基于時(shí)間序列的延河流域水沙周期分析及趨勢(shì)預(yù)測(cè).pdf

1、延河流域地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)，為遏制嚴(yán)重的水土流失，20世紀(jì)70年代以來經(jīng)歷了大規(guī)模和大面積的水土流失綜合治理。受氣候變化、流域自然條件及人類活動(dòng)的影響，延河流域出現(xiàn)水沙減少，但年際變化大、年內(nèi)分配不均等復(fù)雜現(xiàn)象。本文以延河流域上世紀(jì)最后近50年的水文觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以小波多尺度分析方法為核心，與Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法和ARIMA(差分自回歸滑動(dòng))模型相結(jié)合，對(duì)延河流域降雨、徑流和輸沙水文序列的趨勢(shì)性、突變性、周期性和隨

2、機(jī)性進(jìn)行研究，為理解和掌握黃土高原水土流失綜合治理對(duì)徑流和輸沙影響提供科學(xué)依據(jù)，為區(qū)域水土流失過程定量評(píng)價(jià)與建模提供參考。結(jié)論如下： (1)在大的時(shí)間尺度上(對(duì)應(yīng)小波分解第8層)，自上世紀(jì)50年代延河流域降雨、輸沙呈下降趨勢(shì)；徑流序列在1979年存在突變點(diǎn)，從50-70年代呈上升趨勢(shì)，80年代至今呈下降趨勢(shì)。較大時(shí)間尺度上(對(duì)應(yīng)第7層)，自上世紀(jì)50年代，延河流域降雨序列突變點(diǎn)為：1966年、1988年；徑流序列突變點(diǎn)為：196

3、5年、1978年、1988年；輸沙序列突變點(diǎn)為：1965年、1977年、1987年。以突變點(diǎn)為界限，將水文序列劃分為若干連續(xù)子序列，各子序列的趨勢(shì)變化大概一致，但趨勢(shì)顯著性有差異。 (2)延河流域水文序列整個(gè)觀測(cè)時(shí)段上，降雨量和輸沙量序列統(tǒng)計(jì)量的趨勢(shì)變化相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.86；而降雨與徑流、徑流和輸沙的趨勢(shì)變化的相關(guān)性相對(duì)較差，相關(guān)系數(shù)分別為0.47和0.41。若以1979年為界限，分為1957～1978年和1979～2

4、000年兩個(gè)時(shí)期。降雨和徑流趨勢(shì)相關(guān)性，前期較后期高。徑流和輸沙在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)相關(guān)性均較差，有微小提高趨勢(shì)。分析其原因，降雨的量、雨強(qiáng)、雨型、時(shí)空分布變化，70年代后期水土保持措施的大面積實(shí)施，同時(shí)人類不合理的開發(fā)利用水資源，破壞了下墊面攔沙保水作用，增大流域產(chǎn)水產(chǎn)沙量的負(fù)效應(yīng)因子，都可能對(duì)降雨、徑流和輸沙的趨勢(shì)相關(guān)產(chǎn)生影響。具體原因仍有待于進(jìn)一步探討。 (3)延河流域降雨、徑流和輸沙存在著顯著的周期，且其大小非常接近，為3、6.

5、5、13和23年。降雨、徑流和輸沙主周期分別是3、23和23年。在3年對(duì)應(yīng)的小尺度上，上世紀(jì)70一80年代初3個(gè)水文序列對(duì)應(yīng)曲線出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，與該時(shí)期大規(guī)模水利水保措施的修建有關(guān)。80年代后，由于水利水保措施減水減沙效益的削弱，3條曲線重新趨于一致。在13年對(duì)應(yīng)的中尺度和23年對(duì)應(yīng)的大尺度上，均出現(xiàn)徑流和輸沙曲線不同步，或者滯后于降雨曲線現(xiàn)象。降水是徑流和輸沙周期性變化的主要外動(dòng)力因子，人類活動(dòng)導(dǎo)致的流域下墊面變化則是不可忽視的另一重要

6、原因。 (4)將小波方法與ARIMA(差分自回歸滑動(dòng))模型相結(jié)合對(duì)延河流域2000年月均徑流序列進(jìn)行預(yù)測(cè)，較單純使用ARIMA模型比較，平均相對(duì)誤差從34.8％降低至27.8％，一致性指標(biāo)和有效系數(shù)分別從0.70、0.68提高到0.80、0.85。 (5)首次在延河流域水文時(shí)間序列分析中使用了小波分析法，明確了延河流域水文要素的周期變化并對(duì)其進(jìn)行了建模預(yù)測(cè)。將小波分析方法與Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法相結(jié)合，在水

7、文時(shí)間序列分析研究方法上進(jìn)行了有益的探索，改善了Mann-Kendall法只能在單一尺度上進(jìn)行水文序列趨勢(shì)分析的局限；對(duì)延河流域降雨、徑流和輸沙水文序列的周期成份進(jìn)行了同一尺度的對(duì)比分析，并對(duì)周期隨尺度變化的演替特征進(jìn)行初步探討。 水文要素的變化規(guī)律是一種復(fù)雜的水文現(xiàn)象。小波方法作為水文科學(xué)近些年來興起的新技術(shù)和新方法，仍有許多不成熟和有待于完善的地方。小波分析法與Mann—Kendall的結(jié)合應(yīng)用來判斷水文序列的趨勢(shì)及變化特征