廣東省枯水徑流時間演化規(guī)律研究

廣東省枯水徑流時間演化規(guī)律研究

干水和洪水一樣屬于極值水文學(xué)范疇。洪水災(zāi)害發(fā)生并引起高度的破壞，所以自古以來就受到廣泛關(guān)注。然而，干水并沒有像洪水那樣嚴重，因此很少受到人們的注意和注意。因此，對干水的研究的內(nèi)容、方法和深度遠低于洪水研究。但近些年來,在我國華南地區(qū)非汛期出現(xiàn)了水資源嚴重短缺、水環(huán)境惡化等現(xiàn)象,迫使人們對枯水徑流的變化特征進行分析,其中對枯水徑流時間演化規(guī)律的研究是目前枯水徑流研究中一個薄弱環(huán)節(jié),但它直接關(guān)系到水利決策部門防災(zāi)減災(zāi)工作的好壞,因此具有重要的理論意義和實踐價值?？菟畯搅鲿r間演化規(guī)律的研究內(nèi)容非常廣泛,如周期性,趨勢性等,但本文主要是根據(jù)廣東省各大流域控制站的年最小月徑流量資料,分析每年最小月徑流量出現(xiàn)的時間,并且對徑流量大小也進行了探討,最后以西枝江九洲站1959-2002年44年間的徑流最小日流量為實例,研究了針對我國南方濕潤地區(qū)的枯水流量的概率分布特征。1各水系間的年、月徑流變化規(guī)律廣東省位于我國大陸的最南部,屬于南亞熱帶和熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年降水量豐富,為了研究全省枯水徑流在時間的演化規(guī)律,本文選取了具有8大流域片中8個控制站,利用各自還原后的天然最小月徑流量(一年的12個月中最小月徑流量)進行分析(各站的資料特征見表1)。根據(jù)各個控制站的天然最小月徑流量出現(xiàn)的月份分別進行統(tǒng)計,結(jié)果如圖1所示?？偟膩碚f,廣東省月最小枯水徑流量主要集中在2月份,占統(tǒng)計月份總數(shù)的32.3%,其他依次為12月份、1月份、3月份,另外,4、11月份也出現(xiàn)在個別年份中,需要指出的是2月份一般來說是我國傳統(tǒng)佳節(jié)-春節(jié)所在的月份,因此生活用水相對較大,保證率要求最高,而月最小徑流量的出現(xiàn)在此月份的概率最大,這樣進一步加大了全省水資源的供需矛盾。但在各不同水系之間還存在以下不同特征:(1)高要站。從圖1中可以看出,高要站的最枯月份主要集中在1、2月份,其次為12月。高要站是西江流域的控制性站點,徑流量大小特別是最小月份的徑流量對下游珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)咸潮上溯有著直接的聯(lián)系,從而對用水安全,河網(wǎng)區(qū)的水環(huán)境、水生態(tài)都產(chǎn)生較大影響。為了分析最小月徑流量變化趨勢,分別選取高要站1956到2000年的最大月徑流量和最小月徑流量進行分析(見圖2),從圖2中用多項式擬合的趨勢線中可知,高要站的最小月徑流量變化趨勢比較平穩(wěn),從1956到1972年左右,最小月徑流量絕大多數(shù)年份都在小于多年平均值范圍內(nèi)變化,而從1973到1995年之間,變化范圍比較大,但總體上是大于多年平均值的次數(shù)多于小于多年平均值次數(shù)。但1996年以后數(shù)值又出現(xiàn)了小于平均值的趨勢,并且近些來年降雨量減少加劇了干旱化趨勢,特別是由于下游西北江三角洲地區(qū)大部分來水量都直接和高要站的徑流量有關(guān),所以應(yīng)該要對這種情況采取必要的措施,保障下游的供水安全。另外,從圖2中還可以分析出,月最大徑流量變化的趨勢和最小月徑流量的變化趨勢存在相反性,也就是說,在一年內(nèi)水量最多的月份變大時,最小的月份卻越來越小,特別是兩個趨勢線在1995年左右均向不利于水資源利用方向變化。(2)石角站。石角站是北江上的控制站,分析它枯水期出現(xiàn)時間和枯水徑流量大小的演化規(guī)律,不僅對北江流域有著重要的意義并且可以影響到下游西北江三角洲地區(qū)的供水安全。從圖1中可以看出,石角站的最小月徑流量出現(xiàn)1月份最多,其次為12月、2月份。而高要站的最小月徑流量在1月份也比較集中,這種現(xiàn)象表明西、北江流域的最小月徑流出現(xiàn)在同一時間的可能較大,這對下游的西北江三角洲地區(qū)的壓咸、河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水等是一個嚴重的威脅。(3)潮安站。潮安站的徑流量主要是汀江、梅江、松源河等流域的綜合徑流量。最小月徑流量的分布特征和高要站的非常相似,即最小月徑流量主要集中在1、2月份和12月份。原因可能是兩者的集雨面積都較大,而石角站之所以和潮安、高要站兩者不同的原因可能是北江流域處于石灰?guī)r地區(qū),蓄水條件比其他兩個水系差,從而影響到枯季的來水量。2枯水徑流的頻率分布枯水流量的頻率分析是使用概率分布揭示枯水流量與發(fā)生頻率間的相互關(guān)系,并得到研究區(qū)域的設(shè)計枯水流量,也是枯水徑流時間演化規(guī)律研究的主要內(nèi)容之一。到目前為止,特別是在劇烈人類活動下,人們對于尋求一個適合的分布函數(shù)來描述枯水徑流的頻率分布尚無共識。本文針對西枝江流域的枯水流量分布,應(yīng)用兩參數(shù)對數(shù)正態(tài)、P—Ⅲ型、對數(shù)P—Ⅲ型和耿貝爾型等四種分布曲線進行枯水徑流頻率計算,并與經(jīng)驗頻率計算的結(jié)果進行比較。2.1y為正態(tài)分布,材料的均方差對數(shù)正態(tài)分布是從正態(tài)分布經(jīng)對數(shù)變換推演而來的。簡單的對數(shù)變換為設(shè)Y為正態(tài)分布,其密度函數(shù)為式中,αy和σy分別是隨機變數(shù)Y的數(shù)學(xué)期望和均方差。即Y得分布為n(y;αy;σy),而X的分布為ln(x;αy;σy),ln指對數(shù)正態(tài)分布,但參數(shù)仍然服從正態(tài)分布。2.2p-f型曲線P-Ⅲ型分布具有如下的概率密度函數(shù)2.3x的分布和分布設(shè)有某水文隨機變量X,對變量X取對數(shù)得一新的隨機變量,即若Y服從P-Ⅲ型分布時,X的分布叫做對數(shù)P-ΙΙΙ型分布。因此,Y和X的密度函數(shù)分別為其中三個參數(shù)α、β、b的表達式與P-Ⅲ型參數(shù)表達式完全相同,不過此時的、Cν、Cs應(yīng)為水文隨機變量取對數(shù)后的相應(yīng)統(tǒng)計參數(shù)。2.4耿貝爾曲線由耿貝爾所推薦的曲線—耿貝爾曲線,是根據(jù)極值分布律而應(yīng)用到水文分析中的,人們常把該型曲線稱之為耿貝爾曲線。其分布函數(shù)為2.5概率分布的推廣概率分布線型的選擇采用概率點據(jù)相關(guān)系數(shù)檢驗法,簡稱PPCC(ProbabilityPlotCorrelationCoefficient)法。該法將概率點據(jù)和相關(guān)系數(shù)相結(jié)合,概念明確,便于應(yīng)用,現(xiàn)已被推廣到對數(shù)正態(tài)分布、P-Ⅲ型分布、對數(shù)P-Ⅲ型分布、均勻分布、耿貝爾分布及韋布爾分布[7,8,9,10,11,12,13,14]。PPCC檢驗法就是根據(jù)實測樣本序列排序后各觀測值x(i)和經(jīng)驗頻率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)(i=1,2n)的相關(guān)系數(shù)r(如式(13)所示),并按一定的檢驗準則判斷是否拒絕假設(shè)分布。2.6各種頻率參數(shù)對比本文選取西枝江九洲站1959-2002年44年間的徑流最小日流量數(shù)據(jù)為代表,分析西枝江枯水流量的概率分布特征,通過PPCC檢驗選定適合西枝江的理論分布線型。結(jié)合四種頻率曲線求相關(guān)參數(shù)的方法求出PPCC檢驗需要的相關(guān)參數(shù)mx,σ和sC并且進行檢驗。經(jīng)PPCC檢驗得出四種頻率參數(shù)如表2。用2.1~2.4敘述的幾種假設(shè)分布進行計算得出PPCC檢驗值如表3。根據(jù)不同顯著水平下所需相關(guān)系數(shù)最低值表得出,可信度為95%的相關(guān)系數(shù)大約為0.29,上述表3所求出的所有相關(guān)關(guān)系值都大于這個值,這說明符合以上的四個假設(shè)分布,即說明這四種頻率分布都符合西枝江枯水徑流頻率分布。但是相對于耿貝爾概率分布較低的相關(guān)系數(shù),對數(shù)正態(tài)分布,P-Ⅲ概率分布和對數(shù)P-Ⅲ分布的相關(guān)系數(shù)都在90%以上,較為理想,更適合西枝江流域枯水徑流概率分布計算。其中以P-Ⅲ概率分布的相關(guān)系數(shù)為0.99最為理想,這與我國現(xiàn)行水文頻率計算規(guī)范規(guī)定相一致,更有利于在生產(chǎn)實踐中進行應(yīng)用。運用P-Ⅲ概率分布對西枝江九洲站枯水徑流概率分布進行計算,經(jīng)多次配線后,其P-Ⅲ型概率分布圖如圖4所示。從圖中可以看出理論分布曲線和實測數(shù)據(jù)符合較理想。3、江流域、化州站、缸瓦窯站點的時間特征(1)針對廣東省境內(nèi)不同的水系分區(qū),分析了八大水系中各個控制站的最小月徑流量時間演化規(guī)律,得出最小月徑流量大多數(shù)月份是2月份,占統(tǒng)計月份總數(shù)的32.3%,其他依次為12月份、1月份、3月份,另外,4、11月份也有出現(xiàn),并且各個水系特征有所不同。(2)針對廣東省有代表型的流域-西枝江流域的枯水流量分布,應(yīng)用兩參數(shù)對數(shù)正態(tài)、P-Ⅲ型、對數(shù)P-Ⅲ型和耿貝爾型等四種分布曲線進行枯水徑流頻率計算,得出P-Ⅲ概率分布最為符合實測數(shù)據(jù),這與我國現(xiàn)行水文頻率計算規(guī)范規(guī)定相一致,有利于應(yīng)用生產(chǎn)實踐。(4)博羅站。博羅站是東江流域的控制站,它的徑流量直接反映了東江流域的來水狀況,從圖1中可以看出,東江流域的最枯季節(jié)主要集中在2、1、12、3四個月份,和全省八個流域的總體情況極為相似,從某種意義上看,代表了全省出現(xiàn)最小月徑流量的整體特征。(5)化州站和缸瓦窯站的最小月徑流量絕大部分出現(xiàn)在12、1、2月份,最多的月份占統(tǒng)計月份數(shù)的一半以上(化州站為53%,缸瓦窯為60%)。但兩者各自出現(xiàn)的月份有所不同,化州站主要在12月份,而缸瓦窯站主要是2月份,而1月份均是兩者出現(xiàn)較少的月份數(shù),所以防旱的重點鑒江在12月,九州江的最小月徑流量出現(xiàn)在2月份,這與兩流域所處置的地理位置有關(guān)。(6)蕉坑和雙捷站的月最小流量出現(xiàn)的月份都比較均化,雙捷站的最小月徑流量在12、1、2、3月份都有出現(xiàn),但主要是在3月份,超過統(tǒng)計月份數(shù)的一半以上,而蕉坑站