黃岡河湯溪水庫(kù)1985～2019年降雨特征分析

吳梓賢 WU Zi-xian

（廣東省水文局潮州水文測(cè)報(bào)中心，潮州 515200）

0 引言

流域或區(qū)域降雨特征的研究一直是國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)。王亦塵等[1]通過線性回歸分析法、累積距平法等對(duì)北京市1950～2017年汛期逐日降雨資料進(jìn)行了分析，系統(tǒng)研究了北京市汛期降雨特點(diǎn)；馮慶華等[2]等采用Mann-Kendall（簡(jiǎn)稱MK檢驗(yàn)法）和皮爾遜III型曲線法研究得出淮南站近49年來降水量呈微弱的下降趨勢(shì)；李斌等[3]使用累積距平法、滑動(dòng)平均法和線性傾向估計(jì)法分析了渭河流域的降雨量和徑流變化資料，發(fā)現(xiàn)渭河流域降水多集中在夏、秋兩季，且流域西部和北部暴雨強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)。曾志平[4]利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和空間分析方法，選用14個(gè)極端降水指數(shù)分析了清遠(yuǎn)市極端降水時(shí)空變化特征。

對(duì)降雨特征的研究與掌握，一方面有助于指導(dǎo)地區(qū)的防汛抗旱工作，另一方面也有助于區(qū)域洪水預(yù)報(bào)的開展。目前，對(duì)黃岡河湯溪水庫(kù)降雨特征的研究較少，因此有必要對(duì)其降雨特征進(jìn)行研究，以指導(dǎo)地區(qū)防汛抗旱和洪水預(yù)報(bào)工作的開展。

1 區(qū)域概況

湯溪水庫(kù)于1958年11月至1959年12月興建，位于潮州市饒平縣湯溪鎮(zhèn)境內(nèi)，地處黃岡河中游，是廣東省第三大水庫(kù)，也是粵東地區(qū)庫(kù)容最大的水利工程，為潮州市饒平縣黃岡河中下游地區(qū)的生活和農(nóng)業(yè)灌溉水源。湯溪水庫(kù)總面積16.67km2，最大容量為3.78億m3，總裝機(jī)容量為2×4000kW，年發(fā)電量2300萬kW·h[5]。湯溪水庫(kù)的集雨區(qū)為黃岡河流域，該河發(fā)源于饒平縣西北部與潮州市、豐順縣的交界處，上游多山嶺，由發(fā)源于九峻山的東溪、發(fā)源于桃源諸山的北溪和發(fā)源于梅峰的南溪三水匯聚而成。湯溪水庫(kù)主壩水電站距離下游湯溪水文站約1.1km，控制了黃岡河667km2的集水面積，占黃岡河流域面積的40.5%。流域內(nèi)共有11個(gè)雨量站，均為遙測(cè)自動(dòng)站，相應(yīng)的水文站點(diǎn)分布圖見圖1。

近年來，隨著城市的持續(xù)發(fā)展和人口的快速增加，湯溪水庫(kù)作為饒平縣唯一的大型水庫(kù)，其供水、發(fā)電、灌溉和防洪的作用日益突出，對(duì)饒平縣防洪抗旱和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要的作用。而城市的發(fā)展也導(dǎo)致著氣候、下墊面條件的改變，市內(nèi)建設(shè)的高速發(fā)展，人口數(shù)量的增加，城市規(guī)模的擴(kuò)大，不僅影響了區(qū)域降雨規(guī)律[2]，也增加了城市防汛抗旱的難度。暴雨是黃岡河流域洪水的主要成因，黃岡河中上游多山地丘陵，強(qiáng)降水也經(jīng)常導(dǎo)致泥石流、滑坡等的發(fā)生。作為黃岡河流域防洪調(diào)度的主要水庫(kù)，對(duì)湯溪水庫(kù)進(jìn)行降雨特征和規(guī)律的研究尤為必要，可為湯溪水庫(kù)的安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐和資料保證[5]，有助于指導(dǎo)黃岡河的防汛抗旱工作提供有力的保障。

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

考慮資料連續(xù)性與時(shí)間序列長(zhǎng)度，本文選取廣東省水文局整編的黃岡河湯溪水庫(kù)上游8個(gè)雨量站1985～2019年逐日降水資料作為分析數(shù)據(jù)，資料來源可靠，數(shù)據(jù)連續(xù)完整，不存在缺測(cè)和漏測(cè)情況；站點(diǎn)空間分布均勻，能較好地反映黃岡河湯溪水庫(kù)降雨特征。

2.2 研究方法

①累積距平法。

累積距平法是一種常見的由曲線來直觀判斷要素變化趨勢(shì)的方法[6]，其具體計(jì)算方法是：

對(duì)某一要素序列xi，其時(shí)刻t的累積距平值為：

②MK檢驗(yàn)法。

MK檢驗(yàn)法是由Mann于1945年提出的用于檢測(cè)時(shí)間序列的方法[7]，是被世界氣象組織（WTO）推薦并已被廣泛采用的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，其優(yōu)點(diǎn)是不要求樣本服從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，計(jì)算也比較簡(jiǎn)便[8]。

MK檢驗(yàn)法的計(jì)算原理是：對(duì)某一要素序列xi，其對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)量Sk的計(jì)算公式為：

式中：n為序列的長(zhǎng)度；sgn（xi-xj）為符號(hào)函數(shù)，其具體計(jì)算規(guī)則為：

定義新的統(tǒng)計(jì)變量UFk：

式中：E（Sk）和Var（Sk）分別為Sk的均值和方差，計(jì)算公式如下：

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，當(dāng)UFk＞0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，反之則呈下降趨勢(shì)。k=n時(shí)，UFn代表序列的整體趨勢(shì)。當(dāng)給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表可得對(duì)應(yīng)的臨界值Uα/2，若│UFk│＞Uα/2，即超過臨界值，則說明序列存在明顯的趨勢(shì)變化，其超過臨界值的時(shí)間點(diǎn)為發(fā)生突變的時(shí)間區(qū)域。如果將序列xi按逆時(shí)序排列，重復(fù)上述計(jì)算步驟，得到UBk。若UFk和UBk兩條曲線存在交點(diǎn)，且交點(diǎn)在±│Uα/2│之間，則可以認(rèn)為交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變發(fā)生的時(shí)刻。

3 降雨時(shí)間變化特征分析

黃岡河湯溪水庫(kù)的降雨主要集中在每年的4～10月，占全年降水的70%以上，因此把年降雨量、汛期（4～10月）降雨量和非汛期（11月～次年3月）降雨量作為研究對(duì)象。

3.1 累積距平法分析

運(yùn)用累積距平法，分別對(duì)黃岡河湯溪水庫(kù)1985～2019年的年降雨量（水文年，1985年4月～2020年3月）、汛期（4～10月）和非汛期（11月～次年3月）降雨量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2。

由圖2（a）可得，黃岡河湯溪水庫(kù)年降雨量的累積距平值階段性特征不太明顯，累積距平值呈不穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，上升與下降趨勢(shì)交替出現(xiàn)，年降雨量有增有減。

對(duì)比圖2（a）和（b）可以看出，黃岡河湯溪水庫(kù)汛期降雨量和年降雨量的累積距平曲線曲線形狀相似，其階段性變化特征在累積距平曲線中并不明顯，呈不穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，上升與下降趨勢(shì)交替出現(xiàn)，汛期降雨量有增有減。

同理，對(duì)比圖2（a）和（c）可以看出，黃岡河湯溪水庫(kù)非汛期降雨量和年降雨量的累積距平曲線形狀差異較大，表明非汛期降雨量的階段性變化特征與年降雨量不一致。非汛期降雨量變化階段大致可以劃分為5個(gè)階段。其中，1985～1986年、1990～1996年和2015～2019年呈上升趨勢(shì)，非汛期降雨量逐年增多；1987年～1990年和1997年～2014年呈下降趨勢(shì)，非汛期降雨量逐年減少。

3.2 MK檢驗(yàn)法分析

分別對(duì)黃岡河湯溪水庫(kù)1985～2019年的年降雨量、汛期和非汛期降雨量進(jìn)行MK檢驗(yàn)分析。分別計(jì)算得到年降雨量、汛期和非汛期降雨量序列對(duì)應(yīng)的UFn值如表1。

表1 黃岡河湯溪水庫(kù)降雨量序列統(tǒng)計(jì)量UFn值

由表1可得：黃岡河湯溪水庫(kù)年降雨量的統(tǒng)計(jì)值UFn=0.0142，絕對(duì)值小于顯著性水平α=0.05的臨界值1.96，說明湯溪水庫(kù)1985～2019年年降雨量整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但趨勢(shì)較不顯著。同理，汛期降雨量統(tǒng)計(jì)值UFn=-0.2698>-1.96，其減少趨勢(shì)不顯著；非汛期降雨量統(tǒng)計(jì)值UFn=0.4971<1.96，其增長(zhǎng)趨勢(shì)不顯著。

分別繪制黃岡河湯溪水庫(kù)年降雨量、汛期和非汛期降雨量的MK檢驗(yàn)曲線圖見圖3。

由圖3（a）可得：①1985～2019年，黃岡河湯溪水庫(kù)年降雨量統(tǒng)計(jì)值UFk的絕對(duì)值均小于顯著性水平α=0.05的臨界值1.96，其年降雨量變化趨勢(shì)不明顯，變化趨勢(shì)與累積距平曲線基本一致，增加與減少趨勢(shì)交替出現(xiàn)，其中呈上升趨勢(shì)的年份較多，可將年降水量增減變化大致劃分為5個(gè)變化階段：1985～1986年、1990～2003年和2006年～2019年呈增加趨勢(shì)，1987～1989年和2004～2005年呈減少趨勢(shì)；②圖3（a）中，UF和UB曲線雖然存在明顯的交點(diǎn)，但均位于顯著性水平臨界線范圍內(nèi)，故認(rèn)為湯溪水庫(kù)1985～2019年年降雨量不存在顯著的突變點(diǎn)。

由圖3（b）可得：①1985年～2019年，黃岡河湯溪水庫(kù)汛期降雨量UF曲線位于顯著性水平α=0.05的臨界線范圍內(nèi)，說明其汛期降雨量變化趨勢(shì)不明顯，變化趨勢(shì)與累積距平曲線基本一致，增加和減少趨勢(shì)波動(dòng)交替，其中呈上升趨勢(shì)的年份較多。可根據(jù)汛期降水量的變化趨勢(shì)大致將其劃分8個(gè)階段：1985～1986年、1990～1991年、1997年～2004年和2006～2018年呈增加趨勢(shì)，1987～1989年、1992～1996年、2005年和2019年呈減少趨勢(shì)；②圖3（b）中，UF和UB曲線雖然存在明顯的交點(diǎn)，但均位于顯著性水平臨界線范圍內(nèi)，故亦認(rèn)為湯溪水庫(kù)1985～2019年汛期降雨量不存在顯著的突變點(diǎn)。

由圖3（c）可得：①1985年～2019年，黃岡河湯溪水庫(kù)非汛期降雨量變化趨勢(shì)可分為5個(gè)階段：1985～1987年、1994～1998年和2015年后呈增多趨勢(shì)，1988～1993年和1999～2014年呈減少趨勢(shì)。變化趨勢(shì)與累積距平曲線分析結(jié)果基本一致；②圖3（c）中，UB曲線僅在1998年超出了顯著性水平臨界線，1998年之前UF和UB曲線大致相交于1986～1987年之間，交點(diǎn)位于顯著性水平臨界線范圍內(nèi)，故可認(rèn)為黃岡河湯溪水庫(kù)非汛期降雨量于1986～1987年之間出現(xiàn)突變點(diǎn)。

5 降雨空間變化特征分析

根據(jù)黃岡河湯溪水庫(kù)1985～2019年降雨系列資料，分別計(jì)算出各個(gè)站點(diǎn)多年平均降雨量、多年平均汛期和非汛期降雨量如表2。

表2 黃岡河湯溪水庫(kù)各站點(diǎn)多年平均降雨量 （單位：mm）

由表2分別繪制黃岡河湯溪水庫(kù)多年平均年降雨量、汛期和非汛期降雨量的站點(diǎn)分布圖見圖4。

由圖4可得，黃岡河湯溪水庫(kù)多年平均年降雨量、汛期的空間分布相似，均表現(xiàn)為由西南向東北遞減的趨勢(shì)，降雨中心主要集中在西南外宮一帶；而非汛期多年平均降雨量則表現(xiàn)為在外宮、三饒、麻寮沿線從西往東遞減、從中部往南北遞減的趨勢(shì)，降雨中心也是集中在西南外宮一帶。

6 結(jié)論

本文根據(jù)黃岡河湯溪水庫(kù)1985～2019年的降雨序列資料，采用累積距平法和Mann-Kendall法對(duì)黃岡河湯溪水庫(kù)的年降雨量、汛期和非汛期降雨量的變化特征進(jìn)行了分析研究，并對(duì)其在空間上的分布進(jìn)行了探討，得出以下結(jié)論：①1985～2019年，黃岡河湯溪水庫(kù)年降雨量和非汛期降雨量整體呈現(xiàn)不明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，而汛期降雨量則整體呈現(xiàn)不明顯的減少趨勢(shì)；年降雨量受汛期降雨量的影響較為顯著，受非汛期降雨量的影響不明顯。②1985～2019年，黃岡河湯溪水庫(kù)年降雨量和汛期降雨量的變化趨勢(shì)均不明顯，且呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的年份較多，但均未超0.05的顯著性水平，無明顯的突變點(diǎn)；非汛期降雨量總體變化趨勢(shì)雖不明顯，且呈減少趨勢(shì)的年份較多，但在1986～1987年之間存在突變點(diǎn)導(dǎo)致1998年其變化超過了顯著性水平。③在空間分布上，黃岡河湯溪水庫(kù)多年平均年降雨量、汛期和非汛期降雨量的降雨中心均在外宮一帶。其中，年降雨量與汛期降雨量呈相似的空間分布，均變現(xiàn)為由西南向東北遞減的趨勢(shì)；非汛期多年平均降雨量則表現(xiàn)為在外宮、三饒、麻寮沿線從西往東遞減、從中部往南北遞減的趨勢(shì)。④考慮資料的一致性和連續(xù)性，本文僅選取了湯溪水庫(kù)上游的8個(gè)雨量站的數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)，導(dǎo)致個(gè)別雨量站可能存在代表性不足的情況，也缺乏對(duì)降雨周期性和穩(wěn)定性方面的研究，將在后續(xù)研究中補(bǔ)充完善。