基于数理统计的水沙变化分析-数理统计.docVIP

基于数理统计的水沙变化分析/数理统计 1前言 洞庭湖位于湖南北部、长江荆江南岸，跨越湘鄂两省，洞庭湖全流域面积257212km2，其中湖区面积18780km2，湖南省辖区占%。洞庭湖北面有松滋、太平、藕池和调弦口分泄荆江水沙，南有湘、资、沅、澧四水入汇，周边汩罗江、新墙河等中小河流直接入湖，经洞庭湖调蓄后于城陵矶汇入长江，是长江中下游重要的径流调节器，对分泄荆江洪水和保障长江中下游径流供给起着十分显著的作用。但由于受自然和人为因素影响，近几十年江湖关系不断调整，三口分流分沙以及洞庭湖容积和面积均有大幅的减小，据实测资料统计1956年三口分流量占枝城径流量的31%，到xx年仅占%，而三口分沙量1956年占枝城输沙量的%，到xx年三口输沙总量仅占枝城%，50多年来分流、分沙量分别下降了%和%；1949年以来洞庭湖湖泊容积和面积分别缩小33%和29%。近年来长江上游的水沙条件已发生了较大变化[1-3]，加之洞庭湖湖容的减少和三口分流分沙条件的改变[4-5]，对江湖关系、长江中下游及洞庭湖区洪水调蓄、水源供给和生态安全均将产生一定影响，已直接威胁区域经济社会的可持续发展。因此，深入研究洞庭湖水沙变化及其可能产生的影响，能够为流域整治、生态修复和水资源配置提供科学依据。 2洞庭湖水沙变化分析 洞庭湖区的径流和泥沙主要来自荆江三口和湘、资、沅、澧四水。三口洪水过程与长江干流类似，峰型肥胖，历时较长。来水来沙年内分配很不均匀，汛期5~10月来水占全年来水的90%以上，来沙则占98%以上；四水洪水峰型尖瘦，历时较短，历年平均汛期来水约占全年的65%，来沙占全年的83%。据1956~xx年实测资料统计，四水、三口多年平均入湖年径流量为2518×108m3/a，城陵矶出湖多年平均径流量为2803×108m3/a，其中四水来水1658×108m3/a，占出湖总量的%；三口来水860×108m3/a，占出湖总量的%；区间补给量约285×108m3/a，占出湖量的%；三口、四水多年平均入湖悬移质泥沙量为13714×104t/a，其中三口入湖沙量为11098×104t/a，占入湖总量的%；四水入湖沙量为2616×104t/a，占入湖总量的%；城陵矶出湖多年平均悬移质输沙量为3739×104t/a，湖内多年平均悬移质淤积量约9975×104t/a，多年平均泥沙沉积率为%。图1分别为1956~xx年洞庭湖入湖和出湖年水沙过程线。 由图1和统计分析结果可知，洞庭湖来水主要以湘、资、沅、澧四水水量为主，其平均水量约为松滋、太平、藕池三口来水量的2倍，随着三口分流量的萎缩，其所占比重还在不断上升，xx年四水径流已占城陵矶出湖总水量的%，三口来水仅为城陵矶出湖水量的%；洞庭湖来沙则主要以三口分泄的长江泥沙为主，三口多年平均分沙量约为四水入湖泥沙的4倍，而随着三口分流分沙比的调整，这一比例已呈现下降趋势，xx年三口来沙占入湖总沙量的比例已降为%，与四水来沙量基本相当。 周期性分析 区域水沙系统的周期性变化实际上是多时间尺度的，并且系统变化在时域中存在多层次时间尺度结构和局部化特征。小波分析十分有利于研究水文系统的多时间尺度变化特征[6]。对于给定的小波函数ψ，水文时间序列f∈L2的连续的小波变换为：采用DPS数据处理系统[7]分析的洞庭湖入湖和出湖水沙的Morlt小波变换时频分布和小波方差如图2所示。由图2可以看出洞庭湖不同区域水沙在不同时段上各时间尺度的强弱分布，其中四水入湖径流和城陵矶出湖径流各存在一个24a左右的主周期，而三口入湖水沙和四水、城陵矶输沙量均未表现出明显的变化周期。 突变分析 Mann-Kendall法以时间序列平稳为前提，并且这序列是随机独立的，其概率分布等同。在原假设H0：时间序列没有变化的情况下，设此序列为{xi}。在原序列的随机独立等假定下，dk的均值和方差给定一显著性水平α0，当α1﹥α0，拒绝原假设，表示序列将存在一个强的增长或减少趋势。所有u将组成一条曲线C1，当曲线C1超过信度线即表示存在明显的变化趋势。把此法引入到反序列中，得到另一条曲线C2，如果C1和C2的交叉点位于信度线之间，这点便是突变点的开始。洞庭湖入湖和出湖水沙Mann-Kendall突变分析计算结果如图3所示。由图3可以推断，荆江南岸松滋、太平、藕池三口进入洞庭湖的径流和泥沙均表现为衰减趋势，并且在第20a附近，C1线越过信度线呈持续性下降，表现为显著性变化。而两图C1、C2虽有相交，但都在信度线以外，不能判断为突变点。可见三口水沙的变化是连续累积性的衰减变化，并无明显的突变转折，而这种衰减经过20年左右的连续累积后表现为显著性变化。据图3，湘、资、沅、澧四水水沙变化趋势并不相应，径流C1和C2