長(zhǎng)江中下游典型河口水沙過程變化分析

長(zhǎng)江中下游典型河口水沙過程變化分析

0徑流水沙過程水沙過程水沙過程水沙過程—引言河口地區(qū)位于河流和海洋交匯處，地表徑流和趨勢(shì)相互作用，河流和趨勢(shì)變化。長(zhǎng)江是世界上最大的河流之一，年平均河流數(shù)量超過9000108m3，沉積物通過大站輸送至河口。長(zhǎng)江河口是河流因素的主導(dǎo)地位。流域水沙流的變化不可避免地導(dǎo)致河流和趨勢(shì)之間的對(duì)應(yīng)變化，使河口灘岸的沖泥適應(yīng)。長(zhǎng)江大灣位于靠近漢江河口的潮平面上，距長(zhǎng)江入?？诩s620公里。該站控制著上游1.55106km2的集水區(qū)，約占流域總面積的95%。它是長(zhǎng)江河口流域的邊界，也是長(zhǎng)江河口資源開發(fā)和河口治理的重要決策依據(jù)。流域水沙過程主要受制于流域氣候條件、下墊面條件(地質(zhì)、地形、植被等)以及人類活動(dòng)形式和強(qiáng)度的綜合作用,水沙過程除了反映鮮明的區(qū)域特性外,通常還呈現(xiàn)周期性、模糊性和隨機(jī)性的特點(diǎn).這一特點(diǎn)決定了在水沙過程的分析研究中,統(tǒng)計(jì)方法是較為適宜而有效的手段.在水文學(xué)科領(lǐng)域中,時(shí)間序列分析廣泛應(yīng)用于研究客體對(duì)象隨時(shí)間變化的規(guī)律——趨勢(shì)性、階段性、波動(dòng)性.李麗鵑等運(yùn)用秩次相關(guān)法分析了京津地區(qū)潮白河徑流變化的趨勢(shì)性,由變點(diǎn)探索技術(shù)揭示了徑流變化的階段性,并用自相關(guān)分析闡明了徑流演化過程時(shí)間上的相依性.黃忠恕在其《波譜分析方法及其在水文氣象學(xué)中的應(yīng)用》一書中闡述了波譜分析方法在水文氣象要素周期分析和預(yù)報(bào)中的應(yīng)用.劉昌明等關(guān)于黃河干流下游斷流的徑流序列的研究表明,在最近的39y中,黃河的上中游入水及中下游基流量存在下降趨勢(shì),為更深入地認(rèn)識(shí)黃河斷流現(xiàn)象提供了科學(xué)依據(jù).在有關(guān)長(zhǎng)江水文的研究中,時(shí)間序列分析方法也作了有效的嘗試.黃忠恕利用線性分解模型對(duì)長(zhǎng)江中下游梅雨總量和長(zhǎng)江宜昌站最高水位的周期變化進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè).覃愛基等利用線性分解模型對(duì)宜昌站1882～1986年的年徑流序列進(jìn)行了趨勢(shì)分析、跳躍分析、周期分析和隨機(jī)分析,得出宜昌站年均徑流有緩慢下降的趨勢(shì),以1968年為界,徑流序列可分前后兩個(gè)階段,還具有15y的顯著周期.沈煥庭等利用功率譜估計(jì)對(duì)長(zhǎng)江口大通站1946～1989年的月平均流量序列進(jìn)行的分析結(jié)果表明,流量以洪枯變化最為顯著,采用低通濾波之后,得出月平均流量序列具有4～8y和2～3y的周期變化.大通站1922年正式建站,有較長(zhǎng)的水文觀測(cè)歷史,雖然1937～1946年因戰(zhàn)亂因素有一部分記錄完整性欠佳,但仍不乏分析價(jià)值.本文以1923～2000年系列資料為基礎(chǔ),運(yùn)用多種分析方法分別對(duì)大通站徑流系列進(jìn)行趨勢(shì)分析、跳躍分析和周期分析,并對(duì)徑流的月分配變化特征作初步探討.1將大量的過程納入離散化觀測(cè),作為時(shí)間序列時(shí)間序列是以時(shí)間為自變量的離散化的有序數(shù)集合,水文現(xiàn)象作為一個(gè)隨機(jī)自然現(xiàn)象,有其內(nèi)在的不確定性,總是一個(gè)非平穩(wěn)的時(shí)間序列,水文資料只要是依照時(shí)間順序記錄的,都可認(rèn)為是連續(xù)隨機(jī)過程的離散化觀測(cè)結(jié)果,一般都可以作為時(shí)間序列來處理.1.1趨勢(shì)分析法1.1.1無趨勢(shì)序列范圍定義統(tǒng)計(jì)量和標(biāo)準(zhǔn)化變量如下:式中:P為系列中所有對(duì)偶觀測(cè)值(Qi,Qj,i<j)中Qi<Qj出現(xiàn)的次數(shù);N為系列長(zhǎng)度.對(duì)于無趨勢(shì)序列,P=N(N-1)/4;若P接近于N(N-1)/2,表示有上升趨勢(shì);若P接近于0,則為下降趨勢(shì).當(dāng)N增加時(shí),M很快收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布.當(dāng)原假設(shè)為該序列無趨勢(shì)時(shí),一般采用雙層檢驗(yàn),在給定顯著水平α(一般為0.05～0.01)以后,若|M|<|M|α/2,接受原假設(shè),即趨勢(shì)不顯著,否則趨勢(shì)顯著.1.1.2線性趨勢(shì)估計(jì)的方差法假設(shè)序列具有線性趨勢(shì),可以采用線性回歸模型進(jìn)行檢驗(yàn).其數(shù)學(xué)模型為:由回歸分析方法求出參數(shù)a,b的估計(jì)值分別為:的方差估計(jì)值為:式中:在不存在線性趨勢(shì)的假設(shè)下,即當(dāng)b=0時(shí)統(tǒng)計(jì)量為:.統(tǒng)計(jì)量b服從自由度(n-2)的t分布.對(duì)于給定的顯著水平a:如果|T|>tα/2,則拒絕原假設(shè),認(rèn)為線性趨勢(shì)是存在的,否則接受原假設(shè).1.2ghenman分析法1.2.1AFSLee,SMHeghinian(簡(jiǎn)稱AS)分析法滿足上列條件的τ記為τ0,即為最可能的分割點(diǎn).式中:k為比例常數(shù),通常采用k=1;Qt為第t年的年徑流.1.2.2有序聚類分析方法的計(jì)算公式滿足上列條件的τ記為r0,即為最可能的分割點(diǎn).式中:其余符號(hào)同第一種方法.1.3循環(huán)分析1.3.1it的值設(shè)x1,…,xT是平穩(wěn)序列{xt}的一組樣本,令稱以下定義的統(tǒng)計(jì)量為平穩(wěn)序列{xt)的周期圖:在時(shí)間序列譜分析中,周期圖IT(λ)具有重要的作用,但要計(jì)算出所有的IT(λ),-π≤λ≤n的值是不可能的,快速傅立葉變換(FFT)為計(jì)算λj=2nj/T(j=1,2,…,[T/2])點(diǎn)上IT(λ)的值提供了簡(jiǎn)捷的途徑.在IT(λ)出現(xiàn)峰值處,可能存在周期.一般采用Fisher檢驗(yàn)方法對(duì)求出的周期進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).方法如下:其中g(shù)*的分布為:一般取顯著水平0.05進(jìn)行檢驗(yàn).當(dāng)z0.05<g*時(shí),估計(jì)的周期是顯著的.將得到的結(jié)果進(jìn)行F檢驗(yàn),通過顯著水平為0.05檢驗(yàn)的周期即為顯著周期.1.3.2最大熵譜估計(jì)與材料n的關(guān)系最大熵譜是樣本序列的自適應(yīng)譜,分辨率很高,任何對(duì)周期的微小偏離都會(huì)使譜值迅速下降,并且適應(yīng)序列資料較短的情況.在已知m+1個(gè)自相關(guān)函數(shù)值的條件下,最大功率譜S(T)滿足下列關(guān)系:式中△t為離散序列的時(shí)間間隔,在等間隔序列中一般取△t=1,i為虛數(shù),T為周期,bm,j為m階自回歸系數(shù),在這里m稱為自回歸的截止階.具體計(jì)算時(shí)自回歸系數(shù)bm,j采用伯格(1968)提出的預(yù)報(bào)誤差過濾系數(shù)的遞推計(jì)算法求得.最大熵譜估計(jì)與截止階m的取值關(guān)系甚大.如果階選得太低,所得譜形過于光滑,顯示不出真正存在的譜峰及譜值隨頻率變化的細(xì)節(jié);反之,階選得過高,則譜形充滿譜峰,出現(xiàn)一些冗余乃至虛假的譜峰.一般采用最終預(yù)報(bào)誤差(FPE)準(zhǔn)則來確定截止階.2大站流時(shí)間序列分析2.1趨勢(shì)分析2.1.1徑流序列的年際變化根據(jù)肯德爾秩相關(guān)檢驗(yàn)計(jì)算的結(jié)果見表1:查統(tǒng)計(jì)表得M0.05/2=1.96,M0.01/2=2.576.可以看出,1946～2000年徑流序列中,除1月序列外,其余各月和年的徑流序列均呈現(xiàn)|M|<M0.05/2<M0.01/2,接受無趨勢(shì)的假設(shè),即1946年以來大通站徑流不存在顯著的趨勢(shì)變化.考察1923～2000年的年均徑流系列,M值為一0.530,同樣|M|<M0.05/2<<M0.1/2,亦即自1923年以來徑流也不存在顯著的趨勢(shì)變化.2.1.2月內(nèi)徑流序列的月際差異11月序列線性趨勢(shì)回歸檢驗(yàn)結(jié)果如表2:查t分布表得:t0.05/2=2.01,t0.01/2=2.67.可以看出,除11月序列之外,其余各序列均不能通過顯著水平0.05的檢驗(yàn).11月序列雖能通過顯著水平0.05的檢驗(yàn),但仍不能通過顯著水平0.01的檢驗(yàn).由上面的分析可以認(rèn)為,不論是年均徑流序列還是各月的月均徑流序列,經(jīng)大通站下泄的徑流量總體上無顯著的增加或減少的趨勢(shì).2.2跳飛期分析長(zhǎng)江大通站的多年平均流量為28700m3·s-1,雖然年徑流量無顯著的增減趨勢(shì),但是在其年平均徑流序列中仍表現(xiàn)出較明顯的階段性變化.運(yùn)用跳躍分析方法對(duì)年平均流量序列進(jìn)行計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)跳躍點(diǎn)發(fā)生的年份.跳躍分析采用文獻(xiàn)介紹的兩種方法:AFSLee,SMHeghinian分析法和有序聚類分析法.兩種分析方法得到的跳躍點(diǎn)均為1955年和1988年.即在1955年、1988年前后存在年均流量的階段性跳躍,不同的是在1955年附近為減量跳躍,而1988年附近是增量跳躍(圖1).1923～1955年、1956～1988年、1989～2000年3個(gè)時(shí)段的多年平均流量依次為29400m3·s-1、27400m3·s-1、30200m3·s-1.2.3生物測(cè)序周期河川徑流除了洪枯季節(jié)變化外,年際變化也呈現(xiàn)準(zhǔn)周期性.圖2為1923～2000年的年均流量序列的周期圖,出現(xiàn)較大極值點(diǎn)的頻率分別為:0.065、0.141、0.179,對(duì)應(yīng)的周期分別為:15.6y、7y、6y.經(jīng)檢驗(yàn),15.6y和7y的周期是顯著的.采用分辨率高且對(duì)序列長(zhǎng)度要求相對(duì)較低的最大熵譜法,按最終預(yù)報(bào)誤差(FPE)準(zhǔn)則確定的截止階為28,計(jì)算得1923～2000年的年均流量序列最大熵譜估計(jì)如圖3.在頻率為0.070和0.150時(shí)出現(xiàn)極大值,對(duì)應(yīng)的周期為16y和6.6y.因此,可以認(rèn)為年均流量具有16、7y的周期性變化.3年度流量變化年度變化3.1洪枯季變化長(zhǎng)江流域大部分處于東亞季風(fēng)區(qū),降水多集中在夏季,徑流在年內(nèi)表現(xiàn)出明顯的洪枯季變化.對(duì)1923～1937年和1946～2000年大通站各月平均流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可以看出,大通站多年的月平均流量最大值出現(xiàn)在7月份,最小值在1月份,汛期(5～10月)徑流占全年徑流的71.4%(表3).3.2年平均月徑流分配參照上述的多年平均月徑流分配曲線,考察各年的月徑流變化可以發(fā)現(xiàn),由于各種因素的影響,不少年份的月徑流分配曲線與多年平均狀況有較大的偏差,呈不同的峰態(tài).3.2.1高年人口流域型按曲線峰部的陡坦程度(相對(duì)于多年平均狀況)有寬平峰型和窄尖峰型(圖4).形成寬平峰型的主要原因是各雨區(qū)中心的大強(qiáng)度降水時(shí)間錯(cuò)開,上游洪峰和中下游洪汛沒有遭遇,洪季徑流過程平緩,多出現(xiàn)在非豐水年.該型以1953年為典型,此外,1925年、1928年、1930年、1934年、1950年、1951年、1961年,1963年,1965年、1970年、1972年、1984年、1985年等也屬此類.尖峰型的徑流過程反映年降水非常集中,且在很多情況下是上中下游洪峰相遇,因而曲線峰部窄尖而高凸,這類峰型常出現(xiàn)在豐水年,并可能伴發(fā)特大洪水.該型以1954年,1996年最為典型.如1954年5月下旬至8月中旬歷時(shí)近3個(gè)月的集中降雨,長(zhǎng)江上、中、下游洪水相遭遇,導(dǎo)致流域性的特大洪水,大通站7月份平均流量達(dá)75200m3·s-1,并創(chuàng)器測(cè)最大洪峰流量92600m3·s-1的記錄.此外,1924、1926、1931、1933、1959、1962、1968、1969、1976、1983、1992、1998、1999年也具此類峰型.3.2.2流量峰值出現(xiàn)后偏在多年平均月均流量分配曲線上,最大月流量出現(xiàn)在7月,最小值在1月.如果以該曲線為參照,某年份的月均流量峰值出現(xiàn)在7月份之后,則為后偏;峰值出現(xiàn)在7月份之前,則為前偏(圖5).后偏型:典型年份有1980年,此外,.1923、1929、1931、1937、1947、1954、1982、1988、1993、1998等年份都屬于此類.前偏型:典型的前偏型年份出現(xiàn)較少,主要有1975年,1978年.3.3洪/枯水情水情特征流量統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)江汛期(或洪季)為5～10月,非汛期(或枯季)為11月至翌年4月.分別計(jì)算洪、枯季對(duì)應(yīng)出現(xiàn)頻率≤25%、75%的流量作為界別豐、平、枯的指標(biāo),出現(xiàn)頻率≤25%的流量為豐水(F),出現(xiàn)頻率>75%的為枯水(K),界于其間為平水(P).根據(jù)1923～1937年、1946～2000年流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),洪季對(duì)應(yīng)25%、75%頻率的流量分別為44400m3·s-1、36500m3·s-1;枯季對(duì)應(yīng)25%、75%頻率的流量分別為19100m3·s-1、14800m3·s-1.依上述特征流量分析各年的洪/枯季徑流組合,可以看出,洪枯季豐枯水情相呼應(yīng)的F/F、P/P、K/K組合居多,分別占16%、31%、13%,共占60%;洪枯季水情完全相反的F/K(1962年)、K/F(1953年)組合出現(xiàn)幾率極小,各出現(xiàn)1次,占1.5%;其它4種組合——F/P、P/F、K/P、P/K出現(xiàn)幾率大致相近,約各占9～10%.4徑流水變的特點(diǎn)(1)趨勢(shì)分析表明,不論是1923～2000年徑流系列還是1946～2000年徑流系列,不論是年均徑流系列還是各月的月均徑流系列,總體上都無顯著的線性增減趨勢(shì)變化.但是,年均徑流系列存在階段性躍變的特點(diǎn),1955年前后有一徑流減量躍變,而1988年