洮河下游输沙量分析_唐颖丰

2． 2
演变趋势
采用线性趋势回归法计算输沙量变化趋势， 其下降变化率
3 从红旗站年平均输沙量过程可以看出， 为 0． 027 kg / （ m ·a） ，
洮河下游输沙量存在减小趋势， 统计值 t = － 1 ． 08 ， 在显著性水 没 有 明 显 的 趋 势 变 化； 用 平 α = 0． 05 （ 临 界 值 ± 1． 67 ） 下， Mann － Kendall 趋势分析检验法分析 1956 —2006 年序列， 年平 表明年均输沙量呈减小趋 均输沙量系列统计参数为 － 0． 109 ， 势， 在显著性水平 α = 0． 05 （ 临界值 ± 1． 96 ） 下， 输沙量年际间 变化趋势不明显， 年输沙量系列统计参数为 － 0． 232 ， 说明洮河 下游年输沙量存在明显的减小趋势 。 年输沙量明显减小， 主要 原因是年径流量减小。 绘制红旗站年平均含沙量差积累计曲线（ 图 1 ） ， 可以看出 1985 年以前呈锯齿状， 1985 —1995 年呈 没有明显的周期变化， 1996 —2006 年呈下降趋势。原因是 20 世纪 80 年代 上升趋势， 以后， 人类活动对流域下垫面的破坏加剧， 使得输沙量成倍增 加。近几年来， 洮河流域加大了对水能资源的梯级开发力度， 大量泥沙被拦截， 导致近 10 年输沙量减少。 以上分析表明， 洮河下游输沙量年际变化虽然不太明显， 但不同年代的阶段性变化突出 。就以 10 年计的短时间尺度而 言， 气候的变化是有限的， 不可能对流域的水沙关系产生重大 影响， 泥沙的年际变化主要受人类活动的影响 。
4
结
语
从表 2 可知： 一年中最大月输沙量不同时间段出现在 6 月 下旬和 7 月上旬， 高度集中在 15 d 左右， 集中期的输沙量占年 输沙量的 70% 以上， 近 30 年来占到 76% 以上， 说明洮河红旗 站输沙量呈现高度集中的特点 。 （ 3 ） 泥沙年内分配变化幅度分析 。 不同时间段泥沙年内分 配变化 S r 和 S a 计算结果见表 3 。
于是， 输沙量的合成计算式为 S = Sx 槡
2
+ S2 y
12
（ 10 ）
其相应的集中度 S d 和集中期 D 的定义为 Sd = S / ∑Si
i =1
（ 11 ） （ 12 ）
1． 4
输沙量年内分配集中程度
集中度和集中期的计算是将一年内各月的输沙量作为向
D = arctan （ S y / S x ） 则反映了集中期输沙量占年输沙量的比例 。
· 28·
人 民 黄 河 2010 年第 7 期 （ 2 ） 泥沙年内分配集中程度分析 。根据式（ 9 ） 和式（ 10 ） 计 算红旗站不同时间段泥沙年内分配集中度 S d 和集中期 D， 结果 见表 2 。
表2 时段 1956 —1965 1966 —1975 1976 —1985 1986 —1995 1996 —2005 洮河红旗站泥沙年内分配的集中度及集中日期 集中度 S d 0． 775 3 0． 712 8 0． 764 0 0． 774 5 0． 770 1 集中日期 7 月 5 —6 日 7 月 4 —5 日 7 月 8 —9 日 6 月 25 —26 日 7 月 1 —2 日
摘
要： 根据洮河下游入库站红旗水文站 1956 —2005 年实测泥沙资料， 分析了洮河输沙量年际 、 年内变化情况。 结果表
阶段性变化突出； 输沙量总体呈减小趋势， 但不明显； 输沙量年内变化大， 集中度高， 不同时 明： 洮河泥沙年际变化剧烈， 绝对变化幅度很大； 洮河沙峰与洪峰在量级上和时间上关系甚微且不同步 。 期含沙量的相对、 关 键 词： 水沙匹配； 含沙量； 输沙量； 泥沙； 洮河下游 文献标识码： A doi： 10． 3969 / j． issn． 10001379． 2010． 07． 012 Zα /2 ， 则在 α 置信水平下， 时间序列数据存在明显的上升或者下 降趋势。 （ 2 ） 线性趋势回归分析法。 设水文序列由趋势成分 P t 和随 机成分 ε t 组成， 即 xt = pt + εt 趋势成分 P t 可由多项式来描述： p t = a + b1 t + b2 t2 + … + b m t m b2 、 …、 b m 为回归系数。 式中： a 为常数； b1 、 P t 可能是线性的， 实际工作中， 也可能是非线性的。 一般先 式（ 4 ） 可转化为多元线性回归模型， 并用 用图解法进行试配。 最小二乘法估计回归系数 。 当 m = 1 时变为线性趋势， 按回归分
12
2
2． 1
输沙量分析
年际变化
根据红旗站 1956 —2005 年实测泥沙资料， 分析计算年平
Sx =
∑S cos θ
i i =1
i
（ 8）
均含沙量和年输沙量特征值， 见表 1 。
表1 洮河红旗站泥沙特征值 不同频率特征值 1% 13． 0 7 780 2% 11． 8 6 900 3． 33% 10． 9 6 250 5% 10． 2 5 700 10% 8． 8 4 750 20% 7． 27 3 710 50% 4． 79 2 120 75% 3． 15 1 160 90% 1． 95 533
^。 析法求出参数 a 和 b 的估计值 a 和 b 以及 b 的方差 S b 通过判别 ^ ^ ^ 2
中图分类号： P333
目前， 刘家峡水电站的泥沙淤积问题日趋严重， 其泥沙主 要来自洮河 学敏
［ 3］ ［ 1］ 2］ 。赵映东 ［ 对洮河泥沙来源进行初步探讨， 认为
洮河泥沙主要来源于下游李家村水文站 —红旗水文站区间； 方 对洮河水沙年际变化及年内分配进行研究， 得出的结果 为多年平均汛期输沙量占全年输沙量的 87． 5% 。 笔者根据刘 — —红旗水文站 1956 —2005 年实测泥沙资 家峡水库的入库站— 料， 对入库输沙量的变化趋势与年内分配情况进行了研究， 以 期为即 将 实 施 的 黄 河 刘 家 峡 洮 河 口 排 沙 洞 及 扩 机 工 程 建 设
集中期 D 为一年中最大月输沙量出现的月份， 集中度 S d
量看待， 月输沙量的大小为向量的长度， 所处的月份为向量的 方向
［ 10 ］
。 60 ° 、 …、 从 1 月到 12 月每月的方位角 θ i 分别为 30 ° 、
360 ° ， 并把每个月的输沙量分解为 x 和 y 两个方向上的分量 S x 和 Sy ：
n －1 n －1
则说明该序列在显著性水平 α 下有显著的变化趋势。
1． 2
输沙量年内分配不均匀性
采用泥沙年内分配不均匀系数 S V 来衡量泥沙年内分配的
［ 9 － 10 ］
不均匀性 （ 1）
。 S V 越大， 表示泥沙年内分配越不均匀 。 设年泥沙
z = 0

2， …， N） 中任意一年 t 的输沙量分配在年内 n 个 序列 c s， t （ t = 1， 2， …， n） ， 时段内， 记为 c s， 则该年内泥沙的分配可用不 ti （ i = 1 ， 均匀系数定量表示为
名称 含沙量 / （ kg·m 输沙量 / 万 t
－3
均值 ） 5． 14 2 430
3 C V 值为 0． 53 ， 红旗站多年平均含沙量为 5． 14 kg / m ， 最大
CV 年份是最小年份的 6． 6 倍； 多年平均年输沙量为 2 430 万 t， 值为 0． 71 ， 最大年份是最小年份的 4． 6 倍。与径流的年际变化 相比， 泥沙的变化更为剧烈。 从红旗站年平均含沙量过程线 （ 图略） 可以看出， 年际间波动幅度很大， 大小年份交替出现， 呈 不规则变化。
析法以及累计距平法来分析输沙量的变化趋势及其特征
。
（ 1 ） Mann － Kendall 检验。 原假设 H0 时间序列 数 据 （ x1 ， x2 ， …， x n ） 是 n 个独立的、 随机变量同分布的样本； 备择假设 H1 j ≤ n， x k 和 x j 的分布是 为双边检验， 对于所有的 k ≤ n， 且 k ≠ j， 不相同的。 当 n ＞ 10 时， 标准的正态统计量 z 通过下式计算： S －1 槡Var（ S） S ＞ 0 S = 0 S ＜ 0
第 32 卷第 7 期 2010 年 7 月
人 民 黄 河 YELLOW RIቤተ መጻሕፍቲ ባይዱER
Vol ． 32 ， No ． 7 Jul． ， 2010
【 水文·泥沙】
洮河下游输沙量分析
1 1 2 唐颖丰 ， 闵祥宇 ， 韩克明 ， 张 1 1 钰， 胡清静
（ 1． 兰州大学 资源环境学院， 甘肃 兰州 730000 ； 2． 甘肃省工程咨询中心， 甘肃 兰州 730030 ）
（ xj － xk ） ＞ 0 （ xj － xk ） = 0 （ xj － xk ） ＜ 0 （ 2）
式中： c s， at 为 t 年的年平均输沙量； c s， it 为 t 年内时段 i 的时段平均 输沙量； K it = c s， 笔者取 n = 12 。 it / c s， at ； n 为年内划分时段数，
1956 — 般可分为 3 种情况： ① 洪峰在前， 沙峰在后。 据统计， 2005 年的 50 场年最大洪水中， 有 8 场是洪峰先于沙峰到达红 占总数的 16% ， 沙峰滞后约 1 ～ 3 h。②沙峰在前， 洪峰 旗断面， 在后。一般情况下， 中上游产生的洪峰较沙峰滞后 1 d 以上， 中 下游支流产生的洪峰通常较沙峰滞后 0． 5 ～ 4 h。 ③ 沙峰与洪 峰完全同步， 在本次统计资料中， 仅有 3 场洪水的沙峰与洪峰 同时到达红旗站， 仅占 6% 。统计结果表明， 洮河沙峰和洪峰的 出现时间并不同步。
· 27·
人 民 黄 河 2010 年第 7 期
1． 3
输沙量年内分配变化幅度
笔者用两个指标来衡量输沙量的变化幅度
［ 9］
12
： 一个为相对
Sy =
∑S sin θ
i i =1
i
（ 9）
变化幅度， 以河流最大月输沙量 S max 和最小月输沙量 S min 之比 以最大与最小月输沙量之差 表示； 另一个 是 绝 对 变 化 幅 度， 表示。 S r = S max / S min S a = S max － S min （ 6） （ 7）
n n s， it
S +1 Var（ S） 槡
S = 式中： S 为正态分布， 其均值为 0 ， 其中： sgn （ x j － x k ） =
∑ ∑ sgn （ xj － xk ） ，
k = 1 j = k +1
S V， t
1 = C s， at
∑（ c
－ c s， at ）
2
{
1 0 －1
图2 泥沙年内分配不均匀系数的时间段变化 图1 红旗站年平均含沙量差积累计曲线
2． 3
泥沙的年内变化
（ 1 ） 泥沙年内分配的不均匀性分析 。计算不同时间段泥沙
年内分配不均匀系数 S V ， 并点绘逐时段变化过程线（ 见图 2 ） ， 可知不同时间段含沙量的 S V 变化较大， 反映出泥沙在各个时 期年内的变化较为剧烈， 说明洮河泥沙在年内分配极不均匀 。 1956 —1965 年年内变化最为剧烈， 从不同时间段相比较， 近 30 年年内变化不均匀程度基本一致 。
收稿日期： 2009 － 08 － 24 作者简介： 唐颖丰（ 1983 —） ， 女， 甘肃敦煌人， 硕士研究生， 研究方向为水资源 规划、 论证、 评价和水土保持。 Email： sunny － ttt123@ 163． com
槡
i =1
∑（ K
=
it
－ i）
2
n
槡
i =1
n
（ 5）
n（ n － 1 ） （ 2 n + 5 ） － ∑ t（ t － 1 ） （ 2 t + 5 ） ］ / 18 。 方差 Var（ S） = ［ 在双边趋势检验中， 在给定的 α 置信水平上， 若 | z |≤
［ 4 － 6］
（ 3） （ 4）
提供依据。
1
1． 1
分析方法
输沙量年际趋势分析方法
采用非参数 Mann － Kendall 趋势分析检验法、 线性回归分
［ 7 － 8］
回归系数 b 的正负， 线性回归分析方法可用来检测水文序列的 T 检验被用来检验序列是否有显著变化趋势， 变化趋势。 定义统
^， 计变量 T = b / s b 在给定显著水平 α 下， 若 | T | ≥ ta /2 （ n － 2 ） ， ^