廣東河流枯水特征研究的回顧與評述

廣東河流枯水特征研究的回顧與評述

干旱地區(qū)是重要的水文特征。這種水量的補(bǔ)充通常取決于流域的蓄水能力。李秀云等人認(rèn)為枯水徑流量的大小與區(qū)域地帶性因素(如氣候、植被等)、非地帶性因素(如集水面積、地質(zhì)、地形、人類活動等)有著密切的關(guān)系。研究枯水徑流量對于水利工程設(shè)計(jì)、供水規(guī)劃、水環(huán)境保護(hù)、維持流域生態(tài)景觀等方面具有重要現(xiàn)實(shí)意義。在我國,廣東屬于水資源相對比較豐富的地區(qū),但該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展對水資源的量和質(zhì)都有了更高的要求。在枯水季節(jié),由于受到珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)咸潮、陸上污染源持續(xù)排放等影響,局部地區(qū)供水風(fēng)險(xiǎn)在近10a來有上升的趨勢,但廣東境內(nèi)河流的枯水研究尚屬于空白。因此,本文嘗試對廣東境內(nèi)主要河流20個(gè)站點(diǎn)的最枯1個(gè)月、最枯2個(gè)月、最枯3個(gè)月的枯水徑流量進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì),采用概率點(diǎn)據(jù)相關(guān)系數(shù)(PPCC)法對各種理論分布模式進(jìn)行對比分析,以揭示廣東河流枯水徑流量的分布規(guī)律,為進(jìn)一步深入研究廣東河流枯水特征研究提供參考。1枯水分析技術(shù)研究對于不同的研究者,枯水所指的含義會有所不同。2001年,V.U.Smakhtin對當(dāng)今枯水研究進(jìn)展做了較為詳盡的回顧和評述。枯水是個(gè)水文季節(jié)現(xiàn)象,包括流域體系的各個(gè)方面。因此,枯水水文學(xué)被認(rèn)為是一個(gè)交叉學(xué)科,具有明顯的地理水文物理意義基礎(chǔ)和工程應(yīng)用價(jià)值?？菟膶W(xué)的主要研究領(lǐng)域包括枯水形成的物理機(jī)理、枯水分析的技術(shù)方法及適用范圍、枯水預(yù)測、區(qū)域枯水分析的原理與應(yīng)用等。不同研究目的對于枯水徑流的理解也不一樣。黃國如等人回顧和評述枯水徑流的若干問題的研究進(jìn)展。從年際徑流量和年內(nèi)徑流量變化上來說,枯水徑流是對氣候因子(如年降水)變化的一種響應(yīng),其對應(yīng)的指標(biāo)通常為枯水年的年徑流量和年內(nèi)枯水期的徑流量。從河道水流時(shí)間過程上來看,枯水徑流被認(rèn)為是流量過程線的退水段,與基流的概念等同起來,是流域穩(wěn)定水源(如地下水)的補(bǔ)給量,其對應(yīng)的指標(biāo)通常為河道基流量。從頻率的角度上分析,枯水徑流被設(shè)計(jì)為對應(yīng)于某一概率保證的流量或徑流量,如Q75、Q90等。在枯水頻率計(jì)算中,通常是對某一時(shí)段的枯水徑流量進(jìn)行概率分析,某一時(shí)段可以是日、月或年?？菟畯搅黝l率分析涉及的特征指標(biāo)較多,基于日徑流量數(shù)據(jù)中,有最小1、3、7、10、15、30、60、90、120、150、183、273或284d的徑流量頻率分析;基于月徑流量數(shù)據(jù)中,有最小1、3、6或9個(gè)月的徑流量頻率分析。對于有較長年徑流量系列數(shù)據(jù)時(shí),可以分析1a以上的徑流量頻率。2概率分布模型枯水徑流的概率分布可選擇的理論模型有多種,目前應(yīng)用較為廣泛的有皮爾遜Ⅲ型分布、對數(shù)皮爾遜Ⅲ型分布、截尾正態(tài)分布、二參數(shù)對數(shù)正態(tài)分布、耿貝爾分布等。對于不同自然條件的流域,可以選擇不同的概率分布模型。概率點(diǎn)據(jù)相關(guān)系數(shù)(ProbabilityPlotCorrelationCoefficient,縮寫為PPCC)檢驗(yàn)法,1975年由Filliben應(yīng)用于正態(tài)分布,馮國章等人1995年應(yīng)用該檢驗(yàn)法對涇、洛、渭三河流干流的主要控制斷面進(jìn)行了枯水流量的概率分布選型研究。2.1xi與yi之間的相關(guān)關(guān)系若一個(gè)待檢樣本的實(shí)際分布服從假設(shè)分布,則排序后的觀測值x(i)與假設(shè)分布的理論值,即x(i)的統(tǒng)計(jì)均值y(i)的概率點(diǎn)據(jù)存在近似線性關(guān)系。因此,可將PPCC檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量定義為x(i)與y(i)之間的相關(guān)系數(shù),即r=n∑i=1(x(i)-xm)(y(i)-ym)√n∑i=1(x(i)-xm)2n∑i=1(y(i)-ym)2(1)式中,x(i)和xm分別表示排序后的實(shí)測值和實(shí)測樣本的均值;y(i)和ym分別是假設(shè)分布相應(yīng)于x(i)的理論值和均值。也就是說,PPCC檢驗(yàn)法是根據(jù)實(shí)測樣本序列排序后各觀測值x(i)和經(jīng)驗(yàn)頻率Pi推求出假設(shè)分布上Pi對應(yīng)的期望值y(i)=E[x(i)]=F-1(Pi),然后求兩序列x(i)、y(i)的相關(guān)系數(shù)r,并按一定的檢驗(yàn)準(zhǔn)則判斷是否拒絕假設(shè)分布。2.2計(jì)算不同假設(shè)分布的概率點(diǎn)的計(jì)算方法2.2.1文酸分布耿貝爾分布又稱極值Ⅰ型分布,其理論值為y(i)=-a-ln[-ln(1-Ρi)]u(2)式中,a=π/(√6σ)和u=xm-√6γσ/π為耿貝爾分布參數(shù),其中,xm、σ分別為實(shí)測枯水序列的均值、均方差,γ=0.57722為歐拉常數(shù);Pi為排序后的實(shí)測序列中x(i)對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)頻率,可用耿貝爾分布的Gringorten公式計(jì)算。2.2.2枯水序列測定采用Wilson-Hilfenty變換法計(jì)算y(i),即y(i)=xm+σ[2Cs(1+CsF-1(Ρi)6-C2s36)3-2Cs](3)式中,xm、σ和Cs分別為實(shí)測枯水序列的均值、均方差和偏態(tài)系數(shù);F-1(Pi)是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的逆變換,其可用Joiner-Rosenblatt公式計(jì)算。2.2.3xm、[2c1i6-c2s]仍采用Wilson-Hilfenty變換法計(jì)算y(i),即y(i)=exp{x′m+σ′[2C′s(1+C′sF-1(Ρi)6-C′2s36)3-2C′s]}(4)式中,x′m、σ′和C′s分別為1nx(i)的均值、均方差和偏態(tài)系數(shù);F-1(Pi)的計(jì)算與P-Ⅲ型分布相同。2.2.4枯水序列測定截尾正態(tài)分布是指當(dāng)正態(tài)分布計(jì)算值為負(fù)時(shí)令其值為零,即y(i)=xm+σηi(y(i)≥0)(5)式中,xm、σ分別為實(shí)測枯水序列的均值、均方差;ηi=F-1(Pi),其計(jì)算與P-Ⅲ型分布相同。2.2.5i6式其理論值的逆變換計(jì)算為y(i)=exp(x′m+σ′ηi)(6)式中,x′m、σ′分別為1nx(i)或1n(x(i)-a)的均值和均方差;ηi=F-1(Pi),其計(jì)算與P-Ⅲ型分布相同。3流量序列的還原分析及修正由于受到人類活動的影響,實(shí)測的河川天然徑流量序列并不能直接用于統(tǒng)計(jì)分析。人類活動對廣東境內(nèi)河川徑流量的影響主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:①河道外用水消耗量不斷增加,直接造成河川徑流量的減少;②工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及工程建設(shè)改變了流域下墊面條件(如植被、土壤、水面、耕地、潛水位等因素),導(dǎo)致下滲、徑流、蒸散發(fā)等水量平衡計(jì)算因素發(fā)生變化,造成產(chǎn)流量的減少或增加;③蓄水工程的調(diào)蓄作用影響流量過程線。因此,需要對實(shí)測徑流量序列進(jìn)行還原計(jì)算和一致性分析及修正。本文收集了廣東省境內(nèi)主要河流20個(gè)控制站點(diǎn)1956~2000年共45a逐月徑流量序列資料,并進(jìn)行了還原計(jì)算和一致性分析修正,其基本信息及最枯月(1個(gè)月)徑流量的統(tǒng)計(jì)特征見表1。根據(jù)上述五種假設(shè)分布的概率點(diǎn)據(jù)計(jì)算方法,分別計(jì)算了20個(gè)站點(diǎn)的最枯1個(gè)月、最枯2個(gè)月和最枯3個(gè)月徑流量序列的y(i)值及PPCC值(r)。表2是根據(jù)最枯1個(gè)月徑流量序列計(jì)算出的PPCC值(r),并挑選出PPCC的最大值(rmax)及對應(yīng)的分布類型。表3是在分別計(jì)算最枯1個(gè)月、最枯2個(gè)月和最枯3個(gè)月徑流量序列的PPCC值基礎(chǔ)上,得出每種分布的平均值(rm),并挑選出平均值的最大值及對應(yīng)的分布類型。4月枯水徑流比選a.從計(jì)算結(jié)果看出,不管是最枯月枯水徑流序列的PPCC,還是月枯水徑流量PPCC的平均值,廣東省境內(nèi)河流月枯水徑流量的PPCC值均比較大,反映出各種假設(shè)分布對實(shí)測點(diǎn)據(jù)的擬合均較好,其中優(yōu)勢分布為LP-Ⅲ分布、P-Ⅲ分布和EV-I分布。b.就空間分布來說,東江干流主要控制站點(diǎn)的月枯水徑流量優(yōu)勢分布為P-Ⅲ;西、北江干流及其支流主要控制站點(diǎn)的月