孤山川流域水沙变化情况分析

刘建军，赵丽霞，田文君，邢小丽

孤山川流域水沙变化情况分析

刘建军，赵丽霞，田文君，邢小丽

（黄河水利委员会水文局，河南郑州450004）

选择高石崖站作为孤山川流域代表站，采用年降雨量、年径流量和年输沙量序列资料，用滑动分析法分析序列的变化趋势，用传统的数理统计法检验序列的一致性，用滑动t检验、有序聚类法和Mann-Kendall检验法分析序列突变情况。结果表明：高石崖站年径流量、年输沙量序列发生了非一致性变异，突变年份为1996年，下垫面变化是孤山川流域水沙变化的主要原因。

孤山川流域；水文资料；非一致性；突变

孤山川是黄河中游府谷站到吴堡站区间右岸的一级支流，流经内蒙、陕西两省，在府谷站附近汇入黄河，流域面积1 263 km2。流域内90%以上地区为黄土，土层厚，植被少，侵蚀严重，为典型的黄土丘陵沟壑区。20世纪90年代以来，为了防止水土流失，流域内开展了大规模的退耕还林还草、植树造林、兴修淤地坝、梯田等水土保持工作，减少了孤山川流域入黄水沙量。

1 水文资料

高石崖站为孤山川流域入黄控制站，选用该站1954—2016年的年降雨量、年径流量、年输沙量资料序列来分析孤山川流域水沙变化情况。

高石崖站年降雨量、年径流量滑动平滑曲线图见图1。图1（a）显示年降雨量无明显的变化趋势，5年平均值围绕多年平均值437 mm上下波动；图1（b）显示年径流量呈现明显减少的趋势，径流量在1958，1966，1976年达到最大，并从1976年开始有明显的下降趋势，5年平均值从1968年的1.258×108m3降至2008年 0.145×108m3，降幅较大；高石崖站年输沙量同年径流量相关性较好，亦呈现显著减少的趋势，输沙量在1959，1967，1977年达到最大，并从1977年开始明显下降，5年均值从1969年 3 722×104t降至2016年 7.743×104t。初步判断，高石崖站年径流量和年输沙量资料序列发生了非一致性变异，年降雨量序列一致性较好。

图1 （a）高石崖站年降雨量滑动平滑曲线图

图1 （b）高石崖站年径流量滑动平滑曲线图

2 研究方法

2.1 资料序列一致性分析

传统数理统计方法主要从样本序列的持续性、趋势性和周期性3个方面进行检验。其中，用序列自相关系数和序列秩号相关系数法进行持续性检验；用秩号和序号相关检验法进行趋势性检验；采用游程和转折点检验法进行周期性检验，上述6种计算方法参见文献［6，7］。

2.2 非一致性资料序列突变点分析

滑动t检验法是将原序列划分为n1，n2两个子序列，通过对比两子序列的均值来检验原序列是否发生突变；有序聚类分析法认为同类间的离差平方和最小，不同类间的最大，以此找到整体序列的最优分割点，此时突变点为方差突变；Mann-Kendall检验法适用于各要素的时间序列变化，且不受异常点的影响，具有量化度高、人为性小的特点，能检验出均值突变和方差突变，上述3种方法的具体计算过程参见文献［8－10］。

3 结果分析

3.1 一致性分析

采用传统数理统计方法对高石崖站1954—2016年降雨量、年径流量和年输沙量序列进行分析，计算结果见表1。

表1 高石崖站资料序列随机特性检验一览表

表1的检验结果显示，高石崖站年降雨量序列的各项均通过检验，年径流量序列和年输沙量序列均未通过。由此结果可以认为：高石崖水文站的年降雨量资料序列一致性较好，而径流量和年输沙量资料序列一致性较差，不能作为独立的随机样本，需要对资料序列进行一致性分析处理。

3.2 突变点分析

3.2.1 滑动t检验

滑动t检验法采用显著性水平信度值t0.05=3.2，高石崖站滑动t检验结果见图2。图2（a）显示年径流量t值在1966—2006年间均超出信度值，其中1979，1989，1996年为t统计量极大值；图2（b）显示年输沙量t值在1971—2005年间（1976年除外）均超出信度值，1979，1989，1996年为t统计量极大值。由此说明1979，1989，1996年份可能是高石崖站1954—2016年径流量和年输沙量序列的均值突变年份。

图2 （a）高石崖站年径流量序列滑动t检验结果

图2 （b）高石崖站年输沙量序列滑动t检验结果

3.2.2 有序聚类分析

高石崖站年径流量、年输沙量的有序聚类法检验结果见图3，图3（a）和图3（b）显示两序列的离差平方和Sn曲线均在1979年最低，在1989，1996年出现极小值，由此说明1979，1989，1996年份可能是年径流量和年输沙量序列的方差突变年份。

图3 （a）高石崖站年径流量序列有序聚类法检验

图3 （b）高石崖站年输沙量序列有序聚类法检验

3.2.3 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall检验法采用UF(k)和UB(k)的置信度为U0.05=±1.96，高石崖站Mann-Kendall检验结果见图4。图4（a）显示年径流量的UF(k)和UB(k)两曲线都交于1996年，由此说明1996年份可能是高石崖站年径流量和年输沙量序列的均值和方差突变年份。

图4 （a）高石崖站年径流量序列Mann-Kendall检验

图4 （b）高石崖站年输沙量序列Mann-Kendall检验

综合上述3种分析结果，可以确定1996年是高石崖站年径流量和年输沙量序列的突变年份。

3.2.4 资料序列划分

将高石崖站年径流量和年输沙量资料序列初步划分为1954—1996和1997—2016两个系列，按照3.1采用传统数理统计方法对这两系列年径流量和年输沙量资料进行一致性分析。其中，只有年输沙量秩号-序号相关检验计算值为3.35，未通过检验，其他均通过，因此可判定两段资料系列一致性较好，可以作为独立的随机样本使用。2个系列均值和方差对比见表2。

表2 高石崖站年径流量、年输沙量资料序列突变前后系列均值和方差对比表

4 结论

1）孤山川流域水沙特性发生了明显变化，降水基本稳定，降水对水沙量变化的影响不显著。

2）高石崖站年径流量、年输沙量序列发生了非一致性变异，突变点年份为1996年，资料序列划分为两个系列，1997—2016系列年径流量、输沙量多年均值较1984—1996系列年减少幅度达78%、91%。

3）20世纪90年代以来，孤山川流域进行了大规模的人类改造活动，例如修建水库、各种淤地坝、蓄水水窖等水利工程建设，以及植树造林、退耕还林等水土保持措施，取得了明显效果，流域下垫面发生了变化，下垫面变化是孤山川流域水沙变化的主要原因。

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P333.5 < class="emphasis_bold"> ［文献标识码］B

B

1002—0624（2017）12—0028—03

2017-09-03