漳河水库流域降雨变化趋势分析

赵华安 姚开军 官燕华 陈崇德

(湖北省漳河工程管理局,湖北荆门 448156)

漳河水库流域位于湖北省襄樊、宜昌、荆门三市交界的山区,水库总库容20.35亿m3,其中兴利库容9.24亿m3,集水面积2212km2,是以灌溉为主,兼有防洪、城市供水、发电、水产养殖、旅游、航运和生态环境保护等多目标综合利用的大型水利工程.近几十年来,随着流域内社会经济的不断发展、进步,人口的持续增长,城镇化、工业化进程速度的加快,尤其是水土资源的开发利用都是以自身经济效益为最大目标,致使生态环境受到了一定程度的破坏,降雨时间序列的统计特征值(均值、CV、CS)也发生了较大的变化.因而有必要对流域降雨序列变化趋势进行分析,认识人类活动对水库流域水文过程的影响,进而指导水库调度决策[1],合理开发利用流域水土资源,为生态环境的治理、保护等提供依据,促进流域社会经济与生态环境的协调发展.

1 分析方法

1.1 Mann-Kendall非参数秩次相关检验法

Mann-Kendall非参数秩次相关检验法是世界气象组织推荐并已广泛应用的一种检验时间资料系列是否具有变化趋势的方法,常用于对径流、降水等水文时间序列的趋势检验,其原理和方法为[1-7]:

设H0时间序列数据(χ1,χ2,…,χn)是n个独立的、随机变量同分布的样本;备择假设H1是双边检验,对于所有的κ,j≤n,且κ≠j,χκ和χj的分布是不相同的.当n＞10时,标准的正态统计变量z通过下式计算:

式中:

为正态分布,其均值为0,方差Var(S)=[n(n-1)(2n+5)-∑tt(t-1)(2t+5)]/18.

双边的趋势检验中,在给定的α置信水平上,若z值大于0,则表明序列呈上升趋势,若z小于0则表明呈下降趋势[4],若|z|＜zα/2时,接受假设,说明时间序列数据没有显著变化趋势,若|z|＞zα/2时,拒绝假设,时间序列的趋势性变化显著[1].|z|越大,则在一定程度上说明序列的趋势性变化越显著.

1.2 R/S分析的原理和方法

R/S分析法(Rescaled Range Analysis,重新标度极差分析法)是通过流域分形特征值、赫斯特指数、分形维数来判断水文过程的变化[3,6].基本原理与方法如下:

(1)计算均值

(2)计算累积离差

(3)计算极差序列

(4)计算标准差序列

卡类型的编码，0：社保卡；1：医保卡；2：全市统一自费就诊卡；3：医院自费卡；4：区内统一自费就诊卡；5：新农合卡；6：居民健康卡；9：其他卡。对于市管干部、在编军人，这里的卡号、卡类型请填写“TS”

(5)计算比值

(6)计算分形维数:

(7)计算指数H:

式中,α为常数,H为Hurst指数.

根据时间序列{χ(t)},利用最小二乘法,可得式(10)的直线回归方程,则直线的斜率即为H指数.

一般认为:①当H=0.5时,各次观测结果之间相互无依赖,降水量指标变化是随机的.②当0≤H＜0.5时,即未来的总体趋势与过去相反,过程具有反持续性,且H值越接近0,反持续性就越强.③当0.5＜H≤1时,过程具有持续性,且 H值越接近1,持续性就越强[5-7].

2 漳河水库流域降雨变化趋势分析

2.1 资料数据

漳河水库流域内设有17个水文、雨量观测站,记录有1963～2008年历年各月的实测降雨资料,据统计,多年平均降雨量993.5mm,其中1963～1970年年均降雨量1060.1mm,1971～1980年年均降雨量944.4mm,1981～1990年年均降雨量 988.6mm, 1991～2000年年均降雨量1018.8mm,2001～2008年年均降雨量916.9mm,可见降雨量变化趋势较大,说明流域下垫面因素受人类活动影响较大,对流域降雨量已产生了较大的影响.因此,利用上述两种方法对流域降雨序列变化趋势进行分析.

2.2 Mann-Kendall分析

对流域降雨量最少的1月和最多的7月按上述方法进行分析,选取显著水平α=0.05,1月份z=0. 29,7月份z=0.24,|z|＜zα/2,均接受假设,时间序列数据没有显著变化趋势.但1月和7月的z值为正值,表明这两个月的降雨量呈微弱递增的趋势.

2.3 R/S分析

据公式(4)～(10)计算,得到年降雨量分式布朗运动模型样本的回归方程为:R(τ)/S(τ)=(3.246 τ)0.2161(见图1～2).同理,应用R/S模型对流域1月、7月降雨序列的趋势变化情况进行研究,得到模型样本的回归方程分别为:R(τ)/S(τ)=(5.7τ)0.2249和R(τ)/S(τ)=(17.05τ)0.1858(见图3～6).

2.4 漳河水库流域降雨变化趋势分析

(1)年降雨量序列z=-1.05,1月份降雨序列z =0.29,7月份降雨序列z=0.24,说明未来流域年降雨量呈微小下降的变化趋势,而降雨量最少的1月和降雨量最多的7月份其降雨量则呈微小增加的趋势.对历年各月降雨资料统计分析表明,1996～2008年系列比1963～1995系列,其降雨量减少3.84%.其中减少最多的为9月份,减少了30.84%,其次为4月、12月,分别减少了18.67%和17.79%.因而,主汛期降雨量的增加也没有改变整体下降的趋势.

(2)年际、1月份和7月份降雨量的 H指数分别为0.2161、0.2249与0.1858,均小于0.5,因此,流域降雨时间序列作为分式布朗运动的轨迹表现出反持久性,即未来流域年降雨量可能呈现持续下降的趋势.

(3)漳河水库流域降雨量变化存在明显的Hurst现象,反映流域地区可能在未来1月和7月的降雨量变化趋势的随机性成份很大,因此应采取相应对策和措施,以应对未来可能出现的干旱或暴雨洪涝等自然灾害[8-9].

(4)将资料系列以1995年为分界线分为两部分, 1995年后多年年平均降雨量减少了3.84%(见表1).同时也可看出,前后两个系列的统计特征值均具有明显的差异,已经不符合一致性的要求.

表1 多年平均降雨量比较

3 结 论

(1)采用Mann-Kendall非参数秩次相关检验法,在显著性水平α=0.05下,漳河水库流域降雨量总体上呈缓慢下降的趋势.降雨量最少的1月份和降雨量最多的7月份呈缓慢上升的趋势.说明气候变暖,对流域降雨有较大的影响.

(2)两种分析方法的结果表明,流域未来一段时间内降雨量变化趋势一致,即呈持续缓慢下降的变化趋势.

(3)漳河水库流域降雨量变化存在明显的Hurst现象,反映流域地区可能在未来1月和7月的降雨量变化趋势的随机性成份很大,因此应采取相应对策和措施,以应对未来可能出现的干旱或暴雨洪涝等自然灾害.

(4)以1995年为界线将资料系列分为两部分,前后两个系列的统计特征值均具有明显的差异,已经不符合水温资料的“一致性”的要求.

(5)近30年来,流域人类活动日趋频繁,农林垦殖,水库修建、人口增加、工业化与城镇化速度加快等人类活动使得流域下垫面条件发生了较大的变化,对于漳河水库入库径流量变化有较大的影响[10],应引起有关方面的重视.

[1] 张洪刚,王 辉,徐德龙,等.汉江上游降水与径流变化趋势研究[J].长江科学院院报,2007,24(5):27-30.

[2] 马 岚,魏晓妹.石羊河下游年径流序列的变异点分析[J].干旱地区农业研究,2006,24(2):174-177.

[3] 于延胜,陈兴伟.R/S和Mann-Kendall法综合分析水文时间序列未来的趋势特征[J].水资源与水工程学报, 2008,19(3):41-44.

[4] 徐长江,范可旭,肖天国.金沙江流域径流特征及变化趋势分析[J].人民长江,2010,41(7):11-14.

[5] 于延胜,陈兴伟.水文序列变异的差积曲线-秩检验联合识别法在闽江流域的应用[J].资源科学,2009,31(10): 1717-1721.

[6] 樊 毅,李 靖,仲远见,等.基于R/S分析法的云南干热河谷降水变化趋势分析[J].水电能源科学,2008,26 (2):24-27.

[7] 徐宗学,李占玲,史晓崑.石羊河流域主要气象要素及径流变化趋势分析[J].资源科学,2007,29(5):121-127.

[8] 陈崇德,邵春玲.漳河水库区域水资源利用评价指标的研究应用[J].水利水电工程设计.2009,28(3):23-25.

[9] 张笑天,陈崇德.漳河水库灌区水资源脆弱性评价研究[J].华北水利水电学院学报,2010,31(2):12-15.

[10]陈崇德,王玉才,胡小梅.漳河水库流域生态环境需水量预测研究[J].水利规划与设计,2009(5):25-27.

[11]陈崇德,牛爱军.R/S分析在水库年来水趋势预测中的应用[J].水资源与水工程学报,2010,21(3):174-176.