漓江上游小溶江水庫(kù)流域降雨變化分析

許景璇

（桂林水文中心，廣西 桂林 541000）

0 引言

桂林是享譽(yù)中外的旅游勝地，漓江是桂林風(fēng)景的靈魂，然而漓江流域汛期洪澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響桂林旅游的發(fā)展。近年來，漓江上游建成青獅潭、斧子口、川江和小溶江等水庫(kù)，形成漓江上游水庫(kù)群。水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度，共同發(fā)揮攔蓄洪水、錯(cuò)峰泄洪等功能，桂林城區(qū)的防洪壓力得以減輕。

降雨是導(dǎo)致漓江流域洪澇災(zāi)害的重要影響因素，在全球氣候變暖和人類活動(dòng)加劇的背景下，漓江流域降雨變化特征更趨于復(fù)雜。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于不同區(qū)域降雨變化特征的分析已有許多的研究成果，而關(guān)于漓江上游水庫(kù)流域氣候變化特征的相關(guān)研究較少。小溶江水庫(kù)作為漓江上游重要水庫(kù)之一，其運(yùn)行調(diào)度在漓江上游水庫(kù)群防洪調(diào)度中發(fā)揮著舉足輕重的作用。故深入研究小溶江水庫(kù)流域降雨變化特征，探討漓江流域氣候變化對(duì)于水文水資源的影響以及進(jìn)一步制定流域防洪對(duì)策具有重要現(xiàn)實(shí)意義。鑒于此，本文基于漓江上游小溶江水庫(kù)流域1979-2018年的降雨資料，采用線性趨勢(shì)、Mann-Kendall分析法和小波分析法等分析其趨勢(shì)、突變及周期特征，以期為漓江流域防洪調(diào)度及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

漓江屬珠江流域西江水系，為西江支流桂江上游河段的通稱，位于廣西壯族自治區(qū)東北部，發(fā)源于桂林市興安縣西北部的貓兒山，自北向南依次流經(jīng)興安縣、靈川縣、桂林市城區(qū)、陽(yáng)朔縣和平樂縣，漓江上游是指桂林水文站以上的河段，主要由干流大溶江以及靈渠、小溶江、甘棠江、桃花江、南溪河等支流組成，是桂林市的重要水源地[1]。

漓江上游現(xiàn)在主要有青獅潭、小溶江、川江、斧子口4座大中型水庫(kù)，4座水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行，汛期洪水調(diào)度，枯水期補(bǔ)水調(diào)度，可使桂林市的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高至100年一遇[2]。

圖1 研究區(qū)域及雨量站點(diǎn)分布圖

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

（1）數(shù)據(jù)來源。選用小溶江水庫(kù)流域內(nèi)金石、硯田、塔邊3 個(gè)雨量站40年（1979-2018年）的降雨資料對(duì)漓江上游小溶江水庫(kù)流域的降雨變化進(jìn)行分析。

（2）分析方法。對(duì)小溶江水庫(kù)流域內(nèi)3個(gè)雨量站40年的降雨資料進(jìn)行趨勢(shì)變化、突變特征及周期特征的研究。采用線性趨勢(shì)、Mann-Kendall 趨勢(shì)分析法[3]進(jìn)行趨勢(shì)分析，通過Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)法[4]進(jìn)行突變檢驗(yàn)，應(yīng)用小波分析法[5]進(jìn)行周期分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨變化趨勢(shì)分析

采用線性趨勢(shì)分析法對(duì)金石、硯田、塔邊雨量站的降雨序列進(jìn)行趨勢(shì)分析，結(jié)果見圖2。

圖2 小溶江水庫(kù)流域降雨變化趨勢(shì)圖

表1 小溶江水庫(kù)流域降雨變化趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

由圖2 可知，1979-2018年小溶江水庫(kù)流域內(nèi)金石雨量站的降雨呈下降趨勢(shì)，下降速率為1.73，年降雨量平均值為2 641.6 mm，最大值出現(xiàn)于1998年，最大降雨量多達(dá)3 650.1 mm，最小值出現(xiàn)于2007年，最小降雨量?jī)H為1 943.0 mm。而硯田、塔邊雨量站的降雨均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，上升速率分別為12.44 和26.24，硯田站年降雨量平均值為2 805.0 mm，最大值出現(xiàn)于2015年，最大降雨量為3 885.5 mm，最小值出現(xiàn)于2007年，最小降雨量為2 047.0 mm；塔邊站降雨量平均值為2 622.0 mm，最大年降雨量為2015年的3 831.5 mm，最小年降雨量為2007年的1 411.9 mm。

采用Mann-Kendall 趨勢(shì)分析法進(jìn)一步分析小溶江水庫(kù)流域內(nèi)金石、硯田、塔邊雨量站降雨變化趨勢(shì)的顯著性程度，分析結(jié)果見表1。經(jīng)計(jì)算，在顯著性水平α=0.05時(shí)，金石、硯田、塔邊雨量站降雨量的Mann-Kendall 秩相關(guān)檢驗(yàn)值U分別為-0.027、1.563和3.444。說明金石站的降雨呈不顯著的下降趨勢(shì)，硯田站的降雨呈不顯著的上升趨勢(shì)，塔邊站的降雨呈上升趨勢(shì)且上升趨勢(shì)顯著。

3.2 降雨突變分析

采用Mann-Kendall 突變分析法對(duì)金石、硯田、塔邊雨量站的降雨序列進(jìn)行突變分析，結(jié)果見圖3。

由圖3 可知，金石站降雨序列的UF 曲線和UB曲線在1991年之前、2000年和2017年前后均出現(xiàn)相交現(xiàn)象，考慮到1991年之前太過靠近于序列前端，而2017年則太靠近序列末端，作為突變年則結(jié)果可靠性不強(qiáng)，所以將2000年作為金石降雨出現(xiàn)突變的時(shí)間較為合理。對(duì)硯田站的降雨序列進(jìn)行Mann-Kendall 突變分析發(fā)現(xiàn)，曲線UF 和曲線UB相交于2011年，表明硯田降雨序列突變點(diǎn)為2011年。塔邊站降雨序列的曲線UF 和曲線UB 在1989年存在明顯的相交現(xiàn)象，表明塔邊降雨序列在1989年發(fā)生突變。

圖3 降雨突變分析結(jié)果圖

3.3 周期分析

采用小波分析法對(duì)金石、硯田、塔邊1979-2018年降雨序列進(jìn)行周期性研究，首先對(duì)降雨序列的小波系數(shù)實(shí)部值進(jìn)行計(jì)算，利用Matlab 軟件對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步處理和修飾，得到圖4 的降雨小波系數(shù)實(shí)部等值線圖，其中橫坐標(biāo)表示年份，縱坐標(biāo)表示時(shí)間尺度即周期，由此可以觀察降雨序列在逐年尺度下的變化特征。

圖4 降雨小波系數(shù)實(shí)部等值線圖

由圖4 可知，金石站降雨存在3～10 a、17～24 a周期，硯田站降雨存在2～6 a、16～21 a 周期，塔邊站降雨存在5～8 a、15～23 a周期。

繪制小波方差圖，通過小波方差進(jìn)一步分析金石、硯田、塔邊降雨序列的主周期，從而揭示降雨序列的變化情況，結(jié)果見圖5。由圖5可知，金石站降雨小波方差存在兩個(gè)比較明顯的峰值，依次為8 a和23 a，其中23 a所對(duì)應(yīng)的峰值最大，說明23 a周期震蕩最強(qiáng)，為金石站降雨序列的第一主周期，8 a 尺度對(duì)應(yīng)的峰值次之，則8 a時(shí)間尺度為第二主周期；同理，硯田站降雨小波方差的第一主周期為19 a，第二主周期為5 a；塔邊站降雨小波方差的第一主周期為22 a，第二主周期為17 a，第三主周期為6 a。

圖5 降雨小波方差圖

4 結(jié)論

（1）通過線性趨勢(shì)分析法和Mann-Kendall 趨勢(shì)分析法得出，1979-2018年小溶江水庫(kù)流域內(nèi)，金石站降雨呈不顯著的下降趨勢(shì)，下降速率為1.73；硯田站降雨呈不顯著的上升趨勢(shì)，上升速率為12.44；塔邊站降雨呈顯著的上升趨勢(shì)，上升速率為26.24。

（2）經(jīng)Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)，初步判定金石、硯田、塔邊3個(gè)雨量站的降雨序列分別在2000、2011年和1989年發(fā)生突變。

（3）采用小波分析法對(duì)金石、硯田、塔邊1979-2018年降雨進(jìn)行周期性研究，結(jié)果表明，金石站降雨存在3～10 a、17～24 a 周期，其中23 a 為金石降雨序列第一主周期，8 a 為第二主周期；硯田站降雨存在2～6 a、16～21 a周期，第一主周期為19 a，第二主周期為5 a；塔邊站降雨存在5～8 a、15～23 a周期，第一主周期為22 a，第二主周期為17 a，第三主周期為6 a。