1954—2013年漳河上游流域降水演變規(guī)律分析

高云明，王勇，湯欣鋼，林超

（1.海河水利委員會水文局，天津300170；2.海河水利委員會漳河上游管理局，河北邯鄲056006）

1954—2013年漳河上游流域降水演變規(guī)律分析

高云明1，王勇2，湯欣鋼2，林超2

（1.海河水利委員會水文局，天津300170；2.海河水利委員會漳河上游管理局，河北邯鄲056006）

降水是徑流主要來源，直接影響水資源時空分布。為探索漳河上游流域降水演變規(guī)律，根據(jù)流域內(nèi)77個雨量站資料，采用線性回歸法、滑動平均法和Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗法分析流域1954—2013年降水量變化。結(jié)果表明，漳河上游流域降水量年際變化大，極值比約為2.5，總體呈微弱減少趨勢，變化傾向率約為11.1 mm/10a；20世紀70年代以前及21世紀以后高于多年平均值，20世紀80—90年代低于多年平均值；空間分布不均，存在區(qū)域性降水集中明顯現(xiàn)象；年內(nèi)分配不均勻，降水主要集中在汛期，汛期降水量約占全年降水總量的72%。

降水量；趨勢性；空間分布；漳河

1 研究區(qū)概況

漳河位于海河流域西南部，屬漳衛(wèi)河水系一級支流，河長460 km，流域總面積19 220 km2。本次研究主要以漳河山丘區(qū)為研究對象，研究區(qū)面積17 800 km2，稱為漳河上游流域。漳河上游流域地處溫帶半濕潤、半干旱季風氣候區(qū)，夏季受來自海洋暖濕偏南氣流控制，氣候濕熱；冬季盛行北風和西北風，氣候干冷；春季干旱多風沙。年均氣溫7.4～10.3℃，多年平均年降水量564.8 mm，多年平均實測徑流量9.50億m3。漳河上游流域位于山西臺地東側(cè)、太行大背斜上，以山區(qū)地貌為主，東部為太行山脈，西部為太岳山脈，兩山之間是長治盆地，河流橫穿太行山脈，地形總的趨勢西高東低，地面坡度為10‰～0.5‰。

2 資料與方法

2.1 資料

選取流域內(nèi)連續(xù)資料序列超過40年的77個雨量站作為代表站，各站點分布如圖1所示。其中，18個站連續(xù)資料序列超過60年，45個站連續(xù)資料序列超過50年。流域平均降水量采用各代表站算數(shù)平均法計算，雖然連續(xù)資料序列超過60年僅為18個站，但空間分布較均勻，具有一定代表性。

圖1 漳河上游流域水系及雨量站位置

2.2 趨勢分析方法

2.2.1 線性回歸法

通過建立年降水序列（yt）與相應的時序（t）之間的線性回歸方程來判斷年降水序列是否具有遞增或遞減的線性趨勢。線性回歸方程為：

式中：yt為降水序列；t為時序（t=1，2，…，n；n為序列長度）；a為斜率；b為截距。a和b的估算公式為：

式中：yˉ和tˉ分別為yt和t的均值。

2.2.2 滑動平均法

取年降水序列y1，y2，…，yn的幾個前期值和后期值的平均值得到新序列zt，使原序列光滑。數(shù)學表達式為：

若yt具有趨勢成分，選擇合適的k，zt就能把yt的趨勢性特征顯示出來。

2.2.3 Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗法

對年降水序列x1，x2，…，xn（n為樣本數(shù)）來說，所有對偶觀測值（xi，xj）（j＞i）中xi＜xj出現(xiàn)的個數(shù)設為k。順序的（i，j）子集是：（i=1，j=2，3，4，…，n），（i=2，j=3，4，5，…，n），…，（i= n-1，j=n）。如果按順序前進的值全部大于前面的值，這是一種上升的趨勢，k=n（n-1）/2；如果順序全部倒過來，則k=0，為下降趨勢。對無趨勢的年徑流序列來說，k的數(shù)學期望為E（k）=n（n-1）/4。

研究序列有無趨勢成分需進行檢驗，構(gòu)成統(tǒng)計量為：

式中：統(tǒng)計量U稱為Mann-Kendall秩次相關(guān)系數(shù)，當n增加時，U很快收斂于標準正態(tài)化分布。

假設原序列為無趨勢，當給定顯著水平α（這里取0.05）后，在正態(tài)分布表中查出臨界值Uα2。當|U|＜Uα2時，接受原假設，即趨勢不顯著；當|U|＞Uα2時，拒絕原假設，即趨勢顯著。而且，U＞0時序列呈上升趨勢，U＜0時序列呈下降趨勢。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量年際變化分析

漳河上游流域降水量年際變化大，最大、最小年降水量比值約為2.5。經(jīng)統(tǒng)計分析，漳河流域多年平均（1954—2013年）年降水量為564.8 mm。1963年最大，年降水量869.2mm；1997年最小，年降水量347.7mm。

3.1.1 總體趨勢分析

采用線性回歸法粗略判斷降水量年際變化趨勢性，滑動平均法定性判斷趨勢性，Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗法定性且定量判斷趨勢性。

通過1954—2013年漳河上游流域年降水量變化過程線及其5年滑動平均過程線（如圖2所示）及建立的線性回歸方程可以判斷，漳河上游流域降水量年際變化呈階段性高低交錯狀態(tài)，但總體呈減少趨勢，變化傾向率約為11.1 mm/10a。

采用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗法對1954—2013年漳河上游流域年降水序列進行檢驗發(fā)現(xiàn)，Mann-Kendall統(tǒng)計量為-1.17，即統(tǒng)計量小于零，由此判斷1954—2013年漳河上游流域年降水量總體呈減少趨勢；由Mann-Kendall統(tǒng)計量絕對值小于信度為0.05水平的臨界值（查表得U0.052=1.96）判斷，1954—2013年漳河上游流域年降水量序列總體減少趨勢并不顯著。

圖2 漳河上游流域年降水量及其5年滑動平均過程線

3.1.2 年代趨勢分析

根據(jù)漳河上游流域1954—2013年降水量資料統(tǒng)計不同年代平均降水量，見表1，如圖3所示。

表1 漳河上游流域各年代年降水量特征值統(tǒng)計

由表1和圖3可知，漳河上游流域年降水量20世紀60—90年代呈下降趨勢，70年代較60年代下降5.6%，80年代較70年代下降8.3%；80—90年代出現(xiàn)低谷；進入21世紀又呈上升趨勢，21世紀較20世紀90年代上升9.5%。

圖3 漳河上游流域各年代年降水量變化

圖4為漳河上游流域各年代年降水量距平圖。由圖4可知，漳河上游流域年降水量的年代變幅在-7%～9%，20世紀70年代以前及21世紀以后高于多年平均值，20世紀80—90年代低于多年平均值。

圖4 漳河上游流域各年代年降水量距平

3.2 降水量空間分布

漳河上游流域降水量空間分布不均，存在區(qū)域性降水集中明顯現(xiàn)象（如圖5所示）。流域中部為降水高值區(qū)，降水量在650 mm以上，最大降水量為719.0 mm；流域中北部的濁漳河北支和流域中南部濁漳河干流為降水量低值區(qū)，降水量在550 mm以下，最小降水量為446.2 mm；其他地區(qū)在550～650 mm。

圖5 漳河上游流域（1954—2013年）多年平均年降水量等值線

3.3 降水的年內(nèi)分配過程

根據(jù)流域年降水量年代分析結(jié)果，漳河上游流域降水量的年內(nèi)分配按照1954—1979、1980—1999和2000—2013年3個階段進行計算（如圖6所示）。漳河上游流域各時期降水量年內(nèi)分配特點基本一致：年內(nèi)不均勻；降水主要集中在汛期（6—9月），1954—1979、1980—1999和2000—2013年汛期降水量占全年降水量的比例分別為75.1%、72.9%和74.0%；7月降水量全年最大，1954—1979、1980—1999和2000—2013年7月降水量占全年降水量的比例分別為29.0%、25.6%和26.6%，不同時期降水差異在7月最明顯。

圖6 漳河流域不同時期降水量年內(nèi)分配過程

4 結(jié)論

在海河流域，降水是水資源的主要來源，研究降水時空變化對防洪減災、優(yōu)化流域水資源配置和推進實施最嚴格水資源管理制度具有重要意義。通過對漳河上游77個雨量站1954—2013年降水量資料分析，得出如下結(jié)論：

（1）漳河上游流域降水量年際變化大，最大、最小年降水量比值約2.5。

（2）綜合滑動平均法、線性回歸法和Mann-Kend?all秩次相關(guān)檢驗法分析成果為：1954—2013年漳河上游流域年降水量年際變化呈階段性高低交錯狀態(tài)，但總體呈微弱減少趨勢，變化傾向率約為11.1mm/10a。

（3）漳河上游流域年降水量20世紀60—90年代呈下降趨勢，80—90年代出現(xiàn)低谷，進入21世紀又呈上升趨勢；20世紀70年代以前及21世紀以后高于多年平均值，20世紀80—90年代低于多年平均值。

（4）漳河上游流域降水量空間分布不均，存在區(qū)域性降水集中明顯現(xiàn)象。

（5）漳河上游流域降水量年內(nèi)分配不均勻，降水主要集中在汛期（6—9月），7月降水量全年最大。

[1]張建云，王國慶.河川徑流變化及歸因定量識別[M].北京：科學出版社，2014.

[2]段文軍，王金葉，張立杰，等.1960—2010年漓江流域降水變化特征研究[J].水文，34（5）：88-93.

TV121+.1

A

1004-7328（2015）05-0001-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.05.001

2015-05-05

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201201091）

高云明（1962—），男，教授級高級工程師，主要從事水文水資源管理工作。