1961年—2013年渭河流域降水與徑流變化特征

李斌　解建倉　胡彥華　姜仁貴　王莉。

摘要：采用滑動平均、累積距平、線性傾向估計法分析陜西渭河流域1961年一2013年降水變化特征；采用滑動t檢驗、有序聚類、雙累積曲線分析法分析徑流突變性。結(jié)果顯示：渭河流域降水量整體呈減少趨勢，平均年降水日數(shù)為86 d；降水季節(jié)分配不均，集中在夏、秋兩季；春、秋兩季降水量呈現(xiàn)明顯減小趨勢；大雨日數(shù)與年平均降水量顯著正相關(guān)，年平均降水量越大，年平均大雨日數(shù)出現(xiàn)頻次的越高；流域西部和北部暴雨強度呈現(xiàn)增大趨勢，東部和南部暴雨強度呈現(xiàn)微弱減小趨勢。渭河華縣站徑流的突變點出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初和90年代初，降水量的變化與徑流變化的趨勢基本吻合。

關(guān)鍵詞：降雨特征；變化趨勢；暴雨；徑流；渭河

中圖分類號：P426 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0029-08

受全球氣候變化影響，極端強降水事件頻發(fā)，城市化進程的加快，進一步加劇了降水時空分布不均和局部強降水事件的發(fā)生。如何對降水和徑流等氣象水文要素變化特征進行科學(xué)識別，并對其變化成因進行分析對于區(qū)域水資源管理具有重要意義。國內(nèi)外諸多學(xué)者對不同尺度降水特征進行研究并取得許多有益的成果。姚惠明利用動態(tài)泰森多邊形模型計算并分析1951年-2006年中國降水演變趨勢，從全國尺度和區(qū)域尺度研究降水量時空間分布，并對不同時段降水量震蕩周期、演變與突變趨勢進行分析。馮強等研究了我國降雨的時空分布特征以及與降水相關(guān)的暴雨洪澇災(zāi)害變化特征。張建云等研究發(fā)現(xiàn)北方地區(qū)近幾年降水量有所增加，然而仍低于多年平均值。王小玲等基于506個測站逐日降水資料分析我國8個區(qū)域年降水量、平均降水強度和年降水頻率的變化趨勢，研究發(fā)現(xiàn)：年降水量、平均降水強度和年降水頻率存在顯著的區(qū)域變化特征。姜仁貴等采用線性和非線性小波分析對Alberta省降水特征進行分析，并對降水時空分布成因進行剖析。張皓，束美珍等分析了華北地區(qū)、海河流域降水量時空變化特征，發(fā)現(xiàn)年均降水量呈由東南向西北逐漸減少的趨勢。多位學(xué)者從應(yīng)對氣候變化、災(zāi)害風(fēng)險管理等角度分析流域降水的變化趨勢。

渭河是黃河最大支流，是陜西人民的母親河、生命河，渭河流域水文要素變化受到國內(nèi)學(xué)者廣泛關(guān)注。新世紀(jì)以來，渭河發(fā)生了“03.8”、“05.10”、“11.9”等洪水，造成巨大損失。2010年，陜西省委、省政府站在全省經(jīng)濟社會發(fā)展戰(zhàn)略高度，提出了全線整治渭河的科學(xué)決策。根據(jù)《陜西省渭河全線整治規(guī)劃及實施方案》，計劃用五年時間通過加寬堤防、疏浚河道、整治河灘、水量調(diào)度、綠化治污、開發(fā)利用，實現(xiàn)渭河“洪暢、堤固、水清、岸綠、景美”的目標(biāo)。本文以陜西渭河流域12個雨量站和渭河下游華縣水文站為研究對象，采用趨勢分析、突變檢測等方法，分析渭河降水變化特征，并探討徑流變化與影響因素之間聯(lián)系，分析變化成因，以期為合理開發(fā)利用渭河流域水資源，促進流域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1資料及方法

1.1研究區(qū)概況

渭河全長8 18 km，流域總面積1 3 48萬km²，位于34°-38°N和104°-110°E之間。流域發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山，由西向東橫貫甘肅東部，在陜西省寶雞縣鳳閣嶺鄉(xiāng)附近進入陜西境內(nèi)。研究區(qū)概況及文中所采用的雨量站、水文站見圖1。

1.2數(shù)據(jù)來源

采用1961-2013年共53年陜西渭河流域12個典型氣象站點逐日降水資料進行分析，站點名稱如圖1所示。數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。對于少部分缺測數(shù)據(jù)，采用鄰近站點進行插補。選取渭河下游干流控制站華縣站，分析徑流變化趨勢。徑流數(shù)據(jù)來源于陜西省水文年鑒，徑流時間序列截至2010年。

四季時段按氣象部門的標(biāo)準(zhǔn)劃分，即春季3月-5月，夏季6月-8月，秋季9月-11月，冬季12月-次年2月。采用固定臨界值進行不同量級降水日數(shù)的劃分。按照我國雨量等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，定義：小雨（0～9.9 mm/d）、中雨（10～24.9 mm/d）、大雨（25～49.9 mm/d）、暴雨（≥50mm/d）；定義：日降水量≥50mm為一個暴雨日，暴雨量/暴雨日數(shù)為暴雨強度，年暴雨量占年總降水量百分比為暴雨貢獻(xiàn)率。

1.3分析方法

借鑒當(dāng)前國內(nèi)外主要水氣象變化趨勢分析方法，結(jié)合渭河流域降雨和徑流時序特點，本文采用滑動平均法、累積距平、線性傾向估計法分析雨量站、水文站降水和徑流變化特征；采用滑動t檢驗，有序聚類，雙累積曲線法分析其突變性。

2結(jié)果與分析

2.1降水變化趨勢

2.1.1降水量年際變化特征

陜西渭河流域1961年-2013年均降水量變化趨勢見圖2。年均降水量為624 8 mm，整體呈減少趨勢，年均降水量以13 2 mm/（10a）的速率減少。該區(qū)域年均降水量年際變化大，最大值出現(xiàn)在1964年，為880.1 mm，最小值出現(xiàn)在1997年，為376.1mm，兩者相差504 mm。

從圖2可以看出，1961-70年代初，降水量呈緩慢下降趨勢；70年代初-80年代中期，降水量呈波動增加趨勢；80年代末-90年代末，降水量呈大幅波動下降趨勢；90年代末-2013年降水量呈上升趨勢。流域年均降水量最大值為平均值的1.6倍，為最小值2.9倍，這些說明降水量年際變化幅度大。各站降水均呈現(xiàn)減少趨勢，降水量以3 5～45mm/（10a）的速率減少。華山站減少幅度最大，為45mm/（10a）；秦都站減少幅度最小，為3.5 mm/（10a）。

2.1.2降水量年代變化特征

按不同年代分別計算各站降水量，結(jié)果見表1。

各站降水量變化和渭河年均降水量變化呈現(xiàn)一致性，20世紀(jì)60年代各站降水大于多年平均值；20世紀(jì)70年代呈現(xiàn)減少趨勢、接近平均值；20世紀(jì)80年代降水有所增加；但是20世紀(jì)90年代以來降水明顯減少，和20世紀(jì)世紀(jì)60年代相比，減少幅度將近50%；新世紀(jì)以來，降水接近或者略高與多年平均值。各站20世紀(jì)90年代平均降水量占20世紀(jì)60年代的45%～63%；占多年平均值的48%～76%。特別是東部華縣站20世紀(jì)90年代平均降水量為279.8 mm，不及60年618.6 mm的一半，也不及多年平均值的一半。劉梅等研究發(fā)現(xiàn)渭河全流域降水量呈減少趨勢，空間上華山的減少最為顯著，和本文分析結(jié)果相同。

進入新世紀(jì)，各站降水量有所增加，降水量和90年代相比增加了30%～99%，平均增加了73%。研究區(qū)北部的耀縣站增加90%，華縣站增加了近一倍。大部分站降水量接近多年平均值，部分站略大于多年平均值。

2.2降水量的年內(nèi)分布

陜西渭河流域1961年-2013年降水年內(nèi)變化見圖3。圖3表明1961-2013年研究區(qū)降水的年內(nèi)分布很不均勻，1月、2月、3月，11月，12月的百分比為1%～4%，4月、5月、10月的百分比為5%～10%，6月、7月、8月，9月的百分比為10%～20%。降水主要分布在7、8月，其次為9月、6月，分別占到19.5%，17.3%，16.9%，10.4%。

6月份降水量最大的為武功站1961年364.2mm，占全年降水1 118.3 mm的31%；7月份降水量最大的為武功站2007年446.87 mm，占全年降水1 222.6 mm的365%；8月份降水量最大的為太白站1981年509.6 mm，占全年降水1 197.0 mm的42.6%；9月份降水量最大的為武功站1984年397.0 mm，占全年降水1100.4 mm的41.29%；10月份降水量最大的為華山站1983年208.6 mm，占全年降水1100.4 mm的18.8%。

2.3降水量的季節(jié)變化特征

陜西渭河流域降水季節(jié)分布見圖4，研究區(qū)降水季節(jié)差異大。春、夏、秋、冬四季降水分別占全年降水的20.8%、46.3%、20. 3%和3.6%，降水主要集中于夏季，占全年降水的近一半。春季降水占年降水百分比在2.6～46.8%；其中，吳旗站1998年春季降水241.3 mm，占年降水526.7 mm的46 8%，為最大比例；洛川站1961年春季降水15.5mm，占年降水602.3 mm的2.3%，為最小比例。夏季降水占全年降水百分比在13.3～83 8%；其中，吳旗站1995年夏季降水353.5 mm，占全年降水421.8 mm的93.8%，為最大比例；永壽站1974年夏季降水80.6 mm，占年降水605.5 mm的13.3%，為最小比例。秋季降水占年降水百分比在6.2～67.4%；其中，吳旗站2008年秋季降水239.5 mm，占年降水355.2 mm的67 4%，為最大比例；華山站1998年秋季降水53.1 mm，占全年降水85.07 mm的6.2%，為最小比例。冬季降水占年降水量百分比小于15.5%；其中，華縣站1997年冬季降水43.3 mm，占年降水279.8 mm的15.5%，為最大比例；吳旗站1992年、1999年冬季降水都小于1 mm，秦都站1992、1999年冬季降水為1.2 mm、0.2 mm，華縣在1999年冬季連續(xù)三月未降水。

陜西渭河流域各季節(jié)降水變化趨勢見表2。從季節(jié)降水量變化趨勢看，春季和秋季降水呈減少趨勢。春季降水減少傾向率為4.8～18.6 mm/（10a），華山站降水呈減少趨勢最為突出為18 6mm/（10a）。秋季降水減少傾向率為1.4～19.7mm/（10a），洛川、太白、永壽、武功、華山、秦都等減少傾向率為都大于10 mm/（10 a）。夏季降水，除蒲城、華山、華縣、太白略有減少外，其余地方呈增加趨勢；降水增加傾向率分別為1.4～14.7/（10a）。冬季降水，除吳旗、武功、華山三站呈現(xiàn)水平趨勢外，其余地方呈微弱增加趨勢，增加傾向率為0.3～1.8/（10a）。由降水量的季節(jié)變化可知，陜西渭河流域近年的降水量減少主要是以春季和秋季的顯著減少為主，部分測站夏季、冬季降水有微弱增加趨勢。來文立研究發(fā)現(xiàn)渭河流域夏、冬兩季降水量變化趨勢不明顯。

2.4降水日數(shù)趨勢分析

2.4.1降水日數(shù)分析

1961-2013年研究區(qū)域所有站點年降水日數(shù)在59-178 d之間；平均為86 d。降水日最多的是1964年武功站，日數(shù)為178 d；最少的是1995年吳旗站，日數(shù)為59d。小雨日數(shù)49-140 d之間，占總?cè)諗?shù)的64 1～95.9%，平均為80.6%./J、雨日數(shù)最少的是1995年華縣站、2013年洛川站49 d；日數(shù)最多的是1964年隴縣站140 d。中雨日數(shù)3～27 d，占總?cè)諗?shù)的2.7%～78.1%，平均14.0%；最少的是1968年吳旗站2 d；最多的是1983年武功站、1961太白站，均為30 d。年大雨日數(shù)小于20 d，占總?cè)諗?shù)的11.5%以下，平均為4.6%；日數(shù)最多的是1984年武功站，1964、1974、1984年華山站均出現(xiàn)13 d的大雨天氣。年暴雨日數(shù)小于6 d；占總?cè)諗?shù)4.4%以下，平均為0.8%；暴雨日數(shù)最多的是2011年太白站6 d。

1961年以來陜西渭河流域降水日數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢，變化趨勢見表3。

各站的年降雨日數(shù)均呈現(xiàn)明顯下降趨勢，減少傾向率為11～29 d/（50a）；降水日數(shù)減少最為明顯的是武功、華山。小雨日數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢，減少傾向率為11～26 d/（50a）。除隴縣外，中雨日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，減少傾向率為1～5 d/（50a）。大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)變化不明顯。各站總降水日數(shù)減少趨勢和和小雨日數(shù)減少趨勢基本一致。

2.4.2降雨日數(shù)和年降水量關(guān)系

陜西渭河流域年平均大雨日數(shù)和年均降水量相關(guān)分析見圖5。在所有降雨日里，小雨日數(shù)占總降雨日數(shù)為80.6%左右；中雨日數(shù)占總降雨日數(shù)的14.0%左右。盡管小雨日數(shù)、中雨日數(shù)所占比例較大；但是通過對陜西渭河流域降水日數(shù)與年平均降水量進行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)平均大雨日數(shù)與年平均降水量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.85。年平均降水量越大，年大雨日數(shù)出現(xiàn)頻次愈高；大雨出現(xiàn)日數(shù)是影響年降水量的多少的重要因素。

2.4.3暴雨分析

研究區(qū)暴雨在4月-10月份都有發(fā)生。暴雨常出現(xiàn)在5月-9月，集中出現(xiàn)在主汛期（7月-8月）。汛期（6月-9月）暴雨日數(shù)占全年暴雨日數(shù)的92%，主汛期暴雨日數(shù)占全年暴雨日數(shù)的67%。

（1）暴雨初日和暴雨終日。

若年度中僅出現(xiàn)一次暴雨，則暴雨初日和暴雨終日為同一天。暴雨初日最早出現(xiàn)在隴縣站2002年4月4日，日降水量53.8 mm。暴雨終日最晚出現(xiàn)華山站1957年在10月27日，日降水量50.8 mm。

（2）暴雨強度。

1961年-2013年研究區(qū)平均暴雨強度為68mm/d，各站的平均暴雨強度在64 d～73 mm/d之間。太白站平均暴雨強度最小為64.7 mm/d；隴縣站平均暴雨強度最大為73.0 mm/d。結(jié)果表明：各站近年暴雨強度呈一定的特征，研究區(qū)的西部和北部，暴雨強度呈現(xiàn)增大趨勢；研究區(qū)的東部和南部，暴雨強度呈現(xiàn)微弱減小趨勢；特別是研究區(qū)西部的隴縣站暴雨強度增大尤其明顯。

（3）暴雨貢獻(xiàn)率。

在1961年-2013年出現(xiàn)暴雨事件中，暴雨貢獻(xiàn)率在5.5%～54.8%之間；平均為15%。2008年隴縣站的暴雨貢獻(xiàn)率最大為54.8%；1968年華山站的暴雨貢獻(xiàn)率最小為5.5%。在所有暴雨事件中，除耀縣站外，均發(fā)生過大暴雨事件。年最大日降水量為隴縣站2010年7月23日，日降水量214.6mm；武功站2002年6月9日，日降水量203.3 mm。

2.5降水周期分析

采用小波方法對渭河流域各雨量站年降雨量周期進行分析，以鳳翔和洛川兩個測站為例，見圖6。結(jié)果表明：不同測站呈現(xiàn)出不同的周期，根據(jù)周期的顯著性狀況，可以將這些測站分為兩類。第一類有較為顯著周期性特征測站，包括：鳳翔、武功、華縣、秦都、蒲城、耀縣、永壽和太白8個測站有較為顯著的周期性（圖略），但是不同測站周期存在較大差異。以鳳翔站為例，在1975年-1990年期間，發(fā)現(xiàn)顯著（圖6（a）中黑色范圍內(nèi)）的1～2a和8a左右的周期振蕩，而在其余時期周期性不明顯。第二類沒有表現(xiàn)出顯著周期性特征測站，包括：洛川、華山、隴縣和吳旗4個測站（圖略），以洛川為例，從圖6（b）中可以發(fā)現(xiàn)，在整個研究期內(nèi)，都未表現(xiàn)出顯著的周期性。

2.6渭河華縣站徑流變化

2.6.1華縣站年徑流年代變化

華縣站1935年-2010年徑流量的變化特征及趨勢7（a）所示，呈減少趨勢。1935年-2010年，華縣站多年平均年徑流量為73.85億m³。70多年間，徑流量的年際變化差異較大，大于平均值年數(shù)和小于平均值年數(shù)分別為35年和41年。年徑流量最大值為1964年187.6億m³，最小值為1997年16.83億m³。最大值為平均值的2.54倍，為最小值的11.15倍。圖7（b）為陜西渭河華縣站年徑流量累積距平曲線。華縣站年徑流量1935年至20世紀(jì)60年代末均為徑流量偏豐年代，其中1964年達(dá)187.6億m³，為最大值，比平均值多11 3.75億m³。20世紀(jì)70年代初期至20世紀(jì)80年代中期，年徑流量略小于平均值。20世紀(jì)80年代中期至2010年，徑流量呈現(xiàn)下降趨勢。21世紀(jì)以來，除了2003年徑流量為93.39億m³，外，其余年份，徑流量均低于平均值。華縣站徑流量年代平均值如7（a）所示。1935年-1970年，平均年徑流量約為93.37億m³；1971年-1985年，平均年徑流量約為70.56億m³；1986年-2010年，平均年徑流量約為47.72億m³。

3.6.2華縣站年徑流突變分析

圖8（a）中為華縣站滑動t統(tǒng)計量曲線。n=76n1=n2=8給定顯著性水平α=0.01，α=0.001，按照t的分布自由度，v=14，t_0.01=±2.98；t_0.001=±4.14。從1951年以來，t的統(tǒng)計量有4次超過0.01顯著性水平，有一處極大值，1990年。t的統(tǒng)計量在1990年-1993年超過0.01顯著性水平，但沒有通過0.001顯著性水平檢驗。表明華縣站年徑流量自20世紀(jì)30年代以來，出現(xiàn)了兩次明顯的突變。20世紀(jì)30年代至20世紀(jì)60年代末，年徑流量呈現(xiàn)增加趨勢；20世紀(jì)70年代有減少的，1980年以來有所增加；20世紀(jì)90年代年徑流量經(jīng)歷了一次增加到減少的轉(zhuǎn)變。華縣站的年徑流量序列離差平方和S_n（τ）曲線如圖8（b）所示。華縣站1935年-2010年的離差平方和S_n（τ）曲線在1968年出現(xiàn)最低，并且在1985年和1990年出現(xiàn)極小值。

華縣站年徑流量和平均降水量的雙累積曲線如圖9所示，其中降水和徑流數(shù)據(jù)采用1961年-2010年。渭河降水量最多生在20世紀(jì)60年代，20世紀(jì)70年代以來，華縣站徑流量呈現(xiàn)減少趨勢，尤其是20世紀(jì)90年代以來，減少趨勢顯著。降水量的變化與徑流變化的趨勢吻合。綜合分析，渭河華縣站徑流量的突變點出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初和20世紀(jì)90年代初，大約在1968年一1970年、1985年-1991年。肖潔采用曼肯德爾法、R/S法及有序聚類分析法對渭河干流徑流變化趨勢進行了分析，得到華縣站徑流量的突變點為1969年和1991年，和本文計算結(jié)果一致。

渭河流域徑流變化主要由氣候變化和人類活動引起。氣候變化對徑流的影響主要表現(xiàn)為降水減少和潛在蒸散的增加。降雨量偏少是造成渭河干流徑流量減少的主要原因。人類活動對流域徑流的影響主要表現(xiàn)為20世紀(jì)70年代以后流域內(nèi)大規(guī)模的水利工程、水土保持措施和工農(nóng)業(yè)用水的增加，國民經(jīng)濟發(fā)展耗水量的明顯增加，水土保持用水量的增加，城鎮(zhèn)化的不斷推進。馮家山，石頭河，寶雞峽，金盆水庫等水利工程改變了天然徑流原有節(jié)律，致使渭河徑流特征發(fā)生了變異，客觀上減少了徑流量。工程措施和工農(nóng)業(yè)耗水量不斷上升，人類活動對渭河徑流的影響越來越劇烈，導(dǎo)致徑流量不斷減少。

3結(jié)論

在全球氣候變暖背景下，本文分析了陜西渭河流域1961年-2013年降水和徑流分布特征，得到以下主要結(jié)論。

（1）陜西渭河流域1961年-2013年的年均降水量為624.8 mm，降水整體呈減少趨勢，以13.2mm/（10 a）的速率減少。該流域降水年際變化大；20世紀(jì)70年代初-20世紀(jì)80年代中期，年平均降水量呈波動增加趨勢；20世紀(jì)80年代末-20世紀(jì)90年代后末，降水呈大幅波動下降趨勢；20世紀(jì)90年代后期-2013年，平均降水呈上升趨勢。

（2）陜西渭河流域降水量的年內(nèi)分布很不均勻。降水主要分布在7、8月，其次為9、6月，其月平均百分比分別為19.5%，17.3%，16.9%，10.4%。春季和秋季降水量呈減少趨勢；夏季和冬季降水量微弱呈增加趨勢；近年的降水量減少主要是以春季和秋季的顯著減少為特點。

（3）1961-2013年研究區(qū)域所有站點年降水日數(shù)在59-178 d之間；平均降水日數(shù)為86 d。小雨日數(shù)占總降水日數(shù)的80.6%；中雨日數(shù)占總降水日數(shù)的14.0%；大雨日數(shù)占總降雨日數(shù)的4.6%；年暴雨日數(shù)占總降水日數(shù)的0.8%。研究區(qū)的西部和北部，暴雨強度呈現(xiàn)增大趨勢；研究區(qū)的東部和南部，暴雨強度呈現(xiàn)微弱下降趨勢。

（4）渭河華縣站徑流量的突變點出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初和20世紀(jì)90年代初，渭河流域徑流變化主要由氣候變化和人類活動引起，如何甄別氣候變化和人類活動對徑流變化影響的貢獻(xiàn)是下一步研究重點。