基于m-k法的漳河侯沧观区间水资源优化分配研究

基于m-k法的漳河侯沧观区间水资源优化分配研究

漳河是海河流域南部的重要河流，发源于山西省。上游分为浑浊漳河和清漳河，汇入河北省涉县和河底村。岳城水库-千冈村。浊漳河侯壁水文站以下、清漳河匡门口水文站以下至漳河干流观台水文站以上的河段全长108km,其中山西省境内19km、河北省境内16km、河南与河北两省界河73km。漳河水是两岸分属晋、冀、豫三省的49个自然村及红旗渠、跃进渠、大跃峰渠、小跃峰渠四大灌区的重要水源。由于水资源严重短缺并涉及上下游和左右岸三省的利益关系,漳河侯匡观区间是全国水事矛盾最突出的区域之一。解决漳河侯匡观区间水事纠纷的关键在于建立基于群决策理论的水量分配模型实现水资源的公平合理分配。侯壁站、匡门口站作为侯匡观区间的入境水量控制站,其径流量的准确预测是实现水量公平合理分配的基本前提。鉴此,本文分析了侯壁站、匡门口站年径流量的变化趋势和原因,并考虑各种导致年径流量变化的因素,预测了侯匡观区间在丰、平、枯水年的入境水量,为漳河水资源初始分配提供了依据,也为水权交易奠定了基础。1方法的应用领域Mann-Kendall(M-K)法是一种非参数统计检验方法,无需假定样本服从某种分布,检测范围宽、人为影响小、定量化程度高,在全球气候变化及其影响的研究方面得到了广泛应用。本文采用该法对浊漳河、清漳河的年径流量进行趋势突变检验。1.1m-k测试方法1.1.1标准临界值的计算在M-K趋势检验中,原假设H0为序列未发生趋势变化。对样本容量为n的时间序列x1,x2,…,xn,构造统计量S,计算方法见文献。当n≥10时,S近似服从正态分布,标准化后的量为:Ζ={(S-1)/√n(n-1)(2n+5)/18S>00S=0(S+1)/√n(n-1)(2n+5)/18S<0(1)Z=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪(S−1)/n(n−1)(2n+5)/18−−−−−−−−−−−−−−−−√0(S+1)/n(n−1)(2n+5)/18−−−−−−−−−−−−−−−−√S>0S=0S<0(1)取显著水平α=0.05,查标准正态分布表可得临界值Zα/2=1.96。若|Z|>Zα/2,即在显著水平α下序列存在向上或向下的趋势,否则接受序列无趋势的原假设。1.1.2ufk及ubk序时序列的变化当M-K法用于检验序列突变时,需构造一个秩序列dk,在时间序列随机独立的假定下,dk的均值与方差计算方法见文献。统计量为:式中,UFk为标准正态分布,UF1=0。取显著水平α=0.05,查标准正态分布表可得临界值UFα/2=1.96。当|UFk|>UFα/2时,序列存在明显的趋势变化。按时间序列逆序,再重复上述过程,同时使UBk=-UFk、k′=n+1-k、UB1=0。由UFk绘出曲线C1、UBk绘出曲线C2。当UFk或UBk的值超过临界直线,表明序列上升或下降趋势显著;当C1与C2曲线出现交点且在临界线之间,则交点对应的时刻即为突变开始时间。1.2突变检验结果浊漳河侯壁站、清漳河匡门口站1956～2007年年径流量的趋势检验结果为:Z侯壁=-4.296,Z匡门口=-3.553,远远超出1.96的临界值,表明年径流量的衰减趋势非常显著。图1为两站1956～2007年年径流量的M-K突变检验图。由图可见,两站C1和C2曲线分别在1975～1977、1977年附近相交,且交点落于临界线之间,故判断侯壁站年径流序列于1975～1977年突变,匡门口站年径流序列于1977年开始突变。综合两站突变检验结果,统一取1977年开始突变。以1977年为界,分别对侯壁站、匡门口站1956～1977、1978～2007年的年径流量系列进行趋势检验,结果Z侯壁,1956～1977、Z侯壁,1978～2007、Z匡门口,1956～1977、Z匡门口,1978～2007分别为-0.970、-0.173、0.000、0.259,均处于[-1.96,1.96]的接受域内,表明以1977年为界,将两站年径流系列划分为前后两段,分段后的序列无明显趋势变化。2实测年平均径流以1977年为界,1956～1977、1978～2000年侯壁站、匡门口站实测年平均径流量分别为9.84和4.04、5.50和2.74亿m3,分别下降5.80、2.76亿m3。从两站上游流域的降水量、降雨径流关系、地表取水量等方面分析导致入境径流量减小的原因。2.1年降水量的变化按尽量均匀布点原则,在侯壁站、匡门口站以上流域内分别选择34、12个雨量代表站,采用算术平均法计算逐年的降雨量。以1977年为界,分别统计前后两个时期的多年平均降雨量结果见表1。由表可见,后一阶段上游流域年降水量比前阶段减少65mm以上,减幅超过10%,与文献分析的降水量下降趋势相吻合。河川径流量源于大气降水,上游流域降水量减小是致使侯壁站、匡门口站径流量减小的重要原因之一。2.2地表径流变化规律河川径流源于大气降水,但降雨落至地面后经产汇流过程才成为河川径流。若人类活动改变了流域下垫面,则流域的产汇流机制将相应发生变化。即使降水量维持稳定状态,产生的径流量也可能发生趋势变化,本文采用径流系数衡量流域下垫面变化对径流量的影响。以农业灌溉、工业引用、林牧渔业引用、农村生活等地表水耗水量为还原项,对逐年径流量进行还原得到天然年径流量系列。以1977年为界,分别统计前后两个时期的多年平均径流深,结合表1的多年平均降雨量计算径流系数,结果见表2。由表可见,后一阶段上游流域的年径流系数均比前一阶段小,减幅达35%以上。径流系数反映了单位降水量形成的径流深,表明随人类活动的加剧,同等降雨量条件下产生的地表径流量明显减少。在多种影响活动中,地下水超采、水土保持和煤矿开采对地表水的影响最严重。地下水开采对地表水的影响加大了流域地表径流的渗漏损失量,尤其使河道渗漏量急剧加大。而水土保持和土地利用对地表水的影响是通过改变产流条件而使产流量减小。2.3地表取水量2000年侯壁站、匡门口站以上流域取用漳河水量分别为2.24、0.60亿m3,以此代表近段时期上游流域的地表取水量。综合上述分析,后阶段的径流量比前阶段减少是由于上游流域降水量偏少、降雨径流关系变化、取水量增加之故。其中,流域降雨径流关系改变是径流量衰减的最主要原因,降水量偏少和取水量增加引起的径流衰减量在量级上相当。3设计年径流的计算年径流量预测是漳河水资源初始分配的基础。为满足生成不同来水情景下的水资源分配方案的需要,采用频率分析法预测未来丰、平、枯、特枯年的径流量。根据侯壁站、匡门口站1978～2007年的年径流系列计算现状气候及下垫面条件下的设计年径流量,根据1956～1977年的年径流系列计算前期气候及下垫面条件下的设计年径流量结果见表3。由表可见,后期与前期相比,两站正常年、枯水年径流量均减少50%以上。故随着社会经济的发展,漳河侯匡观区间对水资源的需求仍将增加,入境地表径流量的大幅减少加剧了该地区的水资源供需矛盾,应引起各级管理部门及各方利益主体的足够重视。4上游流域降水趋势的变化a.采用M-K法分析了浊漳河侯壁站与清漳河匡门口站1956～2007年的年径流资料,揭示了两站年径流量呈明显衰减趋势,突变始于1977年,各阶段内序列趋势变化不再显著。上游流域降雨径流