密云水庫流域1960—2021年水文變量演變特征分析

樊 敏 王槿妍 張冠宇

(1.北京市密云水庫管理處,北京 101512;2.北京市水文總站,北京 100089)

密云水庫作為首都重要的地表飲用水源地、防洪控制工程和水資源戰(zhàn)略儲備基地,其安全運行對首都防洪安全和水資源安全至關(guān)重要。建庫60多年來,流域水文要素特征在氣候變化和人類活動等因素的影響下發(fā)生了較大的變化,流域降水和產(chǎn)匯流情況是影響入庫水量的關(guān)鍵因素[1]。因此,針對流域降水和徑流等重要水文要素變化開展成因分析,對于保障密云水庫工程安全、防洪安全和供水安全具有重要意義。為了研究密云水庫流域近62年的降水量和徑流量變化特征,本文利用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法對流域降水和徑流數(shù)據(jù)進行趨勢檢驗和突變檢驗,研究其變化趨勢特征及發(fā)生突變的時段,以期為水庫水資源合理利用和安全度汛提供科學(xué)依據(jù)[2]。

1 研究區(qū)概況

密云水庫由潮白河上游兩大支流潮河、白河匯流而成,控制流域面積15788km2,占潮白河全流域面積的88%,具有山高、坡陡、溝深、流急等特點。河道比降較大,潮河河源至壩址全長220km,其平均比降為1.78‰,白河河源至壩址全長248km,其平均比降為4.87‰,見圖1。流域?qū)僦芯暥却箨懶约撅L(fēng)氣候,降水量主要集中在6—9月,尤其集中在7—8月。汛期流域多年平均降水量為394mm(1960—2021年),暴雨中心多出現(xiàn)在南側(cè),由東南向西北遞減[3]。

圖1 密云水庫流域概況

2 研究數(shù)據(jù)與方法

研究數(shù)據(jù)為1960—2021年密云水庫流域逐年各月的降水量和徑流量數(shù)據(jù)。采用Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)檢驗法檢驗1960—2021年密云水庫流域降水量和徑流量的年際、年內(nèi)變化趨勢及其顯著性。M-K趨勢檢驗統(tǒng)計量為Z,選擇置信水平α=0.05,臨界值Z1-α/2=1.96[4-6]。其中M-K檢驗法趨勢檢驗統(tǒng)計量Z的“+”或“-”表示上升或下降趨勢,當|Z|≥2.32、1.64、1.28時,分別表示通過了置信度為99%、95%、90%顯著性檢驗,相應(yīng)的趨勢檢驗水平為0.01、0.05、0.10。密云水庫流域雨量站信息見表1。

表1 密云水庫流域雨量站信息

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量時間變化特征

3.1.1 年際變化

密云水庫流域1960—2021年年降水量年際變化見圖2,變化范圍為295.00～665.30mm,2002年和2021年分別達到最小值和最大值,為295.00mm和665.30mm,最大值與最小值的比值達到2.26。降水量年際變化較大,多年平均降水量為471.10mm,其中2002—2021年波動最為明顯,呈顯著增加趨勢。由降水距平百分率可知,1960—2021年年降水量豐枯交替出現(xiàn),旱澇特征較明顯,其中1960—1963年、1970—1972年和1999—2007年發(fā)生連續(xù)干旱現(xiàn)象。

圖2 1960—2021年年降水量年際變化

由圖3可知,汛期和非汛期降水量年際間具有明顯差異,汛期(6—9月)和非汛期( 10月至次年5月)多年平均降水量分別為393.98 mm和88.27 mm,分別占年降水量的81.3%和18.7%。汛期降水量貢獻率顯著,表明密云水庫流域降水存在一定的季節(jié)性。1960—2021年降水距平百分率正負交替變化,有連續(xù)的偏豐或偏枯現(xiàn)象。

圖3 1960—2021年汛期和非汛期降水量年際變化

3.1.2 年內(nèi)變化

密云水庫流域降水量年內(nèi)分配見表2,降水量數(shù)據(jù)采用密云水庫流域各月多年平均值,存在明顯的季節(jié)差異和年內(nèi)分配不均勻性。1960—2021年的62年間,6—9月降水量占全年的80.45%,其中7月和8月降水量最多,為145.0mm和110.7mm,分別占全年總降水量的30.37%和23.19%;降水量最小的月份為1月和12月,僅1.6mm,占全年降水量的0.34%。

表2 密云水庫流域降水量年內(nèi)分配

3.1.3 變化趨勢分析

針對不同時段的降水量數(shù)據(jù),對密云水庫流域降水數(shù)據(jù)分別作了年尺度、6—9月、汛期和非汛期的降水量趨勢分析,根據(jù)M-K檢驗法的趨勢檢驗計算公式進行計算,密云水庫流域1960—2021年降水量統(tǒng)計值見表3,年降水量增幅每10年為3.19mm,M-K趨勢檢驗統(tǒng)計量Z值的計算結(jié)果為0.7775,未通過0.05顯著性檢驗,表明密云水庫流域年降水量存在不顯著的上升趨勢[7]。從5年滑動平均曲線可以看出,流域年降水量存在較明顯的年代際振蕩周期,階段變化周期為1～10年,整體在波動中呈現(xiàn)增大的趨勢。

表3 密云水庫流域年度及汛期、非汛期降水量統(tǒng)計值

汛期降水量M-K趨勢檢驗統(tǒng)計量Z<0,表示流域降水量呈下降趨勢,但是未通過置信度為90%的顯著性檢驗,表明下降趨勢不顯著。非汛期降水量M-K趨勢檢驗統(tǒng)計量Z>0,且通過了置信度為99%的顯著性檢驗,表明降水量在0.01顯著性水平上有明顯上升趨勢。

3.1.4 突變分析

對密云水庫流域1960—2021年的逐年降水數(shù)據(jù)進行M-K突變檢驗,UF為標準正態(tài)分布,UB為UF的逆序列,UF與UB交點對應(yīng)的時刻即為突變開始的時刻,給定顯著性水平為0.05,統(tǒng)計量UF和UB的臨界值為±1.96,UF>0,表示序列呈上升趨勢,反之,呈下降趨勢,大于或小于±1.96,表示上升或下降趨勢明顯[8-11]。年降水量M-K突變檢驗結(jié)果見圖4,1963—2000年和2016—2021年UF統(tǒng)計量大于0,年降水量呈上升趨勢,其他時段年降水量呈下降趨勢。UF統(tǒng)計量序列和UB統(tǒng)計量序列在置信區(qū)間內(nèi)存在多個交點,表明密云水庫流域年降水量在多個時段發(fā)生突變。雖然在2020—2021年出現(xiàn)突變特征,但考慮該年份處于時間序列的末端,缺少佐證,所以舍棄[12]。

由表3可知,汛期統(tǒng)計值未通過0.05顯著性檢驗,下降趨勢不顯著。由圖5(a)可以看出,汛期降水量正序列曲線UF正負交替出現(xiàn),1963—1983年、1986—2001年UF統(tǒng)計量大于0,降水量呈上升趨勢,其他時段呈下降趨勢。UF與UB曲線在置信區(qū)間出現(xiàn)多個交點,表明汛期降水量在多個時段發(fā)生突變。

圖5 1960—2021年汛期和非汛期降水量M-K突變檢驗

由表3可知,非汛期統(tǒng)計值通過0.05顯著性檢驗,上升趨勢顯著。由圖5(b)可以看出,非汛期降水量UF曲線除1962年、2005年外均大于0,降水量呈上升趨勢,其中1978—1987年、1990—1991年和2015—2021年UF曲線超出置信區(qū)間,上升趨勢顯著。UF與UB曲線在置信區(qū)間出現(xiàn)多個交點,部分交點超過了0.05臨界線,分別為1987—1988年、1990—1991年,表明降水在此期間發(fā)生了突變,降水量趨勢變化顯著;2003—2004年間存在突變點,之后降水增加趨勢顯著。

3.2 徑流量時間變化特征

3.2.1 年際變化

密云水庫流域1960—2021年徑流量變化趨勢見圖6。該區(qū)域徑流量年際變化較大,多年平均徑流量為8.700億m3,其中1973—1984年波動最為明顯,流域徑流量總體呈明顯的下降趨勢,線性減小率為0.1494億m3/年。徑流變化范圍在1.850億～24.212億m3,最大值出現(xiàn)在1973年,為24.212億m3,最小值出現(xiàn)在2000年,為1.850億m3,最大值與最小值的比值為13.09。從5年滑動平均來看,1999年以后滑動均值小于多年平均值,呈連續(xù)下降趨勢。

圖6 1960—2021年年徑流量年際變化

由圖7四季徑流量年際變化可知,四季徑流量及各季節(jié)年際間具有明顯差異,春季(3—5月)、夏季(6—9月)、秋季(10—11月)和冬季(12月至次年2月)多年平均徑流量分別為1.013億m3、5.762億m3、1.091億m3和0.834億m3,分別占年徑流量的11.64%、66.23%、12.54%和9.59%。超過60%的徑流發(fā)生在夏季,夏季貢獻率最顯著,表明密云水庫流域徑流存在一定的季節(jié)性。

圖7 1960—2021年四季徑流量年際變化

春季徑流量年際間變化較大,1984—2021年春季徑流量存在明顯的連續(xù)偏枯現(xiàn)象;夏季徑流量年際波動較大,1960—1998年豐枯交替頻繁,1999—2020年連續(xù)偏枯;秋季徑流量年際間變化較大,1960—1979年連續(xù)偏豐,1980—2020年連續(xù)偏枯,2021年出現(xiàn)極大值3.460億m3,遠高于平均值;冬季徑流量在1960—1983年、1987年、1995—1997年偏豐,其他年份均較枯,連續(xù)豐枯現(xiàn)象非常明顯。

3.2.2 年內(nèi)變化

密云水庫流域徑流量年內(nèi)分配情況見表4,徑流量季節(jié)性差異不明顯,徑流量的年內(nèi)分配相對均勻。1960—2021年的62年間,7—9月徑流量占全年總徑流量的60.94%,分別為1.843億m3、2.434億m3和1.025億m3,占全年總徑流量的21.18%、27.98%和11.78%;其他月份徑流量相差不大。1月徑流量最小,為0.261億m3,占全年徑流量的3.00%。

表4 密云水庫流域徑流量年內(nèi)分配

3.2.3 變化趨勢分析

針對不同時段的徑流量數(shù)據(jù),對密云水庫流域徑流量數(shù)據(jù)分別作了年尺度、各月及四季的徑流量趨勢分析,根據(jù)M-K檢驗法的趨勢檢驗計算公式進行計算,密云水庫流域1960—2021年年度和四季徑流量統(tǒng)計值見表5,年徑流量增幅每10年為-1.49億m3,M-K趨勢檢驗統(tǒng)計量Z值的計算結(jié)果為-4.7013,通過了置信度為99%的顯著性檢驗,表明密云水庫流域年徑流量存在明顯的下降趨勢。從5年滑動平均曲線可以看出,年徑流量總體在波動中呈現(xiàn)明顯遞減的趨勢。

表5 密云水庫流域年度和四季徑流量統(tǒng)計值

在季尺度上,各個季節(jié)的徑流量變化趨勢一致,均通過了0.01顯著性檢驗,表明各季節(jié)徑流量下降趨勢顯著;在月尺度上,5月未通過0.10顯著性檢驗,下降趨勢不顯著,其他各月的徑流量變化趨勢一致,均通過了0.01顯著性檢驗,表明其他各月徑流量均呈顯著性下降趨勢。

3.2.4 突變分析

對密云水庫流域1960—2021年的逐年徑流數(shù)據(jù)進行M-K突變檢驗,給定顯著性水平為0.05,結(jié)果見圖8。由年徑流量M-K突變檢驗結(jié)果可知,除1963—1965年、1967年、1969—1970年以及1974—1980年外均小于0,徑流量呈下降趨勢,其中1989年、1993年和2000—2021年UF曲線超出置信區(qū)間,下降趨勢顯著。UF統(tǒng)計量序列和UB統(tǒng)計量序列在置信區(qū)間內(nèi)存在一個交點,但未超過臨界線,表明密云水庫流域年徑流量在多個時段發(fā)生突變[13]。

圖8 1960—2021年年徑流量M-K突變檢驗

由表5可知,春季統(tǒng)計值通過了0.01顯著性檢驗,下降趨勢顯著。由圖9(a)可以看出,春季徑流量UF曲線均小于0,徑流量呈下降趨勢,其中1963年和1972—2021年UF曲線超出置信區(qū)間,下降趨勢顯著。UF與UB曲線在1970—1976年這一時間段存在多個交點,第一個交點發(fā)生在1970—1971年,表明徑流在此期間發(fā)生了突變。

圖9 1960—2021年四季徑流量M-K突變檢驗

夏季徑流總體呈顯著下降趨勢,由圖9(b)可以看出,夏季徑流量UF統(tǒng)計值除1962—1967年、1969—1970年和1973—1980年外均小于0,徑流量呈下降趨勢,其中2002—2021年超過0.05置信水平臨界線,徑流量趨勢變化顯著,UF與UB曲線在1990—1991年之間相交,徑流發(fā)生突變。

秋季徑流總體呈顯著下降趨勢,由圖9(c)可以看出,秋季徑流量UF統(tǒng)計值除1961年、1968—1971年和1973—1981年外均小于0,徑流量呈下降趨勢,其中1989—2021年超過0.05置信水平臨界線,徑流量趨勢變化顯著,UF與UB曲線在1982—1983年之間相交,徑流發(fā)生突變。

冬季徑流總體呈顯著下降趨勢,由圖9(d)可以看出,冬季徑流量正序列曲線UF統(tǒng)計量在1960—1974年和1982—2021年小于0,徑流量呈下降趨勢,其他時段呈上升趨勢。其中1986—2021年超過0.05置信水平臨界線,徑流量趨勢變化顯著,UF與UB曲線在1987—1988年之間相交,且超過置信臨界線,表明徑流在此期間發(fā)生顯著突變[14-15]。

4 結(jié) 論

運用 Mann-Kendall 檢驗法對密云水庫流域的降水、徑流數(shù)據(jù)進行趨勢檢驗及突變檢驗,得到以下結(jié)論:

a.1960—2021年密云水庫流域降水量和徑流量年際變化較大,存在顯著的季節(jié)特征。多年平均降水量為471.10mm,變化范圍為295.00～665.30mm,2002年和2021年分別達到最小值和最大值,年降水量年際豐枯交替頻繁,旱澇特征較明顯。多年平均徑流量為8.700億m3,變化范圍為1.850億～24.212億m3,2000年和1973年分別達到最小值和最大值,四季徑流量及各季節(jié)年際間具有明顯差異。

b.分析 Mann-Kendall 趨勢檢驗結(jié)果可知,密云水庫流域近62年來,年尺度上降水量M-K趨勢檢驗統(tǒng)計量Z值大于0,流域降水量呈不顯著上升趨勢。年度、汛期和非汛期降水量年際波動性強,汛期、7月和8月降水量呈不顯著下降趨勢,6月和9月呈不顯著上升趨勢,非汛期呈顯著上升趨勢。流域年徑流量總體在波動中呈現(xiàn)明顯遞減的趨勢,各個季節(jié)的徑流量變化趨勢一致,均通過了0.01顯著性檢驗,表明各季節(jié)徑流量下降趨勢顯著。

c.密云水庫流域年降水量和年徑流量均無突變特征。非汛期降水量在1987—1988年和1990—1991年間發(fā)生了突變,降水量趨勢變化顯著。春夏秋冬四季徑流分別在1970—1971年、1990—1991年、1982—1983年和1987—1988年發(fā)生突變。

d.密云水庫流域降水量和徑流量突變特征不一致,降水量突變點較徑流量突變點明顯偏多,說明降水量波動性更大,但總體呈現(xiàn)增加的趨勢。流域徑流量總體呈遞減的趨勢,引起徑流量衰減的主要影響因素是氣候變化和人類活動,特別是人口增加、水利工程建設(shè)、土地利用和土壤結(jié)構(gòu)變化等因素。