基于時間序列的延河流域水沙周期分析及趨勢預(yù)測.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)模型相結(jié)合，對延河流域降雨、徑流和輸沙水文序列的趨勢性、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價與建模提供參考。結(jié)論如下： (1)在大的時間尺度上(對應(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；徑流序列在1979年存在突變點(diǎn)，從50-70年代呈上升趨勢，80年代至今呈下降趨勢。較大時間尺度上(對應(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，各子序列的趨勢變化大概一致，但趨勢顯著性有差異。 (2)延河流域水文序列整個觀測時段上，降雨量和輸沙量序列統(tǒng)計量的趨勢變化相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.86；而降雨與徑流、徑流和輸沙的趨勢變化的相關(guān)性相對較差，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年兩個時期。降雨和徑流趨勢相關(guān)性，前期較后期高。徑流和輸沙在兩個時段內(nèi)相關(guān)性均較差，有微小提高趨勢。分析其原因，降雨的量、雨強(qiáng)、雨型、時空分布變化，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，都可能對降雨、徑流和輸沙的趨勢相關(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年對應(yīng)的小尺度上，上世紀(jì)70一80年代初3個水文序列對應(yīng)曲線出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，與該時期大規(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年對應(yīng)的中尺度和23年對應(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力因子，人類活動導(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)模型相結(jié)合對延河流域2000年月均徑流序列進(jìn)行預(yù)測，較單純使用ARIMA模型比較，平均相對誤差從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其進(jìn)行了建模預(yù)測。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)行水文序列趨勢分析的局限；對延河流域降雨、徑流和輸沙水文序列的周期成份進(jìn)行了同一尺度的對比分析，并對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及變化特征