SCADA系统的要求。
为增加仪表的可靠性, 不少仪表已增加多达1 0余种自诊断功能。如KROHNE公司推出的Optiflux电磁流量计, 可自诊断如气泡、电极腐蚀、积垢、电极短路、流体导电率、非满管、衬里损坏、外部磁场等多方面的仪表状况。
仪表功能的多样化也是一种发展趋势, 如超声除测流量外, 还可测流体成分, 声速;科氏除测流量外, 还可测流体密度。
准确度日益提高
随着贸易全球化, 经济市场化, 贸易双方都要求计量仪表日益准确, 以减小经济上的损失, 为此, 采取了不少措施, 如:
■ISO5167新标准的公布普遍加长了节流装置前直管段长度, 以确保仪表处于充分发展紊流中, 其目的仍在于提高这类仪表的准确度。
■超声波流量计已成为贸易核算较理想的流量仪表, 它也有前直管要求, 如达不到可采取多通道以充分扫描管内流速分布, 以提高准确度。
■插入式流量仪表, 以测线速为代表的均速管、或热式;仅测管道直径上多点流速, 当直管段较短时, 准确度往往低于±3%, 为改善这一状况可采取了在同一截面插入两支以上的均速管, 以充分反映管内流速分布来提高准确度。
■涡轮流量计在主涡轮后增设辅助涡轮, 它可校正主涡轮的出口角的变化进行修正, 以提高准确度。
■科氏流量计。据美国高准公司宣称, 该公司推出的科氏流量计, 流量准确度可高达±0.05%;密度准确度达±2×104g/cc。
安装力求简便
在管道口径随工程日益增大情况下, 流量仪表的安装、维护应力求简便, 且不影响工艺流程的正常运行, 如:
■插入式
这类仪表有插入式涡街、涡轮;电磁;均速管;热式等, 仅需在管道上焊一个不大的接头, 且可不断流进行装卸, 十分方便。但这类仪表准确度仅±2%～5%, 一般不适用于贸易核算。
■外夹式
无需在管道上进行加工, 只需将换能器夹装在管道外壁, 较插入式安装更为简便, 目前已有商品出售的有GE公司 (美) 推出的CTF878气体超声波流量计及CONTROLOTRON公司 (美) 推出的1010DV气体超声波流量计。准确度目前可达到±2%。
量程日益增大
长期以来, 占流量仪表60%～70%的差压式仪表量程比只能达到3:1;涡轮、涡街、转子、容积这类仪表量程比可达10:1, 仍难以满足用户的需求。过去常采用并联多台仪表来解决, 实属无奈之举。随着近年来微电子计算机技术的发展, 采取智能式差压变送器, 即可解决差压式流量仪表量程比小的问题。而电磁、超声、科氏由于原理的优越, 量程比达几十比一, 则轻而易举。
多相流迫切有待解决
国内外对多相流流量仪表的研发已进行不少于二、三十年, 已处于工业试用阶段, 十分成熟的产品还不多, 归纳起来, 多采用以下三种方法:
■将两台单相流量仪表, 串联组合, 各自输出为S1、S2, 而S1=f1 (qmx) ;S2=f2 (qmx) (qm为流量, x为分相率) 。解两个方程式, 即可知qm、x。
■采用现代新技术, 如γ射线、微波、核磁共振、全息技术、示踪法、过程层析成象技术等。
■软测量方法。基于成熟的传感器硬件, 以计算机技术为平台, 通过软测量模型运算处理来完成。
目前进入实用阶段的有德国SWR公司的微波气固两相流量计;英国SOLARTRON公司推出的DUALSTREAM MK1气液两相流量计;美国MALFI-FIAID公司开发的LP多相流量计等。我国也积极开展研发, 多在高校进行, 处于样机阶段。
直管段长度力求减小
10余种原理的流量仪表除容积式、科氏、转子流量计外, 都是速度型, 要求通过仪表的管内流速分布应为充分发展紊流。为此, 仪表前应具有较长的直管段, 一般为十几至几十倍管径长度。如占流量仪表市场一半以上的节流装置, 根据ISO5167标准, 为保证必要的准确度, 直管将达40D。在管径日益增大的情况下, 这个要求很不现实难以实现。因此, 近年来一种以环形通道为特点的节流装置 (环孔、内锥、槽道、梭式流量计) 应运而生, 这类仪表不仅仍具有节流装置可承受恶劣工况的特点, 而因其环形通道具有整流作用, 其所需直管段仅几倍管径, 倍受用户欢迎。
显示逐步数字化
流量仪表的输出显示, 从表盘指针显示至通过变送器将流量值转换为标准的模拟电信号 (0～10V或4～20m A) , 可进行远距传送至中央测控室显示或打印。而为了适应当今大型工程, 传送距离要求达到数公里以上, 模拟量的传送已不能适应要求, 则需要通过HART协议, 将标准电模拟信号转换为数字信号以适应现场总线与远距离通讯的需求。通过RS232/RS485通讯转换器, 连接HART协议转换器与PC机通讯口相连接, 可使通讯距离达数公里, 其中RS232通讯距离约2公里, 而RS485加一个中继器, 可使通讯距离达到10公里。
校验力争干标
流量是一个推导量, 由一些基本参数 (长度、质量、时间) 组成;同时它又是一个动态量, 只有流体运动时才产生流量, 因此, 它又与流动的状态密切相关。影响流量大小的因素很多, 有些因素如流速, 管径的影响可以通过函数确定;还有不少因素难以确定, 需要用流量系数C予以涵盖来修正仪表所测的流量值, 流量系数C对当前绝大多数流量仪表来说, 必须通过校验装置。几十年来, 流量仪表都难避开这一繁琐的校验程序, 必须建立庞大昂贵的校验装置。
但是, 现在有些仪表 (如孔板、超声波流量计) 已可避开实校而通过干标得到流量系数, 准确度也可控制在应用可接受的程度。所谓干标, 即严格控制制造的几何尺寸。通过一定的标准, 可以得到流量系数, 但欲达到这个目的, 还是要通过大量的校验, 积累数以万计的数据;归纳整理才有可能。不少仪表如涡街, 均速管等为省略校验程序, 也积极向干标目标努力。要使某一种仪表达到干标的目的, 应该由行业协会组织进行, 才可能得到业内的认同。
压损力求减小
当流体流过流量仪表时, 由于仪表中存在运动件、阻力件, 会产生一些不可恢复压力损失;即使仪表中空无一物, 如科氏流量计, 因要强制流体流向改变, 也会有较大的压力损失;电磁、超声流量计由于流体与管壁的摩阻, 也会有些压损, 不过相对较小, 可忽略不计。流量仪表所产生的压力损失, 造成了流动的滞缓, 为维持正常的工艺流程必须加大动力, 以弥补这个损失。加大动力所需的年运行费, 对有些仪表特别是管径较大时, 是一个不菲的数字, 可能为初始购置费几十倍。节能降耗在世界各国, 特别是发达国家都十分重视, 因此, 流量仪表的压力损失已被列入订货者的选型条件。压损过大的流量仪表特别是当口径较大时, 基本上已被用户排除在外;同时, 研发压损小的流量仪也列入了生产厂家的课题。
流量仪表伴随着现代工业的发展有必要逐步完善其性能;而技术的进步也让流量仪表的完善成为可能, 这二者是相辅相成, 相互促进的。
流量仪表的准确度反映了它接近真值的能力。它不仅取决于仪表的原理及制造, 还必需由校验装置在理想状态下来确定, 而实际使用时, 往往因达不到那样理想的条件, 准确度会下降不少, 样本中的准确度只是一个可能达到的最高值。
近十几年以来, 我国GDP增长率都在两位数以上, 大型工程如雨后春笋, 但令人遗憾的是, 由于国产自动化仪表在性能、质量、可靠性等方面与国外相比仍存在不小差距。国产仪表并未在火热的建设中应运而生, 壮大起来。而国外不少知名企业如:A B B、E+H、Emerson、Krohne、横河为降低成本, 增强竞争力, 纷纷在我国建立了生产基地或销售服务中心, 但核心技术仍由他们严格控制中。