基于不同诊断模型的渭河流域水文变异分析

李红英

(山西省长治市屯留区水利局，山西 长治 046000)

渭河流域水系发达，水资源量充沛，流域面积13.48万km2，其主要支流达14条。河流北岸支流多处于黄土高原及丘陵区，南岸支流大多河道处于潜流山脉中，支流径流量较小。流域地形地貌自西至东经过陇西高原、关中平原，地势西高东低，河床受水力冲刷及流沙影响，整体河道狭长，顺河向河谷渐宽，水面比降大，水流流速高[1]。流域多年平均气温7.8～13.5℃；
多年平均降水量572mm，年际间基本均衡，年内汛期、非汛期雨量相差较大；
降水的不均匀性使得流域径流量南北岸相差显著，且中下游输沙量相比上游明显加重，泥沙量>4亿t/a，河床抬升增加了沿线地区的洪灾风险；
流域年平均蒸发为660～1600mm，空间自东向西依次降低；
黄土高原的水土流失、土壤侵蚀和人类的肆意活动，流域生态环境不断恶化，直接或间接对水文系统的变异造成重大影响。近些年地方采取一系列的生态改善措施，取得了不错的成效，目前生态环境大大改观提升。

水文变异诊断[2]取决于改变水文条件的基本因子，根据因子对象的不同，将结构体系分为统计学、系统演化和水文特征分析。根据因子维度分类，包括水文变异点的空间分布、强度分布的过程变化。当水文条件改变时，水文系统特征的反应各异，部分变异点时空滞后，为能准确捕捉并识别变异特征和各模块的变异点，按标准步长划分时间序列，颜色各异灯号表示时区分布，不同变异区分类及时间区段统计表，见表1。

表1 不同变异区分类及时间区段统计表

水文变异诊断基于流域干流及支流典型水文监测站点，通过不同站点的系统分析，准确评价各因子对河流水文条件的影响后果，为流域中下游治理和科学规划提供一定的参考依据[3]。渭河流域典型水文站监测点汇总表，见表2。

表2 渭河流域典型水文站监测点汇总表

3.1 均值变异

根据咸阳水文站的实测水文数据，采用TFPW算法计算站点年径流检验序列的自相关性，将待检数据序列汇入Pettitt-BS耦合模型，输出多点变异的诊断结果[4]，年径流均值变异点及统计量结果，见图1。由图1可知：均值跳跃变异点出现时间为1985年，属4类变异区；
统计量Ut,N最大值时间是1985年，概率>0.95。

(a) (b)

3.2 回归变异

年径流回归变异检测曲线图，见图2。图中波形曲线为年径流量实测值绘制，直线段为分段回归的线性预测变化图，虚实线矩形框的边界为变异点置信区间的限位。可知，回归变异诊断结果时间为1974年，为2类变异区；
变异点前后径流量变化明显，变异点前降幅明显>变异后[5]，咸阳站回归变异特征统计表，见表3。

图2 年径流回归变异检测曲线图

表3 咸阳站回归变异特征统计表

3.3 方差变异

为保证计算的准确率，在模型中需择出年径流量序列内的趋势成分，本节结合临潼水文站实测数据，定义待检序列均值为零，预置白过程(PW)剔除自相关性后，将序列输入ICSS模型。方差变异统计量Dk的变化关系，年径流方差变异计算结果，见图3，可知流域年径流序列未出现明显的方差变异(Dk<1.358)。

图3 年径流方差变异计算结果

3.4 周期变异

周期诊断用年径流和人类活动序列的小波系数对比总结，年径流时间序列主要集中于周期3～4a、9a、25～30a，其中主时间尺度为25～30a，1985年后小周期消失，1998年后中周期时间尺度分布无规律性。故认为1985年为周期变异点，属4类区。

3.5 长程自相关性

该检测需择出周期变化的序列影响因素，待检序列输入MFDFA模型，结合qRMS值分析月径流时间序列变异点。各阶数的自相关性诊断结果，见表4，由表可知，分区后灯号指数的2类变异区均值跳跃较为频繁，方差变异均在4类变异区。

表4 各阶数的自相关性诊断结果

3.6 熵值

结合周期变异的时间序列分布，选择时间尺度为3、5、10、20年进行典型分析，检测流域熵值的真实变异区。熵值时间序列变异结果，各时间尺度下的熵值变异计算结果，见表5。结果显示各尺度的熵值变异均集中分布在2、4类变异区。

表5 各时间尺度下的熵值变异计算结果

3.7 水沙关系

检测指标拟定为输沙量，辨识水沙关系的实际变异点。该检测需结合状头站、华县站的输沙量总和，输沙量时间序列变异点，见图4。结果显示：输沙量均值变异点为1978年和2003年，变异区位于3类、5类区；
方差变异点为1974年，为2类变异区。

图4 输沙量时间序列变异点

3.8 综合诊断结果

综合诊断分析法对流域多年平均径流量检测的意义非凡，综合上述结果，分析各站点的年径流序列均值跳跃变异结果，反映变异空间分布及多点特征。同时，为多方位反映水文条件变异特征，将水文序列及监测数据带入各模块，进行综合性的对比分析，由各影响因子的检测结果可知，流域多数水文站年径流序列均值变异在1985年附近(4类变异区)，除状头站外。分析认为该年份水文条件变化受面因素影响，如蒸发量、降雨量的空间分布变化，其影响效果波及流域整体。2类变异区的均值变异多出现于林家村站点的下游干流，表明在该时间区段内的人类活动明显加剧造成径流量的大幅变化。下游变异大都位于5类变异区，除临潼站，分析认为泾河汇入径流量变大。

水文因子变异区主要为2类和4类变异区，2类区驱动因子为回归、长程自相关性、熵值、生态水文关系，4类区驱动因子为均值、周期、长程自相关性。结合水文变异诊断基本原理，仅当多因子在同时间区段内同时变异时，该因子才能认定为水文变异的真实变异点，综合认为2类和4类区为实际变异区，首次渭河流域出现大范围变异的时间点为1970年。

文章基于水文变异不同诊断模块的基本原理及计算步骤，结合渭河流域研究区域水文变异的典型时段和历程变化。结果表明：渭河流域时间序列均值、周期变异点在1985年，年径流量和输沙量序列逐年降低，水文各要素相关关系时域空间存在变异，主要变异点均发生于2类和4类变异区，各模块计算结果的相互佐证反映综合诊断方法的科学性与合理性。