湖南省鐵山水庫(kù)流域降水演變規(guī)律

蔡錦文, 胡國(guó)華, 顧慶福

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114； 2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治 湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410114； 3.湖南省水文水資源勘測(cè)局， 湖南 長(zhǎng)沙 410007)

鐵山水庫(kù)是東洞庭湖水系新墻河上游的一座大型水庫(kù)，是全國(guó)重要的飲用水水源地之一。鐵山水庫(kù)興建時(shí)只規(guī)劃為農(nóng)業(yè)灌溉供水，自2002年10月以來，岳陽市區(qū)、岳陽縣城及周邊集鎮(zhèn)居民生活用水改為鐵山水庫(kù)供水，鐵山水庫(kù)供水由原單一的季節(jié)性農(nóng)業(yè)灌溉供水，轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)供水與農(nóng)業(yè)灌溉供水兩者兼有，承擔(dān)著岳陽市區(qū)、岳陽縣城等地城鄉(xiāng)居民生活用水，及全市耕地面積1/4的灌溉任務(wù)。鐵山水庫(kù)既要承擔(dān)水源地供水功能，又要承擔(dān)鐵山灌區(qū)一部分灌溉任務(wù)。鐵山水庫(kù)飲用水水源地一般情況下能滿足正常年份需水要求，但在遭遇枯水年份或保證率需要提高時(shí)，灌區(qū)將會(huì)出現(xiàn)不同程度的缺水情況。

因此，對(duì)鐵山水庫(kù)飲用水水源地流域的降水變化趨勢(shì)進(jìn)行分析是非常必要的。近年來，有學(xué)者應(yīng)用多種方法對(duì)長(zhǎng)系列水文氣象資料進(jìn)行趨勢(shì)分析[1-3]，其中Mann-Kendall檢驗(yàn)法被廣泛使用和認(rèn)可，也得到世界氣象組織的推薦。除了Mann-Kendall檢驗(yàn)法，在突變檢驗(yàn)運(yùn)用較多的方法還有R/S突變檢驗(yàn)[4-5]和累計(jì)距平與滑動(dòng)t聯(lián)合檢驗(yàn)[6]等，而周期分析最常用是小波分析法[7-8]。本文擬使用線性回歸、滑動(dòng)平均、Mann-Kendall檢驗(yàn)、累積距平、滑動(dòng)t檢驗(yàn)和Morlet小波分析等方法研究鐵山水庫(kù)飲用水水源地流域降水演變規(guī)律,以期為流域的水資源利用以及水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

1 流域概況

鐵山水庫(kù)位于東洞庭湖水系新墻河上游，壩位于湖南省岳陽縣公田鎮(zhèn)，控制流域面積493 km2，總庫(kù)容6.35×108m3，有效庫(kù)容3.84×108m3，多年平均入庫(kù)年徑流量4.31×108m3，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，水庫(kù)以灌溉和城市供水為主，設(shè)計(jì)城市供水規(guī)模4.50×105m3/d。灌溉方面，鐵山灌區(qū)現(xiàn)狀灌溉面積4.46×104hm2，規(guī)劃設(shè)計(jì)灌溉面積5.69×104hm2。流域以亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候?yàn)橹?，年平均氣?7 ℃，年平均降水量1 471.6 mm，降水主要集中在5,6月，占全年降水量30%左右。

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

本文采用的原始數(shù)據(jù)為鐵山水庫(kù)飲用水水源地流域內(nèi)毛田、月田和板江3個(gè)雨量站1968—2014年實(shí)測(cè)逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于湖南省水文水資源勘測(cè)局。利用ArcGIS 9.3平臺(tái)基于泰森多邊形插值成流域的面降水量。本次研究將降雨資料處理為年降水(1—12月)、汛期降水(3—8月)和非汛期降水(9至翌年2月)3個(gè)時(shí)段。

2.2 研究方法

本文采用線性回歸法和滑動(dòng)平均法分析降水的時(shí)間變化趨勢(shì)，并用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法分析變化趨勢(shì)的顯著情況[9]。利用累計(jì)距平法找到突變的初始點(diǎn)，并采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法確定突變顯著程度[10]。運(yùn)用小波分析法對(duì)各時(shí)期的降水周期和演變規(guī)律進(jìn)行分析[11]。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水變化趨勢(shì)

用線性回歸和5 a滑動(dòng)平均處理各時(shí)期的降水序列得到圖1。從圖1可以看出，流域內(nèi)年降水呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，上升率為8.7 mm/10 a，年降水的時(shí)間相關(guān)系數(shù)為0.001。流域內(nèi)汛期降水量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，上升率為4.8 mm/10 a，汛期的時(shí)間相關(guān)系數(shù)為0.000 6。流域內(nèi)非汛期降水量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，上升率為9.2 mm/10 a，非汛期的時(shí)間相關(guān)系數(shù)為0.01。整體看來，流域內(nèi)各時(shí)段降水量均呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，且非汛期降水的上升趨勢(shì)較年降水和汛期降水明顯。

圖1 湖南省鐵山水庫(kù)流域各時(shí)段降水時(shí)間變化趨勢(shì)

由表1可以看出，在95%的置信區(qū)間下，年降水、汛期降水和非汛期降水都呈現(xiàn)不明顯的上升趨勢(shì)，與線性回歸法和滑動(dòng)平均法得到的結(jié)果是一致的。

表1 湖南省鐵山水庫(kù)流域各時(shí)段Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值

3.2 降水突變分析

本次研究采用累計(jì)距平曲線尋找初始突變點(diǎn)，并用滑動(dòng)t檢驗(yàn)確定突變的顯著程度，將數(shù)據(jù)處理分別得到各時(shí)期累計(jì)距平曲線。累計(jì)距平曲線下降表示降水偏枯，上升表示降水偏豐。由圖2可以看出，年降水發(fā)生突變的初始點(diǎn)在1987和2003年，汛期降水發(fā)生突變的初始點(diǎn)在1992和2003年，非汛期降水發(fā)生突變的初始點(diǎn)在1980和2005年。對(duì)各突變初始點(diǎn)進(jìn)行滑動(dòng)t檢驗(yàn)得到表2。由表2可以看出，年降水在1987和2003年左右發(fā)生了顯著性突變，1987年左右，由枯水期向豐水期突變，2003年左右由豐水期向枯水期突變。汛期降水在1990和2003年左右發(fā)生了顯著性突變，1992年左右由枯水期向豐水期突變，2003年由豐水期向枯水期突變。非汛期未通過顯著性檢驗(yàn)，沒有發(fā)生突變。2007年以后，各時(shí)期的累計(jì)距平曲線反復(fù)升降，表明該流域各時(shí)期的豐枯交替變得頻繁。

圖2 湖南省鐵山水庫(kù)流域各時(shí)段累計(jì)距平曲線

表2 湖南省鐵山水庫(kù)流域各時(shí)段初始變點(diǎn)滑動(dòng)t檢驗(yàn)值

3.3 周期分析

采用Morlet小波對(duì)近47 a來鐵山水庫(kù)飲用水水源地流域年降水、汛期降水和非汛期降水量進(jìn)行周期分析，得到各時(shí)期小波變換系數(shù)實(shí)部二維等值線圖(圖3)。二維等值線中的小波變換系數(shù)為正值的用實(shí)線表示，來體現(xiàn)降水量偏豐；虛線表示為負(fù)值，來體現(xiàn)降水量偏枯。

通過計(jì)算小波方差可得，年降水擁有的周期為5,11和29 a左右，其中相位變化最顯著的是11和29 a左右。以11 a左右為尺度的周期在1970—2005年豐枯交替十分劇烈，存著著7個(gè)偏豐期和6個(gè)偏少期。以29 a左右為周期的信號(hào)最強(qiáng)，擁有3個(gè)偏少期和偏豐期，經(jīng)歷了枯—豐—枯—豐—枯—豐的更替變化，豐枯期的交替點(diǎn)為1977,1986,1993,2003和2013年左右，其中1986和2003年左右與累計(jì)距平曲線的初始突變點(diǎn)基本一致。1968—1977，1986—1994和2003—2012年周圍是虛線屬于負(fù)值，表明降水處于偏少期；而1978—1985，1995—2002和2013—2014年周圍是實(shí)線屬于正值，表明降水處于偏豐期，且實(shí)線未閉合，可推測(cè)2014年后的降水量仍然是較多的階段。

汛期降水擁有6,13和29 a左右的周期，其中相位變化最明顯的是6和29 a左右的周期。1968—1974和1995—2004年是6 a左右為尺度周期發(fā)生最明顯的時(shí)段，豐枯變化劇烈。以29 a左右為尺度的周期的信號(hào)最強(qiáng)，擁有3個(gè)偏少期和偏豐期，經(jīng)歷了枯豐—枯—豐—枯—豐的更替變化，豐枯期的交替點(diǎn)為1975,1984,1992,2003和2013年左右，其中1992和2003年左右與累計(jì)距平曲線的初始突變點(diǎn)基本一致。1968—1974,1984—1992和2003—2012年周圍是虛線屬于負(fù)值，表明降水處于偏少期；而1975—1983,1993—2002和2013—2014年周圍是實(shí)線屬于正值，表明降水處于偏豐期，且實(shí)線未閉合，可推測(cè)2014年后的汛期的降水量仍然是較多的階段。

圖3 湖南省鐵山水庫(kù)流域各時(shí)期小波系數(shù)實(shí)部等值線

非汛期降水擁有6,12和28 a左右的周期，其中相位變化最明顯的是12和28 a左右的周期。1980—2007年是12 a左右為尺度周期發(fā)生最明顯的時(shí)段，豐枯交替明顯。以28 a左右為尺度的周期的信號(hào)最強(qiáng)，擁有3個(gè)偏少期和偏豐期，經(jīng)歷了豐—枯—豐—枯—豐—枯的更替變化，豐枯期的交替點(diǎn)為1970,1980,1989,1998和2006年左右，其中1980和2006年左右與累計(jì)距平曲線的初始突變點(diǎn)基本一致。1968—1970,1980—1988和1998—2007年周圍是實(shí)線屬于正值，表明降水處于偏豐期；而1971—1979,1989—1997和2008—2014年周圍是虛線屬于負(fù)值，表明降水處于偏少期，且虛線未閉合，可推測(cè)2014年以后的非汛期降水量仍是較少的階段。

4 結(jié) 論

(1) 通過線性回歸法和5 a滑動(dòng)平均法分析得到鐵山水庫(kù)飲用水源地流域年降水量、汛期降水量和非汛期降水量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法得出，在95% 的置信區(qū)間下，年降水量、汛期降水量和非汛期降水量均呈現(xiàn)不明顯的上升趨勢(shì)，非汛期降水的上升趨勢(shì)較年降水和汛期降水明顯，得到結(jié)果與線性回歸的結(jié)果基本一致。

(2) 通過累計(jì)距平曲線找到了各時(shí)段的突變初始點(diǎn)，運(yùn)用滑動(dòng)t檢驗(yàn)確定出年降水在1987和2003年發(fā)生了顯著性突變，汛期降水在1992和2003年發(fā)生了顯著性突變，非汛期降水在47 a間沒有發(fā)生突變。各時(shí)期自2007年后豐枯交替變得頻繁。

(3) 通過小波分析得到，年降水存在5,11和29 a左右的周期，其中29 a左右尺度的周期信號(hào)最強(qiáng)，汛期降水存在6,13和29 a左右的周期，與年降水一樣，29 a左右尺度的周期信號(hào)最強(qiáng)，非汛期降水存在6,12和28 a左右的周期，28 a左右尺度的周期的信號(hào)最強(qiáng)。鐵山水庫(kù)飲用水水源地流域各時(shí)期降水的主周期都在28～29 a，豐枯交替點(diǎn)與累計(jì)距平曲線的初始突變點(diǎn)基本一致。