南水北調(diào)中線水源地堵河流域降水變化分析

崔英+何意+計強+郝蓉

摘要：利用線性回歸法、Man-Kendall檢驗法、R/S分析法結合Hurst系數(shù)等方法，分析了1964-2014年堵河流域降水量的變化情況。結果表明，堵河流域年降水量有明顯的年際變化，季節(jié)降水量以夏季最多，春、秋兩季次之，冬季最少。除夏季降水量表現(xiàn)為增加趨勢外，年降水量與其他3個季節(jié)的降水量均表現(xiàn)為減少趨勢，秋季降水量變化率達到-14.8 mm/10年。堵河流域除秋季降水量外，年及其他季降水量UF曲線均沒有超過顯著性水平線，認為沒有明顯的突變點；1985年為秋季降水量的突變年份。堵河流域除秋季降水量序列具有一定的相關性，其變異程度為中變異，降水減少趨勢變化的持續(xù)性比較明顯外，年降水量及其他季節(jié)降水量序列變異程度均不顯著。

關鍵詞：降水；堵河流域；Man-Kendall；Hurst系數(shù)

中圖分類號：P332.1；P426.6 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）14-2657-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.014

Abstract： The variation of precipitation in the Duhe River Basin during 1964～2014 were analyzed by using the linear regression method， Mann-Kendall trend test， the R/S analysis and Hurst coefficient. Results indicated that the variation of annual precipitation was significant in the Duhe River Basin. Meanwhile， the precipitation amount in summer had the greatest proportion of the annual total precipitation. Additionally， the precipitation amount in spring takes the second place， which followed by the precipitation amount in autumn and winter. The total precipitation in summer increase faintly， while the annual total precipitation， the precipitation amount in autumn and spring showed a stable decreasing trend. Besides， the precipitation amount in winter did not indicate a significant changing tendency. There were not abrupt changes and periods on annual and seasonal precipitation， except autumn precipitation（1985）. The results indicated that the seasonal and annual precipitation alteration in Duhe River Basin was not remarkable， except that the alteration degree of autumn precipitation was moderate alteration.

Key words： precipitation； the Duhe River Basin； Mann-Kendall； Hurst coefficient

南水北調(diào)中線工程從漢江丹江口水庫引水，連通長江、淮河、黃河、海河四大流域，北上自流到北京、天津，是緩解京津及華北地區(qū)水資源短缺問題的戰(zhàn)略性工程。南水北調(diào)中線工程水源區(qū)為漢江流域丹江口以上地區(qū)，集水面積9.52萬km2，屬于北亞熱帶季風氣候，多年平均降水量為819.5 mm，多年平均氣溫為14.6 ℃，多年平均徑流量368.7億m3。水源區(qū)的地表水資源量變化將直接影響調(diào)水工程的可靠性，是跨流域水資源調(diào)配與管理運行的重要依據(jù)。對南水北調(diào)中線工程水源區(qū)堵河流域降水進行特征分析，為南水北調(diào)中線工程水資源調(diào)度及風險管理提供科學的決策依據(jù)[1]，對今后研究南水北調(diào)中線工程通水后水源地水資源時空變化具有重要意義。

1 研究區(qū)域

堵河為漢江水系的第一大支流，西、南兩支源流于竹山縣兩河口處匯合，匯合后的河流即稱為堵河（圖1）。南源即堵河最大支流官渡河，西源為干流，源出大巴山東北麓，渝、陜交界的界梁子，陜西境內(nèi)匯毛壩河、大曙河、小曙河、竹溪河、浪河、洪石河等，由南向北縱貫鎮(zhèn)坪縣，流經(jīng)竹溪縣鄂坪鄉(xiāng)彭家臺入湖北后曲折向東，沿途納入縣河、泉河、官渡河、深河、苦桃河、霍河、北星河等主要支流，至竹山縣又折向東北，穿過長達幾十公里山區(qū)性狹長型黃龍灘大型水庫，于十堰市鄖陽區(qū)柳陂鎮(zhèn)堵河口注入漢江，全長342 km，集水面積1.24萬km2，堵河流域多年年平均降水量為945.1 mm。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

數(shù)據(jù)來源于湖北省及陜西省50個降水量觀測站1964-2014年月降水量、年降水量系列觀測資料。

在線性回歸法（y=ax+b）和Man-Kendall秩次相關檢驗法[2-5]進行區(qū)域水文變化趨勢的判別及顯著性檢驗的基礎上，運用R/S分析法結合Hurst系數(shù)從整體上分析堵河流域水文時間序列變異的持續(xù)性及其變異程度[6]，定量估計未來的降水變化趨勢。

3 降水特征分析

3.1 降水的年際和年代際變化

1964-2014年堵河流域多年年降水量平均值978.7 mm，標準差142.5 mm，變差系數(shù)0.15。1964-2014年堵河流域年降水量距平及5年滑動平均變化曲線見圖2。由圖2可知，堵河流域年降水量有明顯的年際變化，年代際變化在90年代波動較大，其余時段變化不是很明顯。年降水量最大值1 261.8 mm（1964年），最小值660.2 mm（1997年）。

3.2 降水的季節(jié)變化

1964-2014年堵河流域季節(jié)降水量的最大值、最小值、多年平均值、標準差以及變差系數(shù)見表1。從降水的季節(jié)分布來看，夏季最多，平均降水量425.5 mm，占全年降水量的43.9%；春、秋兩季次之，秋季平均降水量略多于春季，占到全年降水量的25.7%；冬季平均降水量相比其他季節(jié)，明顯減少，只有48.6 mm，僅占全年降水量的5.0%。各季降水量的變差系數(shù)，春夏兩季較小，說明變化較為平緩；秋季次之；冬季最大，變化最劇烈。

3.3 降水的變化趨勢與突變

1964-2014年堵河流域年、季降水量的線性趨勢系數(shù)及MK檢驗結果見表2。由表2可知，除夏季降水量表現(xiàn)為增加外，年降水量與其他3個季節(jié)的降水量均表現(xiàn)為減少趨勢。年降水量的變化率達到-12.2 mm/10年，但未通過顯著性檢驗。4個季節(jié)里秋季降水量變化最大，變化率達到-14.8 mm/10年，并且通過了5%顯著性檢驗，對年降水量的減少趨勢貢獻最大；春季變化率為-8.9 mm/10年，也通過了5%顯著性檢驗；夏、冬兩季降水量變化趨勢未通過顯著性檢驗。

采用Man-Kendall法α=0.05顯著性檢驗對1964-2014年堵河流域年、季降水量序列進行突變性檢驗，分析各個時段的突變情況。由圖3可知，1964-2014年堵河流域年、季降水量MK統(tǒng)計量（除秋季降水量MK統(tǒng)計量外）時間序列（UF）和反序列（UB）曲線均在α=0.05顯著性水平線之間，表明其變化不顯著，平緩的變化只是一種自然的振動。UF曲線沒有超過顯著性水平線，認為沒有明顯的突變點。

秋季降水量MK統(tǒng)計量UF和UB曲線均一度超越了α=0.05顯著性水平線，UF表現(xiàn)為緩慢的抬升之后下降，下降為主要趨勢。UF和UB曲線在1976-1985年這段時期內(nèi)出現(xiàn)多次相交，結合秋季降水序列的累積距平曲線，確定1985年為秋季降水量的突變年份。

3.4 降水的變異分析

基于Hurst系數(shù)的水文變異分析方法[6-8]，利用變異程度分級（表3）對堵河流域的降水量序列進行變異分析。在資料長度n=51，顯著性水平α=0.05，β=0.01的條件下，通過R/S分析法，計算各序列的Hurst系數(shù)值、相關函數(shù)值以及對應的變異程度，其計算結果見表4。

由表3、表4可知，堵河流域年、冬季、夏季降水量序列的相關函數(shù)值均小于r0.05=0.276，Hurst系數(shù)均小于h0.05=0.676，表明序列過去對未來幾乎沒有影響，依據(jù)變異程度分級表將其變異程度劃分為無變異。春季降水量序列的相關函數(shù)為0.28，且r0.05=0.276<0.28r0.01=0.358，但小于0.6，表明序列具有一定的相關性，其變異程度為中變異，說明降水減少趨勢變化的持續(xù)性比較明顯。

4 小結與討論

利用堵河流域及其周邊共計50個降水量觀測站1964-2014年的月、年降水量系列觀測資料，對堵河流域降水變化特征進行分析，得到以下結論。

1）1964-2014年堵河流域年降水量有明顯的年際變化，年代際變化在20世紀90年代波動較大，其余時期基本與多年平均值持平。季節(jié)降水量以夏季最多，春、秋兩季次之，冬季最少。夏季占全年降水量的43.9%，冬季僅占5.0%。從變化的劇烈程度來看，春夏兩季較為穩(wěn)定；秋季次之；冬季變化最劇烈。

2）1964-2014年堵河流域年、季降水量線性趨勢除夏季降水量表現(xiàn)為增加外，年降水量與其他3個季節(jié)的降水量均表現(xiàn)為減少。春、秋兩季降水量變化率通過了5%顯著性檢驗，其中秋季降水量變化率達到-14.8 mm/10年；年降水量及夏、冬兩季降水量變化趨勢均沒有通過顯著性檢驗。

3）采用Man-Kendall法α=0.05顯著性檢驗對1964～2014年堵河流域年、季降水量序列進行突變性檢驗，除秋季降水量外，年及其他季降水量UF曲線均認為沒有明顯的突變點；結合累積距平曲線，確定1985年為秋季降水量的突變年份。

4）基于Hurst系數(shù)的水文變異分析方法，分析堵河流域降水量序列的變異程度，結果顯示堵河流域年、冬季、夏季降水量序列過去對未來幾乎沒有影響，其變異程度為無變異；春季降水量序列有弱的相關性，其變異程度為弱變異；秋季降水量序列具有一定的相關性，其變異程度為中變異，降水減少趨勢變化的持續(xù)性比較明顯。

以上結論對于堵河流域的水資源調(diào)度、水土保持、水資源規(guī)劃等具有重要的指導意義，可以為南水北調(diào)中線工程水資源調(diào)度及風險管理提供科學的決策依據(jù)，對研究南水北調(diào)中線工程通水后水源地水資源時空變化具有重要意義。

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