文峪河径流演变规律分析

文峪河径流演变规律分析摘要：在分析文峪河流域特征和流域生态环境变化的基础上，应用HHT变换方法和非 趋势波动分析法等方法，分析文峪河径流演变规律。结果表明：文峪河水库坝址处的天然径 流演化与文峪河水库坝址以上流域的降水、气温等气象因素的周期变化规律是相吻合的，受 气候因子的影响较为强烈，且表现出与气象要素相同或相近的周期变化特征。结合EMD分 解得到的趋势走向，可推知未来文峪河年径流将存在一个持续的缩减趋势，径流缩减主要是 受到区域降雨减少和气温上升的影响，其中以降雨偏低为主。在气候等因素变化的前提下， 必须加强地表水资源的保护和调控。关键词：文峪河 径流演变 分析1 文峪河概况及流域特征1.1 概况文峪河山西省中部西侧属黄河流域汾河水系，是汾河的最大支流。主河道全 长 158.6 公里，上游河段 93.9 公里，中下游河段 64.7 公里。流域总面积 4112.4 平方公里。文峪河是山西省吕梁地区的重要水源地之一，承担了交城、文水、汾 阳和孝义平川四县市、近50 万人口的供水任务，在整个吕梁区域水安全保障体 系中占有极其重要的战略地位。1.2 流域特征1.2.1 气候特征文峪河流域属暖温带大陆性半干旱气候，四季分明，春季多风、少雨、干燥； 夏季多暴雨、炎热；秋季旱涝多变、早凉；冬季少雪、寒冷。极端最高气温39.9C, 最低极端气温-27.4C。无霜期160-183天，最大冻土深0.8米。平均降水量523.9 毫米。降水量呈现年际变化大、年内分配不均、空间垂直分布变化大等特点。整 体呈现减少的趋势，常出现旱涝年相间。年内分配差异大，最大日降水和最大月 降水，大多出现在6-9月，个别年份出现在5月或10月。汛期4个月降水量集 中，占全年降水量的 50%-88%。1.2.2 水文特征流域多年平均水资源总量为3.83亿m3,其中地表水为2.34亿m3,地下水为 2.67亿m3。其中，多年平均径流量1.82亿m3, 1952年1996年间，实测年平 均径流量1.741亿m3,最大为4.78亿m3 （1964年），最小为0.596亿m3 （1987 年）。 20世纪70年代以后，径流量呈下降趋势。结冰期为11月次年3月。 2 生态环境变化文峪河流域为吕梁地区重要的粮、林以及经济作物产区。明清以来,文峪河 地区人口突增,工农业生产发展迅速,以粮产、林木、煤矿等产业最为突出。然 而,无节制的资源占有和掠夺,使文峪河地区的自然资源和生态环境遭受了极大 的破坏,大量植被被损害,水分涵养条件差,水土流失严重,水旱灾害频繁发生。 近年来,受气候条件的影响,文峪河的来水逐年减少,地表水资源量远远不能满 足该地区的生产生活需要,部分灌区荒废或无法正常运行,很多地区不得不依靠 开采地下水缓解供需矛盾,长期的开采使地下水位不断降低,形成年年报废旧井、 年年打新井的局面。由于地下水位持续下降,严重影响了地表土壤含水量,使大 部分地表植被受到生态胁迫。随着沿河经济迅速发展,很多高耗水高污染企业在文峪河流域广泛存在。个 别企业为引取水便利、节省费用、降低成本、躲避环境监管,多次将含水污泥用 高压水泵绕过在线监控点偷排至文峪河,造成文峪河水质恶化、水体污染,影响 了民众正常的生产生活。同时,也对地下水安全造成了严重威胁。3 文峪河径流演变规律分析受气候变化和人类活动的影响,近几年区域水安全问题倍受关注,且在许多 区域或流域经济发展规划和产业布局过程中均要求复核水资源的保障能力。作为 重要水源的河川径流量的演变趋势及持续性问题也被列为水安全问题的重要议 题之一。本文将运用非趋势波动法从标度不变性的角度对河川的径流序列的长程 相关性进行分析,结合趋势走向,结合神经网络模型判定未来河流长期发展趋势 的持续性,为区域水资源安全与经济产业布局提供依据。3.1数据来源文中采用文峪河水库坝址处 1952年-2007 年共56 年的天然年、月径流为基 础数据，数据来源于山西省水文局3.2 研究方法3.2.1 Hilbert-Huang 变换方法HHT (Hilbert-Huang Transform)是一种适用于非线性和非平稳性数据的处 理方法，主要分为经验模态分解法(EMD)及Hilbert变换两部分。( 1) EMD 方法EMD 是美国 N.E. Huang 提出的信号分解算法，此算法的目的在于把复杂信 号分解为简单的单分量信号的组合，即将性能不好的信号分解为一组性能较好的 具有瞬时频率的固有模态函数(IMF)和具有单调性或一个极值点的残余项Rn。 具体的计算步骤如下：提取原时间序列x(t)的各局部极值，然后用三次样条函数进行插值，得到 原时间序列x(t)的上包络线序列值mmax(t)和下包络线序列值mmin(t)。并计算 每个时刻mmax(t)和mmin(t)的瞬时平均值m(t):m(t) + m(t)(1)(2)m (t) maxmin2用原序列x(t)减去瞬时平均值m(t),得到新数据系列:h(t) x(t) 一 m(t)得到第一个固有模态函数Il( t)后，用原序列减去I1( t),得到剩余值序列 r1(t):r (t ) x(t ) 一 I (t)(3)将r1(t)作为一个新的原序列，重复以上步骤，依次提取I2(t)、I3(t) In(t),直至没有固有模态函数被提取出来为止。将分解得到的各分量合并，即得原序列x(t)：x(t) = I (t) + r(t)i1把一个数据序列分解成为固有模态函数组和残余量之和。(2) Hilbert 变换和 Hilbert 谱通过EMD,可以获得多个固有模态函数(IMF)的组合，对这些IMF分量进 行Hilbert变换，得到每个IMF分量的瞬时频率，得到Hilbert谱。Hilbert变 换是一种线性变换，代表线性系统。如果输入信号是平稳的，那么输出信号也应 该是平稳的。下面对固有模态函数y(t)进行Hilbert变换：(5)(6)(7)(8)y(t)=丄 P2 卫 dT 兀 7 t-T式中， P 表示取积分的主值。解析信号 z(t) 可定义如下：z (t) = x(t) + iy (t) = a(t 0%)其中，a(t) = r x 2(t) + y 2(t) 12(t)= arCtg 誥式(7)，(8)分别为解析信号z(t)的瞬时振幅和瞬时相位。在此基础上,可以把瞬时频率(t)定义为: /、 de (t)(9)(t)=dt通过上式定义的瞬时频率是时间的单值函数，在任何时间里有唯一确定的瞬 时频率。为了使瞬时频率具有实际意义，必须满足在任何信号经变换分解后，得 到的各个组分的相位函数和瞬时频率等于正数或零。由上看出，公式(5)表明Hilbert变换是信号x(t)和时间t的倒数1/t的 卷积，因此Hilbert变换强调了信号x(t)的局部特性。因为可以作出时频图， 所以 Hilbert 变换能定量地描述频率与时间的关系，这也突出了此方法的优点。3.2.2 非趋势波动分析法非趋势波动分析法是时间序列长程相关性分析的一种有效方法。计算步骤： 首先选定时间序列，计算该序列的累积离差，得到一个累计新序列；然后将新序 列平均分成M个长度为n的不重叠区间，并对M个区间分别进行最小二乘数据拟 合，得到区间趋势方程，之后滤去该趋势，得到新的时间序列，并计算此时间序 列的特征长度的波动F (n)；变换区间尺度n，从2到数据长度N，并重复上述步骤，可得到不同n对应的F (n)；最后构建log (F(n)和log(n)的散点图， 添加相应的线性趋势线，所得趋势线的斜率即为标度指数a,系DFA方法的判定 性指标。根据DFA方法的定义：当a =0.5，说明序列不具有标度不变性，表示一个 独立的随机过程，不相关(随机)或短程相关；当0a 0.5时，表明此时间序列各个值之间不是独立 的，具有长程相关性( 分形)，是一个具有持久性的增强时间序列，且持久性与 a值的大小有关。当a 时，意味着该时间序列具有持久性的长程相关性，但 非幂律相关。当 a =1.5 时，时间序列的相关性与布朗噪声相似。3.3 基于 HHT 变换的径流序列分析3.3.1 年径流序列周期变化与演化趋势选取文峪河水库坝址处 56年(1952-2007)天然年、月径流序列为基础序列， 标准化处理后，进行Hilbert-Huang变换分析，以探讨文峪河的径流规律及演变 趋势。10.50.50o204060-0.50 20 40 60IMF40.200.50-0.2204060IMF1204060IMF3IMF1-050IWU八1VxA.-VvVX ；0.500.10-0.10204060(a)30(b)4050600 10 20图1文峪河水库坝址处天然年径流序列分解图(a)和时-频关系图(b)年径流序列的EMD分解的结果(图la)显示，文峪河的天然径流序列可分 为 4 个固有模式函数和 1 个残余趋势成分，这反映了该天然序列复杂的多时间尺 度性。图1显示：天然年径流量的一阶IMF分量是最高频的分量，随着IMF分量 阶次的增加，频率的变化逐渐变小，波形也比原序列简单、规整，非平稳性减弱。 残余趋势项呈递减趋势，表明自20世纪50年代至本世纪初，文峪河的天然年径 流量的变化总体呈减小趋势。3.3.2月径流序列周期变化与演化趋势将文峪河水库坝址处的 672 个月天然径流序列进行 EMD 分解，结果如图 3-2所示。文峪河的天然径流序列可分为8个固有模式函数和1个残余趋势成分IMF分量和残余趋势项的变化趋势与年径流基本相同，总体呈现减小趋势。10.500.50-0.50.50-0.5IMF1卅肘卅州+0.50-0.50 200 400 600 8000.20-0.20.0500.10-0.10.050 200 400 600 8000200 400 600 800图 3-文峪河水库坝址处天然月径流序列分解图应用Hilbert变换对EMD分解得到的IMF分量进行处理，并绘制各阶分量的 时频图，如图3所示。统计结果显示：文峪河天然月径流量时序的各阶IMF分量的中心频率，从低阶到高阶依次为 0.3046/月、0.1866/月、0.1182/月、0.0589/ 月、0.0376/月、0.0185/月、0.0121/月和 0.0059/月，对应的平均周期依次为 3.28 月、5.36月、8.46月、16.97月、26.60月（准2年）、54.04月（准4年）、 82.46（6-7年）月和168.12月（13-14年）。从图 3 可以看出，每个固有模态函数的频率不一定是常量，而是围绕中心频 率上下波动。图 4清晰地表明月径流量各阶 IMF 的波动能量大体集中在 00.2 的频率范围内，表明了554月的波动是文峪河月径流量变化的重要模式。10.50 200 400 600 80000 200 400 600 800图3文峪河水库坝址处月径流各阶IMF的时-频关系图3.3.3 气候要素对径流规律的影响为了识别径流演变的驱动力，对影响文峪河水库坝址处径流序列的降水、气 温等气象因子进行周期与趋势分析。(1)降水-径流相关分析 根据文峪河水库上游流域降水与径流的距平累积关系曲线(1952-2006)，可 知 55 年的径流和降水系列丰枯以及周期变化规律基本一致，即降水序列与径流 间存在较好的相关关系。2.521.510.50-0.5)1/Wi ( E图 4 文峪河水库坝址以上流域径流-降水距平累积曲线(2)气象要素的周期与趋势鉴于文峪河水库坝址以上流域较好相关关系的存在，进一步通过分析影响径流变化的气象要素的周期变化(1961-2006)来解析径流周期变化的驱动成分。IMF110.50 5 10 15 20 25 30 35 40 45irF2,010.50510.510 15 20 25 30 35 40 4510.500 5 10 15 20 25 30 35 40 4510.5IMF3000510.5510 15 20 25 30 35 40 4510 15 20 25 30 35 40 4510.5051015202530354045匚/105101520253035404500(a)(b)图5文峪河水库坝址以上流域降水(a)、气温(b)的各阶IMF的时-频关系图表 1 降水、气温周期对照表周期/年1234降水2.53.37.213.2气温2.85.76.512.7根据表1 的分析结果，降水和气温序列表现出2-4 年，6-7 年以及 12-13 年 的周期变化规律，这与上述章节中得到的径流序列的周期变化是完全吻合的。可 见文峪河水库坝址处的径流周期变化主要是受坝址以上流域降雨和气温的影响。结合EMD分解得到的趋势成分，可知未来文峪河流域的径流量会表现出与原 来相同的减小趋势，且这种趋势的持续性，表现较为强烈。故可以预见未来文峪 河的径流量将存在一个持续的缩减趋势。同时，鉴于文峪河水库坝址处径流序列 的这种标度不变性，也为历史径流资料的演变规律进行未来趋势的推估提供了理 论依据。4 小结(1)文峪河水库坝址处的天然径流演化过程具有复杂的多时间尺度性，年 径流序列存在准2年、准 4年、准7年和准14 年的周期变化规律，月径流过程 存在准 2 年、准 4 年、准 6 年和准 14 年周期变化规律。这与文峪河水库坝址以 上流域的降水、气温等气象因素的周期变化规律是相吻合的，可见文峪河径流的 演变规律还是受气候因子的影响较为强烈，且表现出与气象要素相同或相近的周 期变化特征。(4)文峪河的天然径流序列具有分形结构特征和趋势增强特征。结合 EMD 分解得到的趋势走向，可推知未来文峪河年径流将存在一个持续的缩减趋势。径 流缩减主要是受到区域降雨减少和气温上升的影响，其中以降雨偏低为主。虽然 温度的上扬趋势也会促进蒸发，但对径流的影响相对较小。参考文献：1山西省吕梁地区文峪河水利管理局文峪河志M,山西古籍出版社，2000.苏泽龙文峪河流域的环境与社会经济变迁R.山西大学，2005.李殿威文峪河灌区北部区域存在问题及解决措施J山西水利，2012,(5)： 31,40.4 蒋晓辉，刘昌明，黄强.黄河上中游天然径流多时间尺度变化及动因分析J自然资源学报， 2003,18(2):142-147.5 佟春生，黄强，刘涵等黄河径流序列标度不变性分析及趋势预测研究J 自然资源学报,2007,22(4): 634-639.王兆礼，陈晓宏，杨涛近50a东江流域径流变化及影响因素分析J 自然资源学报，2010,25(8):1365-1374.