于德全

（瓦房店市林業(yè)水利局，遼寧大連116300）

松樹水庫(kù)流域內(nèi)降水時(shí)空變化特征分析

于德全

（瓦房店市林業(yè)水利局，遼寧大連116300）

降水的時(shí)空演變趨勢(shì)及豐枯轉(zhuǎn)變周期對(duì)水庫(kù)水資源管理具有重要意義。文中利用Mann-Kendall趨勢(shì)和突變分析法、線性傾向估計(jì)法以及功率譜分析法，對(duì)松樹水庫(kù)流域內(nèi)汛期降水自1960至2014年的時(shí)空演變特征及周期進(jìn)行了分析。

松樹水庫(kù)；降水；趨勢(shì)；周期；時(shí)空變化

松樹水庫(kù)位于復(fù)州河上游，壩址坐落在遼寧省瓦房店市松樹鎮(zhèn)，水庫(kù)以上集水面積為302.4 km2，總庫(kù)容為1.86億m3，是一座以防洪和城市供水為主，結(jié)合養(yǎng)魚等綜合利用的大型水庫(kù)。復(fù)州河發(fā)源于普蘭店市同益鄉(xiāng)老帽山南麓，是大連地區(qū)的第二條大河，流域面積為1 638 km2，干流全長(zhǎng)134 km。

復(fù)州河流域?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)氣候，多年平均降水量為700 mm，多年平均徑流深400 mm。松樹水庫(kù)的水資源主要來(lái)源于當(dāng)?shù)亟邓?。近年?lái)，由于人類活動(dòng)和氣候變化使得流域下墊面條件發(fā)生了顯著改變，導(dǎo)致松樹水庫(kù)控制流域內(nèi)的水文過程發(fā)生了顯著變化。根據(jù)松樹水庫(kù)2000年以來(lái)的入庫(kù)徑流序列得知，入庫(kù)徑流過程呈現(xiàn)顯著減少的趨勢(shì)。為此，下文對(duì)形成入庫(kù)徑流的主要來(lái)源——降水進(jìn)行時(shí)空變化特征分析，研究1960—2014年松樹水庫(kù)控制流域內(nèi)的降水變化規(guī)律。

1 資料與方法

1.1 資料

資料選用遼寧省水文局提供的逐旬降水，選取代表站為復(fù)州河上游的大屯站，松樹水庫(kù)下游的得利寺站以及復(fù)州河下游的關(guān)家屯站，研究時(shí)段為1960—2014年（得利寺站資料時(shí)段為1962—2014年）。

1.2 分析方法

1.2.1 Mann-Kendall（M-K）趨勢(shì)分析法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法（以下簡(jiǎn)稱M-K法）是時(shí)間序列數(shù)據(jù)趨勢(shì)檢驗(yàn)中使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于水文氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計(jì)算簡(jiǎn)便，在時(shí)間序列趨勢(shì)分析中得到了廣泛的應(yīng)用，定義其統(tǒng)計(jì)量：

式中：n為樣本容量，方差Var（S）=n（n-1）（2n+5）/ 18，當(dāng)（xi-xj）大于、等于和小于0時(shí)，sign（xi-xj）分別等于1,0和-1。統(tǒng)計(jì)變量Z值大于0，表示增加趨勢(shì)；值小于0，表示減少趨勢(shì)。同時(shí)，M-K法還可檢測(cè)突變，構(gòu)造一秩序列Sk，表示第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)值，在時(shí)刻序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

按時(shí)間序列逆序xn，xn-1，…，x1再重復(fù)上述過程，同時(shí)使。若UFk和UBk兩序列出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在顯著性水平臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。

1.2.2 功率譜分析法

2 降水趨勢(shì)變化特征分析

2.1 降水在時(shí)間上的變化趨勢(shì)

選用復(fù)州河流域內(nèi)1960—2014年的3個(gè)代表站年降水量的平均值作為研究對(duì)象，繪制其年代際演變曲線，如圖1。

圖1 代表站平均年降水量的年代際演變

從圖1可以看出，流域內(nèi)降水自20世紀(jì)60年代至今呈現(xiàn)非常顯著的下降趨勢(shì)，從748.4 mm下降到了21世紀(jì)以來(lái)的625.5 mm，大體上以28.7 mm/10 a的速率減少。

為了更加清楚地了解流域內(nèi)降水量的年內(nèi)分布特征，繪制了多年平均的逐旬降水距平分布柱狀圖，如圖2。從圖2中可以看出，復(fù)州河控制流域內(nèi)降水正距平發(fā)生在6月上旬至9月中旬，即汛期期間。但是，該正距平的發(fā)生時(shí)間存在一定的集中性。通過計(jì)算，6月下旬至8月下旬的降水量占全年降水量的58.0%，同時(shí)還觀察到7月下旬的降水量為全年最大值，可達(dá)到全年降水總量的9.9%。因此6月下旬至8月下旬為流域內(nèi)的防汛關(guān)鍵期，為了能更好的抓住汛期降水的主要特點(diǎn)，下文將6月下旬至8月下旬作為主要研究時(shí)段，展開討論。

根據(jù)MK趨勢(shì)分析法及線性趨勢(shì)分析法，對(duì)復(fù)州河流域上游至下游的3個(gè)代表站的汛期降水系列進(jìn)行趨勢(shì)性分析，分析結(jié)果表1。

從表1中可知，汛期降水量總體上呈下降趨勢(shì)，并且上游的大屯站存在非常顯著的下降趨勢(shì)，通過了信度99%的信度檢驗(yàn)，得利寺站下降程度稍有減小，只通過了信度90%的信度檢驗(yàn)，而下游的關(guān)家屯站雖也存在下降趨勢(shì)，但程度并不十分顯著，沒有通過95%的信度檢驗(yàn)，即自上游至下游這種下降程度愈來(lái)愈小。這可能與流域內(nèi)人口分布密度不均，導(dǎo)致下墊面劇烈變化，最終造成流域局部氣候的變化有關(guān)。

運(yùn)用MK突變檢驗(yàn)方法，分析復(fù)州河流域內(nèi)汛期降水突變特征，結(jié)果如圖3所示。圖中曲線代表降水的順序統(tǒng)計(jì)量，曲線代表降水的逆序統(tǒng)計(jì)量。可以看出，兩條曲線在臨界線內(nèi)存在3個(gè)交點(diǎn)，說明汛期降水量存在明顯的突變現(xiàn)象。從曲線可以看出，從1968年之后由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，呈減少趨勢(shì)，2001年至今超過了顯著性的臨界值，減少狀態(tài)尤為顯著。綜上，流域內(nèi)汛期降水自1968年開始由偏豐轉(zhuǎn)為偏枯。根據(jù)曲線交點(diǎn)位置，確定流域內(nèi)汛期降水突變開始時(shí)間為1974年，即自1974年開始，降水偏枯狀態(tài)加劇。

圖2 代表站多年平均逐旬降水距平（黑色為正距平，白色為負(fù)距平）

圖3 三站平均汛期降水量MK突變檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 降水在空間上的變化趨勢(shì)

流域內(nèi)各站點(diǎn)降水量占平均降水量的比例大小，可以反映降水中心的位置。因此，通過計(jì)算汛期不同雨量站降水量占流域平均降水量的比例來(lái)分析降水中心的演變情況。

本文從復(fù)州河流域上游至下游分別選擇了大屯站、得利寺站以及關(guān)家屯站，根據(jù)汛期降水量站流域降水量的比例變化趨勢(shì)，分析降水的空間變化特征，結(jié)果見圖4。從圖中可以看出，流域上游大屯站汛期降水量占流域降水量的百分比，大致存在0.5%/（10 a）的下降趨勢(shì)；松樹水庫(kù)下游的得利寺站大致存在0.2%/（10 a）的下降趨勢(shì)，沒有上游顯著；而流域下游的關(guān)家屯站則存在0.4%/10a的上升趨勢(shì)。

以上分析從整體上說明，復(fù)州河流域的汛期降水量在空間分布上發(fā)生了一定的變化，即降水中心有向下游轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，可能導(dǎo)致松樹水庫(kù)入庫(kù)徑流的減少。

3 降水的周期分析

通過對(duì)復(fù)州河流域內(nèi)汛期降水量的時(shí)間序列進(jìn)行功率譜分析，可以從譜值最大來(lái)確認(rèn)主要振動(dòng)及其對(duì)應(yīng)的周期，結(jié)果見圖5。由圖可見，流域內(nèi)汛期降水功率譜曲線中存在2個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)9年和3.3年，因此汛期降水序列在年際尺度上存在3年左右的豐枯變化周期，在年代際尺度上存在9年的豐枯變化周期。

4 結(jié)論

利用Mann-Kendall趨勢(shì)和突變分析法、線性傾向估計(jì)法以及功率譜分析法，分析了復(fù)州河流域自1960—2014年，從上游至下游汛期降水的時(shí)空演變特征及豐枯周期，得到主要結(jié)論：

圖4 不同站點(diǎn)降水量占流域平均降水量的百分比年代際變化趨勢(shì)

圖5 流域內(nèi)1960-2014年汛期降水量功率譜值

1）復(fù)州河流域內(nèi)降水量自20世紀(jì)60年代開始，呈現(xiàn)急劇的下降，大體上每10年減少28.7 mm。

2）汛期降水量主要發(fā)生在6月下旬至8月下旬，并且流域內(nèi)汛期降水自1968年開始由偏豐轉(zhuǎn)為偏枯，自1974年開始，降水偏枯的狀態(tài)加劇。2001年至今偏枯特點(diǎn)尤為顯著。

3）流域內(nèi)上游至下游各站點(diǎn)汛期降水量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且上游減少的趨勢(shì)強(qiáng)于下游。同時(shí)，上游汛期降水占全流域降水的比例呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下游的比例則愈來(lái)愈高，即降水中心產(chǎn)生了向下游偏移的狀況，最終導(dǎo)致了松樹水庫(kù)入庫(kù)徑流的減少。

4）汛期降水在年際尺度上存在3年左右的豐枯變化周期；年代際尺度上存在9年的豐枯轉(zhuǎn)變。

［1］Hamed K H.Trend detection in hydrologic data∶the Mann-Kendall trend test under the scaling hypothesis［J］.Journal of Hydrology，2008，349（3）：350-363.

［2］魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)（第二版）［M］.北京：氣象出版社，2007.

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