變化環(huán)境下河川徑流中長(zhǎng)期規(guī)律與預(yù)測(cè)研究——以陜西省典型流域?yàn)槔?pdf

1、近年來(lái)，在氣候變化和人類活動(dòng)的影響下，我國(guó)許多河流的水文情勢(shì)都發(fā)生了強(qiáng)烈變化，引發(fā)了一系列如水資源短缺、水污染、水生態(tài)惡化、泥沙淤積等問(wèn)題，極大地影響了區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的良性發(fā)展。因此深入認(rèn)識(shí)河川徑流的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，掌握區(qū)域水資源發(fā)展的動(dòng)態(tài)，對(duì)區(qū)域水資源規(guī)劃及管理、水利工程設(shè)計(jì)以及滿足人類需求與生態(tài)系統(tǒng)的水平衡都極為重要。
　　眾所周知，受氣候條件以及下墊面條件復(fù)雜性的影響，天然狀態(tài)下的水文過(guò)程復(fù)雜多變，表現(xiàn)出了高度的非線性、非平穩(wěn)

2、性以及多時(shí)間尺度特征。而在人類活動(dòng)的強(qiáng)烈擾動(dòng)下，河川徑流的復(fù)雜性日趨加深，這給我們科學(xué)、準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)河川徑流變化帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。本文以陜西省典型流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，應(yīng)用多種非線性分析方法和非平穩(wěn)數(shù)據(jù)處理方法對(duì)陜南的漢江流域、關(guān)中的渭河流域以及陜北的無(wú)定河流域徑流序列的水文變異規(guī)律、多尺度時(shí)間特征、與氣候因子的響應(yīng)等問(wèn)題開(kāi)展了研究，分析其在空間上的變化規(guī)律，并構(gòu)建了中長(zhǎng)期水文預(yù)測(cè)模型，對(duì)陜西省河川徑流演變趨勢(shì)進(jìn)行了外推分析。其主要研究?jī)?nèi)容及所

3、得結(jié)論如下：
　?。?）水文變異診斷。根據(jù)謝平等提出的水文變異診斷方法，從初步診斷、詳細(xì)診斷以及綜合診斷三方面角度出發(fā)，對(duì)陜北黃土區(qū)、關(guān)中平原區(qū)以及陜南漢江山地區(qū)的河川徑流進(jìn)行變異分析。①初步診斷：分別采用過(guò)程線法、累積曲線斜率法和Hurst系數(shù)法對(duì)研究區(qū)各徑流序列進(jìn)行初步分析，判斷徑流變異是否存在；②詳細(xì)診斷：通過(guò)相關(guān)系數(shù)法、斯皮爾曼秩次相關(guān)檢驗(yàn)以及肯德?tīng)栔却蜗嚓P(guān)檢驗(yàn)法對(duì)序列進(jìn)行趨勢(shì)變異檢驗(yàn)；采用里海哈林檢驗(yàn)法、有序聚類法、最優(yōu)

4、信息法以及 Brown-forsythe檢驗(yàn)法和Mann-kendall檢驗(yàn)法對(duì)序列進(jìn)行跳躍變異檢驗(yàn)，得到的各站徑流序列的變異形式及位置。③綜合診斷：綜合趨勢(shì)與跳躍變異分析結(jié)果，通過(guò)效率系數(shù)最終確定變異結(jié)論。通過(guò)診斷分析，發(fā)現(xiàn)陜西省在地域分布上，水文變異表現(xiàn)為從南至北逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)，具體結(jié)論如下：陜南漢江流域徑流過(guò)程無(wú)明顯變異；關(guān)中渭河流域有變異發(fā)生；陜北無(wú)定河流域變異極其顯著。通過(guò)進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)水文變異的原因構(gòu)成并不相同，渭河流域變

5、異由氣候原因與人類活動(dòng)共同影響，但人類影響為絕對(duì)主因；而無(wú)定河流域徑流的顯著變異雖受人類活動(dòng)影響更強(qiáng)烈，但降雨等氣候因素也不容忽視，應(yīng)系兩者共同作用的結(jié)果。
　?。?）多尺度時(shí)間特征。徑流序列的演變過(guò)程復(fù)雜多變，隨機(jī)性強(qiáng)，但其中存在規(guī)律性的周期變化成分。本研究通過(guò)小波變換與希爾伯特黃（HHT）變換兩種方法，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)徑流序列的確定性周期成分進(jìn)行研究，分析對(duì)比了其多時(shí)間尺度特征。研究結(jié)果表明，兩種方法由于基于的理論基礎(chǔ)不同，所得結(jié)

6、論也略有差異。HHT的檢測(cè)結(jié)果顯示：陜南漢江山地、關(guān)中平原以及陜北黃土區(qū)均存在2-4年、6-8年的小尺度徑流周期，9-13年中尺度周期以及24-28年大尺度周期。而小波分析方法所得結(jié)果則規(guī)律更明確，更穩(wěn)定。結(jié)果顯示，陜南、關(guān)中以及陜北地區(qū)周期變化較為接近，尤其在3-4年和8-9年的中小時(shí)間尺度上；在較大的時(shí)間尺度上，三個(gè)地區(qū)則有所區(qū)別，關(guān)中地區(qū)的徑流周期波動(dòng)（23-25年）略短于陜南與陜北地區(qū)（27-28年）。從方法上看，筆者認(rèn)為HHT

7、的分解結(jié)果更為細(xì)致，結(jié)果也更為貼近事實(shí)，這與不同地區(qū)產(chǎn)匯流條件不同所導(dǎo)致的周期變化的差異性是相一致的。而小波分析受到傅里葉變換和先驗(yàn)分析的影響，所得結(jié)果皆比較接近。同時(shí)，在時(shí)域研究中發(fā)現(xiàn)，短周期在早期能量較為強(qiáng)烈，表現(xiàn)較為顯著，隨著人類活動(dòng)影響的加劇，短周期在時(shí)域上逐漸趨弱甚至消失，而23-28年則開(kāi)始在河川徑流中起主導(dǎo)作用。這是人類活動(dòng)影響下，水文多尺度時(shí)間特征出現(xiàn)的一些新變化，可能對(duì)未來(lái)區(qū)域或流域的水文過(guò)程產(chǎn)生影響，應(yīng)引起管理部門的

8、注意。
　?。?）徑流演變與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系。從大尺度的物理成因看，徑流演變的周期性成分主要決定于氣候變化。故為進(jìn)一步揭示徑流演變的變化機(jī)制，本研究面向可以表征全球氣候變化的ENSO事件，通過(guò)交叉小波變換法與凝聚譜方法，分析徑流規(guī)律與氣候變遷的相關(guān)性，從驅(qū)動(dòng)因素上分析徑流的周期演變機(jī)理。結(jié)果表明：70年代以前各站徑流與ENSO指數(shù)（MEI指數(shù)）在小尺度2-4年周期上均存在著顯著的負(fù)相關(guān)，而從70年代開(kāi)始，由于人類活動(dòng)的影響，徑流

9、與ENSO指數(shù)的相關(guān)性變得復(fù)雜。
　?。?）徑流的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。由于徑流受到氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響，逐漸從一個(gè)不受外界干擾的平穩(wěn)過(guò)程變?yōu)橐粋€(gè)復(fù)雜的非平穩(wěn)線性過(guò)程，因而將序列平穩(wěn)化或采用非線性的分析方法成為必由之路。所以本研究建立了基于EMD的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型解決徑流時(shí)間序列的預(yù)測(cè)問(wèn)題。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（EMD）將實(shí)測(cè)徑流序列分解為幾個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的IMF分量和1個(gè)趨勢(shì)項(xiàng)成分，在此基礎(chǔ)上建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)誤差分析和

10、檢驗(yàn)，確定模型精度滿足要求，進(jìn)行徑流的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，未來(lái)陜南地區(qū)徑流過(guò)程將保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；而關(guān)中和陜北的徑流則會(huì)持續(xù)目前的下降趨勢(shì)。
　　（5）水文規(guī)律的空間分布。由于氣候條件、地形、地貌、水文地質(zhì)條件等方面的差異，陜北、關(guān)中、陜南地區(qū)的中長(zhǎng)期水文規(guī)律也不盡相同。具體表現(xiàn)為：①水文變異的強(qiáng)度呈現(xiàn)一個(gè)由南到北逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)；②多尺度時(shí)間特征上，影響徑流變化的主周期表現(xiàn)為南北短，中間長(zhǎng)的基本規(guī)律；③與氣候因子的響應(yīng)