洞庭湖區降水與徑流特征分析

周牡丹

(湖南省聯宏水利科技有限公司，湖南 株洲 412007)

隨著全球氣候變暖，極端水文事件的發生更加復雜多變，給人類生活和社會生產帶來巨大影響[1-2]。近年來，眾多學者利用各種方法對國內外各區域的降水和徑流特征進行了分析研究[3-5]。洞庭湖是長江流域重要的湖泊，擁有強大的調蓄能力，本文根據橫板橋水文站1980—2014年近35年的實測降水和徑流資料，對洞庭湖上游地區的降水和徑流的變化特性進行分析，對于洞庭湖區水資源的合理配置、區域可持續發展以及安全度汛具有重要意義。

1 概 況

橫板橋水文站位于湖南省溆浦縣橫板橋鎮紅星村，集水面積31.4km2，屬于沅江水系，是洞庭湖區四大水系之一。設站目的主要是為了收集洞庭湖區上游小面積區域的暴雨洪水資料，探索自然情況下當地的產匯流參數受地區和下墊面變化影響的規律。橫板橋水文站始建于1959年12月，由湖南省水文總站設為龍潭徑流站橫板橋點，1979年12月改為小河水文站至今。設站以來實測最高洪水位3.25m，發生于1979年6月27日；次高洪水位為3.22m，發生于1995年6月30日。

2 研究方法

2.1 不均勻系數

不均勻系數是反映降水或徑流在年內分布不均勻程度的指標。其計算公式為

計算得出的不均勻系數越大，表示降水或徑流在年內的分配越不均勻。

2.2 集中度及集中期

集中度(PCD)和集中期(PCP)是一種將降水(徑流)量當作矢量來進行分析的方法，矢量的大小和方向就是月降水(徑流)量的大小和時間[6]。計算公式為

式中：R為年降水(徑流)量；Rx、Ry分別為12個月降水(徑流)量的分量之和所構成的水平分量和垂直分量；θi為第i月降水(徑流)量的矢量角度。

集中度(PCD)取值在0～1之間，PCD值越大，說明分析的降水(徑流)分布越集中在某個時段內；相反，PCD值越小，說明該段降水(徑流)分布得越均勻。集中期(PCP)則是反映降水(徑流)量最大值出現的時段。

2.3 Mann-Kendall法趨勢檢驗

Mann-Kendall法趨勢檢驗計算公式為

式中：S為正態分布的檢驗統計變量；xi和xj分別為同一樣本中不同分布的兩個系列，其中1≤j

2.4 Mann-Kendall法突變檢驗

Mann-Kendall檢驗法用于檢驗序列突變時，對具有n個樣本量的序列X，其順序列結構為

統計量的計算公式為

根據時間序列Xn，Xn-1，…，X1的逆序排列，重復上述過程得出逆序列統計量，使UBk=-UFk，k=n+1-k，k=1，2，3，…，n，得到逆序列統計量UBk。

對UBk和UFk進行曲線繪制，如果兩條曲線在置信區間|U|≤1.96中存在交點，則這些交點就是該序列置信度水平為0.05的突變點[7]。

3 結果與分析

3.1 年內分配分析

橫板橋水文站降水存在明顯的季節性差異，降水量在年內的分配極不均勻。根據橫板橋水文站1980—2014年的降水和徑流的各月多年平均值繪制降水和徑流的年內分配柱狀圖(見圖1)。由圖1可以看出，1980—2014年的35年間，降水量少的月份有9—12月、1—3月，這些月份降水量僅占全年的37.2%，4—8月降水量較大，占全年降水量的62.8%；其中以5月、6月最多，分別為216.99mm和260.96mm，分別占全年降水量的14.0%和16.9%；最小降水量在12月，僅47.4mm，占全年降水量的3.1%。

圖1 橫板橋水文站1980—2014年降水、徑流年內分布情況

徑流年內分配特征與降水的年內分配特征有較好的同步性，年內分配不均勻。年內徑流集中分布在4—8月，6月徑流量最大，為456.96萬m3，占全年總徑流量的15.7%；冬季(12月至次年2月)徑流量最少。

3.2 不均勻系數分析

橫板橋水文站降水和徑流的年內分配不均勻系數計算結果見圖2。從圖2中可以看出，該區域降水量年內分配不均勻系數年際變化較為明顯，35年間不均勻系數變化范圍在0.037～0.079之間，在2000—2010年較為穩定，最大值出現在1995年，最小值出現在1997年。總的來說，35年來降水不均勻系數呈增加趨勢，其中1980—2000年增加趨勢較為明顯，2000年之后呈現下降趨勢。

圖2 橫板橋水文站1980—2014年降水、徑流不均勻系數

由圖2可以看出，該區域徑流量年內分配不均勻系數年際變化與降水相比有一定的同步性。35年間不均勻系數變化范圍在0.031～0.070之間，最大值出現在1996年，最小值出現在1990年。總的來說，35年來徑流不均勻系數呈遞增趨勢，在2003—2008年徑流量分布較為均勻。相比降水量不均勻系數曲線來看，在1980—1990年，徑流年內分配不均勻系數年際變化與降水變化趨勢一致，且基本完全同步；在1990—2014年，徑流的年內分配不均勻系數年際變化逐漸出現了一定程度的滯后。此外，在2000年之前，徑流與降水的不均勻系數變化趨勢基本一致，均為增加趨勢，變化程度也基本相同；在2000年之后，徑流與降水的不均勻系數均呈現明顯的下降趨勢，徑流的不均勻系數的下降趨勢相比降水更加明顯。

3.3 集中度和集中期分析

降水和徑流的集中度及集中期計算結果見圖3、圖4。從圖3可以看出，橫板橋水文站的降水集中度變化與不均勻系數變化趨勢較為一致，降水集中度變化在0.18～0.47之間，多年平均降水集中度為0.34。其中1980年、1986年、1988年、1992年、1995—1996年、1998—1999年、2001—2004年、2006—2007年、2009—2011年及2014年的降水集中度都大于平均值，表明這些年份的降水趨于集中。其余年份的降水集中度都低于平均值，因而它們的降水分布相對均勻。35年中降水集中度高于多年平均值的有18年，有17年低于多年平均值，其中的最大值為1999年的0.48，最小值為1997年的0.18。在2000年之前，降水的集中度呈現增加趨勢；在2000年之后，降水的集中度呈現下降趨勢。

圖3 橫板橋水文站1980—2014年降水、徑流集中度年際變化

圖4 橫板橋水文站1980—2014年降水、徑流集中期年際變化

徑流集中度與降水集中度變化情況基本一致，35年中徑流集中度高于多年平均值的有17年，低于多年平均值的有18年，其中最大值為2014年的0.45，最小值為1997年的0.15。在2000年之前，徑流的集中度呈現增加趨勢，與降水集中度相比增加趨勢基本一致；在2000年之后，徑流的集中度呈現下降趨勢，與降水集中度相比下降趨勢更加明顯。說明降水和徑流的集中程度不穩定，年際變化較大，近年來降水和徑流的集中程度都有下降趨勢，徑流集中程度的下降趨勢更加明顯。

從圖4可以看出，35年來橫板橋水文站降水集中期波動于109～187之間，大部分在145附近波動，說明其降水主要集中在6月初。徑流的集中期波動于108～221之間，大部分在155附近波動，說明其徑流主要集中在6月中下旬，相比降水有一定的滯后性。

3.4 變化趨勢分析

結合橫板橋水文站1980—2014年實測降水和徑流數據，根據Mann-Kendall非線性檢驗方法對該區域變化趨勢進行分析，分析結果見圖5。從圖5可以看出，橫板橋水文站35年來降水量呈輕微的上升趨勢，其Mann-Kendall統計值為0.5396，未通過Mann-Kendall置信度為90%的顯著性檢驗，說明其變化趨勢不顯著。橫板橋水文站35年來的徑流量呈現比較明顯的下降趨勢，其Mann-Kendall統計值為-1.6473，達到了95%的置信度水平，減小趨勢顯著。

圖5 橫板橋水文站1980—2014年降水、徑流年際變化趨勢

3.5 突變分析

對橫板橋水文站近35年時間序列進行Mann-Kendall檢驗，分析其突變情況，分析結果見圖6、圖7。由圖6可以看出，該地降水在2000年左右發生突變，在2000年之前呈現出波動變化，2000年之后呈現下降趨勢。由圖7可以看出，該地徑流在1985年和2010年左右發生了突變，在2010年之后下降趨勢較為明顯。突變情況與變化趨勢情況基本一致。

圖6 橫板橋水文站1980—2014年降水量Mann-Kendall突變分析

圖7 橫板橋水文站1980—2014年徑流量Mann-Kendall突變分析

4 結 語

本文采用不均勻系數、集中期和Mann-Kendall檢驗等多種分析方法對洞庭湖上游橫板橋水文站近35年的降水和徑流實測資料進行了綜合分析，對其降水與徑流的特征進行了研究。經過分析可以發現，徑流量很大程度上受降水量的影響。雖然下墊面對徑流的影響逐年增大，對徑流的調蓄作用越來越明顯，人類活動對徑流的影響也在逐漸加劇，但降水仍然是影響徑流的主要原因。因此在日常工作中仍需加強對降水的預測預報以及區域內降水與徑流之間關系的分析研究，這對防汛減災、水資源開發利用以及區域可持續發展都具有重要意義。