黄河近550年天然径流量演变特征
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
未来趋势预测。该方法判断规则如下：若 0 < H < 0.5，该序列具有反持续性，即将来变化趋势与过去变化趋势 反向；若 H = 0.5，该序列具有随机性，服从布朗运动；若 0.5 < H < 1，该序列具有持续性，即将来变化趋势与 过去变化趋势同向[8]。结合 Hurst 指数和 MK 趋势检验结果共同判别天然径流量未来变化特征。
分级 1 2 3 4 5
划分标准 1.20 < Ki 1.10 ≤ Ki < 1.20 0.90 ≤ Ki < 1.10 0.80 ≤ Ki < 0.90 Ki < 0.80
状态 丰水年 偏丰水年 平水年 偏枯水年 枯水年
2.2.2. Hurst 指数 利用 R/S 分析法计算的 Hurst 指数可揭示不同时间范围内该序列趋势方向，进而实现对天然径流量序列的
2.1. 资料
黄河经上中游地区特别是中游严重的水土流失之后，使下游河床抬升而成为举世闻名的地上“悬河”，下
DOI: 10.12677/jwrr.2019.84037
314
水资源研究
黄河近 550 年天然径流量演变特征
游少有支流，且汇入黄河的水量有限。据 1950 年以来资料，黄河三门峡站天然径流量占利津站天然径流量的 90%左右。因此，本文采用三门峡水文站天然径流量表征黄河天然径流量变化。
Keywords
Natural Runoff, Historical Analysis, The Yellow River
黄河近550年天然径流量演变特征
李 勃1，穆兴民1,2，高 鹏1,2，赵广举1,2，孙文义1,2*
1西北农林科技大学土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 2中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌
3. 结果与分析
3.1. 黄河天然径流量年际变化过程与特征
3.1.1. 黄河天然径流量年际变化特征 黄河天然径流量整体呈现随机波动下降趋势，但在 19 世纪之前其Leabharlann Baidu幅相对较小(图 1)。黄河多年平均径流
Received: Jun. 18th, 2019; accepted: Jul. 4th, 2019; published: Jul. 18th, 2019
Abstract
Long-term historical runoff analysis is the basis to understand the evolution of discharge in rivers. The Yellow River Basin is located in the semi-arid region in northern China, and has long been suffered from water scarcity. It is important to investigate the historical changes of natural runoff to regulate and utilize water resources. The present study applied the sliding average analysis, MK test and anomaly accumulation to analyze the changing trend and fluctuation, and used the Pettitt method to test the abrupt and Hurst index to evaluate the annual runoff with historical data of the Yellow River from 1470 to 2017. The results show that natural runoff has a significant downward trend. The time series remained strong persistence, indicating that the natural runoff still keeps decreasing in the future. During the research period, we found the most abundant natural runoff in the middle and late 19th century and late Qing Dynasty. Abrupt changes occurred in 1641, 1731, 1757, 1816, 1864 (1861), 1933, 1989. The long-term time series indicated that the Yellow River has experienced five abundant water periods, two normal stages and five dry periods, and will stay in dry condition in the future. Natural runoff showed a periodicity of 3~4 years examined by wavelet transform.
关键词
天然径流，历史分析，黄河
Copyright © 2019 by author(s) and Wuhan University. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
*特邀论文 收稿日期：2019年6月18日；录用日期：2019年7月4日；发布日期：2019年7月18日
摘要
长历史序列径流量分析是深入认识河川径流演变特征的基础。黄河流域是我国水资源短缺地区，研究其天然径 流量历史变化对流域水资源调控利用具有重要意义。本文基于黄河1470~2017年天然径流量数据，采用滑动平 均法、MK趋势检验和距平累积等方法分析天然径流量变化趋势和阶段变化特征，运用Pettitt法检验突变性和 Hurst指数评价天然径流量持续性，初步揭示黄河548年天然径流量历史演变规律。研究表明，黄河天然径流量 整体为显著下降趋势，且存在较强持续性，在未来一段时间内将依旧保持减少趋势。在19世纪中后期即清中晚 期，天然径流量最丰富且波动最剧烈。在1641、1731、1757、1816、1864 (1861)、1933、1989年出现较 为明显的突变现象。1865~1989年和1990~2017年天然径流量较1470~1864年下降明显。黄河天然径流量多 年来以平水年出现频率最大，平水年和丰水年以连续形式出现可能性较枯水年大。黄河天然径流量大致存在5 个丰水期、2个平水期和5个枯水期，近些年来主要以枯水为主同时呈现3~4年的周期波动。
目前研究较多采用线性趋势方法，或者仅给出整个时间序列的趋势，而不能就其趋势发生的起始时间和持 续过程做以细致描述。为了揭示黄河天然径流量的变化过程和趋势，应该有长序列数据。本文利用黄河 1470~2017 年共 548 年天然径流量序列，采用多种统计学方法，试图探究天然径流量历史时期的演变特征。
2. 资料与方法
2.2. 研究方法
本文主要采用滑动平均法[1]削弱长时间序列中的短于滑动长度的周期，进而表征长时间序列年际变化特征； Mann-Kendall 法[8] (MK)检验趋势；MK 突变检验[9]和 Pettitt 法[10]共同判别突变点；天然径流历时频率曲线[6] 表征不同频率下天然径流量分布特征；Hurst 指数[11]结合趋势预测检验未来天然径流量变化特征；距平累积法 [5]对天然径流量进行阶段性划分反映其丰枯持续性特征；采用 Matlab 小波分析工具箱中的 Morlet 小波为母函 数对天然径流量时间序列进行周期分析，以反映其内在变化规律[12]。研究方法不再详细赘述，具体计算方法参 见相对应文献。其中主要研究方法介绍如下：
Long-Term Evolution in Natural Runoff of the Yellow River during the Past 550 Years
Bo Li1, Xingmin Mu1,2, Peng Gao1,2, Guangju Zhao1,2, Wenyi Sun1,2*
1State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Northwest A & F University, Yangling Shaanxi 2Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Science and Ministry of Water Resources, Yangling Shaanxi
Open Access
1. 引言
黄河是中华文明的发祥地，被誉为中华民族的摇篮。尽管黄河年天然径流量仅占全国径流量的 2.1%，但它 是我国西北、华北地区的重要水源。黄河天然径流量变化直接关系流域内及其沿黄地区的水资源管理和分配。
黄河水文水资源系统是一个非线性动力系统，探索其内部诸要素变化规律历来是人们关心的重大课题。长 历史序列径流量变化能从大尺度分析河川径流量的演变特征，其序列的趋势与内在变化联系密切[1] [2]。水利工 程的修建，以及农业灌溉、城市生活、工业和乡镇人畜等用水量大幅度的增加对天然径流量序列变化影响较大。 目前，关于黄河天然径流量演变特征方面的研究较多，但在径流量预测时很少考虑天然径流量的不确定性。沈 楠等[1]研究三门峡 1470~1998 年天然径流量变化趋势和阶段变化特征；李春晖等[3]研究黄河流域三门峡站 1919~1998 年天然径流量突变特性；穆兴民等[4]利用黄河陕县站天然径流量资料，分析了 1919~1997 年黄河天 然径流量年际变化的阶段性、周期性及其未来变化趋势；李二辉等[5]研究了 1919~2010 年黄河上中游区径流量 演变过程并定量分析影响其变化因素的贡献率。随着人类活动和气候变暖，黄河径流及输沙量在 21 世纪后发生 普遍未曾预料到的突兀性减小[6]。因此有必要站在历史的角度，认识和了解黄河天然径流量的演变特征。
2.2.1. 丰枯等级分类 根据《中国水资源评价》、《水文情报预报规范》(GB/T 22482-2008)所指定的分类标准，年径流量丰枯变
化的划分标准采用模比系数 Ki 值(表 1)。
Table 1. Standardization of runoff level [13] 表 1. 径流量丰枯等级划分标准[13]
王国安等[7]利用清代黄河报汛资料和《中国近五百年旱涝分布图集》等有关资料，推求出黄河三门峡站 1470~1918 年天然径流量系列，并把三门峡站 1919~1997 年实测期的资料组成 1470~1997 年长系列。通过摘录 1998~2017 年各年《黄河水资源公报》中天然径流量构成 1919~1997 年黄河流域天然径流量。
作者简介：孙文义(1983-)，男，汉族，山西繁峙人，副研究员，主要研究方向为 GIS 与生态水文。 *通讯作者。
文章引用: 李勃, 穆兴民, 高鹏, 赵广举, 孙文义. 黄河近 550 年天然径流量演变特征[J]. 水资源研究, 2019, 8(4): 313-323. DOI: 10.12677/jwrr.2019.84037
Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2019, 8(4), 313-323 Published Online August 2019 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/jwrr https://doi.org/10.12677/jwrr.2019.84037
分级 1 2 3 4 5
划分标准 1.20 < Ki 1.10 ≤ Ki < 1.20 0.90 ≤ Ki < 1.10 0.80 ≤ Ki < 0.90 Ki < 0.80
状态 丰水年 偏丰水年 平水年 偏枯水年 枯水年
2.2.2. Hurst 指数 利用 R/S 分析法计算的 Hurst 指数可揭示不同时间范围内该序列趋势方向，进而实现对天然径流量序列的
2.1. 资料
黄河经上中游地区特别是中游严重的水土流失之后，使下游河床抬升而成为举世闻名的地上“悬河”，下
DOI: 10.12677/jwrr.2019.84037
314
水资源研究
黄河近 550 年天然径流量演变特征
游少有支流，且汇入黄河的水量有限。据 1950 年以来资料，黄河三门峡站天然径流量占利津站天然径流量的 90%左右。因此，本文采用三门峡水文站天然径流量表征黄河天然径流量变化。
Keywords
Natural Runoff, Historical Analysis, The Yellow River
黄河近550年天然径流量演变特征
李 勃1，穆兴民1,2，高 鹏1,2，赵广举1,2，孙文义1,2*
1西北农林科技大学土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 2中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌
3. 结果与分析
3.1. 黄河天然径流量年际变化过程与特征
3.1.1. 黄河天然径流量年际变化特征 黄河天然径流量整体呈现随机波动下降趋势，但在 19 世纪之前其Leabharlann Baidu幅相对较小(图 1)。黄河多年平均径流
Received: Jun. 18th, 2019; accepted: Jul. 4th, 2019; published: Jul. 18th, 2019
Abstract
Long-term historical runoff analysis is the basis to understand the evolution of discharge in rivers. The Yellow River Basin is located in the semi-arid region in northern China, and has long been suffered from water scarcity. It is important to investigate the historical changes of natural runoff to regulate and utilize water resources. The present study applied the sliding average analysis, MK test and anomaly accumulation to analyze the changing trend and fluctuation, and used the Pettitt method to test the abrupt and Hurst index to evaluate the annual runoff with historical data of the Yellow River from 1470 to 2017. The results show that natural runoff has a significant downward trend. The time series remained strong persistence, indicating that the natural runoff still keeps decreasing in the future. During the research period, we found the most abundant natural runoff in the middle and late 19th century and late Qing Dynasty. Abrupt changes occurred in 1641, 1731, 1757, 1816, 1864 (1861), 1933, 1989. The long-term time series indicated that the Yellow River has experienced five abundant water periods, two normal stages and five dry periods, and will stay in dry condition in the future. Natural runoff showed a periodicity of 3~4 years examined by wavelet transform.
关键词
天然径流，历史分析，黄河
Copyright © 2019 by author(s) and Wuhan University. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
*特邀论文 收稿日期：2019年6月18日；录用日期：2019年7月4日；发布日期：2019年7月18日
摘要
长历史序列径流量分析是深入认识河川径流演变特征的基础。黄河流域是我国水资源短缺地区，研究其天然径 流量历史变化对流域水资源调控利用具有重要意义。本文基于黄河1470~2017年天然径流量数据，采用滑动平 均法、MK趋势检验和距平累积等方法分析天然径流量变化趋势和阶段变化特征，运用Pettitt法检验突变性和 Hurst指数评价天然径流量持续性，初步揭示黄河548年天然径流量历史演变规律。研究表明，黄河天然径流量 整体为显著下降趋势，且存在较强持续性，在未来一段时间内将依旧保持减少趋势。在19世纪中后期即清中晚 期，天然径流量最丰富且波动最剧烈。在1641、1731、1757、1816、1864 (1861)、1933、1989年出现较 为明显的突变现象。1865~1989年和1990~2017年天然径流量较1470~1864年下降明显。黄河天然径流量多 年来以平水年出现频率最大，平水年和丰水年以连续形式出现可能性较枯水年大。黄河天然径流量大致存在5 个丰水期、2个平水期和5个枯水期，近些年来主要以枯水为主同时呈现3~4年的周期波动。
目前研究较多采用线性趋势方法，或者仅给出整个时间序列的趋势，而不能就其趋势发生的起始时间和持 续过程做以细致描述。为了揭示黄河天然径流量的变化过程和趋势，应该有长序列数据。本文利用黄河 1470~2017 年共 548 年天然径流量序列，采用多种统计学方法，试图探究天然径流量历史时期的演变特征。
2. 资料与方法
2.2. 研究方法
本文主要采用滑动平均法[1]削弱长时间序列中的短于滑动长度的周期，进而表征长时间序列年际变化特征； Mann-Kendall 法[8] (MK)检验趋势；MK 突变检验[9]和 Pettitt 法[10]共同判别突变点；天然径流历时频率曲线[6] 表征不同频率下天然径流量分布特征；Hurst 指数[11]结合趋势预测检验未来天然径流量变化特征；距平累积法 [5]对天然径流量进行阶段性划分反映其丰枯持续性特征；采用 Matlab 小波分析工具箱中的 Morlet 小波为母函 数对天然径流量时间序列进行周期分析，以反映其内在变化规律[12]。研究方法不再详细赘述，具体计算方法参 见相对应文献。其中主要研究方法介绍如下：
Long-Term Evolution in Natural Runoff of the Yellow River during the Past 550 Years
Bo Li1, Xingmin Mu1,2, Peng Gao1,2, Guangju Zhao1,2, Wenyi Sun1,2*
1State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Northwest A & F University, Yangling Shaanxi 2Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Science and Ministry of Water Resources, Yangling Shaanxi
Open Access
1. 引言
黄河是中华文明的发祥地，被誉为中华民族的摇篮。尽管黄河年天然径流量仅占全国径流量的 2.1%，但它 是我国西北、华北地区的重要水源。黄河天然径流量变化直接关系流域内及其沿黄地区的水资源管理和分配。
黄河水文水资源系统是一个非线性动力系统，探索其内部诸要素变化规律历来是人们关心的重大课题。长 历史序列径流量变化能从大尺度分析河川径流量的演变特征，其序列的趋势与内在变化联系密切[1] [2]。水利工 程的修建，以及农业灌溉、城市生活、工业和乡镇人畜等用水量大幅度的增加对天然径流量序列变化影响较大。 目前，关于黄河天然径流量演变特征方面的研究较多，但在径流量预测时很少考虑天然径流量的不确定性。沈 楠等[1]研究三门峡 1470~1998 年天然径流量变化趋势和阶段变化特征；李春晖等[3]研究黄河流域三门峡站 1919~1998 年天然径流量突变特性；穆兴民等[4]利用黄河陕县站天然径流量资料，分析了 1919~1997 年黄河天 然径流量年际变化的阶段性、周期性及其未来变化趋势；李二辉等[5]研究了 1919~2010 年黄河上中游区径流量 演变过程并定量分析影响其变化因素的贡献率。随着人类活动和气候变暖，黄河径流及输沙量在 21 世纪后发生 普遍未曾预料到的突兀性减小[6]。因此有必要站在历史的角度，认识和了解黄河天然径流量的演变特征。
2.2.1. 丰枯等级分类 根据《中国水资源评价》、《水文情报预报规范》(GB/T 22482-2008)所指定的分类标准，年径流量丰枯变
化的划分标准采用模比系数 Ki 值(表 1)。
Table 1. Standardization of runoff level [13] 表 1. 径流量丰枯等级划分标准[13]
王国安等[7]利用清代黄河报汛资料和《中国近五百年旱涝分布图集》等有关资料，推求出黄河三门峡站 1470~1918 年天然径流量系列，并把三门峡站 1919~1997 年实测期的资料组成 1470~1997 年长系列。通过摘录 1998~2017 年各年《黄河水资源公报》中天然径流量构成 1919~1997 年黄河流域天然径流量。
作者简介：孙文义(1983-)，男，汉族，山西繁峙人，副研究员，主要研究方向为 GIS 与生态水文。 *通讯作者。
文章引用: 李勃, 穆兴民, 高鹏, 赵广举, 孙文义. 黄河近 550 年天然径流量演变特征[J]. 水资源研究, 2019, 8(4): 313-323. DOI: 10.12677/jwrr.2019.84037
Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2019, 8(4), 313-323 Published Online August 2019 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/jwrr https://doi.org/10.12677/jwrr.2019.84037