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无定河流域径流序列非一致性识别与驱动分析

李哲浩  
【摘要】:水文循环系统受气象、环境及人类社会等多重系统驱动。随着气候变化及人类活动的加剧,地球表面水循环及水文要素产生或发展的物理条件正在发生显著变化,水文气象观测序列(如降水、蒸发、径流等)呈现出非一致性特征(如具有显著的趋势,跳跃变异等),致使水资源规划与管理、工程水文设计等水文工作的假设前提(即一致性)遭到破坏,进而引发基于历史观测数据所制定的水资源规划与管理方案、已建水利工程的运行规则等备受质疑,水利工程与防洪抗旱措施面临风险,极易导致社会经济损失,甚至威胁人类生命安全。因此,科学认识和掌握水文非一致性变化及其驱动机制就显得尤为重要。本文通过梳理水文序列与水文过程非一致性变化的概念,扩展了水文非一致性变化的内涵,提出了区别于实测径流的自然径流的概念,明确了水文序列非一致性变化与水文过程非一致性变化的区别。通过对无定河流域水文非一致性变化的量化识别与驱动解析,形成了如下研究内容与结论。(1)水文序列非一致性与水文过程非一致性。本文提出了自然径流的概念,认为其是指气候变化及下垫面条件联合驱动下的流域水文变化,即扣除人类取用水影响的径流过程,可反映当前气象和下垫面条件下的产汇流规律和非一致性特征,一般可通过对实测径流的还原计算获得。而水文序列非一致性变化则是在气象、下垫面以及人类直接影响下的径流过程,即断面的实际观测序列,其反映的是现状条件下断面来水的实际状态。透过两者的差异,可区分水文非一致性变化类型,即物理非一致性和统计非一致性,从而回答产汇流过程是否发生实质性改变。(2)非一致性初步诊断。应用Kolmogorov–Smirnov(K-S)滑窗检验识别无定河流域各水文站点的实测径流与自然径流的非一致性变化。结果表明,无定河流域各主要水文站点实测径流序列在统计时段内均发生了非一致性变化,即存在统计非一致性;而自然径流序列除绥德水文站外亦均发生非一致性变化,即发生了物理非一致性变化。这表明绥德站径流序列的产汇流机制并未发生实质性改变,而受人类取用水影响,表现为统计非一致性。其他站点则不同,气候变化、下垫面条件及人类扰动下其水文循环过程已经不再如从前。(3)非一致性变化定量识别。构建了无定河流域非一致性变化定量识别体系,主要涉及单调性变化、回归性变化、跳跃性变化及周期性变化。其中,Mann-Kendall趋势检验法及Theil-Sen坡度值被用于无定河流域径流序列单调性变化的定性与定量识别。结果表明,无论实测径流还是自然径流,其主要水文站点数据在统计时段的前30年相较于后30年均具有更强的趋势性变化。单就自然径流序列而言,仅白家川与赵石窑站后30年径流序列具有显著趋势,而其余各站点均不显著,说明这些站点的气候于下垫面条件影响已趋于平稳。基于分段线性拟合技术的无定河流域实测径流与自然径流的回归性变化的定量识别结果表明,无定河流域的实测径流与自然径流序列的回归性变化位置主要分布于两个时期,即1975年前后与1995年前后。跳跃性变异的定量识别结果表明,无定河流域各水文站点的实测径流与自然径流均存在显著跳跃变异点,其中自然径流相对实测径流跳跃变异点偏少,且位置相对集中。基于Morlet小波分析方法的周期性变化结果表明,各水文站点的自然径流序列主周期相对于实测径流序列更为集中,能量值更大。(4)非一致性变化的环境参量解析。对无定河流域产汇流及径流量影响较大的环境变量(气象变量、下垫面变量、人类变量)进行梳理与相关性分析,发现无定河流域的降水序列在时间尺度上具有较小的下降趋势,但其下降趋势不显著,且降水的年际间变化在逐渐缩小;由蒸发(皿)序列的分析可知,无定河流域的水面蒸发序列具有一定的下降趋势,且随着时间尺度增大,其变差系数趋于稳定,年际间变化降低。采用SCS模型分析无定河流域土地利用变化对径流的影响,可知单就土地利用而言,1990年土地利用条件下,径流系数最高,为0.427,对产汇流更为有利,2005年土地利用条件下,径流系数最低,仅为0.277。此外,采用DCCA方法建立无定河流域环境参量与自然径流及实测径流的相关关系,结果表明降水与实测及自然径流序列的相关系数分别为0.558与0.663;蒸发(皿)量与实测及自然径流的互相关系数分别为-0.163与-0.132;NDVI指数与实测及自然径流的相关系数分别为-0.766与-0.658;人类取用水与实测序列的相关系数为-0.372。(5)非一致性变化场景梳理及径流频率分析计算。根据无定河流域非一致性变化定量识别体系计算结果,对各水文站的径流非一致性变化特征进行了场景梳理,将无定河流域各水文站点的径流非一致性变化分为三组。并依据这三组分类特点,选用适宜的方式,获取无定河流域各水文站用于水文频率分析计算的自然径流序列,并使用P-III型曲线进行拟合,获取了无定河流域各主要水文站点不同频率下的径流值。


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