云南杞麓湖流域降水蒸发特征及变化趋势分析

摘要：统计分析了杞麓湖流域1980年以来的降水蒸发变化特征和干旱指数，采用线性回归法和Kendall秩次相关法对杞麓湖流域降水和蒸发变化趋势进行了分析和检验，并用Hurst指数对流域降水蒸发未来变化趋势作了预测。结果表明：①杞麓湖流域多年平均降水量899.0 mm，多年平均蒸发量1 239.3 mm;流域总体属于半湿润地区。②年降水量系列呈不显著增加趋势，未来将保持增加趋势但持续性较弱;年蒸发量系列呈显著增加趋势，未来也将保持增加趋势且持续性较强。③流域降水和蒸发的未来变化趋势不利于杞麓湖的保护。

关键词：降水蒸发;变化趋势;Kendall;Hurst;云南杞麓湖

中图法分类号：P333文献标志码：A

文章编号：1006-0081（2019）01-0014-04

杞麓湖是云南省九大高原湖泊之一，位于云南省通海县境内，属珠江流域南盘江水系。地理坐标为东经102°30′～102°53′，北纬23°55′～24°14′。杞麓湖属高原浅水封闭型构造淡水湖，成因为构造断陷。湖泊集水面积354 km2，湖面东西长10.4 km，南北平均宽3.5 km，湖面面积37.0 km2，湖岸线长32.0 km。湖体东部深、西部浅，最大水深6.79 m，平均水深4.0m。主要入湖河流有红旗河、中河、大新河，集水面积占全流域面积的56%，还有十多条季节性小河由湖泊四周入湖。

杞麓湖流域径流主要来源为降水，多年平均产水量11 900万m3 [1]。湖水水质为劣Ⅴ类，中度富营养。随着流域内社会经济的日益发展和水资源开发利用程度的不断提高，杞麓湖水生态环境保护问题已成为一项重要研究课题。分析和研究杞麓湖流域降水蒸发特征及其变化趋势，对杞麓湖水资源的可持续利用及其水生态建设保护具有重要意义。

1 资料选取与分析评价

1.1 资料选取

杞麓湖流域内现有气象和雨量站点2个：通海气象站和沙沟嘴雨量站。通海气象站位于湖泊南部，属于气象部门站点;沙沟嘴雨量站位于湖泊北部，属于水文部门站点。相邻流域有峨山站（位于流域以西）和华宁站（位于流域以东）。研究选用站点基本情况详见表 1，流域水系及分析站点分布。

1.2 资料分析评价

（1）所选站资料均属于气象和水文专业技术部门监测和整编成果，资料质量可靠。站点位置都未发生较大的迁移变动，其中蒸发资料已统一至E601型蒸发数据系列，资料具有一致性。

（2）对通海站1961～2017年降水量进行代表性分析，并对该站降水量模比系数累積平均曲线进行观察后得出，降水量模比系数累积平均值在20世纪80年代就基本趋于1或等于1，说明1980年以来的资料长度就已经极具代表性。

（3）根据通海站1980年以来降水与蒸发两要素之间的干旱指数关系、与沙沟嘴站降水的相关关系，插补延长并经合理性分析后得到通海站1980～2017年系列蒸发数据和沙沟嘴站1980～2017年系列降水数据。

2 分析方法

2.1 数理统计法

描述统计是数理统计方法之一，该方法以概率论为基础，研究大量随机现象的统计规律性，在对收集到的大量数据进行整理分组的基础上，编绘相关表格和曲线，计算各种数据指标，描述数据的基本特征。本文采用描述统计的方法，对杞麓湖流域降水量、蒸发量的时空分布进行分析。主要对杞麓湖流域降水量、蒸发量多年平均以及极值出现情况、年内分配情况进行分析;采用皮尔逊-Ⅲ型曲线进行频率计算，得到降水Cv及其不同频率年降水量等。

线性回归法是一种统计分析方法，通过利用数理统计中的回归分析，以确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系。一元线性回归法研究某一变量随时间的变化趋势[2] ，建立Y= bX+a，Y为依赖X的变化而变化的某一变量; a、b 为回归方程的截距和斜率，根据斜率的正负可知某变量的变化趋势。采用t检验法进行一元线性回归的显著性检验[3] 。

2.2 Mann-Kendall趋势检验

Kendall秩次相关检验是判断时间序列趋势性的方法[4]，主要是依据检验统计量τ（秩统计量）、U（秩次相关系数）、P（系列中所有对偶观测值）、Var（τ）、E（P）、U1-α/2检验临界值等，并根据3个原则进行系列趋势判断：①可能性。若P>E（P），系列可能呈增加趋势，反之，则可能呈减少趋势。②必然性。若U>0，系列必然呈增加的趋势，反之，必然呈减少趋势。③显著性。若|U|<U1-α/2，序列趋势不显著，反之，系列趋势显著。

2.3 Hurst指数法

H.E.Hurst[5]于1965年提出了一种时间序列分析方法，即 R/S分析 （重新标度极差分析法 ）。该方法在分形理论中得到广泛应用，特别适合用于研究水文气象过程 （时间序列）的变异点。该分析算法可通过已知的时间序列计算出 Hurst指数（H），从而定性地分析该时间序列的发展趋势，并体现趋势性成分的强度[6-9]。当 0.5<H≤1时，表明时间序列具有长期正相关性，即未来的趋势与过去一致，且H越接近1，持续性越强;当 0≤H<0.5时，表明时间序列具有长期反相关性，即未来的总体趋势与过去相反，过程具有反持续性，H越接近0，反持续性越强;当H=0.5时，表明时间序列是一个随机游动序列，反映在各指标上则是各次观测结果之间完全独立，相互没有依赖，各指标变化是随机的。Hurst指数的分析步骤可见参考文献[10]和 [11]。

3 分析结果

3.1 降水蒸发统计特征

以通海站为代表，1980年以来，杞麓湖流域多年平均降水量 899.0 mm，最大年降水量 1 229.7 mm（2017年），最小年降水量585 mm（2011年），最大年降水量是最小年降水量的 2.1倍。采用皮尔逊-Ⅲ型频率曲线进行适线（取Cs=2Cv），得到通海站年降水量Cv为0.18，偏丰年（P=20%）降水量1 032.0 mm，平水年（P=50%）降水量889.0 mm，偏枯年（P=75%）降水量785.0 mm，枯水年（P=90%）降水量 699.0 mm。汛期（5～10月）降水量占全年降水量的82.9%，月最大降水量一般出现在7月。通海站和沙沟嘴站多年平均降水量年内分配过程。从沙沟嘴站和通海站1980～2017年降水数据看出，杞麓湖流域北部年降水量较南部小约3.7%;根据相邻流域的峨山站和华宁站1980～2017年降水数据看出，杞麓湖流域东部年降水量较西部小约1.0%。

根据通海站1980～2017年蒸发资料统计分析，得到杞麓湖流域多年平均蒸发量1 239.3 mm，最大年蒸发量1 518.7 mm（2010年），最小年蒸发量1 103.5 mm（1990年），最大年蒸发量是最小年蒸发量的1.4倍。蒸发量汛期与枯季占全年比例为0.48 ∶0.52，月最大蒸发量一般出现在4月。通海站多年平均蒸发量年内分配过程。

3.2 干旱指数

干旱指数可反映区域气候干湿程度，指数越大越干旱，反之，越湿润。干旱指数用年蒸发能力与年降水量的比值表示，即：

杞麓湖流域1980～2017年多年平均蒸发量和降水量分别为1 239.3 mm和 899.0 mm，根据式（1），计算得到杞麓湖流域干旱指数1.24。根据我国干旱指数综合分带情况[12]，杞麓湖流域属于半湿润带地区。

3.3 降水蒸发变化趋势

3.3.1 趋势及显著性

以通海站1980～2017年降水蒸发系列为代表，采用一元线性回归法分析杞麓湖流域降水量、蒸发量的变化趋势。通海站1980～2017年降水量和蒸发量随时间变化的关系。经过计算分析，通海站1980～2017年降水量过程线一元线性回归方程中，线性系数b=0.472 6>0，因此当前降水量资料系列趋势为增加。通海站1980～2017年蒸发量过程线一元线性回归方程中，线性系数b=3.271 9>0，因此当前蒸发量资料系列趋势也为增加。通过线性趋势回归检验（取a=0.05），降水量年系列|T|=0.2<Tα/2 =1.64，系列趋势不显著;蒸发量年系列|T|=2.28>Tα/2 =1.64，系列趋势显著。

同理，对流域降水量、蒸发量按汛期和枯季分别进行分析，线性系数b均大于0，各系列均呈增加趋势。汛期和枯季降水量线性趋势回归检验|T|<Tα/2，系列趋势不显著，汛期和枯季蒸发量线性趋势回归检验|T|>Tα/2，系列趋势显著。基于一元线性回归法和kendall法分析得出的杞麓湖流域降水蒸发变化趋势及显著性检验结果见表2。降水量与蒸发量两个系列各检验统计量见表3。

根据Mann-Kendall趋势检验原理，得到：①年降水。P> E（P）表明系列可能为增加趋势;因U>0，所以系列必然呈增加趋势;因 |U|<U1-α/2，所以序列趋势不显著。②年蒸发。P>E（P）表明系列可能呈增加趋势;因U>0，所以系列必然呈增加趋势;又因|U|>U1-α/2，所以序列趋势显著。

3.3.2 未来趋势预测

根据R/S分析的原理和方法[13]，经过计算分析得到杞麓湖流域年降水量、蒸发量的Hurst指数分别为 0.57，0.68。从各Hurst指数值看出，杞麓湖流域降水、蒸发的变化趋势均为正相关，其中降水量的Hurst指数等级为Ⅱ级，呈较弱的持续性;蒸发量的Hurst指数等级为Ⅲ级，呈较强的持续性。总体上，杞麓湖流域年降水量、蒸发量时间序列具有长期正相关性，即未来的趋势与过去一致，其中年降水量系列不显著增加的趋势持续性较弱，年蒸发量系列显著增加的趋势持续性较强。

杞麓湖流域降水蒸发Hurst指数计算结果分析见表4。

4 结 论

（1）通过描述统计分析，得到杞麓湖流域多年平均降水量和蒸发量分别为899.0 mm与1 239.3 mm，最大年降水量1 229.7 mm（2017年），最小年降水量585 mm（2011年）;最大年蒸发量1 518.7 mm（2010年），最小年蒸发量1 103.5 mm（1990年）;月最大降水量一般出现在7月，月最大蒸发量一般出现在4月。杞麓湖流域北部年降水量略小于南部，东部略小于西部。杞麓湖流域干旱指数为1.24，属于半湿润带地区。

（2）通过一元线性回归法和Mann-Kendall趋势检验法分析，得到杞麓湖流域降水蒸发（全年、汛期、枯季）系列数据均呈增加趋势，其中降水系列为不显著增加，蒸发系列为显著增加。

（3）通过Hurst指数分析，得到降水量将保持增加趋势但持续性较弱，蒸发量也将保持增加趋势且持续性较强。杞麓湖流域降水和蒸发的未来变化趋势不利于杞麓湖的保护。

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