時(shí)間尺度診斷的水資源序列變異重點(diǎn)時(shí)段的選擇

時(shí)間尺度診斷的水資源序列變異重點(diǎn)時(shí)段的選擇

0水資源變異成因近年來，由于世界氣候變化環(huán)境，人類大規(guī)?；顒?dòng)等變化環(huán)境的影響，流域及其位置的水循環(huán)和形成的物理?xiàng)l件發(fā)生了很大變化，這導(dǎo)致用于評(píng)價(jià)和計(jì)算水資源的水文資源序列失去一致性，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)生了顯著變化，導(dǎo)致水資源變化。水資源作為基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源,是支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、維系生態(tài)平衡和保持環(huán)境優(yōu)良的重要基礎(chǔ)。隨著人口不斷增長、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人類對(duì)下墊面的改造進(jìn)程加快,水資源變異問題將更加突出,它不但會(huì)加劇來水和用水的矛盾以及各用水部門之間的矛盾等,也會(huì)對(duì)區(qū)域社會(huì)和經(jīng)濟(jì)造成潛在的巨大沖擊。如何找出水資源發(fā)生變異的原因,并有針對(duì)性的采取相應(yīng)的措施進(jìn)行防范,對(duì)于水資源規(guī)劃與管理等工作都有著非?，F(xiàn)實(shí)和重要的意義。造成水資源變異的原因多種多樣,也有很多學(xué)者采用不同的方法對(duì)水資源變異的主因進(jìn)行分析。2002年,羅先香等利用灰色關(guān)聯(lián)度分析了各種影響因子與流域地表徑流非線性、不確定性的關(guān)系;XuJiongxin于2005年對(duì)過去50年黃河入海量進(jìn)行分析,分別得到取用水、降水、氣溫和水保措施對(duì)其減少的貢獻(xiàn)率,其中取用水和降水量的貢獻(xiàn)率較大,分別為41.3%和40.8%。2007年,劉燕等利用特征值比對(duì)法,從降雨徑流變化特征入手,對(duì)渭河流域的徑流變化原因進(jìn)行了分析;次年,李雯利用多元線性回歸模型,分析了氣溫、降水和蒸發(fā)的關(guān)系,并得到了年徑流與降水量關(guān)聯(lián)度最大;2010年,張淑蘭等利用降水—徑流的雙累積曲線,定量估算了人類活動(dòng)和降水量變化對(duì)涇河上游年徑流的貢獻(xiàn),得出結(jié)論:人類活動(dòng)在不同時(shí)段引起徑流增加或減少。為了更好地從物理意義上揭示水資源變異的原因,也有很多的學(xué)者從模型模擬的角度進(jìn)行探索,例如邱國玉等于2008年利用SWAT流域水文模型模擬不同的情景,定量區(qū)分氣候和土地利用/覆被變化對(duì)流域徑流的影響方式和程度;2010年,謝平等在無定河流域的水文水資源效應(yīng)分析中,利用WHMLUCC模型對(duì)徑流變化的影響因素做了定量的分析。從上述分析中可以看出,目前關(guān)于水資源變異主因的研究,主要圍繞在利用統(tǒng)計(jì)途徑或模型模擬的方法,對(duì)自然因素和人為因素的定性或定量區(qū)分上。將水資源變異的影響因素歸結(jié)為自然因素和人為因素有其合理性,但對(duì)于出現(xiàn)水資源變異的地區(qū)而言,自然因素和人為因素往往相互交織,很難嚴(yán)格區(qū)分開來。同時(shí),即使可以準(zhǔn)確地得出不同影響因素的比例,對(duì)于變化環(huán)境下針對(duì)水資源變異而采取的相關(guān)工作,其指導(dǎo)作用也相對(duì)有限。水資源具有時(shí)間和空間的雙重屬性,水資源變異問題不僅體現(xiàn)在地理分區(qū)、行政分區(qū)和水資源分區(qū)等空間尺度上。也體現(xiàn)在年際、季度、豐枯水期、逐月等時(shí)間尺度上,因此,可以從時(shí)間尺度和空間尺度上對(duì)水資源序列變異的主因進(jìn)行分析,這樣可以將自然因素和人為因素按照新的尺度統(tǒng)一進(jìn)行分析,得到的結(jié)果也可以突出引起水資源變異的時(shí)間和空間上的重點(diǎn)時(shí)段和區(qū)域,將對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源變異對(duì)策、水資源利用等工作,起到更好的指導(dǎo)作用。由于受篇幅限制,本文主要對(duì)水資源變異的時(shí)間尺度主因分析方法進(jìn)行闡述。1水資源序列的時(shí)間尺度由于需要在出現(xiàn)變異的水資源序列中,尋找其變異在時(shí)間尺度上的主因,因此,所采用的水資源序列,必須要滿足時(shí)間上的嵌套關(guān)系,即年、季度、豐枯水期、逐月等時(shí)間尺度上的包含與被包含關(guān)系。1.1文水動(dòng)物群落變異診斷方法文化檢測系統(tǒng)水資源序列包括確定性成分和隨機(jī)性成分,而確定性成分則包括周期、趨勢和跳躍成分。如果水文序列與周期、趨勢和跳躍成分無關(guān),則它是平穩(wěn)的時(shí)間序列,表明整個(gè)水文序列具有相同的物理成因,其統(tǒng)計(jì)規(guī)律滿足一致性,即分布形式(如P-Ⅲ型)和分布參數(shù)(如均值、變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)等)在整個(gè)序列時(shí)間范圍內(nèi)均保持不變,這種情況下水文序列只在均值上下隨機(jī)波動(dòng),而無統(tǒng)計(jì)規(guī)律的變化;否則,水文序列就是非平穩(wěn)的,表明影響水文序列的物理成因發(fā)生了變化,其統(tǒng)計(jì)規(guī)律是非一致的,即分布形式或(和)分布參數(shù)在整個(gè)序列時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生了變化。因此,從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度,水資源序列變異主要是指水文序列的分布形式或(和)分布參數(shù)在整個(gè)序列時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生了顯著變化。在水資源序列變異診斷方法上,針對(duì)不同水資源成分的診斷方法也有所區(qū)別,比如診斷跳躍變異的秩和檢驗(yàn)法、有序聚類法等,診斷趨勢變異的Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法、Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法等。2010年,謝平提出了用于水文水資源序列變異診斷的水文變異診斷系統(tǒng),該系統(tǒng)主要考慮了趨勢和跳躍兩種變異形式,由初步診斷、詳細(xì)診斷和綜合診斷三個(gè)部分組成,不僅可以從整體上識(shí)別與檢驗(yàn)時(shí)間序列變異及其變異程度(無變異、弱變異、中變異、強(qiáng)變異、巨變異),而且可以識(shí)別非一致性序列發(fā)生變異的形式(趨勢、跳躍變異點(diǎn)),檢驗(yàn)指標(biāo)全面,權(quán)重賦值客觀、診斷結(jié)果可信。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法只能進(jìn)行單一變異形式的識(shí)別,不能從整體上識(shí)別與檢驗(yàn)時(shí)間序列變異及其變異程度;跳躍變異中單一檢驗(yàn)方法有時(shí)檢驗(yàn)結(jié)果不合理、多種檢驗(yàn)方法常常檢驗(yàn)結(jié)果不一致的問題。初步診斷部分采用過程線法、滑動(dòng)平均法、Hurst系數(shù)法對(duì)序列變異進(jìn)行檢驗(yàn),判斷序列是否存在變異,如果判斷結(jié)果為不存在變異,則轉(zhuǎn)入成因調(diào)查分析,對(duì)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn);如存在變異,則轉(zhuǎn)入詳細(xì)診斷部分。詳細(xì)診斷部分采用多種變異檢驗(yàn)方法對(duì)序列進(jìn)行變異判斷,分別對(duì)序列的趨勢變異、跳躍變異情況進(jìn)行判斷分析。對(duì)于趨勢變異,采用基于線性趨勢相關(guān)系數(shù)的趨勢變異分級(jí)法和檢驗(yàn)法、Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法和Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)其進(jìn)行判斷;對(duì)于跳躍變異,采用有序聚類法、Lee-Heghinan法、秩和檢驗(yàn)法、滑動(dòng)F檢驗(yàn)法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、游程檢驗(yàn)法、最優(yōu)信息二分割模型、R/S法、Brown-Forsythe、Mann-Kendall、Bayesian方法進(jìn)行判斷,然后進(jìn)入綜合診斷部分。綜合診斷部分根據(jù)詳細(xì)診斷結(jié)果,對(duì)趨勢診斷結(jié)論進(jìn)行趨勢綜合,對(duì)跳躍診斷結(jié)論進(jìn)行跳躍綜合。根據(jù)效率系數(shù)評(píng)價(jià)水文序列與趨勢成分或跳躍成分的擬合程度,以效率系數(shù)較大者作為變異形式判斷的結(jié)果。最后結(jié)合實(shí)際水文調(diào)查分析,對(duì)變異形式和結(jié)論進(jìn)行確認(rèn),從而得到最可能的變異診斷結(jié)果。因此,本文采用水文變異診斷系統(tǒng)進(jìn)行水資源序列的變異診斷。1.2時(shí)間間隔的主要公式在對(duì)時(shí)間上具有嵌套關(guān)系的水資源序列進(jìn)行變異診斷的基礎(chǔ)上,進(jìn)行時(shí)間尺度主因分析的方法可以概括為以下幾個(gè)步驟:1時(shí)間尺度分配不同的水資源工作對(duì)所需水資源序列時(shí)間尺度的要求不同,例如地表水資源量評(píng)價(jià)工作主要用到年尺度的徑流序列;而對(duì)于河流生態(tài)環(huán)境流量的研究,則更關(guān)注河道內(nèi)枯水期的徑流序列;對(duì)于河流防洪工作而言,更多的是對(duì)汛期徑流的研究。地理因素也是影響時(shí)間尺度劃分的重要因素,比如我國南方水量充沛,水資源工作的重點(diǎn)是水環(huán)境保護(hù)和防洪,而北方水資源相對(duì)匱乏且季節(jié)性明顯,相關(guān)工作的重點(diǎn)還包括水資源的供給和配置等。在變化環(huán)境的大背景下出現(xiàn)的各種水資源變異問題,在不同的地區(qū)所關(guān)注的重點(diǎn)可能不同,因此,要分析出現(xiàn)變異的水資源序列在時(shí)間尺度上的主因,就必須先要針對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源工作重點(diǎn)和變異情況,將已有的水資源序列按照時(shí)間尺度進(jìn)行合理的劃分。常見的時(shí)間尺度劃分方法包括將年尺度劃分為汛/非汛期、枯/豐水期、季度、月份等,從而組成具有嵌套關(guān)系的水資源序列:對(duì)于季度和年尺度而言,其變異結(jié)果反映了流域水文特征值的平均水平受到環(huán)境變化的影響程度;對(duì)于汛/非汛期尺度而言,汛期徑流序列變異結(jié)果反映了環(huán)境變化對(duì)洪水總量的增減效應(yīng),而非汛期序列的變異結(jié)果則反映了環(huán)境變化對(duì)下游河道枯水總量的補(bǔ)給能力。2水資源序列的變異關(guān)系采用水文變異診斷系統(tǒng)對(duì)具有嵌套關(guān)系的水資源序列進(jìn)行變異診斷,以診斷結(jié)果為基礎(chǔ),結(jié)合考慮不同時(shí)間尺度水文要素的比例系數(shù),繪制水資源序列的變異關(guān)系圖。由于周期成分在年際間相對(duì)變化較小,因此,本文重點(diǎn)對(duì)趨勢和跳躍兩種變異形式的關(guān)系圖繪制方法進(jìn)行闡述。(1)基于點(diǎn)的年份的水資源序列的變異關(guān)系圖當(dāng)水資源序列的變異形式均為跳躍時(shí),可根據(jù)跳躍點(diǎn)的年份繪制水資源序列的變異關(guān)系圖,并參考不同時(shí)間尺度水文要素比例系數(shù)的大小,可以方便直觀地確定出不同時(shí)間尺度水資源序列之間的變異關(guān)系。(2)趨勢變異與變異跳躍變異和趨勢變異是水文序列發(fā)生變異的兩種形式,二者具有辯證統(tǒng)一的特性,即跳躍變異可以看作為大幅度的趨勢變異,而趨勢變異也可以看作為多級(jí)跳躍變異的合成。因此,當(dāng)水資源序列發(fā)生了趨勢變異時(shí),可以近似地把趨勢變異看作為多級(jí)跳躍變異進(jìn)行處理,在多級(jí)跳躍點(diǎn)中選出最顯著的變異點(diǎn),這樣就可以把問題轉(zhuǎn)換為跳躍變異的情況進(jìn)行分析。(3)跳不發(fā)的情況當(dāng)跳躍變異和趨勢變異在不同時(shí)間尺度的水資源序列中均出現(xiàn)的時(shí)候,對(duì)于趨勢變異而言,也將其看做多級(jí)跳躍變異并選出最顯著的變異點(diǎn),結(jié)合跳躍變異的變異點(diǎn),同樣把問題轉(zhuǎn)換為跳躍變異的情況進(jìn)行分析。3水資源序列變異關(guān)聯(lián)模型的建立序列的相關(guān)系數(shù)是衡量不同序列之間聯(lián)系程度的有效指標(biāo),在繪制水資源序列變異關(guān)系圖的基礎(chǔ)上,通過計(jì)算不同時(shí)間尺度水資源序列之間的相關(guān)系數(shù),不僅可以衡量水資源序列之間變異的關(guān)聯(lián)程度,同時(shí)還可以對(duì)水資源序列變異在時(shí)間尺度的主因進(jìn)行綜合評(píng)判。2研究流域及方法烏力吉木仁河發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市巴林左旗烏蘭壩西側(cè)海拔1400多米的山地,又名烏爾吉木倫河,全長498.5km,整個(gè)流域呈不規(guī)則扇形,河道平均比降約1/1500,沿途流經(jīng)巴林左旗、阿魯科爾沁旗、扎魯特旗、科右中旗、吉林省通榆縣,在科左中旗瑪拉沁蘇木小瓦房東南匯入西遼河,流域面積為3.34×104km2,占西遼河流域面積的24.5%;該流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候:春季干旱多風(fēng),夏季雨量集中,秋季涼爽短暫,冬季寒冷漫長。烏力吉木仁河流域內(nèi)測站比較多,但受到資料收集程度以及測站所在位置等客觀原因的限制,本文采用資料序列較長(1956年-2000年共45年的實(shí)測月徑流序列)且位于干流之上的梅林廟測站進(jìn)行時(shí)間尺度主因分析。該測站位于烏力吉木仁河與黑木林河交匯處向下游約16km處,其測站編號(hào)20308000,集水面積約18361km2,是烏力吉木仁河干流上較大且監(jiān)測項(xiàng)目較全的測站。烏力吉木仁河流域地處我國北方季風(fēng)區(qū),降水量較小且主要集中在夏季,因此,徑流的季節(jié)性特點(diǎn)非常突出,容易產(chǎn)生徑流年內(nèi)分配不均和汛期洪水問題。同時(shí),為了較為詳細(xì)地闡述本文所提出方法的科學(xué)性和可行性。本文將梅林廟測站1956年-2000年共45年的實(shí)測月徑流序列按照汛/非汛期、季節(jié)和年尺度進(jìn)行劃分。2.1徑流序列的變異診斷結(jié)果月尺度的徑流序列是其它尺度徑流序列分析計(jì)算的基礎(chǔ),在第一信度水平α=0.05,第二信度水平β=0.01的條件下,利用水文變異診斷系統(tǒng)對(duì)梅林廟站1956年-2000年月尺度徑流系列進(jìn)行變異診斷;結(jié)果顯示1月、2月、9月和12月的徑流序列未出現(xiàn)水文變異,而其它月份均出現(xiàn)了不同程度的變異,其診斷結(jié)果如表1所示。從表1的診斷結(jié)果可以看出:在出現(xiàn)變異的月份中,綜合診斷結(jié)果均為跳躍變異,除了10月以外,其余月份的變異形式均為跳躍上升,而且出現(xiàn)變異的時(shí)間也比較集中,均在上世紀(jì)八十年代中后期,具有明顯的規(guī)律性。2.2水文變異診斷系統(tǒng)烏力吉木仁河的汛期為每年的6~9月,而非汛期為每年10月到次年5月;季度的劃分則采取通用的劃分方法,即1~3月為第一季度,4~6為第二季度,并依次類推。利用水文變異診斷系統(tǒng)對(duì)梅林廟站1956-2000年不同時(shí)間尺度徑流序列進(jìn)行變異診斷,在第一信度水平α=0.05,第二信度水平β=0.01的條件下,其診斷結(jié)果如表2所示。從表2可以看出:雖然時(shí)間尺度劃分的標(biāo)準(zhǔn)不同,但徑流序列都出現(xiàn)了水文變異。除了第四季度跳躍向下的中變異發(fā)生在1961年外,其它時(shí)間尺度的變異形式均為跳躍向上,且變異點(diǎn)均在上世紀(jì)八十年代中后期,具有較明顯的一致性。2.3徑流序列的分析結(jié)合月、季度和汛/非汛期徑流量占年尺度徑流量的比例系數(shù),將梅林廟站不同時(shí)間尺度徑流序列的變異診斷結(jié)果進(jìn)行匯總,分別從季節(jié)和汛/非汛期兩個(gè)尺度進(jìn)行主因分析。1不同時(shí)段的徑流變異是造成分匯總不同月份/季度/年尺度徑流序列的變異診斷結(jié)果,結(jié)合不同時(shí)段徑流量占年徑流量的比例,繪制梅林廟站季度尺度的變異關(guān)系圖,如1所示。從圖1中可以看出,由于季度和年尺度均由月份組成,且對(duì)于梅林廟站而言,徑流序列出現(xiàn)變異的月份又比較多,因此,造成了季度和年徑流序列均出現(xiàn)了不同程度的變異。結(jié)合變異的形式和程度對(duì)不同時(shí)間尺度徑流分析發(fā)現(xiàn):影響梅林廟站年徑流變異的時(shí)間尺度主因?yàn)榈谌径?該季度又主要受到7、8月份徑流變異的共同影響;第一、四季度出現(xiàn)變異的時(shí)間尺度主因分別為3月份、10月份,第二季度則主要受到4、5月份的共同影響。為了驗(yàn)證上述主因分析結(jié)果的合理性,對(duì)不同時(shí)間尺度徑流序列的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,如表3所示。從表3中可以看出,年徑流序列和第三季度徑流序列的相關(guān)系數(shù)最大,為0.981;第一至第四季度分別和3月、4月、8月、10月徑流序列的相關(guān)系數(shù)最大。上述結(jié)果和主因分析的結(jié)果非常吻合,可以說明季度尺度的時(shí)間尺度主因分析具有合理性。2不同時(shí)段徑流序列的相關(guān)系數(shù)匯總不同月份/汛期非汛期/年尺度徑流序列的變異診斷結(jié)果,結(jié)合不同時(shí)段徑流量占年徑流量的比例,繪制梅林廟站季度尺度的變異關(guān)系圖,如2所示。從圖2中可以看出,影響梅林廟站年徑流變異的時(shí)間尺度主因?yàn)檠雌趶搅?7、8月份則是汛期徑流出現(xiàn)變異的主因;對(duì)于非汛期而言,其徑流序列出現(xiàn)變異則是受4、5月份的共同影響。為了驗(yàn)證上述主因分析結(jié)果的合理性,對(duì)不同時(shí)間尺度徑流序列的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,如表4所示。從表4中可以看出,年徑流序列和汛期徑流序列的相關(guān)系數(shù)最大,為0.985;非汛期徑流和4月徑流序列的相關(guān)系數(shù)最大,5月次之;而汛期徑流則和8月徑流序列的相關(guān)系數(shù)最大,7月次之;上述結(jié)果和主因分析的結(jié)果非常吻合,可以說明汛/非汛期尺度的時(shí)間尺度主因分析具有合理性。3美日之間的關(guān)系本文從時(shí)間尺度揭示了具有嵌套關(guān)系的水資源序列,在發(fā)生水文變異時(shí)的主因分析方法。該方法可以突出引起水資源變異的重點(diǎn)時(shí)段,對(duì)于水資源保護(hù)、規(guī)劃和管理等相關(guān)工作具有一定地指導(dǎo)作用。為了驗(yàn)證該方法的可行性和適應(yīng)性,本文結(jié)合烏力吉木仁河梅林廟測站1956年-2000年的徑流量資料,對(duì)引起徑流序列變異的重點(diǎn)時(shí)段進(jìn)行了分析,所得出的結(jié)果和相關(guān)分析的結(jié)果也相吻合。本文所得出的主要結(jié)論匯總?cè)缦?1)該法從時(shí)間尺度,以具有時(shí)間嵌套關(guān)系的水資源序列變異