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基于小波变换的三江平原低湿地井灌区年降水序列变化趋势分析

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收稿日期:2007-05-26;修订日期:2007-09-10基金项目:国家自然科学基金(30400275)项目资助。作者简介:刘 东(1972-),男,黑龙江安达人,副教授,博士研究生,主要从事农业水土资源系统分析与优化利用研究。E-mai:lliu72dong@126.com通讯作者:付 强(1973-),教授,博士,博士生导师。

基于小波变换的三江平原低湿地井灌区年降水序列变化趋势分析

刘 东,付 强(东北农业大学水利与建筑学院,黑龙江哈尔滨150030)摘要:近年来,由于水田面积迅速增加,导致三江平原低湿地井灌水稻区地下水位普遍下降,/吊泵0、局部超采现象时有发生,因此,三江平原的地下水资源平衡急需恢复。为解决上述问题,以853农场为例,应用小波理论对853农场实测年降水时间序列的多时间尺度变化特征及突变特征进行分析,揭示该区年降水变化的主要周期及旱涝变化趋势,为853农场乃至整个三江平原充分利用天然降水、地下水资源恢复及可持续利用提供科学依据。关 键 词:三江平原;井灌水稻;年降水时间序列;小波分析;周期中图分类号:P426.6 文献标识码:A 文章编号:1000-0690(2008)03-0380-05

三江平原位于黑龙江省东部,为黑龙江、松花江、乌苏里江冲积平原,面积10.9@104km2,耕地面积366.77@104hm2[1~3],是国家重要的商品粮基地。三江平原地势低平,大部分地区土壤质地粘重,排水能力差,很容易形成涝灾而减产。因此,为了改良低湿地,从20世纪80年代开始,三江平原开始种植水稻,实现/以稻治涝0,取得显著效益。1981~2000年,三江平原水稻种植面积从7@104hm2激增到95.3@104hm2,2000年井灌水田面积为65.9@104hm2[4]。由于水田面积迅速增加,地下水开采量也迅速增加,再加上人为浪费严重以及管理不善,使得三江平原地下水位普遍下降,/吊泵0和局部超采现象时有发生,三江平原地下水资源的动态平衡受到了严重的破坏。地下水水位下降已经导致三江平原产生了一系列水环境问题,因此,应大力加强三江平原地下水补给研究。大气降水是地下水最主要的自然补给来源,同时也是地下水人工补给的重要影响因素。三江平原多年平均降水量为560mm左右,降水年际变化大,年内分配很不均匀[5]。因此,研究三江平原低湿地井灌水稻区年降水的多时间尺度变化特征,分析其旱涝变化规律,对于节约地下水资源、地下水资源的恢复以及农业和地下水资源的可持续利用具有重要的意义。研究降水多时间尺度变化特征的传统方法主要有Fourier分析[6]、滤波分析、时间序列分析等,这些方法在时域和频域上不具有局部化性质,对突变点的诊断缺乏数学上的严谨性[7],不能全面反映降水的多时间尺度变化特征。小波分析是泛函分析、Fourier分析、样条分析、调和分析和数值分析的最完美的结晶,它具有时频多分辨功能和数学意义上的严格突变点分析功能,可以对信号进行多时间尺度细化分析[7~12],因此优于上述传统方法,近些年来广泛应用于气候多时间尺度分析研究中。本文尝试以853农场为例,采用小波分析理论对853农场47年降水时间序列的多时间尺度特征进行诊断分析,揭示853农场年降水的周期特征和旱涝变化趋势,为地下水恢复等区域节水农业关键问题研究提供科学依据。

1 小波分析基本原理1.1 小波函数小波函数是指具有震荡特性、能够迅速衰减到零的一类函数,即:Q+]-]7(t)dt=0

第28卷第3期2008年06月 地 理 科 学SCIENTIAGEOGRAPHICASINICA Vol.28 No.3June,2008小波函数有多种,在小波分析中经常采用Marr小波、Morlet小波、Wave小波、Mexicanhat小波等[13~19]。本文选用在时域和频域局部性都较好的Morlet小波,其函数为7(t)=eicte-t2/2(1)式中,c为常数,i表示虚数。Morlet小波是由一个周期函数经过Gaussian函数平滑而得到的,所以,它的尺度因子a与Fou-rier变换中的周期有着一一对应的关系:T=4P/c+2+c2@a。当取常数c=6.2时,T=1.00057aUa,所以Morlet小波可以用来进行周期分析。1.2 小波变换小波变换是小波分析的核心。对于给定的、满足一定条件的小波函数W(t),时间序列f(t)IL2(R)的连续小波变换定义为[15,17,20,21]:Wf(a,b)=|a|-12Q+]-]f(t)7(t-ba)dt(2)式中,Wf(a,b)为小波变换系数;a为尺度因子,反映小波的周期长度;b为时间因子,反映时间上的平移。在实际应用中,水文时间序列大多是离散的。例如f(k$t)(k=1,2,,,n;$t为取样时间间隔),则式(2)的离散形式为[15~17,21,22]Wf(a,b)=|a|-12$t6nk=1f(k$t)7(k$t-ba)(3) Wf(a,b)能同时反映时域参数b和频域参数a的特征,它是时间序列f(t)或f(k$t)通过单位脉冲响应的滤波器的输出。根据Wf(a,b)随a和b的变化,可以绘出以b为横坐标,a为纵坐标的关于Wf(a,b)的二维等值线图,称为小波变换系数图。通过分析小波变换系数图,可以得到水文时间序列在小波变换域中的小波变化特征,从而揭示出水文时间序列的多时间尺度演变特征和突变特征。1.3 小波方差将时间域上关于a的所有小波变换系数的平方进行积分,即为小波方差。对于离散水文时间序列,小波方差可以采用下式计算[23,24]:Var(a)=1n6nb=1|Wf(a,b)|2(4)式中,n为样本数;rWf(a,b)r2为小波变换系数模平方。小波方差随尺度a变化的过程,称为小波方差图,该图能反映水文时间序列中所包含的各种尺度(即周期)的波动及其强弱(能量大小)随尺度变化的特性,图中各个峰值分别对应着各个显著周期。因此,通过小波方差图可以很方便地确定一个时间序列中存在的主要时间尺度(即主周期)。

2 应用实例853农场位于黑龙江省三江平原东部,隶属黑龙江省农垦总局红兴隆分局,土地总面积1165.7km2,其中耕地面积581.35km2。853农场是一个以种植麦、豆、玉米、水稻为主的大型机械化国营农场,从1991~2000年,853农场的水田面积由0.61@104hm2激增到2.67@104hm2(72%为井灌水稻)。据调查,853农场从1991~1998年8年间,地下水位年平均降幅为0.3m/a,多年平均地下水可开采资源量为0.4186@108m3,而2000年地下水开采量为0.8046@108m3/a,1999~2004年6年间,地下水位年平均降幅为0.7m/a左右。地下水位的持续下降已经严重地破坏了当地地下水资源的供需平衡。为了节约地下水资源,实现地下水资源的可持续利用,本文以853农场为例,根据上述小波分析理论,对853农场年降水实测序列资料进行多时间尺度分析,以了解其不同时间尺度下的详细结构和变化趋势。2.1 资料来源及处理从853农场气象台收集到该农场1959~2005年全年降水资料(n=47)。为处理方便,将年降水实测序列资料进行距平(中心化)处理并绘制图1。

图1 853农场年降水距平变化曲线(1959~2005)Fig.1 TheannualprecipitationanomalyvariationcurveofFarm853from1959to2005

2.2 年降水距平序列小波变换按前述方法,借助matlab7.0编程计算853农

3813期 刘 东等:基于小波变换的三江平原低湿地井灌区年降水序列变化趋势分析 场年降水距平序列f(k$t)(k=1,2,,,47;$t=1)的小波变换系数Wf(a,b)。由于Morlet小波属于复数小波,因此其小波变换系数包括实部和虚部两个部分。由文献[23,25]和[26]可知,小波变换的模平方与函数f(t)在其小波变换域中的能量成正比,rWf(a,b)r2就是信号在a、b时的小波频谱能量,因此小波变换模平方就可以用来表示特征时间尺度信号能量的强弱。不同特征时间尺度信号在不同时间上分布和位相两方面信息则可用小波变换的实部表示。因此,年降水距平序列小波变换系数Wf(a,b)的模平方和实部就蕴含着序列随时间尺度a(即周期T)和时移b而变化的特征信息。2.3 年降水距平序列时频分析按照前述方法绘制853农场年降水距平序列小波变换系数Wf(a,b)的模平方等值线图(图2)和实部等值线图(图3),在此基础上进行年降水距平序列的时频变化分析。图2 853农场年降水距平序列小波变换系数模平方(@104)等值线Fig.2 Thewavelettransformcoefficientsmodulussquare(@104)isolineofannualprecipitationanomalyseriesofFarm853 1)小波变换系数模平方时频特性分析。由图2可以看出不同时间尺度信号能量分布的强弱,其中2~4年时间尺度信号能量变化最强,主要发生在1978~1996年,振荡中心在1981年;4~12年时间尺度信号能量变化较强,主要发生在1959~1988年,振荡中心在1971年;25~37年时间尺度信号主要发生在1959~2000年;1~2年时间尺度信号主要发生在1959~1961、1968~1973、1974~1977、1982~1985、1987~1993年;其余时间尺度信号能量变化则较弱。图3 853农场年降水距平序列小波变换系数实部时频分布Fig.3 Thewavelettransformcoefficientsrealparttime-frequencydistributionofannualprecipitationanomalyseriesofFarm853

2)小波变换系数实部时频特性分析。由图3可看出不同时间尺度的变化、正负位相转变点的分布及其位相结构,其中,1~4、4~12、25~37年时间尺度表现最明显,正负位相交替出现,中心时间尺度为3、7和30年左右。12~21年时间尺度也有表现,其中心时间尺度为17年左右。为进一步说明853农场年降水距平序列旱、涝交替变化的波动特性,在图3上固定时间尺度a值(分别取a=3,7,17,30),作平行b轴的切割线,在切割线上取点,作小波变换系数Wf(a,b)的实部(表示为R[Wf

(a,b)])随时移b变化的过程线(图4)。

图4 不同尺度下年降水距平序列Morlet小波变换实部变化过程Fig.4 TheMorletwavelettransformrealpartvariationcourseofannualprecipitationanomalyserieswithdifferentscales

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基于小波分析的华北地区近61年降水变化特征

基于小波分析的华北地区近61年降水变化特征

基于小波分析的华北地区近61年降水变化特征
华北地区是中国重要的农业生产基地和经济发展区域，降水变化对该地区的农业、水
资源、生态系统和人类活动具有重要影响。

为了探究华北地区近61年（1960年至2020年）的降水变化特征，本文利用小波分析方法对观测数据进行分析。

结果表明，华北地区的年降水量呈现出明显的波动性和周期性。

在小波系数能量谱中，出现了一系列明显的振动周期，主要包括18年、9年、4.5年、2.2年、1.1年等。

其中，18年周期表明华北地区的降水变化与太阳活动周期具有明显的相关性，而9年周期可能与大气环流的变化有关。

此外，华北地区的降水变化在时间尺度上也表现出不同的特征。

从长期趋势上看，降
水量呈现出先增后减的趋势。

具体来说，1960年至1990年期间，降水量逐渐增加；1990
年至2020年期间，降水量开始下降。

从年内变化来看，降水量呈现出单峰型的分布特征，降水高峰出现在7-8月份，降水低谷出现在11-12月份。

从空间分布来看，降水量在华北
地区呈东高西低、南多北少的分布特征。

综合来看，华北地区的降水变化受多种因素的影响，包括气候变化、大气环流的变化、太阳活动周期等。

在未来，随着气候变化的持续发展，华北地区的降水变化将继续引起人
们的关注。

因此，需要进一步加强对该地区降水变化的监测和研究，为农业、水资源管理
和生态保护等提供科学依据。

浅谈三江平原地区湿地的现状与发展

浅谈三江平原地区湿地的现状与发展

浅谈三江平原地区湿地的现状与发展【摘要】本文简介了三江平原的自然现状和湿地的功能，对湿地资源保护、管理及利用现状和其中存在的问题进行了分析，提出了以依法保护，科学规划，合理利用的建议和对策。

【关键词】湿地保护区；现状；建议与对策1.自然现状三江平原是黑龙江省东北部一个巨大的冲积平原。

三江平原以三条主要河流即黑龙江、乌苏里江、松花江的汇合为特征。

地处北纬43°50′-48°30′，东经128°30′-135°，南北长520km，东西430km，总面积10.89万km2，占全省总面积的24.0%。

三江平原地区的湿地是我国最大的淡水湿地资源，但从50年代开始，肥沃的土壤和非常适宜谷物生长的气候引起了国家的重视，并开始开发三江平原。

经过几代人的开发建设，三江平原已成为我国八大商品粮生产基地之一。

三江平原超过47%的土地，已经开发成农田，主要农作物有玉米、大豆、水稻和小麦等。

该地区由于过渡的开发，湿地和湿地周边地区森林资源遭到严重破坏，森林和湿地面积大量缩减。

据调查三江平原地区的森林面积从60年代末的480多公顷，减少到380万多公顷；湿地面积从建国初期的434万公顷，减少到目前的156万公顷。

耕地面积由78万公顷增加到516万公顷。

珍宝岛自然保护区属于三江平原湿地的一部分。

其西南侧60公里有黑龙江兴凯湖国家自然保护区。

其北侧200公里左右的乌苏里江下游有黑龙江三江自然保护区。

各个自然保护区具有不同的生态特征。

2.湿地的功能森林和湿地是陆地生态系统的核心。

湿地作为重要的国土资源，如同森林和海洋一样具有多种功能。

湿地在维持生态平衡、保持生物多样性和珍惜物种以及涵养水源、蓄洪防旱、降解污染等方面均起到重要作用，被誉为“地球之肾”。

在世界自然资源保护联盟、联合国环境规划属和世界自然基金会编制的世界自然保护大纲中，湿地与森林、海洋一起并称为全球三大系统。

湿地被称为“自然之肾”，湿地资源是十分宝贵和重要的国土资源和自然资源。

三江平原建三江地下水动态变化特征

三江平原建三江地下水动态变化特征

2020年5月 灌溉排水学报第39卷 第5期 May 2020Journal of Irrigation and Drainage No.5 V ol.3996文章编号：1672 - 3317（2020）05 - 0096 - 06三江平原建三江地下水动态变化特征刘伟坡，沙 娜，程旭学*（中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051）摘 要：【目的】探明建三江分局地下水动态变化规律，为水资源开发利用及科学管理提供理论支撑。

【方法】在综合分析建三江分局1997—2017年15个农场监测井地下水位标高、农业种植结构、土地利用类型等统计资料的基础上，应用衬度系数方差分析、Arcgis 空间插值分析、OriginPro 趋势分析等方法，分析了地下水动态变化规律及地下水流场空间变异特征。

【结果】由于地下水的过量开采，地下水位呈持续下降趋势，下降幅度为1.60~9.29 m ，中东部、中西部下降幅度表现为最大；地下水位衬度系数方差与地下水位下降幅度空间异变特征一致，中西部、中东部地下水动态受人类开采作用影响最为强烈；地下水流场空间异变特征明显，北西、南东、南部地下水水力梯度明显增大，局部地区地下水接受河水入渗补给，中部低平原区为地下水集中汇流区。

【结论】地下水过量开采引起的地下水流场变化，激发了河水入渗补给地下水能力，增加了地下水侧向径流补给量，改善了地下水径流条件；为合理开发利用地下水，优化地下水资源管理提供了水文地质依据。

关 键 词：地下水动态；衬度系数；地下水流场；水力梯度中图分类号：S512.11 文献标志码：A doi ：10.13522/ki.ggps.20190258 刘伟坡, 沙娜, 程旭学. 三江平原建三江地下水动态变化特征[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(5): 96-101.LIU Weipo, SHA Na, CHENG Xuxue. Groundwater Dynamics in Catchment of Jiansanjiang in Sanjiang Plain [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(5): 96-101.0 引 言1【研究意义】地下水作为水资源的重要组成部分，既在区域水循环中发挥着重要作用，又是我国北方地区工农业生产和人类生活的重要供水水源[1]。

三江平原地下水位变化及地面沉降分析

三江平原地下水位变化及地面沉降分析

三江平原地下水位变化及地面沉降分析作者：赵子龙等来源：《安徽农业科学》2015年第14期摘要通过对三江平原地下水开采情况进行调研，并结合该地区的水文地质工程地质条件，对由于过量开采地下水所引起的地面沉降进行分析，最后提出相应的对策建议。

关键词三江平原；地下水；地面沉降中图分类号S273.4文献标识码A文章编号0517-6611（2015）14-256-03Abstract Through investigation on exploitation situation of groundwater in Sanjiang Plain，combined with hydrogeologic and engineering geological conditions， the ground subsidence caused by excessive exploitation of groundwater was analyzed， finally corresponding countermeasures and suggestions were put forward.Key words Sanjiang Plain； Groundwater； Land subsidence三江平原位于黑龙江省东北部，位于47°11′30″～48°21′25″ N，129°46′42″～134°45′20″ E，总面积108 800 km2[1]。

三江平原在开发初期，地下水动态变化没有引起人们的足够重视，基本处于较为原始的状态，地下水开采量较少。

但是，在20世纪90年代后，由于井灌水稻生产抽取大量的地下水，地下水进入大规模开采阶段，出现了水位区域性下降，年平均降速0.5～1.0 m，局部地区2.2～2.8 m。

如2000年的地下水位同20世纪80年代中期相比，浓江一带地区地下水位埋深由6～8 m降至16～29 m；局部地区如前哨农场25队地下水位降至25 m；二级阶地区地下水位埋深由4～6 m降至8～15 m；一级阶地区地下水位埋深由2～3 m降至3.50～6.95 m。