黄河下游水沙变化多时间尺度集对分析

为认识黄河下游水沙变化在不同时间尺度下的关系结构及整体变化趋势,在采用经验模态分解方法对黄河下游4个水文站1960-2016年的径流量和输沙量时序进行多时间尺度分解的基础上,对各站年径流量和年输沙量不同时间尺度分解序列的丰枯相关性进行集对分析。结果表明:黄河下游各站年径流量和年输沙量的变化呈减少趋势,且均存在3个不同的波动周期。在短波动周期内,年径流量与年输沙量变化具有丰枯同步特性。随着波动周期增加,年径流量与年输沙量出现丰枯不同步的可能性逐渐增大,且越靠近下游,出现丰枯不同步的可能性越小,在长波动周期上,年径流量与年输沙量会出现丰枯相反的状态。     

黄河入海水沙变化特征及其趋势预测

基于1951-2013年的利津水文站实测水沙数据,利用Eviews、SPSS、Matlab等工具,综合采用相关分析、累积距平、Mann-Kendall、R/S分析、Morlet小波分析和ARMA模型等方法,研究黄河入海水沙量变化规律,对其未来趋势进行分析预测,以期为黄河治理开发决策、黄河三角洲湿地演化研究提供参考。结果表明:近63年黄河入海年均水沙量总体上呈下降的趋势,年平均径流量为301.66亿m3,年平均输沙量为7.04亿t。黄河入海水沙量变化具有较明显的阶段性特征,其径流量和输沙量丰枯变化过程基本一致,整体上经历了丰-枯两个阶段的变化过程。黄河入海径流量和输沙量分别在1977年和1990年出现了突变。黄河入海水沙存在多尺度的周期性变化,径流存在5年、11年、15年和23年的周期,23年的时间尺度第一主周期;输沙存在6年、14年和22年共三个主周期,14年的时间尺度为第一主周期;水沙量的周期变化存在相似性,相关性较明显。黄河入海水沙量在未来一定阶段内整体上将呈现一种增加的趋势。利用ARMA模型对水沙量未来五年的变化进行了定量预测,径流量最优模型为ARMA(4,1),输沙量最优模型为ARMA(2,1),水沙量的预测值与实测值较接近,预测效果较为理想。     

近50年黄河下游水沙情势演变及其影响因素分析

根据黄河下游花园口水文站长时间序列资料,采用Mann-Kendall非参数检验法和小波分析法等方法对其多年水沙变化的特征进行分析研究。结果表明,花园口水文站1960年～2016年径流量和输沙量均呈现出显著下降趋势;花园口站年径流量于1985年发生突变,年输沙量于1998年发生突变;运用小波分析得出径流量和输沙量分别存在13 a和21 a的周期性变化规律; 1987年～1997年累计减沙量为32.34亿t,1998年～2016年累计减沙量为82.40亿t;径流泥沙演变规律受气温、降水和人类活动等多个因素影响,其中多种人类活动对水沙变异起重要作用。     

黄河下游年径流量及输沙量变化的EMD分析

运用EMD方法对黄河下游花园口站1952—2009年年径流量及年输沙量的时间序列资料分别进行了多时间尺度分析,得到了各自具有不同周期的波动分量以及趋势分量。结果表明:黄河下游年径流量、年输沙量的变化过程具有复杂的多时间尺度特性,是多种波动成分共同作用的结果;年径流量和年输沙量变化过程均存在3个波动周期,而趋势项呈递减的态势;相同尺度下的水、沙分量之间具有显著的相关性,而不同尺度下的水、沙分量之间基本无相关性。     

黄河上游宁蒙河段水沙变化特征分析

基于黄河上游4个水文站点1950—2009年实测年径流量和年输沙量的数据,利用趋势分析法、Mann-Kendall趋势检验及突变检验、Morlet小波分析等方法,对黄河上游来水来沙的时空变化特征、突变特点和变化周期进行了分析。结果表明:①近60 a来,黄河上游年径流量和年输沙量均呈明显减少趋势,头道拐站年径流量减幅最大,下河沿站年输沙量减幅最大;②径流量和输沙量序列均存在显著突变,但突变时间存在差异性,且输沙量的敏感性更强;③黄河上游水沙序列存在多时间尺度变化,但变化尺度并不一致。     

三峡水库进出库水沙特征及其影响因素分析

受气候变化和人类活动的影响,近年来三峡水库进出库水沙条件发生了很大变化。运用Mann-Kendall方法及小波分析方法,研究了三峡水库入出库主要控制站近60 a的实测径流量和输沙量时间序列。结果表明：进出库径流量存在减小趋势但减幅不大,入库输沙量明显减小;主要控制站径流量和输沙量序列均具有明显的多时间尺度特征,径流量和输沙量的第一主周期分别为12~28 a,15~25 a;水土保持、上游修建水利工程、河道采砂等人类活动是输沙量明显减小的主要原因,而其对径流量的影响相对较小。     

黄河下游水沙变化与归因分析

以黄河下游为研究区,采用Mann-Kendall检验法、均值差异t法、小波分析法、双累积曲线分析法、累积量斜率变化率法对黄河下游近60 a来实测径流泥沙序列进行变化规律系统分析,定量评价气候变化和人类活动对黄河下游水沙变化的贡献率,以期揭示黄河下游水沙量变化规律及其引起水沙时空演变的影响因素。结果显示:黄河下游水沙量均出现明显下降趋势,且年输沙量比年径流量减少明显;花园口、高村、艾山3个水文站的年径流量均于1985年发生突变,利津水文站年径流量于1979年发生突变,高村、艾山2个水文站的年输沙量均于1997年发生突变,花园口、利津水文站年输沙量分别于1999年、1994年发生突变;各水文站水沙序列存在多时间尺度的周期变化,但变化尺度有所区别;4个水文站的水沙量双累积曲线均发生两次偏转,输沙量平均每年分别减少3.81亿、2.69亿、2.24亿、0.67亿t,减沙量沿程下降;水沙量减少的主导因素是人类活动。     

近70年黄河宁夏河段干支流水沙变化规律

根据黄河宁夏河段干支流的水沙实测资料,采用变异系数、Mann-Kendall检验法和小波分析法,从水沙量的年际变幅、变化趋势、突变特性和周期波动等方面分析黄河宁夏河段水沙变化的规律,为河段治理和工程布局提供依据。黄河宁夏河段年输沙量的年际变化程度大于年径流量,支流的年来水来沙量年际变化程度大于干流。干流的年水沙量呈显著下降趋势,年径流量突变点为1986年,支流各站的年径流量和年输沙量则处于增加趋势。泉眼山站的年径流量突变点为1993年、2003年和2012年,干支流年径流量的突变与水库的调蓄有关。宁夏河段干支流年径流量和年输沙量的周期变化具有相似性和差异性,这说明宁夏河段水沙变化具有相关性,同时也反映了水沙异源的特性。     

1950-2011年黄河干流水沙关系变化研究

采用黄河干流主要控制水文站唐乃亥、兰州、头道拐、龙门、潼关、花园口、高村、艾山和利津站的实测径流量和输沙量资料,借助Mann-Kendall趋势检验法、双累积曲线法和Pearson相关分析等方法,探讨50余年来黄河流域不同时段、不同河段水沙关系的变化特征。结果表明:唐乃亥站径流量和输沙量无长期变化趋势,黄河干流自兰州以下各站年径流量和年输沙量均表现出显著下降趋势。借助花园口站实测径流量与输沙量双累积曲线知,2000-2011年无降水影响时的累积减沙量为61.602亿t。径流量和输沙量呈正相关关系,沿程各站相关系数r∈(0.512,0.664),不同年代水沙关联性有较大差别。黄河上中下游之间径流量、输沙量均呈现显著正相关,其相关系数分别为r∈(0.725,0.904)、r∈(0.887,0.918)。不同年代中游来水来沙量对下游径流量和输沙量的贡献率存在较大差异,在2000-2009年达到最小值。     

金沙江下游元谋干旱河谷区水沙过程演变规律研究

以金沙江下游元谋干旱河谷区1970-2012年的实测月值径流量、输沙量数据为基础,采用线性倾向估计、均差累积曲线、Yamamot检验和Morlet小波分析等方法,系统研究了元谋干旱河谷区水沙过程演变规律。结果发现:元谋干旱河谷区85%以上的水沙产输量集中在每年的季风期,自20世纪70年代以来水沙产输量总体呈现出微弱的减少趋势,产水量占整个流域的比例呈现出下降趋势而产沙量的比例却呈现出增加的趋势;1960年以来元谋干旱河谷区径流量过程变化存在2个拐点,径流量在1992年和输沙量在1994年存在突变,而两者均在2002年均发生了强突变;年径流量、输沙量在28 a时间尺度上的周期性变化最为显著,为第一主周期,均存在1个完整的丰水、多沙中心年份和1个完整的少水、少沙中心年份,此外13 a左右时间尺度上的周期也较为突出;相对于径流量而言,自1992年开始元谋干旱河谷区泥沙量有增加趋势,而从2003年开始输沙量则转变为减少趋势。     

1955-2014年黄河内蒙古河段水沙变化特征分析

深入剖析黄河内蒙古河段水沙变化特征是研究黄河治理方略、水沙资源配置及重要水利工程布局的前提和基础。为此,以1955-2014年黄河内蒙古河段3个主要水文控制站（巴彦高勒站、三湖河口站、头道拐站）长时序水沙数据为对象,采用水沙年内不均匀性、集中度及变化幅度等指标值,及Mann-Kendall趋势检验和小波分析法,深入探讨了内蒙古河段水沙年内分配与年际的变化特征。结果表明：黄河内蒙古河段水沙序列年内变化表现为输沙量的不均匀程度和集中度比径流量的大,各站径流量集中期多在8、9月,输沙量集中期基本全在8月;水沙序列年际变化表现为水沙量呈显著减少趋势,水沙序列具有多尺度振荡的特点,存在着年际尺度和年代际尺度的周期变化规律。     

黄河水沙变化与下游河道改造

20世纪80年代中期以来,进入黄河的水沙量及其过程发生了重大变化,潼关水文站水量和输沙量大幅下降,已由1919~1959年期间的平均水量426亿m3/年、输沙量16亿t/年下降到2000~2012年的231亿m3/年和2.76亿t/年,随着黄河上中游水土保持和生态建设的持续开展,预计未来50~100年潼关站年平均水量和输沙量将逐步稳定在210亿m3/年左右和3亿t/年左右。水沙变化关系到治黄方略的制定,关系到黄河的长治久安。为了顺应黄河水沙的变化,确保黄河防洪安全,实现下游河道不改道、河床不抬高的治理目标,本文提出了新的水沙条件下黄河下游河道治理的总体思路是:改造河道、解放滩区。具体措施包括:稳定主槽、缩窄河道、完建堤防、治理悬河、滩区分类。建议深入研究下游河道改造的方案与河道缩窄的可行性及其影响,为黄河下游河道改造提供科技支撑。     

基于小波分析的汀江水沙通量变化规律研究

利用1951-2007年月平均水沙通量资料,采用Morlet小波函数,对汀江上杭水文站近60年来的年际和年代际变化特征进行小波分析,揭示了汀江水沙通量的多时间尺度变化特征和突变点,并根据小波能量谱(能量集中区)所对应的主周期进行了趋势分析.计算结果表明,洪季水沙通量的多时间尺度振荡趋势和位相与水沙通量的年变化特征相一致;洪季(4-9月)和年径流量均存在18年左右时间尺度的主振荡周期,6 -9年时间尺度的次主周期;洪季(年)沙通量均存在28年左右时间尺度的主振荡周期,16年时间尺度的次主周期;经小波趋势分析,未来10 -20年,汀江水沙通量与正常值相比呈降低趋势.     

黄河流域天然径流量与气候因子的小波分析

利用黄河流域6个水资源区1961—2005年的年平均气温、年降水量、年水面蒸发量和年天然径流量数据和小波分析方法,研究了气候因子和天然径流量的多时间尺度波动周期及其相互关系。结果表明:黄河流域各气候因子的主要波动周期为3、7、18 a,年天然径流量的主要波动周期为3、6、18 a;年均气温与年天然径流量的波动周期呈负相关关系,小波互相关能量聚集尺度为6 a和18 a;年降水量与年天然径流量的波动周期呈正相关关系,小波互相关能量聚集尺度为3 a和6 a;年水面蒸发量与年天然径流量的波动周期呈负相关关系,小波互相关能量聚集尺度为3、12、20 a。由此可见,气候因子的波动周期对水资源量的变化具有重要影响。     

雅鲁藏布江河川径流变化的季节性规律研究

利用雅鲁藏布江干流奴下水文站1956~2008年实测径流序列资料,采用Morlet小波分析雅鲁藏布江干流径流年际变化和季节性变化的多时间尺度演变规律,揭示了不同尺度下径流变化周期。结果表明:雅鲁藏布江流域年径流和各季节径流存在8~10 a左右时间尺度的丰枯交替,表现出明显的周期特征,其次14~16 a左右时间尺度的周期特征也较明显。研究还发现,雅鲁藏布江夏季径流量占年径流量的53.62%,夏季径流变化趋势与年径流具有较大相似性,不同时间尺度的周期特征之间有不同程度的吻合,说明夏季径流较大程度的控制着年径流。     

黄河下游中常洪水调控指标

从塑槽径流条件、水流动床阻力、河道整治、滩区及防洪等方面,论证了未来黄河下游主槽目标过流能力采用4 000m3/s左右的合理性,提出了黄河下游发生明显淤滩刷槽的临界流量。同时,根据不同量级洪水河道的冲淤特点,提出了小浪底水库控制下游流量、含沙量指标。即在目标主槽过流能力条件下,控制漫滩洪水流量不低于6 000m3/s,含沙量不大于250-300kg/m3;小漫滩洪水和非漫滩洪水,尽量按流量2 300-4 000m3/s、含沙量20-50kg/m3的水沙搭配控制,避免出现4 000-6 000m3/s8、00-2 300m3/s两个量级的洪水过程。     

东江流域汛期降雨序列的小波分析

为了揭示流域汛期降雨变化的多时间尺度的复杂结构,采用Morlet小波函数,对东江流域1956~2005年汛期降雨时间序列进行了小波分析,找出了不同时间尺度下降雨序列变化的周期和突变点,并根据降雨主周期对未来汛期降雨变化进行了预测。研究结果表明,汛期降雨序列呈现微弱的减少趋势,倾向率为每10 a12.08 mm,近50 a汛期降雨量减少了约60.4 mm;汛期降雨量变化的特征时间尺度为2、4、7、12 a与19 a,其中4、7 a左右的周期振荡最强,为汛期降雨量变化主周期;依据主周期的变化趋势,预测2006年前后东江流域汛期降雨将偏少,在2008~2010年汛期降雨将偏多。     

三江源区径流演变规律分析

通过线性回归、滑动平均、Mann-Kendall检验、累积距平、滑动t检验和Morlet小波分析等方法分析了三江源区1956—2012年的年径流量演变规律。结果表明: 57 a来直门达、吉迈和香达站的年径流量呈上升趋势,唐乃亥站的年径流量呈下降趋势,直门达站的年径流量通过显著性检验;直门达和吉迈站均在2004年发生显著性均值突变,其余站点突变不显著;三江源区年径流量均存在6~8 a和23 a左右的主周期,以23 a左右时间尺度上的信号最强,周期相位变化均存在3个偏多期和2个偏少期。研究结果可为我国中下游的水资源保护与管理提供参考依据。     

小浪底水库对水沙的调控及下游河道响应

冲积性河流上修建水库后,由于对水沙的调节,下游河道将发生相应调整,直至和新的水沙条件相适应。小浪底水库位于控制黄河水沙的关键部位,1999年10月25日下闸蓄水,目前水库仍处于拦沙初期的运用阶段,五年来以水库异重流排沙为主,期间进行了三次调水调沙试验,绝大多数中粗泥沙拦在库内,进入下游的水沙量和过程均发生了显著变化,主要表现为:下泄水流含沙量低、泥沙颗粒较细、洪峰调平、汛期(7-10月)水量减少、非汛期水量增大。在这种水沙条件下,黄河下游河道持续冲刷,平滩流量增大,河槽趋于窄深、河床粗化,河势发生调整。     

水沙变异条件下黄河下游河道横断面形态特征研究

通过对黄河下游各水文站1950～2003年实测资料的分析，探讨了过去50多年间黄河下游河道横断面形态变化过程及其与来水量的响应关系。分析得出，过去50多年间，黄河下游河道主河槽发生了明显的淤积萎缩，游荡性河段的萎缩程度大于弯曲性河段，平滩面积呈明显减小的趋势，宽深比有增大的趋势，但各河段河型没有发生转化；平滩面积随年来水量和当年最大洪峰流量的增加而增大，宽深比随来沙系数的增加而增大。由黄河下游排沙比与来水来沙的关系分析表明，黄河下游花园口～利津河段不淤积的花园口临界年均来沙系数约为0.012，临界年平均流量约为1850m3/s。综合分析认为，在目前下游河道来水偏枯的条件下，下游河道的平滩流量不宜也不可能太大，从维持中水河槽和满足流域经济社会发展需要考虑，在花园口年来水量为200～250亿m3时，花园口控制洪峰流量在4000m3/s左右、年均来沙系数不大于0.012的来水来沙过程比较合适。