松树水库流域内降水时空变化特征分析

于德全

（瓦房店市林业水利局，辽宁大连116300）

松树水库流域内降水时空变化特征分析

于德全

（瓦房店市林业水利局，辽宁大连116300）

降水的时空演变趋势及丰枯转变周期对水库水资源管理具有重要意义。文中利用Mann-Kendall趋势和突变分析法、线性倾向估计法以及功率谱分析法，对松树水库流域内汛期降水自1960至2014年的时空演变特征及周期进行了分析。

松树水库；降水；趋势；周期；时空变化

松树水库位于复州河上游，坝址坐落在辽宁省瓦房店市松树镇，水库以上集水面积为302.4 km2，总库容为1.86亿m3，是一座以防洪和城市供水为主，结合养鱼等综合利用的大型水库。复州河发源于普兰店市同益乡老帽山南麓，是大连地区的第二条大河，流域面积为1 638 km2，干流全长134 km。

复州河流域属温带季风气候，多年平均降水量为700 mm，多年平均径流深400 mm。松树水库的水资源主要来源于当地降水。近年来，由于人类活动和气候变化使得流域下垫面条件发生了显著改变，导致松树水库控制流域内的水文过程发生了显著变化。根据松树水库2000年以来的入库径流序列得知，入库径流过程呈现显著减少的趋势。为此，下文对形成入库径流的主要来源——降水进行时空变化特征分析，研究1960—2014年松树水库控制流域内的降水变化规律。

1 资料与方法

1.1 资料

资料选用辽宁省水文局提供的逐旬降水，选取代表站为复州河上游的大屯站，松树水库下游的得利寺站以及复州河下游的关家屯站，研究时段为1960—2014年（得利寺站资料时段为1962—2014年）。

1.2 分析方法

1.2.1 Mann-Kendall（M-K）趋势分析法

Mann-Kendall检验法（以下简称M-K法）是时间序列数据趋势检验中使用的非参数检验方法，该方法不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于水文气象等非正态分布的数据，计算简便，在时间序列趋势分析中得到了广泛的应用，定义其统计量：

式中：n为样本容量，方差Var（S）=n（n-1）（2n+5）/ 18，当（xi-xj）大于、等于和小于0时，sign（xi-xj）分别等于1,0和-1。统计变量Z值大于0，表示增加趋势；值小于0，表示减少趋势。同时，M-K法还可检测突变，构造一秩序列Sk，表示第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计值，在时刻序列随机独立的假定下，定义统计量：

按时间序列逆序xn，xn-1，…，x1再重复上述过程，同时使。若UFk和UBk两序列出现交点，且交点在显著性水平临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。

1.2.2 功率谱分析法

2 降水趋势变化特征分析

2.1 降水在时间上的变化趋势

选用复州河流域内1960—2014年的3个代表站年降水量的平均值作为研究对象，绘制其年代际演变曲线，如图1。

图1 代表站平均年降水量的年代际演变

从图1可以看出，流域内降水自20世纪60年代至今呈现非常显著的下降趋势，从748.4 mm下降到了21世纪以来的625.5 mm，大体上以28.7 mm/10 a的速率减少。

为了更加清楚地了解流域内降水量的年内分布特征，绘制了多年平均的逐旬降水距平分布柱状图，如图2。从图2中可以看出，复州河控制流域内降水正距平发生在6月上旬至9月中旬，即汛期期间。但是，该正距平的发生时间存在一定的集中性。通过计算，6月下旬至8月下旬的降水量占全年降水量的58.0%，同时还观察到7月下旬的降水量为全年最大值，可达到全年降水总量的9.9%。因此6月下旬至8月下旬为流域内的防汛关键期，为了能更好的抓住汛期降水的主要特点，下文将6月下旬至8月下旬作为主要研究时段，展开讨论。

根据MK趋势分析法及线性趋势分析法，对复州河流域上游至下游的3个代表站的汛期降水系列进行趋势性分析，分析结果表1。

从表1中可知，汛期降水量总体上呈下降趋势，并且上游的大屯站存在非常显著的下降趋势，通过了信度99%的信度检验，得利寺站下降程度稍有减小，只通过了信度90%的信度检验，而下游的关家屯站虽也存在下降趋势，但程度并不十分显著，没有通过95%的信度检验，即自上游至下游这种下降程度愈来愈小。这可能与流域内人口分布密度不均，导致下垫面剧烈变化，最终造成流域局部气候的变化有关。

运用MK突变检验方法，分析复州河流域内汛期降水突变特征，结果如图3所示。图中曲线代表降水的顺序统计量，曲线代表降水的逆序统计量。可以看出，两条曲线在临界线内存在3个交点，说明汛期降水量存在明显的突变现象。从曲线可以看出，从1968年之后由正值转为负值，呈减少趋势，2001年至今超过了显著性的临界值，减少状态尤为显著。综上，流域内汛期降水自1968年开始由偏丰转为偏枯。根据曲线交点位置，确定流域内汛期降水突变开始时间为1974年，即自1974年开始，降水偏枯状态加剧。

图2 代表站多年平均逐旬降水距平（黑色为正距平，白色为负距平）

图3 三站平均汛期降水量MK突变检验结果

2.2 降水在空间上的变化趋势

流域内各站点降水量占平均降水量的比例大小，可以反映降水中心的位置。因此，通过计算汛期不同雨量站降水量占流域平均降水量的比例来分析降水中心的演变情况。

本文从复州河流域上游至下游分别选择了大屯站、得利寺站以及关家屯站，根据汛期降水量站流域降水量的比例变化趋势，分析降水的空间变化特征，结果见图4。从图中可以看出，流域上游大屯站汛期降水量占流域降水量的百分比，大致存在0.5%/（10 a）的下降趋势；松树水库下游的得利寺站大致存在0.2%/（10 a）的下降趋势，没有上游显著；而流域下游的关家屯站则存在0.4%/10a的上升趋势。

以上分析从整体上说明，复州河流域的汛期降水量在空间分布上发生了一定的变化，即降水中心有向下游转移的趋势，可能导致松树水库入库径流的减少。

3 降水的周期分析

通过对复州河流域内汛期降水量的时间序列进行功率谱分析，可以从谱值最大来确认主要振动及其对应的周期，结果见图5。由图可见，流域内汛期降水功率谱曲线中存在2个峰值，分别对应9年和3.3年，因此汛期降水序列在年际尺度上存在3年左右的丰枯变化周期，在年代际尺度上存在9年的丰枯变化周期。

4 结论

利用Mann-Kendall趋势和突变分析法、线性倾向估计法以及功率谱分析法，分析了复州河流域自1960—2014年，从上游至下游汛期降水的时空演变特征及丰枯周期，得到主要结论：

图4 不同站点降水量占流域平均降水量的百分比年代际变化趋势

图5 流域内1960-2014年汛期降水量功率谱值

1）复州河流域内降水量自20世纪60年代开始，呈现急剧的下降，大体上每10年减少28.7 mm。

2）汛期降水量主要发生在6月下旬至8月下旬，并且流域内汛期降水自1968年开始由偏丰转为偏枯，自1974年开始，降水偏枯的状态加剧。2001年至今偏枯特点尤为显著。

3）流域内上游至下游各站点汛期降水量均呈现下降趋势，并且上游减少的趋势强于下游。同时，上游汛期降水占全流域降水的比例呈现下降趋势，下游的比例则愈来愈高，即降水中心产生了向下游偏移的状况，最终导致了松树水库入库径流的减少。

4）汛期降水在年际尺度上存在3年左右的丰枯变化周期；年代际尺度上存在9年的丰枯转变。

［1］Hamed K H.Trend detection in hydrologic data∶the Mann-Kendall trend test under the scaling hypothesis［J］.Journal of Hydrology，2008，349（3）：350-363.

［2］魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术（第二版）［M］.北京：气象出版社，2007.

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2016-01-11