近50年烏江流域降雨演變趨勢研究

李長江 吳海寬 付 杰

(貴州省水利科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002)

降水是形成徑流的重要環(huán)節(jié)，長期以來，由于人類的不斷活動(dòng)，自然界原有的平衡被打破，氣候變化從局部變化發(fā)展到全球變化，引發(fā)了全球氣溫升高、冰川融化、極端天氣、水旱災(zāi)害頻發(fā)等系列問題。研究變化條件下區(qū)域水資源的基本情況及演變趨勢，及時(shí)掌握區(qū)域水資源的變化，對(duì)區(qū)域水資源合理配置以及防旱抗旱、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、水資源安全等具有重要意義。目前，針對(duì)降雨趨勢和變化、周期分析方面的研究，采用的方法有滑動(dòng)平均法、回歸分析法、Rescaled Range Analysis分析法、Mann-Kendall檢驗(yàn)法、小波分析法等。莫崇勛等[1]采用Mann-Kendall方法對(duì)澄碧河流域近50年降雨徑流變化趨勢進(jìn)行了分析；王孝禮等[2]采Rescaled Range Analysis分析法對(duì)水文時(shí)序趨勢和變異點(diǎn)進(jìn)行了研究，以水庫的來水量為例，分析了其變異趨勢，并對(duì)變異點(diǎn)進(jìn)行了診斷研究；張平等[3]采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法、小波分析法等對(duì)淮河蚌埠以上流域近50年來降水時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究，分析了該地區(qū)年徑流的演變趨勢、突變點(diǎn)和徑流演變周期。

烏江流域是貴州省最大的水系，占貴州省面積的37.5%，對(duì)貴州經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。流域已開發(fā)梯級(jí)電站11座，總裝機(jī)容量985萬kW，流域總面積9.5萬km2，現(xiàn)有耕地面積21056.33km2，人口2018.74萬人[4-5]。研究烏江流域降雨時(shí)空分布及演變趨勢，揭示其在不同時(shí)間尺度上的降雨特性和變化規(guī)律，為區(qū)域水資源的開發(fā)利用、優(yōu)化調(diào)度、防災(zāi)減災(zāi)等有著重要意義。對(duì)于烏江流域的研究，徐成漢等[6]采用Mann-Kendall法、spearman秩次檢驗(yàn)對(duì)烏江流域降水徑流響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明流域徑流深呈現(xiàn)一定的減少趨勢，但徑流系數(shù)變化不明顯；王俊超等[7]對(duì)烏江流域極端降水時(shí)空分布特征及重現(xiàn)期進(jìn)行了分析研究，結(jié)果顯示流域暴雨等級(jí)面雨量、日數(shù)和強(qiáng)度隨時(shí)間變化呈現(xiàn)上升趨勢，流域平均年最大日降水量年際變化比較明顯，下游和中下游平均極端持續(xù)強(qiáng)降水次數(shù)趨勢增加，上游呈現(xiàn)明顯減小趨勢；高紅梅等[8]根據(jù)流域日降雨量資料，分析研究了烏江流域季、主汛期和年降水量，結(jié)果顯示烏江流域平均降水量有減少趨勢，且有明顯的季節(jié)變化，春秋呈現(xiàn)減少趨勢，夏季呈增加趨勢。本文選取了烏江流域32個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2015年的降雨系列資料，采用滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法、Morlet小波分析法[9]等對(duì)流域降雨資料進(jìn)行全面分析，對(duì)流域降雨變化特征和演變規(guī)律進(jìn)行深入研究，掌握其在不同時(shí)間尺度上的降雨特性和變化規(guī)律，以期為區(qū)域水資源利用、防洪減災(zāi)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等提供決策支持。

1 研究資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏江發(fā)源于貴州省西北面烏蒙山脈東麓羊角山最高峰東北面——威寧縣草海鎮(zhèn)綠水塘，橫貫貴州省，于重慶市的涪陵區(qū)匯入長江，干流全長1044km，天然落差2391m，平均比降2.293‰。流域大小支流共163條，其中，流域面積在1000km2以上的一級(jí)支流16條；大于10000km2的1條；5000～10000km2的3條；2500～5000km2的4條；1000～2500km2的8條[10]。1000km2以上的二級(jí)支流有7條。本文選取了烏江流域32個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2015年共計(jì)55年降雨系列資料，對(duì)烏江流域近50年降雨特性變化進(jìn)行深入研究。研究區(qū)烏江流域水系及氣象站地理空間分布見圖1。

圖1 烏江流域研究區(qū)水系及氣象站點(diǎn)示意圖

1.2 滑動(dòng)平均法

對(duì)于序列x1，x2，…,xn，改變滑動(dòng)長度使得序列之間相關(guān)度增加，通過時(shí)間序列的平滑值來顯示序列的變化趨勢，滑動(dòng)平均序列表示為

(1)

式中：k為滑動(dòng)長度。

1.3 Mann-kendall趨勢檢驗(yàn)

Mann-Kendall檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢查方法[11-12]，廣泛應(yīng)用于時(shí)間序列的趨勢變化分析中。設(shè)時(shí)間序列x1，x2，…,xn，Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)為

(2)

其中

(3)

統(tǒng)計(jì)量：

(4)

(5)

Zc的正負(fù)分別代表樣本序列變化趨勢，若Zc>0，則序列呈上升趨勢；若Zc<0，則序列呈下降趨勢；給定置信區(qū)間α(顯著水平)，若|Zc|>Z1-α/2，拒絕原假設(shè)H0，表示序列呈明顯上升或下降趨勢；若|Zc|

指標(biāo)β表示變化趨勢的大小和方向:

(6)

若β>0，表示呈上升趨勢；若β<0，表示呈下降趨勢[13]。β數(shù)值越大，表示趨勢越顯著。

1.4 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

對(duì)一個(gè)給定的時(shí)間序列x1，x2，…,xn，共有n個(gè)樣本，Mann-Kendall突變檢驗(yàn)[14]構(gòu)造一個(gè)序列Sk：

(7)

其中

(8)

定義統(tǒng)計(jì)量：

(9)

其中：UF1=0,E(Sk)和var(Sk)是累計(jì)數(shù)Sk的均值和方差，x1，x2,…,xn相互獨(dú)立，且有相同連續(xù)分布時(shí)，由下式得出：

(10)

(11)

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，按時(shí)間序列計(jì)算，給定顯著性水平α，若|UFk|>U∝/2，則表明序列存在明顯的趨勢變化。按逆序列xn，xn-1,…,x1重復(fù)以上過程，使UFk=-UBk。 將UFk和UBk兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量曲線和顯著性水平線繪制在同一圖上，UFk>0表明序列呈上升趨勢，反之呈下降趨勢。當(dāng)超過臨界線時(shí)，表明上升或下降趨勢明顯，若UFk和UBk曲線相交，且交點(diǎn)在上下兩條臨界線之間，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為突變開始的時(shí)間點(diǎn)[15]。

1.5 Morlet小波周期性分析

小波分析是一種信號(hào)的時(shí)間尺度分析方法，能在時(shí)頻兩域表征信號(hào)局部特征，廣泛運(yùn)用于水文氣象等時(shí)間序列分析中[16-18]。本文采用Morlet小波[19-20]對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行連續(xù)小波變換，連續(xù)小波變換為

(12)

設(shè)函數(shù)f(kΔt)(k=1,2,…,N;Δt為取樣間隔)，則式(12)的離散小波變換形式為

(13)

對(duì)序列做小波變換后得到的小波系數(shù)是序列在不同時(shí)間尺度和不同時(shí)間位置上的投影，可以用來描述水文序列的組成結(jié)構(gòu)和多時(shí)間尺度變化特性。將小波變換系數(shù)的平方在b域上進(jìn)行積分，得到小波方差var(a)，它能反映信號(hào)波動(dòng)的能量隨尺度a的分布，進(jìn)而可確定時(shí)間序列中存在的主周期[21]。

(14)

2 分析結(jié)果

2.1 降雨時(shí)空分析

根據(jù)流域內(nèi)32個(gè)雨量站1961—2015年降雨量資料，采用泰森多邊形法推算流域面降雨，得出流域多年降雨量為1117mm。從圖2可以看出，豐水年為1964年、1967年、1977年、1980年、1996年、2008年、2014年，其中1977年降雨量最豐，為1377mm；枯水年為1966年、1981年、1985—1990年、2006年、2009—2011年、2013年，其中2011年最少，為805mm。從圖3可以看出，流域降雨呈現(xiàn)空間分布不均現(xiàn)象，西北為流域降雨量低值區(qū)，極小值出現(xiàn)在威寧—赫章一帶，降雨量為800～900mm；西南部為流域降雨量高值區(qū)，極大值出現(xiàn)在織金—普定一帶，降雨量為1300～1400mm；中部地區(qū)修文、開陽、甕安、播州等地處于全流域平均水平，降雨量為1000～1200mm；東部地區(qū)思南、沿河、德江、鳳岡一帶為流域降雨量次高區(qū)，降雨量為1100～1250mm。

圖2 歷年降雨量曲線

圖3 降雨量空間分布情況

2.2 降雨演變趨勢分析

根據(jù)流域1961—2015年面降雨序列資料，通過5年滑動(dòng)平均，得流域5年滑動(dòng)平均序列(見圖4)，從圖中可以看出，流域1961—1982年期間豐枯交替較為頻繁，變化不明顯，1982年以后，豐枯出現(xiàn)大幅波動(dòng)變幅，滑動(dòng)平均序列呈現(xiàn)下降趨勢?？傮w上看，分析時(shí)段內(nèi)降雨量的傾向率為-14.8mm/10年，降雨量總體上呈下降趨勢。

圖4 年降雨量趨勢及五年滑動(dòng)平均

根據(jù)Mann-kendall趨勢檢驗(yàn)，烏江流域降雨量趨勢系數(shù)Zc=-1.22<0，序列呈下降趨勢；但沒有超過95%的顯著性水平Zα/2=±1.96，說明流域降雨下降趨勢變化不明顯，根據(jù)計(jì)算，β=-1.49<0，反映出流域降雨呈下降趨勢。

將流域1961—2015年面降雨序列進(jìn)行Mann-kendall突變檢驗(yàn)，結(jié)果表明(見圖5)，在0.05的顯著性水平下，流域55年時(shí)間內(nèi)UF值大部分年份小于零且總體有減小的趨勢，說明這段時(shí)間內(nèi)，流域降雨呈現(xiàn)減小的趨勢，與滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法結(jié)果一致。UFk值和UBk值在分析時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)了6個(gè)交點(diǎn)，分別在1980—1981年、1981—1982年、1984年、1994—1995年、2001年、2002—2003年。1961—1984年UFk值在零值附近徘徊，說明降雨量趨于平穩(wěn)，1981—1994年UFk值逐年減小，期間降雨量呈現(xiàn)減少趨勢，1994—2003年UFk值逐年增加，降雨量有增加趨勢，但沒有形成有效突破，2003年以后，UFk值又呈現(xiàn)減少趨勢，流域內(nèi)降雨由增加趨勢轉(zhuǎn)為減少趨勢。在整個(gè)分析時(shí)段內(nèi)，UFk值總體處于零值下方，總體上流域降雨呈現(xiàn)減少的趨勢。

圖5 年降雨量M-K突變檢驗(yàn)曲線

2.3 降雨周期分析

將序列資料進(jìn)行一維連續(xù)小波變化，繪制小波系數(shù)圖(見圖6)，然后根據(jù)小波系數(shù)計(jì)算小波方差，并繪制相應(yīng)的小波方差圖(見圖7)。同一時(shí)間尺度下，小波系數(shù)正值等值線代表豐水期，負(fù)值等值線代表枯水期，零值等值線則代表平水期。根據(jù)小波系數(shù)實(shí)部圖，在55年時(shí)間序列中，降雨量大致存在3年、5～7年、7～10年、16～18年、27～30年幾種時(shí)間尺度的枯、豐變化振蕩周期；根據(jù)小波方差圖，存在4個(gè)明顯的極值，分別為5年、7年、18年、28年，其中28年周期振蕩最強(qiáng)，說明烏江流域降雨量變化的主周期為28年，18年、7年、5年為流域降雨的第二、三、四周期，其中5年周期幾乎貫穿于整個(gè)序列，流域降雨在小尺度5年周期內(nèi)降雨豐、枯交替最為頻繁。

圖6 小波系數(shù)實(shí)部等值線

圖7 小波方差

3 結(jié)論與建議

a.根據(jù)對(duì)烏江流域32個(gè)站點(diǎn)1961—2015年降雨資料進(jìn)行分析，流域內(nèi)中東部降雨處于全流域平均水平，西南面和西北面是流域的降雨極值區(qū)，多值中心位于織金—普定一帶，少雨區(qū)位于西北面的威寧—赫章一帶。

b.采用滑動(dòng)平均法、M-K趨勢檢驗(yàn)法、M-K突變檢驗(yàn)法對(duì)烏江流域1961—2015年流域面降雨進(jìn)行分析，Zc=-1.22<0，演變趨勢不明顯。降雨量總體上呈減少趨勢，但沒通過置信度檢驗(yàn)，減少趨勢不顯著。

c.運(yùn)用小波分析，對(duì)流域降雨系列進(jìn)行連續(xù)小波變換，結(jié)果顯示流域降雨呈現(xiàn)5年、7年、18年、28年的振蕩周期，其中28年的振蕩周期較為明顯，為流域降雨變化的第一主周期。

d.根據(jù)烏江流域降雨的趨勢性和周期性變化規(guī)律，在流域水資源開發(fā)利用過程中，及時(shí)根據(jù)流域水資源的變化特點(diǎn)，優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)，提高用水效率，加強(qiáng)節(jié)水力度，優(yōu)化水資源調(diào)度，將區(qū)域環(huán)境變化研究同區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合，進(jìn)一步減少降雨變化對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境、生態(tài)等方面造成的影響。