潘家口水库入库径流趋势分析

    李爽

    摘要：运用滑动平均法和Mann-Whitney-Pettitt突变点分析法对潘家口水库1980～2007年28年间的入库径流量进行趋势分析和突变点分析。计算结果表明：潘家口水库入库径流量减少趋势明显。分析了入库径流减少的原因。

    关键词：滑动平均法；Mann-Whitney-Pettitt突变点分析法；潘家口水库；入库径流；趋势分析

    1、概述

    随着我国社会经济的快速发展，对水资源的需求越来越大。另一方面，由于受气候变化和人类活动的双重影响，北方大部分河流的年径流量都有不同程度的减少。加之我国水资源时空分布不均，给水资源充分利用带来很大困难。水资源短缺问题已经成为制约国民经济发展的瓶颈。

    滦河是我国北方地区水资源较丰沛的河流，潘家口水库位于滦河下游，不仅承担着下游的防洪任务，而且承担着向天津、唐山和秦皇岛等城市供水任务。该水库来水量的多少直接影响到天津、唐山和秦皇岛等市的社会稳定和经济发展。

    本文利用现代数学方法，潘家口水库多年入库径流系列进行分析，以期发现其变化规律，并探讨引起径流变化的原因，为该地区的供水安全提供科学支持。

    2、入库径流变化趋势分析方法

    水库径流的来水趋势性变化对于分析当地的水资源以及对其水资源进行优化调度有着至关重要的作用。序列是否具有某种趋势可以通过一系列的方法进行研究计算，主要方法有：线性滑动平均法、Spearman秩次相关检验法、一元线性回归法等方法和Mann- Whitney- Pettitt突变点分析法等[2]。本文采用线性滑动平均法和Mann- Whitney- Pettitt突变点分析法对潘家口水库入库径流趋势进行分析。

    2、1滑动平均法

    线性滑动平均法是对一列时间序列的特定时间的几个前期值和后期值取平均数，用来代替此时的数值，求出的新的数列能使原序列光滑，即为滑动平均法[3]。其数学表达式为：

    其中本文采取3点、5点和7点的滑动平均并对其取平均数作为当年的趋势值。即取k=1、k=2和k=3三种情况。

    2、2 Mann-Whitney-Pettitt突变点分析法

    Mann- Whitney- Pettitt突变点分析法，是由Pettitt在1979年提出的用于检测时间序列突变点的一种非参数检验的统计方法[4]。其使用过程为：假设时间序列在t时刻为最有可能產生突变的时刻。将其分成以t时刻为分割点的前后两部分[5]。定义Ut的表达式为：

    取最大值的时刻即为突变最有可能发生的时刻，t时刻的显著性统计量p（t）的计算公式为：

    当t时刻的p值越接近去1，则其突变的显著性越明显，一般当p（t）>0.75，则认为此时间序列在t时刻突变显著[6]。

    3、潘家口入库径流趋势分析

    根据潘家口水库入库实测径流量，得出表4- 1。从表中可以看出来，潘家口水库多年平均径流量为14.67亿m3，最大径流量和最小径流量分别出现在1994年和2002年。分别为37.1m3和4.19m3。

    3、1径流参数分析

    根据径流参数分析方法计算潘家口水库的径流参数，分别计算径流序列的均值、变差系数、极值比和不均匀系数，得到表4- 2。

    由表4- 2可知，潘家口水库28年间来水情况分布极不均匀，且径流量整体呈下降趋势。

    3、2滑动平均法分析径流趋势

    采用3点、5点、7点的滑动平均法，对潘家口水库进行计算，取平均值并将计算结果绘制如图4- 1所示。

    由图4- 1可以看出，1980年到2008年这28年间，潘家口水库径流趋势整体趋势呈下降趋势。尤其在1995年后水库来水量急剧下降。

    3.3Mann-Whitney-Pettitt突变点分析法分析径流突变点

    运用Mann- Whitney- Pettitt突变点分析法分析潘家口水库径流序列，计算得其p（t）值为0.993。由表4- 3可知，潘家口水库径流序列突变显著性非常显著，其突变年为1998年。

    将潘家口水库入库流量在突变年分为前后两个阶段，如图4- 2所示为突变年前后两个阶段径流量的平均水平。从图中可以看出突变年前后的径流量变化。与滑动平均法得出的结果一致，均呈下降趋势。

    4、原因及对策分析

    造成水库入库流量减少的原因有很多，其中最主要的有降水量的变化、下垫面的变化以及人类活动。近年来由于人类生产生活对用水量的需求日益增大，对水库的入流量产生了很大的影响。一方面水资源供给日益紧张，另一方面，生产生活中的水的浪费又随处可见。因此改变人类的用水结构，是我们能够控制且效果最为明显的方法。对流域内水资源的宏观调控，多水库进行有机的联合调度，为此提供了有效的解决办法。

    结论：本文根据潘家口水库的径流序列，运用滑动平均法和 Mann- Whitney- Pettitt突变点分析法分别对潘家口水库进行来水趋势分析和突变点分析。根据滑动平均法计算结果可知，潘家口水库在1994年来水量出现出峰值。但整体来看水库的入库流量呈下降趋势。根据Mann- Whitney- Pettitt突变点分析法得到潘家口水库径流序列突变年为1998年。

    参考文献

    [1]王熹，王湛，杨文涛，席雪洁，史龙月，董文月，张倩，周跃男. 中国水资源现状及其未来发展方向展望[J]. 环境工程，2014，07：1-5.

    [2]徐向广. 滦河中下游水库群联合供水优化调度问题的研究[D].天津大学，2009.

    [3]裴益轩，郭民. 滑动平均法的基本原理及应用[J]. 火炮发射与控制学报，2001，01：21-23.

    [4]丁华龙，肖卫国，陈晓宏，张云，陈玲玲. 滨江流域降水时空演变规律分析[J]. 水文，2014，05：67-74.

    [5]张皓天. 受水区供水水库（群）优化调度方法研究及应用[D].大连理工大学，2013.

    [6]拜存有，张升堂. 渭河关中段年径流过程变异点的诊断[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2009，10：215-220.