湟水乐都水文站洪峰流量演变特征

李媛媛

(青海省水文水资源测报中心，西宁 810000)

洪峰为一次洪水过程中测流断面上的最大流量。洪峰流量是洪水的重要特征之一，它不仅仅反映了洪水的强度，也预示防洪的级别。洪峰流量所对应的最高洪水位是修建堤防参照量之一，洪峰流量的分析和预测对防洪建设至关重要[1]。

乐都水文站是设在黄河流域湟水水系湟水干流控制站、国家重要水文站、中央报汛站，属一类精度流量站，二类精度泥沙站。该站位于青海省海东市乐都区岗沟镇下教场村，距西宁市约70 km。地理坐标位于E102°25′，N36°29′，海拔高程为1 971 m。乐都水文站集水面积13 025 km2，至河源距离245 km，至河口距离128 km，河道平均比降6.02‰。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源

乐都水文站(图1)的水文资料来源于青海省水文水资源测报中心。本研究选取乐都水文站1956-2013年的洪峰流量作为分析的数据资料(图2)。

图1 乐都水文站位置示意图

图2 乐都站1956-2013年洪峰流量序列

1.2 研究方法

1.2.1 趋势分析

线性回归法能够简单地判断时间序列的增减情况，并通过斜率指标判断序列趋势的变化率。

滑动平均法可以有效消除水文序列异常点波动的影响，直观展现水文气象要素整体变化的趋势。因此，采用5年滑动平均法对乐都站洪峰流量进行趋势分析。

1.2.2 突变分析

采用Mann-Kendall非参数检验法评估水文气候要素时间序列趋势变化和实现突变点，其优点是不需要样本遵从一定分布，分析不受少数异常值的干扰。M-K分析趋势是通过计算构造序列的统计量UFK的大小来判别的。而M-K识别突变点则在趋势分析基础上构建反序列求出统计量UBK，根据UFK与UBK曲线的交点可准确找出突变点。最后，在给定信度下检验趋势和突变点的显著性。M-K分析方法的计算过程参考文献[2]。

1.2.3 周期分析

本研究采用Morlet连续复小波变换来分析洪峰流量时间序列的多时间尺度特征。实小波变换只能给出时间序列变化的振幅和正负，而复小波变换可同时给出时间序列变化的位相和振幅，且复小波函数的实部和虚部位相差为π/2，能消除用实小波变换系数作为判据而产生的虚假震荡，使分析结果更加准确。

2 结果分析

2.1 趋势分析

乐都水文站洪峰流量序列距平变化图见图3，其相关统计特征量见表1。

图3 乐都站1956-2013年洪峰流量距平变化

表1 乐都站洪峰流量统计特征值

线性回归的方法结果显示，乐都站洪峰流量呈下降趋势，且下降明显(相关系数R通过0.05信度检验)，变化倾向率为-45.69 m3/sa-1。

2.2 突变分析

M-K方法识别突变点结果见图4。从图4可看出，UBk的值小于零，乐都站洪峰流量序列呈下降趋势，且超过临界值(±1.96)，表明乐都站洪峰流量序列下降趋势明显，与采用线性回归法的结果一致。

从图4还可以看出，UFk与UBk两条曲线出现4个交叉点，且交叉点均在临界线之间，交点的对应时刻便是洪峰流量发生突变点时间，即乐都站洪峰流量在1999、2001、2003和2004年发生突变。

图4 乐都站洪峰流量序列M-K统计量突变图

2.3 周期分析

采用Morlet连续复小波变换来对乐都站58年洪峰流量进行周期分析，得到乐都站小波系数实部等值线图，见图5。实部图中洪峰流量值偏多通过实线来表示，其小波变换系数为正值。洪峰流量值偏少通过虚线来表示，其小波变换系数为负值。

图5 乐都站小波系数实部等值线图

从图5可以看出，在乐都站洪峰流量演变过程中存在着3～7年尺度的周期变化规律，且该尺度上存在准5次震荡，可以看出这个尺度的周期变化在整个分析时段表现的非常稳定。

3 结 论

本文分析了乐都站黄河流域湟水水系乐都站的变化趋势、突变和周期，总结了乐都站近58年来洪峰流量的演变规律，主要结论如下：

1) 通过线性回归和5年平均滑动法分析得出乐都站洪峰流量成下降趋势，且下降趋势明显。

2) M-K检验法与线性回归法得到结论一致，乐都站洪峰流量呈下降趋势，且乐都站在1999、2001、2003和2004年发生突变。

3) 乐都站洪峰流量演变过程中存在着3～7年尺度的周期变化规律，且该尺度的周期变化在整个分析时段表现的非常稳定。