1961年—2013年渭河流域降水与径流变化特征

李斌　解建仓　胡彦华　姜仁贵　王莉。

摘要：采用滑动平均、累积距平、线性倾向估计法分析陕西渭河流域1961年一2013年降水变化特征；采用滑动t检验、有序聚类、双累积曲线分析法分析径流突变性。结果显示：渭河流域降水量整体呈减少趋势，平均年降水日数为86 d；降水季节分配不均，集中在夏、秋两季；春、秋两季降水量呈现明显减小趋势；大雨日数与年平均降水量显著正相关，年平均降水量越大，年平均大雨日数出现频次的越高；流域西部和北部暴雨强度呈现增大趋势，东部和南部暴雨强度呈现微弱减小趋势。渭河华县站径流的突变点出现在20世纪70年代初和90年代初，降水量的变化与径流变化的趋势基本吻合。

关键词：降雨特征；变化趋势；暴雨；径流；渭河

中图分类号：P426 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）02-0029-08

受全球气候变化影响，极端强降水事件频发，城市化进程的加快，进一步加剧了降水时空分布不均和局部强降水事件的发生。如何对降水和径流等气象水文要素变化特征进行科学识别，并对其变化成因进行分析对于区域水资源管理具有重要意义。国内外诸多学者对不同尺度降水特征进行研究并取得许多有益的成果。姚惠明利用动态泰森多边形模型计算并分析1951年-2006年中国降水演变趋势，从全国尺度和区域尺度研究降水量时空间分布，并对不同时段降水量震荡周期、演变与突变趋势进行分析。冯强等研究了我国降雨的时空分布特征以及与降水相关的暴雨洪涝灾害变化特征。张建云等研究发现北方地区近几年降水量有所增加，然而仍低于多年平均值。王小玲等基于506个测站逐日降水资料分析我国8个区域年降水量、平均降水强度和年降水频率的变化趋势，研究发现：年降水量、平均降水强度和年降水频率存在显著的区域变化特征。姜仁贵等采用线性和非线性小波分析对Alberta省降水特征进行分析，并对降水时空分布成因进行剖析。张皓，束美珍等分析了华北地区、海河流域降水量时空变化特征，发现年均降水量呈由东南向西北逐渐减少的趋势。多位学者从应对气候变化、灾害风险管理等角度分析流域降水的变化趋势。

渭河是黄河最大支流，是陕西人民的母亲河、生命河，渭河流域水文要素变化受到国内学者广泛关注。新世纪以来，渭河发生了“03.8”、“05.10”、“11.9”等洪水，造成巨大损失。2010年，陕西省委、省政府站在全省经济社会发展战略高度，提出了全线整治渭河的科学决策。根据《陕西省渭河全线整治规划及实施方案》，计划用五年时间通过加宽堤防、疏浚河道、整治河滩、水量调度、绿化治污、开发利用，实现渭河“洪畅、堤固、水清、岸绿、景美”的目标。本文以陕西渭河流域12个雨量站和渭河下游华县水文站为研究对象，采用趋势分析、突变检测等方法，分析渭河降水变化特征，并探讨径流变化与影响因素之间联系，分析变化成因，以期为合理开发利用渭河流域水资源，促进流域经济社会可持续发展提供参考。

1资料及方法

1.1研究区概况

渭河全长8 18 km，流域总面积1 3 48万km²，位于34°-38°N和104°-110°E之间。流域发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，由西向东横贯甘肃东部，在陕西省宝鸡县凤阁岭乡附近进入陕西境内。研究区概况及文中所采用的雨量站、水文站见图1。

1.2数据来源

采用1961-2013年共53年陕西渭河流域12个典型气象站点逐日降水资料进行分析，站点名称如图1所示。数据来源于中国气象科学数据共享服务网。对于少部分缺测数据，采用邻近站点进行插补。选取渭河下游干流控制站华县站，分析径流变化趋势。径流数据来源于陕西省水文年鉴，径流时间序列截至2010年。

四季时段按气象部门的标准划分，即春季3月-5月，夏季6月-8月，秋季9月-11月，冬季12月-次年2月。采用固定临界值进行不同量级降水日数的划分。按照我国雨量等级划分标准，定义：小雨（0～9.9 mm/d）、中雨（10～24.9 mm/d）、大雨（25～49.9 mm/d）、暴雨（≥50mm/d）；定义：日降水量≥50mm为一个暴雨日，暴雨量/暴雨日数为暴雨强度，年暴雨量占年总降水量百分比为暴雨贡献率。

1.3分析方法

借鉴当前国内外主要水气象变化趋势分析方法，结合渭河流域降雨和径流时序特点，本文采用滑动平均法、累积距平、线性倾向估计法分析雨量站、水文站降水和径流变化特征；采用滑動t检验，有序聚类，双累积曲线法分析其突变性。

2结果与分析

2.1降水变化趋势

2.1.1降水量年际变化特征

陕西渭河流域1961年-2013年均降水量变化趋势见图2。年均降水量为624 8 mm，整体呈减少趋势，年均降水量以13 2 mm/（10a）的速率减少。该区域年均降水量年际变化大，最大值出现在1964年，为880.1 mm，最小值出现在1997年，为376.1mm，两者相差504 mm。

从图2可以看出，1961-70年代初，降水量呈缓慢下降趋势；70年代初-80年代中期，降水量呈波动增加趋势；80年代末-90年代末，降水量呈大幅波动下降趋势；90年代末-2013年降水量呈上升趋势。流域年均降水量最大值为平均值的1.6倍，为最小值2.9倍，这些说明降水量年际变化幅度大。各站降水均呈现减少趋势，降水量以3 5～45mm/（10a）的速率减少。华山站减少幅度最大，为45mm/（10a）；秦都站减少幅度最小，为3.5 mm/（10a）。

2.1.2降水量年代变化特征

按不同年代分别计算各站降水量，结果见表1。

各站降水量变化和渭河年均降水量变化呈现一致性，20世纪60年代各站降水大于多年平均值；20世纪70年代呈现减少趋势、接近平均值；20世纪80年代降水有所增加；但是20世纪90年代以来降水明显减少，和20世纪世纪60年代相比，减少幅度将近50%；新世纪以来，降水接近或者略高与多年平均值。各站20世纪90年代平均降水量占20世纪60年代的45%～63%；占多年平均值的48%～76%。特别是东部华县站20世纪90年代平均降水量为279.8 mm，不及60年618.6 mm的一半，也不及多年平均值的一半。刘梅等研究发现渭河全流域降水量呈减少趋势，空间上华山的减少最为显著，和本文分析结果相同。

进入新世纪，各站降水量有所增加，降水量和90年代相比增加了30%～99%，平均增加了73%。研究区北部的耀县站增加90%，华县站增加了近一倍。大部分站降水量接近多年平均值，部分站略大于多年平均值。

2.2降水量的年内分布

陕西渭河流域1961年-2013年降水年内变化见图3。图3表明1961-2013年研究区降水的年内分布很不均匀，1月、2月、3月，11月，12月的百分比为1%～4%，4月、5月、10月的百分比为5%～10%，6月、7月、8月，9月的百分比为10%～20%。降水主要分布在7、8月，其次为9月、6月，分别占到19.5%，17.3%，16.9%，10.4%。

6月份降水量最大的为武功站1961年364.2mm，占全年降水1 118.3 mm的31%；7月份降水量最大的为武功站2007年446.87 mm，占全年降水1 222.6 mm的365%；8月份降水量最大的为太白站1981年509.6 mm，占全年降水1 197.0 mm的42.6%；9月份降水量最大的为武功站1984年397.0 mm，占全年降水1100.4 mm的41.29%；10月份降水量最大的为华山站1983年208.6 mm，占全年降水1100.4 mm的18.8%。

2.3降水量的季节变化特征

陕西渭河流域降水季节分布见图4，研究区降水季节差异大。春、夏、秋、冬四季降水分别占全年降水的20.8%、46.3%、20. 3%和3.6%，降水主要集中于夏季，占全年降水的近一半。春季降水占年降水百分比在2.6～46.8%；其中，吴旗站1998年春季降水241.3 mm，占年降水526.7 mm的46 8%，为最大比例；洛川站1961年春季降水15.5mm，占年降水602.3 mm的2.3%，为最小比例。夏季降水占全年降水百分比在13.3～83 8%；其中，吴旗站1995年夏季降水353.5 mm，占全年降水421.8 mm的93.8%，為最大比例；永寿站1974年夏季降水80.6 mm，占年降水605.5 mm的13.3%，为最小比例。秋季降水占年降水百分比在6.2～67.4%；其中，吴旗站2008年秋季降水239.5 mm，占年降水355.2 mm的67 4%，为最大比例；华山站1998年秋季降水53.1 mm，占全年降水85.07 mm的6.2%，为最小比例。冬季降水占年降水量百分比小于15.5%；其中，华县站1997年冬季降水43.3 mm，占年降水279.8 mm的15.5%，为最大比例；吴旗站1992年、1999年冬季降水都小于1 mm，秦都站1992、1999年冬季降水为1.2 mm、0.2 mm，华县在1999年冬季连续三月未降水。

陕西渭河流域各季节降水变化趋势见表2。从季节降水量变化趋势看，春季和秋季降水呈减少趋势。春季降水减少倾向率为4.8～18.6 mm/（10a），华山站降水呈减少趋势最为突出为18 6mm/（10a）。秋季降水减少倾向率为1.4～19.7mm/（10a），洛川、太白、永寿、武功、华山、秦都等减少倾向率为都大于10 mm/（10 a）。夏季降水，除蒲城、华山、华县、太白略有减少外，其余地方呈增加趋势；降水增加倾向率分别为1.4～14.7/（10a）。冬季降水，除吴旗、武功、华山三站呈现水平趋势外，其余地方呈微弱增加趋势，增加倾向率为0.3～1.8/（10a）。由降水量的季节变化可知，陕西渭河流域近年的降水量减少主要是以春季和秋季的显著减少为主，部分测站夏季、冬季降水有微弱增加趋势。来文立研究发现渭河流域夏、冬两季降水量变化趋势不明显。

2.4降水日数趋势分析

2.4.1降水日数分析

1961-2013年研究区域所有站点年降水日数在59-178 d之间；平均为86 d。降水日最多的是1964年武功站，日数为178 d；最少的是1995年吴旗站，日数为59d。小雨日数49-140 d之间，占总日数的64 1～95.9%，平均为80.6%./J、雨日数最少的是1995年华县站、2013年洛川站49 d；日数最多的是1964年陇县站140 d。中雨日数3～27 d，占总日数的2.7%～78.1%，平均14.0%；最少的是1968年吴旗站2 d；最多的是1983年武功站、1961太白站，均为30 d。年大雨日数小于20 d，占总日数的11.5%以下，平均为4.6%；日数最多的是1984年武功站，1964、1974、1984年华山站均出现13 d的大雨天气。年暴雨日数小于6 d；占总日数4.4%以下，平均为0.8%；暴雨日数最多的是2011年太白站6 d。

1961年以来陕西渭河流域降水日数均呈现减少趋势，变化趋势见表3。

各站的年降雨日数均呈现明显下降趋势，减少倾向率为11～29 d/（50a）；降水日数减少最为明显的是武功、华山。小雨日数均呈现减少趋势，减少倾向率为11～26 d/（50a）。除陇县外，中雨日数呈现减少趋势，减少倾向率为1～5 d/（50a）。大雨日数和暴雨日数变化不明显。各站总降水日数减少趋势和和小雨日数减少趋势基本一致。

2.4.2降雨日数和年降水量关系

陕西渭河流域年平均大雨日数和年均降水量相关分析见图5。在所有降雨日里，小雨日数占总降雨日数为80.6%左右；中雨日数占总降雨日数的14.0%左右。尽管小雨日数、中雨日数所占比例较大；但是通过对陕西渭河流域降水日数与年平均降水量进行相关分析发现，研究区平均大雨日数与年平均降水量存在显著正相关关系，相关系数为0.85。年平均降水量越大，年大雨日数出现频次愈高；大雨出现日数是影响年降水量的多少的重要因素。

2.4.3暴雨分析

研究区暴雨在4月-10月份都有发生。暴雨常出现在5月-9月，集中出现在主汛期（7月-8月）。汛期（6月-9月）暴雨日数占全年暴雨日数的92%，主汛期暴雨日数占全年暴雨日数的67%。

（1）暴雨初日和暴雨终日。

若年度中仅出现一次暴雨，则暴雨初日和暴雨终日为同一天。暴雨初日最早出现在陇县站2002年4月4日，日降水量53.8 mm。暴雨终日最晚出现华山站1957年在10月27日，日降水量50.8 mm。

（2）暴雨强度。

1961年-2013年研究区平均暴雨强度为68mm/d，各站的平均暴雨强度在64 d～73 mm/d之间。太白站平均暴雨强度最小为64.7 mm/d；陇县站平均暴雨强度最大为73.0 mm/d。结果表明：各站近年暴雨强度呈一定的特征，研究区的西部和北部，暴雨强度呈现增大趋势；研究区的东部和南部，暴雨强度呈现微弱减小趋势；特别是研究区西部的陇县站暴雨强度增大尤其明显。

（3）暴雨贡献率。

在1961年-2013年出现暴雨事件中，暴雨贡献率在5.5%～54.8%之间；平均为15%。2008年陇县站的暴雨贡献率最大为54.8%；1968年华山站的暴雨贡献率最小为5.5%。在所有暴雨事件中，除耀县站外，均发生过大暴雨事件。年最大日降水量为陇县站2010年7月23日，日降水量214.6mm；武功站2002年6月9日，日降水量203.3 mm。

2.5降水周期分析

采用小波方法对渭河流域各雨量站年降雨量周期进行分析，以凤翔和洛川两个测站为例，见图6。结果表明：不同测站呈现出不同的周期，根据周期的显著性状况，可以将这些测站分为两类。第一类有较为显著周期性特征测站，包括：凤翔、武功、华县、秦都、蒲城、耀县、永寿和太白8个测站有较为显著的周期性（图略），但是不同测站周期存在较大差异。以凤翔站为例，在1975年-1990年期间，发现显著（图6（a）中黑色范围内）的1～2a和8a左右的周期振荡，而在其余时期周期性不明显。第二类没有表现出显著周期性特征测站，包括：洛川、华山、陇县和吴旗4个测站（图略），以洛川为例，从图6（b）中可以发现，在整个研究期内，都未表现出显著的周期性。

2.6渭河华县站径流变化

2.6.1华县站年径流年代变化

华县站1935年-2010年径流量的变化特征及趋势7（a）所示，呈减少趋势。1935年-2010年，华县站多年平均年径流量为73.85亿m³。70多年间，径流量的年际变化差异较大，大于平均值年数和小于平均值年数分别为35年和41年。年径流量最大值为1964年187.6亿m³，最小值为1997年16.83亿m³。最大值为平均值的2.54倍，为最小值的11.15倍。图7（b）为陕西渭河华县站年径流量累积距平曲线。华县站年径流量1935年至20世纪60年代末均为径流量偏丰年代，其中1964年达187.6亿m³，为最大值，比平均值多11 3.75亿m³。20世纪70年代初期至20世纪80年代中期，年径流量略小于平均值。20世纪80年代中期至2010年，径流量呈现下降趋势。21世纪以来，除了2003年径流量为93.39亿m³，外，其余年份，径流量均低于平均值。华县站径流量年代平均值如7（a）所示。1935年-1970年，平均年径流量约为93.37亿m³；1971年-1985年，平均年径流量约为70.56亿m³；1986年-2010年，平均年径流量约为47.72亿m³。

3.6.2华县站年径流突变分析

图8（a）中为华县站滑动t统计量曲线。n=76n1=n2=8给定显著性水平α=0.01，α=0.001，按照t的分布自由度，v=14，t_0.01=±2.98；t_0.001=±4.14。从1951年以来，t的统计量有4次超过0.01显著性水平，有一处极大值，1990年。t的统计量在1990年-1993年超过0.01显著性水平，但没有通过0.001显著性水平检验。表明华县站年径流量自20世纪30年代以来，出现了两次明显的突变。20世纪30年代至20世纪60年代末，年径流量呈现增加趋势；20世纪70年代有减少的，1980年以来有所增加；20世纪90年代年径流量经历了一次增加到减少的转变。华县站的年径流量序列离差平方和S_n（τ）曲线如图8（b）所示。华县站1935年-2010年的离差平方和S_n（τ）曲线在1968年出现最低，并且在1985年和1990年出现极小值。

华县站年径流量和平均降水量的双累积曲线如图9所示，其中降水和径流数据采用1961年-2010年。渭河降水量最多生在20世纪60年代，20世纪70年代以来，华县站径流量呈现减少趋势，尤其是20世纪90年代以来，减少趋势显著。降水量的变化与径流变化的趋势吻合。综合分析，渭河华县站径流量的突变点出现在20世纪70年代初和20世纪90年代初，大约在1968年一1970年、1985年-1991年。肖洁采用曼肯德尔法、R/S法及有序聚类分析法对渭河干流径流变化趋势进行了分析，得到华县站径流量的突变点为1969年和1991年，和本文计算结果一致。

渭河流域径流变化主要由气候变化和人类活动引起。气候变化对径流的影响主要表现为降水减少和潜在蒸散的增加。降雨量偏少是造成渭河干流径流量减少的主要原因。人类活动对流域径流的影响主要表现为20世纪70年代以后流域内大规模的水利工程、水土保持措施和工农业用水的增加，国民经济发展耗水量的明显增加，水土保持用水量的增加，城镇化的不断推进。冯家山，石头河，宝鸡峡，金盆水库等水利工程改变了天然径流原有节律，致使渭河径流特征发生了变异，客观上减少了径流量。工程措施和工农业耗水量不断上升，人类活动对渭河径流的影响越来越剧烈，导致径流量不断减少。

3结论

在全球气候变暖背景下，本文分析了陕西渭河流域1961年-2013年降水和径流分布特征，得到以下主要结论。

（1）陕西渭河流域1961年-2013年的年均降水量为624.8 mm，降水整体呈减少趋势，以13.2mm/（10 a）的速率减少。该流域降水年际变化大；20世纪70年代初-20世纪80年代中期，年平均降水量呈波动增加趋势；20世纪80年代末-20世纪90年代后末，降水呈大幅波动下降趋势；20世纪90年代后期-2013年，平均降水呈上升趋势。

（2）陕西渭河流域降水量的年内分布很不均匀。降水主要分布在7、8月，其次为9、6月，其月平均百分比分别为19.5%，17.3%，16.9%，10.4%。春季和秋季降水量呈减少趋势；夏季和冬季降水量微弱呈增加趋势；近年的降水量减少主要是以春季和秋季的显著减少为特点。

（3）1961-2013年研究区域所有站点年降水日数在59-178 d之间；平均降水日数为86 d。小雨日数占总降水日数的80.6%；中雨日数占总降水日数的14.0%；大雨日数占总降雨日数的4.6%；年暴雨日数占总降水日数的0.8%。研究区的西部和北部，暴雨强度呈现增大趋势；研究区的东部和南部，暴雨强度呈现微弱下降趋势。

（4）渭河华县站径流量的突变点出现在20世紀70年代初和20世纪90年代初，渭河流域径流变化主要由气候变化和人类活动引起，如何甄别气候变化和人类活动对径流变化影响的贡献是下一步研究重点。