黃岡河湯溪水庫1985～2019年降雨特征分析

吳梓賢 WU Zi-xian

（廣東省水文局潮州水文測報中心，潮州 515200）

0 引言

流域或區(qū)域降雨特征的研究一直是國內外眾多專家學者的研究熱點。王亦塵等[1]通過線性回歸分析法、累積距平法等對北京市1950～2017年汛期逐日降雨資料進行了分析，系統(tǒng)研究了北京市汛期降雨特點；馮慶華等[2]等采用Mann-Kendall（簡稱MK檢驗法）和皮爾遜III型曲線法研究得出淮南站近49年來降水量呈微弱的下降趨勢；李斌等[3]使用累積距平法、滑動平均法和線性傾向估計法分析了渭河流域的降雨量和徑流變化資料，發(fā)現渭河流域降水多集中在夏、秋兩季，且流域西部和北部暴雨強度呈增大趨勢。曾志平[4]利用數理統(tǒng)計和空間分析方法，選用14個極端降水指數分析了清遠市極端降水時空變化特征。

對降雨特征的研究與掌握，一方面有助于指導地區(qū)的防汛抗旱工作，另一方面也有助于區(qū)域洪水預報的開展。目前，對黃岡河湯溪水庫降雨特征的研究較少，因此有必要對其降雨特征進行研究，以指導地區(qū)防汛抗旱和洪水預報工作的開展。

1 區(qū)域概況

湯溪水庫于1958年11月至1959年12月興建，位于潮州市饒平縣湯溪鎮(zhèn)境內，地處黃岡河中游，是廣東省第三大水庫，也是粵東地區(qū)庫容最大的水利工程，為潮州市饒平縣黃岡河中下游地區(qū)的生活和農業(yè)灌溉水源。湯溪水庫總面積16.67km2，最大容量為3.78億m3，總裝機容量為2×4000kW，年發(fā)電量2300萬kW·h[5]。湯溪水庫的集雨區(qū)為黃岡河流域，該河發(fā)源于饒平縣西北部與潮州市、豐順縣的交界處，上游多山嶺，由發(fā)源于九峻山的東溪、發(fā)源于桃源諸山的北溪和發(fā)源于梅峰的南溪三水匯聚而成。湯溪水庫主壩水電站距離下游湯溪水文站約1.1km，控制了黃岡河667km2的集水面積，占黃岡河流域面積的40.5%。流域內共有11個雨量站，均為遙測自動站，相應的水文站點分布圖見圖1。

近年來，隨著城市的持續(xù)發(fā)展和人口的快速增加，湯溪水庫作為饒平縣唯一的大型水庫，其供水、發(fā)電、灌溉和防洪的作用日益突出，對饒平縣防洪抗旱和經濟發(fā)展起著重要的作用。而城市的發(fā)展也導致著氣候、下墊面條件的改變，市內建設的高速發(fā)展，人口數量的增加，城市規(guī)模的擴大，不僅影響了區(qū)域降雨規(guī)律[2]，也增加了城市防汛抗旱的難度。暴雨是黃岡河流域洪水的主要成因，黃岡河中上游多山地丘陵，強降水也經常導致泥石流、滑坡等的發(fā)生。作為黃岡河流域防洪調度的主要水庫，對湯溪水庫進行降雨特征和規(guī)律的研究尤為必要，可為湯溪水庫的安全運行提供技術支撐和資料保證[5]，有助于指導黃岡河的防汛抗旱工作提供有力的保障。

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

考慮資料連續(xù)性與時間序列長度，本文選取廣東省水文局整編的黃岡河湯溪水庫上游8個雨量站1985～2019年逐日降水資料作為分析數據，資料來源可靠，數據連續(xù)完整，不存在缺測和漏測情況；站點空間分布均勻，能較好地反映黃岡河湯溪水庫降雨特征。

2.2 研究方法

①累積距平法。

累積距平法是一種常見的由曲線來直觀判斷要素變化趨勢的方法[6]，其具體計算方法是：

對某一要素序列xi，其時刻t的累積距平值為：

②MK檢驗法。

MK檢驗法是由Mann于1945年提出的用于檢測時間序列的方法[7]，是被世界氣象組織（WTO）推薦并已被廣泛采用的非參數統(tǒng)計檢驗法，其優(yōu)點是不要求樣本服從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，計算也比較簡便[8]。

MK檢驗法的計算原理是：對某一要素序列xi，其對應的統(tǒng)計量Sk的計算公式為：

式中：n為序列的長度；sgn（xi-xj）為符號函數，其具體計算規(guī)則為：

定義新的統(tǒng)計變量UFk：

式中：E（Sk）和Var（Sk）分別為Sk的均值和方差，計算公式如下：

UFk為標準正態(tài)分布，當UFk＞0，則表明序列呈上升趨勢，反之則呈下降趨勢。k=n時，UFn代表序列的整體趨勢。當給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表可得對應的臨界值Uα/2，若│UFk│＞Uα/2，即超過臨界值，則說明序列存在明顯的趨勢變化，其超過臨界值的時間點為發(fā)生突變的時間區(qū)域。如果將序列xi按逆時序排列，重復上述計算步驟，得到UBk。若UFk和UBk兩條曲線存在交點，且交點在±│Uα/2│之間，則可以認為交點對應的時刻就是突變發(fā)生的時刻。

3 降雨時間變化特征分析

黃岡河湯溪水庫的降雨主要集中在每年的4～10月，占全年降水的70%以上，因此把年降雨量、汛期（4～10月）降雨量和非汛期（11月～次年3月）降雨量作為研究對象。

3.1 累積距平法分析

運用累積距平法，分別對黃岡河湯溪水庫1985～2019年的年降雨量（水文年，1985年4月～2020年3月）、汛期（4～10月）和非汛期（11月～次年3月）降雨量進行分析，結果如圖2。

由圖2（a）可得，黃岡河湯溪水庫年降雨量的累積距平值階段性特征不太明顯，累積距平值呈不穩(wěn)定波動狀態(tài)，上升與下降趨勢交替出現，年降雨量有增有減。

對比圖2（a）和（b）可以看出，黃岡河湯溪水庫汛期降雨量和年降雨量的累積距平曲線曲線形狀相似，其階段性變化特征在累積距平曲線中并不明顯，呈不穩(wěn)定波動狀態(tài)，上升與下降趨勢交替出現，汛期降雨量有增有減。

同理，對比圖2（a）和（c）可以看出，黃岡河湯溪水庫非汛期降雨量和年降雨量的累積距平曲線形狀差異較大，表明非汛期降雨量的階段性變化特征與年降雨量不一致。非汛期降雨量變化階段大致可以劃分為5個階段。其中，1985～1986年、1990～1996年和2015～2019年呈上升趨勢，非汛期降雨量逐年增多；1987年～1990年和1997年～2014年呈下降趨勢，非汛期降雨量逐年減少。

3.2 MK檢驗法分析

分別對黃岡河湯溪水庫1985～2019年的年降雨量、汛期和非汛期降雨量進行MK檢驗分析。分別計算得到年降雨量、汛期和非汛期降雨量序列對應的UFn值如表1。

表1 黃岡河湯溪水庫降雨量序列統(tǒng)計量UFn值

由表1可得：黃岡河湯溪水庫年降雨量的統(tǒng)計值UFn=0.0142，絕對值小于顯著性水平α=0.05的臨界值1.96，說明湯溪水庫1985～2019年年降雨量整體呈增長趨勢，但趨勢較不顯著。同理，汛期降雨量統(tǒng)計值UFn=-0.2698>-1.96，其減少趨勢不顯著；非汛期降雨量統(tǒng)計值UFn=0.4971<1.96，其增長趨勢不顯著。

分別繪制黃岡河湯溪水庫年降雨量、汛期和非汛期降雨量的MK檢驗曲線圖見圖3。

由圖3（a）可得：①1985～2019年，黃岡河湯溪水庫年降雨量統(tǒng)計值UFk的絕對值均小于顯著性水平α=0.05的臨界值1.96，其年降雨量變化趨勢不明顯，變化趨勢與累積距平曲線基本一致，增加與減少趨勢交替出現，其中呈上升趨勢的年份較多，可將年降水量增減變化大致劃分為5個變化階段：1985～1986年、1990～2003年和2006年～2019年呈增加趨勢，1987～1989年和2004～2005年呈減少趨勢；②圖3（a）中，UF和UB曲線雖然存在明顯的交點，但均位于顯著性水平臨界線范圍內，故認為湯溪水庫1985～2019年年降雨量不存在顯著的突變點。

由圖3（b）可得：①1985年～2019年，黃岡河湯溪水庫汛期降雨量UF曲線位于顯著性水平α=0.05的臨界線范圍內，說明其汛期降雨量變化趨勢不明顯，變化趨勢與累積距平曲線基本一致，增加和減少趨勢波動交替，其中呈上升趨勢的年份較多。可根據汛期降水量的變化趨勢大致將其劃分8個階段：1985～1986年、1990～1991年、1997年～2004年和2006～2018年呈增加趨勢，1987～1989年、1992～1996年、2005年和2019年呈減少趨勢；②圖3（b）中，UF和UB曲線雖然存在明顯的交點，但均位于顯著性水平臨界線范圍內，故亦認為湯溪水庫1985～2019年汛期降雨量不存在顯著的突變點。

由圖3（c）可得：①1985年～2019年，黃岡河湯溪水庫非汛期降雨量變化趨勢可分為5個階段：1985～1987年、1994～1998年和2015年后呈增多趨勢，1988～1993年和1999～2014年呈減少趨勢。變化趨勢與累積距平曲線分析結果基本一致；②圖3（c）中，UB曲線僅在1998年超出了顯著性水平臨界線，1998年之前UF和UB曲線大致相交于1986～1987年之間，交點位于顯著性水平臨界線范圍內，故可認為黃岡河湯溪水庫非汛期降雨量于1986～1987年之間出現突變點。

5 降雨空間變化特征分析

根據黃岡河湯溪水庫1985～2019年降雨系列資料，分別計算出各個站點多年平均降雨量、多年平均汛期和非汛期降雨量如表2。

表2 黃岡河湯溪水庫各站點多年平均降雨量 （單位：mm）

由表2分別繪制黃岡河湯溪水庫多年平均年降雨量、汛期和非汛期降雨量的站點分布圖見圖4。

由圖4可得，黃岡河湯溪水庫多年平均年降雨量、汛期的空間分布相似，均表現為由西南向東北遞減的趨勢，降雨中心主要集中在西南外宮一帶；而非汛期多年平均降雨量則表現為在外宮、三饒、麻寮沿線從西往東遞減、從中部往南北遞減的趨勢，降雨中心也是集中在西南外宮一帶。

6 結論

本文根據黃岡河湯溪水庫1985～2019年的降雨序列資料，采用累積距平法和Mann-Kendall法對黃岡河湯溪水庫的年降雨量、汛期和非汛期降雨量的變化特征進行了分析研究，并對其在空間上的分布進行了探討，得出以下結論：①1985～2019年，黃岡河湯溪水庫年降雨量和非汛期降雨量整體呈現不明顯的增長趨勢，而汛期降雨量則整體呈現不明顯的減少趨勢；年降雨量受汛期降雨量的影響較為顯著，受非汛期降雨量的影響不明顯。②1985～2019年，黃岡河湯溪水庫年降雨量和汛期降雨量的變化趨勢均不明顯，且呈增長趨勢的年份較多，但均未超0.05的顯著性水平，無明顯的突變點；非汛期降雨量總體變化趨勢雖不明顯，且呈減少趨勢的年份較多，但在1986～1987年之間存在突變點導致1998年其變化超過了顯著性水平。③在空間分布上，黃岡河湯溪水庫多年平均年降雨量、汛期和非汛期降雨量的降雨中心均在外宮一帶。其中，年降雨量與汛期降雨量呈相似的空間分布，均變現為由西南向東北遞減的趨勢；非汛期多年平均降雨量則表現為在外宮、三饒、麻寮沿線從西往東遞減、從中部往南北遞減的趨勢。④考慮資料的一致性和連續(xù)性，本文僅選取了湯溪水庫上游的8個雨量站的數據作為研究數據，導致個別雨量站可能存在代表性不足的情況，也缺乏對降雨周期性和穩(wěn)定性方面的研究，將在后續(xù)研究中補充完善。