基于m-k法的漳河侯滄觀區(qū)間水資源優(yōu)化分配研究

基于m-k法的漳河侯滄觀區(qū)間水資源優(yōu)化分配研究

漳河是海河流域南部的重要河流，發(fā)源于山西省。上游分為渾濁漳河和清漳河，匯入河北省涉縣和河底村。岳城水庫-千岡村。濁漳河侯壁水文站以下、清漳河匡門口水文站以下至漳河干流觀臺水文站以上的河段全長108km,其中山西省境內(nèi)19km、河北省境內(nèi)16km、河南與河北兩省界河73km。漳河水是兩岸分屬晉、冀、豫三省的49個自然村及紅旗渠、躍進渠、大躍峰渠、小躍峰渠四大灌區(qū)的重要水源。由于水資源嚴重短缺并涉及上下游和左右岸三省的利益關(guān)系,漳河侯匡觀區(qū)間是全國水事矛盾最突出的區(qū)域之一。解決漳河侯匡觀區(qū)間水事糾紛的關(guān)鍵在于建立基于群決策理論的水量分配模型實現(xiàn)水資源的公平合理分配。侯壁站、匡門口站作為侯匡觀區(qū)間的入境水量控制站,其徑流量的準確預(yù)測是實現(xiàn)水量公平合理分配的基本前提。鑒此,本文分析了侯壁站、匡門口站年徑流量的變化趨勢和原因,并考慮各種導(dǎo)致年徑流量變化的因素,預(yù)測了侯匡觀區(qū)間在豐、平、枯水年的入境水量,為漳河水資源初始分配提供了依據(jù),也為水權(quán)交易奠定了基礎(chǔ)。1方法的應(yīng)用領(lǐng)域Mann-Kendall(M-K)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法,無需假定樣本服從某種分布,檢測范圍寬、人為影響小、定量化程度高,在全球氣候變化及其影響的研究方面得到了廣泛應(yīng)用。本文采用該法對濁漳河、清漳河的年徑流量進行趨勢突變檢驗。1.1m-k測試方法1.1.1標(biāo)準臨界值的計算在M-K趨勢檢驗中,原假設(shè)H0為序列未發(fā)生趨勢變化。對樣本容量為n的時間序列x1,x2,…,xn,構(gòu)造統(tǒng)計量S,計算方法見文獻。當(dāng)n≥10時,S近似服從正態(tài)分布,標(biāo)準化后的量為:Ζ={(S-1)/√n(n-1)(2n+5)/18S>00S=0(S+1)/√n(n-1)(2n+5)/18S<0(1)Z=???????(S?1)/n(n?1)(2n+5)/18????????????????√0(S+1)/n(n?1)(2n+5)/18????????????????√S>0S=0S<0(1)取顯著水平α=0.05,查標(biāo)準正態(tài)分布表可得臨界值Zα/2=1.96。若|Z|>Zα/2,即在顯著水平α下序列存在向上或向下的趨勢,否則接受序列無趨勢的原假設(shè)。1.1.2ufk及ubk序時序列的變化當(dāng)M-K法用于檢驗序列突變時,需構(gòu)造一個秩序列dk,在時間序列隨機獨立的假定下,dk的均值與方差計算方法見文獻。統(tǒng)計量為:式中,UFk為標(biāo)準正態(tài)分布,UF1=0。取顯著水平α=0.05,查標(biāo)準正態(tài)分布表可得臨界值UFα/2=1.96。當(dāng)|UFk|>UFα/2時,序列存在明顯的趨勢變化。按時間序列逆序,再重復(fù)上述過程,同時使UBk=-UFk、k′=n+1-k、UB1=0。由UFk繪出曲線C1、UBk繪出曲線C2。當(dāng)UFk或UBk的值超過臨界直線,表明序列上升或下降趨勢顯著;當(dāng)C1與C2曲線出現(xiàn)交點且在臨界線之間,則交點對應(yīng)的時刻即為突變開始時間。1.2突變檢驗結(jié)果濁漳河侯壁站、清漳河匡門口站1956～2007年年徑流量的趨勢檢驗結(jié)果為:Z侯壁=-4.296,Z匡門口=-3.553,遠遠超出1.96的臨界值,表明年徑流量的衰減趨勢非常顯著。圖1為兩站1956～2007年年徑流量的M-K突變檢驗圖。由圖可見,兩站C1和C2曲線分別在1975～1977、1977年附近相交,且交點落于臨界線之間,故判斷侯壁站年徑流序列于1975～1977年突變,匡門口站年徑流序列于1977年開始突變。綜合兩站突變檢驗結(jié)果,統(tǒng)一取1977年開始突變。以1977年為界,分別對侯壁站、匡門口站1956～1977、1978～2007年的年徑流量系列進行趨勢檢驗,結(jié)果Z侯壁,1956～1977、Z侯壁,1978～2007、Z匡門口,1956～1977、Z匡門口,1978～2007分別為-0.970、-0.173、0.000、0.259,均處于[-1.96,1.96]的接受域內(nèi),表明以1977年為界,將兩站年徑流系列劃分為前后兩段,分段后的序列無明顯趨勢變化。2實測年平均徑流以1977年為界,1956～1977、1978～2000年侯壁站、匡門口站實測年平均徑流量分別為9.84和4.04、5.50和2.74億m3,分別下降5.80、2.76億m3。從兩站上游流域的降水量、降雨徑流關(guān)系、地表取水量等方面分析導(dǎo)致入境徑流量減小的原因。2.1年降水量的變化按盡量均勻布點原則,在侯壁站、匡門口站以上流域內(nèi)分別選擇34、12個雨量代表站,采用算術(shù)平均法計算逐年的降雨量。以1977年為界,分別統(tǒng)計前后兩個時期的多年平均降雨量結(jié)果見表1。由表可見,后一階段上游流域年降水量比前階段減少65mm以上,減幅超過10%,與文獻分析的降水量下降趨勢相吻合。河川徑流量源于大氣降水,上游流域降水量減小是致使侯壁站、匡門口站徑流量減小的重要原因之一。2.2地表徑流變化規(guī)律河川徑流源于大氣降水,但降雨落至地面后經(jīng)產(chǎn)匯流過程才成為河川徑流。若人類活動改變了流域下墊面,則流域的產(chǎn)匯流機制將相應(yīng)發(fā)生變化。即使降水量維持穩(wěn)定狀態(tài),產(chǎn)生的徑流量也可能發(fā)生趨勢變化,本文采用徑流系數(shù)衡量流域下墊面變化對徑流量的影響。以農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)引用、林牧漁業(yè)引用、農(nóng)村生活等地表水耗水量為還原項,對逐年徑流量進行還原得到天然年徑流量系列。以1977年為界,分別統(tǒng)計前后兩個時期的多年平均徑流深,結(jié)合表1的多年平均降雨量計算徑流系數(shù),結(jié)果見表2。由表可見,后一階段上游流域的年徑流系數(shù)均比前一階段小,減幅達35%以上。徑流系數(shù)反映了單位降水量形成的徑流深,表明隨人類活動的加劇,同等降雨量條件下產(chǎn)生的地表徑流量明顯減少。在多種影響活動中,地下水超采、水土保持和煤礦開采對地表水的影響最嚴重。地下水開采對地表水的影響加大了流域地表徑流的滲漏損失量,尤其使河道滲漏量急劇加大。而水土保持和土地利用對地表水的影響是通過改變產(chǎn)流條件而使產(chǎn)流量減小。2.3地表取水量2000年侯壁站、匡門口站以上流域取用漳河水量分別為2.24、0.60億m3,以此代表近段時期上游流域的地表取水量。綜合上述分析,后階段的徑流量比前階段減少是由于上游流域降水量偏少、降雨徑流關(guān)系變化、取水量增加之故。其中,流域降雨徑流關(guān)系改變是徑流量衰減的最主要原因,降水量偏少和取水量增加引起的徑流衰減量在量級上相當(dāng)。3設(shè)計年徑流的計算年徑流量預(yù)測是漳河水資源初始分配的基礎(chǔ)。為滿足生成不同來水情景下的水資源分配方案的需要,采用頻率分析法預(yù)測未來豐、平、枯、特枯年的徑流量。根據(jù)侯壁站、匡門口站1978～2007年的年徑流系列計算現(xiàn)狀氣候及下墊面條件下的設(shè)計年徑流量,根據(jù)1956～1977年的年徑流系列計算前期氣候及下墊面條件下的設(shè)計年徑流量結(jié)果見表3。由表可見,后期與前期相比,兩站正常年、枯水年徑流量均減少50%以上。故隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,漳河侯匡觀區(qū)間對水資源的需求仍將增加,入境地表徑流量的大幅減少加劇了該地區(qū)的水資源供需矛盾,應(yīng)引起各級管理部門及各方利益主體的足夠重視。4上游流域降水趨勢的變化a.采用M-K法分析了濁漳河侯壁站與清漳河匡門口站1956～2007年的年徑流資料,揭示了兩站年徑流量呈明顯衰減趨勢,突變始于1977年,各階段內(nèi)序列趨勢變化不再顯著。上游流域降雨徑流