關(guān)中地區(qū)降水特征分析

馮晶, 錢會(huì)

(長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，關(guān)中地區(qū)作為陜西省的核心發(fā)展地區(qū)，其水資源短缺問(wèn)題日趨嚴(yán)峻.由于資源性缺水、工程性缺水、水質(zhì)性缺水問(wèn)題的交互影響，導(dǎo)致關(guān)中地區(qū)用水緊張.通過(guò)Mann-Kendall檢驗(yàn)，對(duì)關(guān)中地區(qū)1951—2013年的降水變化趨勢(shì)和突變特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析.發(fā)現(xiàn):自1951年起降水量在波動(dòng)中基本呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；關(guān)中地區(qū)的降水豐水年與枯水年交替出現(xiàn)，但降水量無(wú)論是上升還是下降，趨勢(shì)都不顯著.

關(guān)鍵詞：關(guān)中;降水特征;Mann-Kendall檢驗(yàn)中圖分類號(hào)：TV125；P426.614文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002-5634(2015)03-0008-05

收稿日期:2015-03-31

作者簡(jiǎn)介：劉學(xué)山(1964—),男,湖南岳陽(yáng)人,高級(jí)工程師,主要從事抽水蓄能電站建設(shè)、管理方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.012

收稿日期:2015-05-04

基金項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(201301039);貴州省水利廳科技專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(KT201313).

作者簡(jiǎn)介：黃鑫(1982—)，女，河南鄭州人，講師，碩士，主要從事水資源管理與保護(hù)等方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.003

關(guān)中地區(qū)位于陜西省中部，介于秦嶺和渭北北山之間，西起寶雞，東至潼關(guān)，海拔325～800 m，東西長(zhǎng)約300 km，西窄東寬，面積約3.4×104km2，號(hào)稱“八百里秦川”.隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，關(guān)中地區(qū)水資源供需矛盾日益突出，由于地下水過(guò)度超采，導(dǎo)致了地面沉降、地裂縫等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的發(fā)生[1-3].近年來(lái)，關(guān)中地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)、西咸新區(qū)、絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)都對(duì)水資源的供給提出了更高的要求.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，關(guān)中地區(qū)的降雨量比較豐富.因此，通過(guò)對(duì)關(guān)中地區(qū)的降雨特征進(jìn)行深入分析，利用關(guān)中地區(qū)有利的地質(zhì)、地貌及水文地質(zhì)條件，合理利用、配置關(guān)中地區(qū)的雨水資源來(lái)彌補(bǔ)地下水和地表水的不足顯得尤為重要[4-6].

1研究方法

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者致力于降水特征的研究.如：John Abbot等[7]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)了澳大利亞的降水趨勢(shì)；龐文保等[8]對(duì)榆林、西安、漢中夏季降水量的歷年變化進(jìn)行了分析；衛(wèi)旭東等[9]利用陜西省20個(gè)觀測(cè)站1951—2000年的降水資料，分析了陜西省降水量的變化特征，并對(duì)降水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)；白愛(ài)娟等[10]根據(jù)陜西省的降水資料，對(duì)冬季、夏季和年降水量場(chǎng)進(jìn)行了分區(qū)，并研究了陜西省降水量變化的區(qū)域特征和年際變化及長(zhǎng)期趨勢(shì)特征；錢會(huì)等[11]運(yùn)用基于滑動(dòng)平均-加權(quán)馬爾科夫鏈法對(duì)寧夏石嘴山市的降水進(jìn)行了預(yù)測(cè).

本次研究基于關(guān)中盆地的特殊地形和氣候，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有資料的統(tǒng)計(jì)，結(jié)合Mann-Kendall法分析關(guān)中地區(qū)降水趨勢(shì)和突變特征，以期為關(guān)中地區(qū)雨水資源的利用提供科學(xué)依據(jù)[12-13].Mann-Kendall檢驗(yàn)法[14-18]是一種基于秩的非參數(shù)型檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)是樣本可以不遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于類型變量和順序變量.該方法一般用于降水的趨勢(shì)及突變檢驗(yàn).

在趨勢(shì)檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0包含n個(gè)樣本獨(dú)立的、同分布的隨機(jī)變量.備選假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)，表示數(shù)據(jù)集X中存在一個(gè)單調(diào)的趨勢(shì).Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)計(jì)算公式為

當(dāng)(Xj-Xk)分別大于0、等于0、小于0時(shí)，對(duì)應(yīng)的sgn(Xj-Xk)分別為1、0、-1.其中，S為正態(tài)分布，其均值為0，方差

當(dāng)n>10時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量通過(guò)下式計(jì)算：

在雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)中，統(tǒng)計(jì)變量Z大于0時(shí)，是上升趨勢(shì)；小于0時(shí)，是下降趨勢(shì).根據(jù)Z絕對(duì)值的大小，判斷置信度區(qū)間.

在突變檢驗(yàn)中，實(shí)測(cè)值構(gòu)成一個(gè)時(shí)間序列，按時(shí)間順序表示為Xt=(X1，X2，…，Xn)，需要對(duì)其確定所有對(duì)偶值(Xi，Xj，j>i)中Xi與Xj的大小關(guān)系:

其中

定義統(tǒng)計(jì)量

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定顯著水平α，若UFk值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，反之呈下降趨勢(shì).按時(shí)間序列X逆序Xn,Xn-1,…,X1重復(fù)上述過(guò)程，同時(shí)使UFk=-UBk，k=n,n-1,…,1，UB1=0.得到逆序列值UBk圖形，計(jì)算步驟同上.

繪制UFk與UBk曲線圖.若UFk大于0，表明序列呈上升趨勢(shì)；若UFk小于0，表明序列呈下降趨勢(shì).當(dāng)UFk超過(guò)置信度線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著.超過(guò)置信度線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域.如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始時(shí).

2結(jié)果與討論

2.1　年際降水量變化規(guī)律

根據(jù)關(guān)中地區(qū)5個(gè)氣象站1951—2013年的降水觀測(cè)資料，對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表1并如圖1—5所示.由表1可以看出，關(guān)中地區(qū)的年降水量為506.54～829.75 mm，與西北其他地區(qū)相比，處于較高水平，說(shuō)明關(guān)中地區(qū)的降水資源相對(duì)豐富.同時(shí)，由表1及圖1—5還可看出，銅川、西安、寶雞、華山站的降水量基本呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).其中華山站的降水量通過(guò)了99%的置信度檢驗(yàn)，減少趨勢(shì)最為明顯；寶雞、西安站的減少趨勢(shì)略小，分別通過(guò)了90%和95%的置信度檢驗(yàn)；只有咸陽(yáng)站呈上升趨勢(shì).對(duì)比西安站和華山站的降水量，西安站年降水量最大值出現(xiàn)在1983年，為903.2 mm;最小值出現(xiàn)在1995年，為312.2 mm；在1958—1959年波動(dòng)比較大，降水量下降了454.6 mm.華山站的年降水量最大值出現(xiàn)在1964年，為1 262.3 mm，最小值出現(xiàn)在1997年，為465.3 mm；華山站降水量整體波動(dòng)范圍比較大.總體來(lái)說(shuō)，關(guān)中地區(qū)的降水量大部分呈下降趨勢(shì)，只有咸陽(yáng)站呈上升趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)不明顯.表1表明關(guān)中地區(qū)的降水分布基本與陜西省一致[19]，呈現(xiàn)南多北少的現(xiàn)象.

表1　關(guān)中各站點(diǎn)降水量及 Z值統(tǒng)計(jì)表

圖1　銅川站歷年平均降水量

圖2　西安站歷年平均降水量

圖3　寶雞站歷年平均降水量

圖4　華山站歷年平均降水量

圖5　咸陽(yáng)站歷年平均降水量

利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法得出的突變檢驗(yàn)結(jié)果如圖6—10所示.圖6中西安站在1953—1961、1964年降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，1965年降水量有明顯的下降趨勢(shì)，且在1979—1980、1982、1995、1997、2001—2002年降水量下降比較明顯，通過(guò)了95%的置信度檢驗(yàn).根據(jù)圖中UFk和UBk交點(diǎn)位置，判斷西安站降水量的減少屬于突變現(xiàn)象，降水量自1965年由逐年增大的趨勢(shì)變?yōu)橹鹉杲档偷内厔?shì).

圖6　西安站歷年降水量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線

圖7中寶雞站自1953年起降水量呈逐年下降的趨勢(shì)，但不顯著，僅在2008年有明顯下降，通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn).其中在1957、1960—1961、1966、1968—1969、1975—1976、1980、1981—1984、2011、2012年均存在突變，總體來(lái)說(shuō),降水量的多年變化狀況比較復(fù)雜.圖8為華山站歷年降水量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線，可見(jiàn)華山站降水量在1953—1958年(除了1955年)基本呈上升趨勢(shì)，自1959年開始呈逐年下降趨勢(shì)，1985年開始呈直線下降趨勢(shì)，尤其自1993年開始下降趨勢(shì)顯著，通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn).

圖7　寶雞站歷年降水量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線

圖8　華山站歷年降水量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線

圖9、圖10分別為咸陽(yáng)、銅川站的降水量M-K曲線，咸陽(yáng)站在1987—1994、2007—2013年降水量呈上升趨勢(shì)，在1995—1998年降水量增加、減少變化比較頻繁，2000—2006年降水量一直呈下降趨勢(shì)，但不顯著.總體來(lái)看，咸陽(yáng)地區(qū)在研究時(shí)段內(nèi)的突變點(diǎn)較多，降水狀況復(fù)雜多變.銅川站降水量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線中突變點(diǎn)較多，1971—1992年降水量下降與上升趨勢(shì)交替出現(xiàn)，1993年后降水量呈緩慢下降趨勢(shì).

圖9　咸陽(yáng)站歷年降水量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線

圖10　銅川站歷年降水量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線

根據(jù)關(guān)中地區(qū)降水量的突變檢驗(yàn)結(jié)果，自1980年后，關(guān)中地區(qū)的降水出現(xiàn)了集中的突變情況，整體降水量逐漸下降.以華山、西安、寶雞站為例，這3個(gè)站點(diǎn)自1965年后降水量一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且在20世紀(jì)90年代降水量下降比較顯著.銅川、咸陽(yáng)站在20世紀(jì)90年代降水量增加與減少的情況交替出現(xiàn)，降水過(guò)程多變；銅川站降水量在20世紀(jì)90年代后呈現(xiàn)降水減少的現(xiàn)象.大氣降水作為關(guān)中地區(qū)地表水和地下水的重要補(bǔ)給水源，大氣降水量的逐漸減少，很大程度上減少了關(guān)中地區(qū)的可利用水資源量.

2.2　年內(nèi)降水量分布規(guī)律及其利用

關(guān)中地區(qū)的降水隨季節(jié)變化明顯.根據(jù)關(guān)中地區(qū)的氣候條件，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月到來(lái)年2月.以西安站為例，西安地區(qū)各月平均降水量和各季節(jié)降水比例分別如圖11及表2所示，西安站降水主要集中在夏季和秋季，約占全年降水的79.3%，冬季降水最少.由于關(guān)中地區(qū)降水時(shí)空分布不均，冬季、春季降水稀少，而夏季、秋季降水豐富，不利于雨水的直接利用.關(guān)中地區(qū)其他站降水的季節(jié)變化情況與西安站有類似的規(guī)律.由于關(guān)中地區(qū)降水隨季節(jié)的這種顯著變化，給雨水資源的充分利用帶來(lái)了極大的困難.往往是在人們需要水的時(shí)候，天氣比較干旱，沒(méi)有降雨發(fā)生；而在不需要水或需水不是那么迫切的時(shí)候，有大量降雨發(fā)生.通過(guò)對(duì)關(guān)中地區(qū)水文地質(zhì)條件的分析[20-21]，關(guān)中地區(qū)的地下水有很好的儲(chǔ)水條件，在盆地的南北兩側(cè)的洪積扇地帶及河流高階地上，含水層包氣帶厚度大，顆粒粗，有很好的儲(chǔ)水條件，應(yīng)充分利用這一條件，把豐水季節(jié)的雨水及盆地南北兩側(cè)溝谷中的洪水通過(guò)人工補(bǔ)給的方式滲入地下，增加地下水的補(bǔ)給量，使豐水期的雨水和洪水能夠儲(chǔ)存在地下，以備需要的時(shí)候開發(fā)出來(lái)供人們使用.

圖11　西安地區(qū)各月平均降水量

季節(jié)季降水量/mm占全年比例/%春128.5422.5%夏234.5041.1%秋184.0232.2%冬24.174.2%

從季節(jié)上來(lái)看，關(guān)中地區(qū)的降水量在時(shí)間上基本都呈下降趨勢(shì)，波動(dòng)范圍大小不一，如圖12所示.

圖12　不同季節(jié)關(guān)中各站點(diǎn)歷年降水量變化

春季，寶雞、華山、西安站降水量在波動(dòng)中均呈現(xiàn)下降趨勢(shì).Z值檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.寶雞、西安、華山站降水量下降趨勢(shì)依次遞增，西安、華山站降水量下降明顯，都通過(guò)了99%的置信度檢驗(yàn)，其中華山站降水量在1978—1979年、1995—1998年起伏比較大.夏季，寶雞站降水量穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的增減，西安站降水量在波動(dòng)中緩慢上升，而華山站的降水量有明顯的下降趨勢(shì)且通過(guò)了90%的置信度檢驗(yàn).秋季，3個(gè)站降水量均呈下降趨勢(shì)，但在1972—1989年、1995—2011年波動(dòng)起伏比較大，豐枯轉(zhuǎn)化比較頻繁.冬季，除寶雞站降水量在緩慢上升，其余各站降水量均呈下降趨勢(shì).總體上看，關(guān)中地區(qū)季降水量在東西方向上變化顯著，降水量變化趨勢(shì)由西向東逐漸增強(qiáng)，其中華山站降水量變化趨勢(shì)最為明顯，降水過(guò)程復(fù)雜多變.銅川、咸陽(yáng)站降水的季節(jié)變化與上述類似，這里不再贅述.

表3　關(guān)中各站四季降水量 Z值檢驗(yàn)結(jié)果

3結(jié)語(yǔ)

1)從年際降水來(lái)看，關(guān)中地區(qū)自1951年到2013年降水量在波動(dòng)中基本呈緩慢下降趨勢(shì)，突變點(diǎn)較多,只有咸陽(yáng)站的降水量呈緩慢上升趨勢(shì).關(guān)中地區(qū)的降水突變主要集中在20世紀(jì)90年代，降水過(guò)程復(fù)雜多變，豐水年與枯水年交替出現(xiàn).降水總體上呈現(xiàn)南多北少的現(xiàn)象，降水由西向東總體呈遞增趨勢(shì).

2)關(guān)中地區(qū)的降水主要集中在夏季、秋季.西安站夏季的降水量占全年降水量的41.1%，秋季的降水量占全年降水量的32.2%.主要降水的月份在5—10月，占全年降水量的79.3%.季節(jié)性變化對(duì)關(guān)中各個(gè)站點(diǎn)的影響顯著.統(tǒng)一表現(xiàn)為由西向東降水量的變化趨勢(shì)逐漸增大，其中華山站降水量下降趨勢(shì)最顯著.

3)關(guān)中地區(qū)降水資源豐富，但季節(jié)性變化較大，應(yīng)充分利用關(guān)中地區(qū)山前洪積扇地區(qū)包氣帶厚度大、有較大儲(chǔ)存空間的特有條件，加強(qiáng)地下水的人工補(bǔ)給，把豐水期的雨水資源及山區(qū)地表徑流儲(chǔ)存在地下，以備枯水季節(jié)使用，從而緩解關(guān)中地區(qū)水資源短缺的壓力.

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Analysis of Precipitation Characteristics in Guanzhong Area

FENG Jing, QIAN Hui

(College of Environmental Science and Engineering, Chang′an University, Xi′an 710054, China)

Abstract:With the rapid development of social economy, Guanzhong area as a core development area of Shaanxi Province, the problem of water resources is becoming more and more serious. Due to the interaction between water resources and the problems of engineering and the qualified water shortage, the water use of Guanzhong area is stressed. In this paper, we analyzed the changing tendency of precipitation and the jump features in Guanzhong area from 1951 to 2013 by Mann-Kendall test. These characteristics are found that the precipitation with the fluctuation characteristics has the decreasing tendency since 1951, the high flow years and low flow years of precipitation alternatively appear in Guanzhong area, but the uptrend and the downtrend are not obvious.

Keywords:Guanzhong； precipitation characteristics； Mann-Kendall test

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