松樹水庫流域內(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）

松樹水庫流域內(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)空演變趨勢及豐枯轉(zhuǎn)變周期對水庫水資源管理具有重要意義。文中利用Mann-Kendall趨勢和突變分析法、線性傾向估計(jì)法以及功率譜分析法，對松樹水庫流域內(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；降水；趨勢；周期；時(shí)空變化

松樹水庫位于復(fù)州河上游，壩址坐落在遼寧省瓦房店市松樹鎮(zhèn)，水庫以上集水面積為302.4 km2，總庫容為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。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。松樹水庫的水資源主要來源于當(dāng)?shù)亟邓?。近年來，由于人類活?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2000年以來的入庫徑流序列得知，入庫徑流過程呈現(xiàn)顯著減少的趨勢。為此，下文對形成入庫徑流的主要來源——降水進(jìn)行時(shí)空變化特征分析，研究1960—2014年松樹水庫控制流域內(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）趨勢分析法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法（以下簡稱M-K法）是時(shí)間序列數(shù)據(jù)趨勢檢驗(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)算簡便，在時(shí)間序列趨勢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；值小于0，表示減少趨勢。同時(shí)，M-K法還可檢測突變，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 降水趨勢變化特征分析

2.1 降水在時(shí)間上的變化趨勢

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，從748.4 mm下降到了21世紀(jì)以來的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趨勢分析法及線性趨勢分析法，對復(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，并且上游的大屯站存在非常顯著的下降趨勢，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，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?？梢钥闯?，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，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

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，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；松樹水庫下游的得利寺站大致存在0.2%/（10 a）的下降趨勢，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。

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，可能導(dǎo)致松樹水庫入庫徑流的減少。

3 降水的周期分析

通過對復(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，可以從譜值最大來確認(rèn)主要振動(dòng)及其對應(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

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，并且上游減少的趨勢強(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，下游的比例則愈來愈高，即降水中心產(chǎn)生了向下游偏移的狀況，最終導(dǎo)致了松樹水庫入庫徑流的減少。

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)測技術(shù)（第二版）［M］.北京：氣象出版社，2007.

TV125

A

1002－0624（2017）06－0031－03

2016-01-11