黃土高原典型小流域降水變化特征研究

楊 俊，徐 智，蘭立軍，孫棟元，武蘭珍，李曉霞，張 軍，王興繁

(1.甘肅省水利廳 水土保持中心，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

降水作為關(guān)鍵的水文氣象要素之一，在區(qū)域水文循環(huán)過程研究、水資源演變規(guī)律研究、氣候變化特征研究等方面具有舉足輕重的作用。同時(shí)，降水作為水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)和水資源的直接來源，是決定區(qū)域水資源時(shí)空分布特征和陸地水循環(huán)的重要因素，也是區(qū)域自然地理特征、生態(tài)系統(tǒng)形成與演化過程的重要表征要素與關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-3]。降水量變化特征及趨勢(shì)分析是研究氣候變化、水文預(yù)報(bào)、區(qū)域水資源分布的重要方式和重要依據(jù)，降水量的季節(jié)、年內(nèi)、年際等變化特征，不僅直接影響著區(qū)域地表及地下水量，還影響自然生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等諸多方面，乃至全球的水分平衡[4-8]。因此，研究區(qū)域降水量變化特征，對(duì)科學(xué)管理與配置區(qū)域水資源、掌握區(qū)域氣候演變規(guī)律、做好自然災(zāi)害綜合防治工作具有重要價(jià)值。本研究分別選取黃土高原廟龍溝、榆林溝和田家溝3條典型小流域的3個(gè)雨量站降水觀測(cè)資料作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用線性傾向擬合、累積距平、滑動(dòng)平均、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)等方法，對(duì)黃土高原典型小流域降水序列進(jìn)行研究，分析其降水量年內(nèi)變化、年際變化、年代變化、突變特征，從而為流域水資源管理、生態(tài)保護(hù)、自然災(zāi)害防治等提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 廟龍溝流域

廟龍溝流域位于莊浪縣北部，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)，流域總面積64.01 km2，冬春兩季干燥寒冷，夏秋兩季濕潤(rùn)溫暖，降水年內(nèi)分布極不均勻，年際變化大，且多以暴雨形式出現(xiàn)。

1.2 榆林溝流域

榆林溝流域地處莊浪縣境內(nèi)，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)，流域總面積41.81 km2，降水年際變化大，時(shí)空分布不均。

1.3 田家溝流域

田家溝流域位于涇川縣北部，是涇河的一級(jí)支流，流域面積35.67 km2，氣候?qū)俚湫偷拇箨懶詺夂?，四季分明，氣候干燥，蒸發(fā)量大，氣溫多變，降水量少而集中，年際變化大。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

廟龍溝流域采用威戎鎮(zhèn)站(1966—2016年)、榆林溝流域采用莊浪站(1956—2016年)、田家溝流域采用涇川站(1956—2016年)逐月、逐年觀測(cè)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)資料，所有數(shù)據(jù)均來源于甘肅省水文局。

2.2 研究方法

采用線性傾向擬合法、滑動(dòng)平均法、累積距平法、Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)及突變檢驗(yàn)法，對(duì)降水變化趨勢(shì)、突變特征等進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水年際變化特征

各流域降水特征值見表1。由表1可知，廟龍溝流域1966—2016年年均降水量為437.80 mm，最大年降水量出現(xiàn)在2013年，為731.00 mm，最小年降水量為1995年的240.00 mm，相差491 mm，極值比為3.05；榆林溝流域1956—2016年年均降水量為515.28 mm，最大年降水量出現(xiàn)在2013年，為802.50 mm，最小年降水量為1997年的271.40 mm，相差531.10 mm，極值比為2.96；田家溝流域1956—2016年年均降水量為552.74 mm，最大年降水量出現(xiàn)在2003年，為803.50 mm，最小年降水量為1972年的287.70 mm，相差515.80 mm，極值比為2.79。

表1 各流域降水特征值

圖1為年降水過程線變化圖，圖2為降水量累積距平變化圖。由圖1(a)可知，廟龍溝流域年降水量呈現(xiàn)微弱增加趨勢(shì)，線性傾向率為0.028，從線性傾向趨勢(shì)看出廟龍溝流域降水量以0.28 mm/10a的速率增加；從5 a滑動(dòng)平均過程線看出，降水序列呈減少—增加—減少—增加波動(dòng)變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)多段下降—上升—下降—上升變化過程；由圖2可知，廟龍溝流域年降水量呈現(xiàn)2個(gè)時(shí)段升降變化過程，1966—2002年呈下降趨勢(shì)，2002—2016年呈上升趨勢(shì)。由圖1(b)可知，榆林溝流域年降水量呈減少趨勢(shì)，線性傾向率為-0.571，從線性傾向趨勢(shì)可知榆林溝流域降水量以5.71 mm/10a的速率減少；從5 a滑動(dòng)平均過程線看出，降水序列呈減少—增加—減少—增加波動(dòng)變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)多段上升—下降—上升—下降變化過程；由圖2可知，榆林溝流域年降水量呈現(xiàn)3個(gè)時(shí)段升降變化過程，1956—1976年呈上升趨勢(shì)，1976—2003年呈下降趨勢(shì)，2003—2016年呈上升趨勢(shì)。由圖1(c)可知，田家溝流域年降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，線性傾向率為-1.584，從線性傾向趨勢(shì)可知榆林溝流域降水量以15.84 mm/10a的速率減少；從5 a滑動(dòng)平均過程線看出，降水序列呈減少—增加—減少的波動(dòng)變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)多段下降—上升—下降—上升變化過程；由圖2可知，田家溝流域年降水量呈2個(gè)時(shí)段升降變化過程，1956—1970年呈上升趨勢(shì)，1970—2016年呈下降趨勢(shì)。

圖1 典型小流域年降水過程線變化

圖2 典型小流域降水量累積距平變化

采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法和Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法驗(yàn)證1956—2016年期間降水變化趨勢(shì)及其在置信水平α=0.05下的顯著性，結(jié)果見表2。由表2可知，廟龍溝流域降水的Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z=0.292，且|Z|=0.292小于Zα/2=1.96，Spearman秩次相關(guān)系數(shù)rs=0.043>0，且統(tǒng)計(jì)量|T|=0.321

表2 降水變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值

3.2 降水年內(nèi)變化特征

圖3為3個(gè)流域多年月平均降水量，廟龍溝流域、榆林溝流域、田家溝流域降水量年內(nèi)分配極不均勻，降水量均主要集中于7—9月，廟龍溝流域3個(gè)月累計(jì)降水量為242.72 mm，占全年總降水量的55.4%，榆林溝和田家溝流域3個(gè)月累計(jì)降水量分別為286.67和313.16 mm，分別占年降水總量的55.8%和56.7%?？傮w上，黃土高原典型小流域降水主要集中于7—9月份，期間降水量占全年降水量的55%以上。

圖3 典型小流域多年月平均降水量

3.3 降水年代變化特征

根據(jù)數(shù)據(jù)資料，年代劃分為:1956—1959年為20世紀(jì)50年代，1960—1969年為20世紀(jì)60年代，1970—1979年為20世紀(jì)70年代，1980—1989年為20世紀(jì)80年代，1990—1999年為20世紀(jì)90年代，2000—2009年為21世紀(jì)00年代，2010—2016年為21世紀(jì)10年代。對(duì)廟龍溝、榆林溝、田家溝流域年代降水量進(jìn)行分析，結(jié)果分別如表3、4和5所示。

表3 廟龍溝年代降水量特征值

由表3可知，過去51 a廟龍溝流域在20世紀(jì)70—90年代年均降水量均低于多年平均值437.80 mm，20世紀(jì)60年代和21世紀(jì)10年代降水偏豐，兩個(gè)年代的年均降水量均高于500 mm，同時(shí)各個(gè)時(shí)段降水量呈現(xiàn)不同極值變化特征。

由表4可知，過去61 a榆林溝流域在20世紀(jì)60—70年代和21世紀(jì)10年代年均降水量高于流域多年平均降水量515.28 mm，尤其是20世紀(jì)60年代和21世紀(jì)10年代降水頗豐，年均降水量高于570 mm；20世紀(jì)50年代、80—90年代和21世紀(jì)00年代年均降水量均低于多年平均值，尤其是20世紀(jì)末，流域年均降水量不足500 mm，屬枯水季。同時(shí)各個(gè)時(shí)段降水量呈現(xiàn)不同極值變化特征。

表4 榆林溝年代降水量特征值

由表5可知，過去61 a田家溝流域除20世紀(jì)50—60年代年均降水量頗豐，高于600 mm外，其余年代除21世紀(jì)10年代外，年均降水量均低于多年平均降水量552.74 mm。各個(gè)時(shí)段降水量呈現(xiàn)不同極值變化特征。

表5 田家溝年代降水量特征值

3.4 降水突變分析

圖4為廟龍溝、榆林溝、田家溝流域降水?dāng)?shù)據(jù)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)分析結(jié)果。由圖4UF和UB曲線交點(diǎn)大致判斷，廟龍溝流域降水量發(fā)生突變的年份為1969年，榆林溝流域降水量發(fā)生突變的年份分別為1957年和1978年，田家溝流域降水量發(fā)生突變的年份分別為1957年和1969年。

圖4 典型小流域突變檢驗(yàn)

4 結(jié) 論

(1)廟龍溝、榆林溝、田家溝流域年均降水量分別為437.80、515.28和552.74 mm，極值比分別為3.05、2.96和2.79。廟龍溝流域年降水量呈現(xiàn)微弱增加趨勢(shì)，以0.28 mm/10a的速率增加，1966—2002年呈下降趨勢(shì)，2002—2016年呈上升趨勢(shì)。榆林溝流域年降水量呈減少趨勢(shì)，以5.71 mm/10a的速率減少，1956—1976年呈上升趨勢(shì)，1977—2003年呈下降趨勢(shì)，2003—2016年呈上升趨勢(shì)。田家溝流域年降水量呈減少趨勢(shì)，以15.74 mm/10a的速率減少，1956—1970年呈上升趨勢(shì)，1970—2016呈下降趨勢(shì)。

(2)廟龍溝、榆林溝、田家溝降水量年內(nèi)分配極不均勻，降水量均主要集中于7—9月，分別為242.72、286.67和313.16 mm?？傮w上，黃土高原典型小流域降水主要集中于7—9月份，期間降水量占全年降水量的55%以上。

(3)廟龍溝、榆林溝和田家溝流域降水量在不同年代呈現(xiàn)不同變化規(guī)律，同時(shí)各個(gè)時(shí)段降水量呈現(xiàn)不同極值變化特征。

(4)采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法對(duì)廟龍溝、榆林溝、田家溝流域降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)分析，其對(duì)應(yīng)突變年份分別為1969年、1957年和1978年、1957年和1969年。