關中地區降水特征及其對旱澇災害的影響

張奇瑩, 徐盼盼, 錢 會

(1.長安大學 環境科學與工程學院, 西安 710054; 2.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室, 西安 710054)

關中地區降水特征及其對旱澇災害的影響

張奇瑩1,2, 徐盼盼1,2, 錢 會1,2

(1.長安大學 環境科學與工程學院, 西安 710054; 2.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室, 西安 710054)

為了減少關中地區降水引發的旱澇災害帶來的損失，基于關中地區各市站30～60 a的降水量數據，運用數理統計并結合Mann-Kendall突變檢驗法對該地區降水量的Z指數進行了分析，就關中地區降水對旱澇災害的影響做了研究。結果表明：(1) 關中地區降水量相對比較豐富，但極差較大，易出現旱澇災害，旱澇發生的總年份占研究序列的41.33%。其年內旱澇程度的分布與年際基本一致，但各地區分布又不盡相同。(2) 關中地區冬春季Z指數朝著干旱化的趨勢發展，且春旱更嚴重；夏秋季旱澇災害均易發生且頻繁，為主要的防災期。(3) 關中地區的旱澇變化交替出現，但總體趨勢正在向著偏旱的趨勢發展。該研究為關中地區旱澇災害的防治提供了一定的科學依據。

關中地區; Mann-Kendall突變檢驗;Z指數; 降水特征; 旱澇災害

關中地區是地塹式構造平原，位于陜西省中部的黃河流域內，地理坐標為東經107°30′—110°37′，北緯34°00′—35°40′，總面積1.9萬km2，約占陜西省面積的10%，包括西安、寶雞、咸陽、渭南、銅川五市，有“八百里秦川”的美譽。關中地區處于暖溫帶半濕潤與半干旱氣候的過渡地帶，屬大陸性季風氣候區，四季分明，土地肥沃，氣候溫暖，是陜西省工農業生產和經濟發展的重點地區[1]。近年來，全球氣候不斷變化，冰川積雪融化、海平面上升、荒漠化、水土流失等問題相繼出現，這些無一不證明了多數的自然系統正受區域氣候變化，尤其是受到氣溫升高的影響[2-3]。而降水作為氣候變化中最主要和最易受干擾的因子，變化存在著多樣性和隨機性，隨著極端天氣事件的出現，旱澇災害的發生也日趨頻繁[4-5]。旱澇災害的發生對農業生產和人們生活的危害極大：旱災會使農作物生長受損，糧食減產；澇災輕則使作物生長不良，降低土壤肥力，影響排灌效能，重則引起溝塌岸垮，水土流失，淹沒農田和民居，傷及人畜，給生命財產和社會經濟帶來不可估量的損失[6]。蔡新玲等[7]利用1961—2011年23個氣象站的逐時降雨量資料，分析了陜西省汛期降雨時數、小時雨強、極端強降雨時數和極端降水強度的時空變化，表明極端強降雨時數和降雨量顯著增多，增大了滑坡、泥石流等災害的發生；高盼盼[8]在關中盆地降雨量預測及其在干旱研究中的應用一文中對關中平原未來時段的降雨量做了預測，識別并評價了關中平原的干旱狀況，為關中平原干旱預警體系的建立奠定了基礎；雷向杰等[9]對關中地區旱澇演變規律和21世紀旱澇特點進行了分析，結果表明，近50多年關中地區旱澇變化總趨勢為降水減少，干旱日數增多，農業干旱趨于嚴重。

旱澇災害是全世界范圍內發生頻率最大的自然災害之一，受到了廣大學者的密切關注[10-12]。它的危害性極大，尤其是在農業方面，而它的發生與降水的多少息息相關，對于中國這樣一個農業大國來說，需要我們做好防澇抗旱工作；而且旱澇災害引發的地質問題所帶來的生態環境的破壞和經濟損失也是十分巨大。因此，為了對關中地區旱澇災害的預報提供科學依據，對水土流失起到相應的預防和治理效果，從而減輕災害造成的損失，較好地保護關中地區的環境生態系統，研究該地區的降水變化及其對旱澇災害的影響顯得極為重要。

1 資料和方法

1 資 料

本文選用關中地區西安(108.95°E，34.27°N)、寶雞(107.15°E，34.38°N)1951—2013年和銅川(109.11°E，35.09°N)1955—2013年及渭南(109.5°E，34.52°N)、咸陽(108.72°E，34.36°N)1985—2013年的降水資料，關中地區整體的降水資料來源于這5個站點降水數據的平均值。

1.2 方 法

(1) 數理統計。本文主要統計降水量的平均值、極差、變差系數和偏態系數。變差系數Cv表明序列的離散程度，其值越大，序列的離散程度越大。偏態系數Cs反映序列在均值兩邊的對稱程度，Cs大于0，稱正偏分布，反之，稱負偏分布。

(2)Z指數。研究旱澇等級的劃分有多種指標[13-14]：降水距平百分率、旱澇指數、帕爾默指數、Z指數等。張存杰等[15]對西北地區的旱澇指標做了研究，發現修正后的Z指數更適合于西北地區旱澇級別的劃分。故本文選用計算相對簡單又具有說服力的修正的Z指數進行旱澇等級的劃分，其劃分結果見表1[15]。

表1 以Z指數為指標的旱澇等級

(3) Mann-Kendall檢驗。在時間序列趨勢分析中，M-K檢驗法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數檢驗方法[16]。M-K檢驗法不需要樣本遵從一定的分布，不需要做統計分析，也不受少數異常值的干擾，變量可以不具有正態分布特征，因此在水文變量趨勢檢驗的適用性很強[17]。該方法在已有文獻中介紹頗多，這里不再贅述。

2 結果與分析

2.1 關中地區降水特征

由表2可知，銅川市年降水量的Cv值最小，渭南市的最大，說明降水的離散程度在銅川市最集中，渭南市最分散，關中地區年降水量Cv值為0.217，與各市站相比，可看出關中地區降水較集中；而對于年降水量Cs值來說，各市站值均都大于0，說明關中地區降水主要集中在小于均值的部分。各市站年降水量特征統計與圖1箱型圖顯示的變化一致。結合圖1可知，各地區年際降水量差值很大，極易引起旱澇災害；西安降水異常偏多的年份為1983年和2003年，咸陽為2003年、2007年和2011年，關中為2003年與2011年，這些均顯示了在時間分布上具有一致性，這與關中盆地氣候背景的影響息息相關。

關中各地區的年降水量傾斜率和Z值對其趨勢變化的判斷具有一致性，西安、銅川和寶雞降水呈減少的趨勢，西安與寶雞的減少趨勢顯著，通過了90%的置信度檢驗；渭南、咸陽與關中整體的降水呈增加的趨勢，但趨勢不顯著。可知關中地區整體的降水量在減少，這與雷向杰等[9]的研究一致。

表2 關中地區年降水量特征統計

注：*表示通過了90%的置信度檢驗。

圖1 關中地區年降水量箱形圖

2.2 關中地區旱澇等級的分布

依據Z指數對關中地區各市站旱澇等級的分布情況進行統計，見表3。由表3可知，關中地區年際旱澇程度為正常的年份約占研究序列的58.67%；洪澇以大澇為主，其次為重澇、偏澇；干旱以大旱為主，

其次偏旱，重旱很少發生。該地區年內旱澇程度的分布基本與年際的一致，均表現為正常年份為主，但各地區旱澇程度的分布不盡相同，見表4。可見，該地區旱澇發生頻繁，極易造成旱澇災害，對經濟造成一定程度的負面影響，旱澇災害的嚴重程度與該負面影響呈現一定的正相關性，會直接阻礙農村經濟的發展[18-19]。

表3 關中地區年際旱澇等級的分布情況 %

表4 關中地區各市年內旱澇的分布情況

2.3 關中地區的旱澇變化趨勢

2.3.1 旱澇趨勢的年內變化特征 由圖2可知，關中地區年內季節旱澇變化既有一致性，又有差異性。各地區旱澇現象在時間上的分布較為統一，旱澇災害基本都集中在夏秋季，為主要的防災時期；春冬季多數出現異常干旱，容易發生旱災。在不同地區差異性表現出異常年份的情況不一樣，銅川沒有異常旱澇的年份，而咸陽出現的年份最多，說明咸陽市旱澇災害頻繁，應該引起關注，其他地區介于二者之間。由表5可知，關中地區冬春兩季降水量的Z指數變化呈減小的趨勢，且春季減小的速率較快，夏秋季節的降水量Z指數呈現上升的趨勢。說明冬春季正朝著干旱化的趨勢發展，且春旱較為嚴重，夏秋兩季降水量朝著增加的趨勢發展，易引發澇災。除冬季外，與基于M-K的趨勢檢驗得到的結論基本一致，變化趨勢均不顯著。冬季Z指數趨勢變化檢驗結果出現不一致的原因可能是因為冬季旱澇趨勢的發展方向不明確，呈波動的狀態。

表5 關中地區季節降水的Z指數趨勢變化的M-K檢驗

2.3.2 旱澇趨勢的年際變化特征 關中地區各市站多年降水量Z指數的年際變化趨勢見圖3。渭南市整個研究序列呈偏澇的狀態，說明該地區降水充沛，干旱不易發生；其他地區的旱澇趨勢呈階段性變化，具體特征見表6。結合表7印證了由圖3得到的結論，渭南與咸陽呈偏澇的趨勢，而銅川、寶雞與西安呈干旱化的趨勢，西安的干旱化趨勢最為顯著，達到了95%的置信度檢驗?？偟膩碚f，關中地區的旱澇變化整體向干旱化的趨勢發展，過程中有一定的波動，呈現周期性的變化，使得澇災也時常發生。

表6 關中地區各市站旱澇突變分析表

表7 關中地區年降水的Z指數趨勢變化的M-K檢驗

注：**表示通過了95%的置信度檢驗。

3 結 論

(1) 關中地區降水分布的整體水平處于小于均值的狀態，與西北其他地區相比，降水量相對比較豐富，但極差較大，年際分布不均勻。西安、寶雞與銅川降水量呈減少的趨勢，渭南與咸陽呈增加的趨勢，其中渭南的降水量較豐。

(2) 關中地區年際旱澇程度為正常的年份約占研究序列的58.67%，干旱以大旱為主，洪澇以大澇為主。年內旱澇程度的分布與年際基本一致，但各地區的旱澇程度的分布不盡相同。咸陽市Z指數箱型圖的異常點較多，是旱澇現象頻繁發生的地區。

圖3Z指數的Mann-Kendall突變檢驗

(3) 關中地區旱澇趨勢的年內變化：冬春季和夏秋季降水量的Z指數呈相反的趨勢，冬春季朝著干旱化的趨勢發展，且春旱較為嚴重；而在夏秋季時旱澇災害均易發生，為主要的防災期；年際變化：旱澇變化交替出現，但總體趨勢正在向著干旱的方向發展，雖然旱災在加劇，但潛在的洪水災害威脅依然十分嚴重。

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CharacteristicsofPrecipitationandItsInfluenceonDroughtandFloodDisasterinGuanzhongArea

ZHANG Qiying1,2, XU Panpan1,2, QIAN Hui1,2

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang′anUniversity,Xi′an710054,China;2.KeyLaboratoryofSubsurfaceHydrologyandEcologyinAridAreas,MinistryofEducation,Xi′an710054,China)

In order to reduce drought and flood disaster losses caused by the precipitation in Guanzhong area, based on the precipitation data of each city in Guanzhong area during 30～60 years, theZindex of precipitation in this region was analyzed by mathematical statistics and Mann-Kendall mutation test and the influence of precipitation on flood disaster in Guanzhong area was studied. The following conclusions are drawn. (1) The precipitation was relatively rich and had a large range which was prone to cause drought and flood disasters, and the years of drought and flood disasters accounted for 41.33% of the sequence. The years and annual distribution of drought and flood were basically the same, but the regional distribution was not same among the regions. (2) There was a drought tendency in the winter and spring, and drought was more serious. On the contrary, drought showed an increasing trend summer and autumn, however, drought and flood disasters were easy to occur and frequent. (3) The variation of flood and drought appeared alternately, but the overall trend was toward the direction of the development of drought. This study can provide a scientific basis for the prevention and control of flood and drought in Guanzhong area.

Guanzhong area； Mann-Kendall mutation testing；Zindex； precipitation characteristic；drought and flood disaster

2017-02-08

：2017-02-28

水利部公益性行業科研專項經費項目“渭河中下游干旱預警與應急水源配置”(201301084)

張奇瑩(1993—),女,寧夏彭陽縣人,碩士研究生,主要從事水文地質方面的研究。E-mail:1274075125@qq.com

錢會(1963—),男,陜西咸陽人,教授,博導,主要從事水文地質方面的研究。E-mail:55480981@qq.com

P426.616

：A

：1005-3409(2017)05-0222-05