黄冈河汤溪水库1985～2019年降雨特征分析

吴梓贤 WU Zi-xian

（广东省水文局潮州水文测报中心，潮州 515200）

0 引言

流域或区域降雨特征的研究一直是国内外众多专家学者的研究热点。王亦尘等[1]通过线性回归分析法、累积距平法等对北京市1950～2017年汛期逐日降雨资料进行了分析，系统研究了北京市汛期降雨特点；冯庆华等[2]等采用Mann-Kendall（简称MK检验法）和皮尔逊III型曲线法研究得出淮南站近49年来降水量呈微弱的下降趋势；李斌等[3]使用累积距平法、滑动平均法和线性倾向估计法分析了渭河流域的降雨量和径流变化资料，发现渭河流域降水多集中在夏、秋两季，且流域西部和北部暴雨强度呈增大趋势。曾志平[4]利用数理统计和空间分析方法，选用14个极端降水指数分析了清远市极端降水时空变化特征。

对降雨特征的研究与掌握，一方面有助于指导地区的防汛抗旱工作，另一方面也有助于区域洪水预报的开展。目前，对黄冈河汤溪水库降雨特征的研究较少，因此有必要对其降雨特征进行研究，以指导地区防汛抗旱和洪水预报工作的开展。

1 区域概况

汤溪水库于1958年11月至1959年12月兴建，位于潮州市饶平县汤溪镇境内，地处黄冈河中游，是广东省第三大水库，也是粤东地区库容最大的水利工程，为潮州市饶平县黄冈河中下游地区的生活和农业灌溉水源。汤溪水库总面积16.67km2，最大容量为3.78亿m3，总装机容量为2×4000kW，年发电量2300万kW·h[5]。汤溪水库的集雨区为黄冈河流域，该河发源于饶平县西北部与潮州市、丰顺县的交界处，上游多山岭，由发源于九峻山的东溪、发源于桃源诸山的北溪和发源于梅峰的南溪三水汇聚而成。汤溪水库主坝水电站距离下游汤溪水文站约1.1km，控制了黄冈河667km2的集水面积，占黄冈河流域面积的40.5%。流域内共有11个雨量站，均为遥测自动站，相应的水文站点分布图见图1。

近年来，随着城市的持续发展和人口的快速增加，汤溪水库作为饶平县唯一的大型水库，其供水、发电、灌溉和防洪的作用日益突出，对饶平县防洪抗旱和经济发展起着重要的作用。而城市的发展也导致着气候、下垫面条件的改变，市内建设的高速发展，人口数量的增加，城市规模的扩大，不仅影响了区域降雨规律[2]，也增加了城市防汛抗旱的难度。暴雨是黄冈河流域洪水的主要成因，黄冈河中上游多山地丘陵，强降水也经常导致泥石流、滑坡等的发生。作为黄冈河流域防洪调度的主要水库，对汤溪水库进行降雨特征和规律的研究尤为必要，可为汤溪水库的安全运行提供技术支撑和资料保证[5]，有助于指导黄冈河的防汛抗旱工作提供有力的保障。

2 资料来源与研究方法

2.1 资料来源

考虑资料连续性与时间序列长度，本文选取广东省水文局整编的黄冈河汤溪水库上游8个雨量站1985～2019年逐日降水资料作为分析数据，资料来源可靠，数据连续完整，不存在缺测和漏测情况；站点空间分布均匀，能较好地反映黄冈河汤溪水库降雨特征。

2.2 研究方法

①累积距平法。

累积距平法是一种常见的由曲线来直观判断要素变化趋势的方法[6]，其具体计算方法是：

对某一要素序列xi，其时刻t的累积距平值为：

②MK检验法。

MK检验法是由Mann于1945年提出的用于检测时间序列的方法[7]，是被世界气象组织（WTO）推荐并已被广泛采用的非参数统计检验法，其优点是不要求样本服从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，计算也比较简便[8]。

MK检验法的计算原理是：对某一要素序列xi，其对应的统计量Sk的计算公式为：

式中：n为序列的长度；sgn（xi-xj）为符号函数，其具体计算规则为：

定义新的统计变量UFk：

式中：E（Sk）和Var（Sk）分别为Sk的均值和方差，计算公式如下：

UFk为标准正态分布，当UFk＞0，则表明序列呈上升趋势，反之则呈下降趋势。k=n时，UFn代表序列的整体趋势。当给定显著性水平α，查正态分布表可得对应的临界值Uα/2，若│UFk│＞Uα/2，即超过临界值，则说明序列存在明显的趋势变化，其超过临界值的时间点为发生突变的时间区域。如果将序列xi按逆时序排列，重复上述计算步骤，得到UBk。若UFk和UBk两条曲线存在交点，且交点在±│Uα/2│之间，则可以认为交点对应的时刻就是突变发生的时刻。

3 降雨时间变化特征分析

黄冈河汤溪水库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）降雨量作为研究对象。

3.1 累积距平法分析

运用累积距平法，分别对黄冈河汤溪水库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）降雨量进行分析，结果如图2。

由图2（a）可得，黄冈河汤溪水库年降雨量的累积距平值阶段性特征不太明显，累积距平值呈不稳定波动状态，上升与下降趋势交替出现，年降雨量有增有减。

对比图2（a）和（b）可以看出，黄冈河汤溪水库汛期降雨量和年降雨量的累积距平曲线曲线形状相似，其阶段性变化特征在累积距平曲线中并不明显，呈不稳定波动状态，上升与下降趋势交替出现，汛期降雨量有增有减。

同理，对比图2（a）和（c）可以看出，黄冈河汤溪水库非汛期降雨量和年降雨量的累积距平曲线形状差异较大，表明非汛期降雨量的阶段性变化特征与年降雨量不一致。非汛期降雨量变化阶段大致可以划分为5个阶段。其中，1985～1986年、1990～1996年和2015～2019年呈上升趋势，非汛期降雨量逐年增多；1987年～1990年和1997年～2014年呈下降趋势，非汛期降雨量逐年减少。

3.2 MK检验法分析

分别对黄冈河汤溪水库1985～2019年的年降雨量、汛期和非汛期降雨量进行MK检验分析。分别计算得到年降雨量、汛期和非汛期降雨量序列对应的UFn值如表1。

表1 黄冈河汤溪水库降雨量序列统计量UFn值

由表1可得：黄冈河汤溪水库年降雨量的统计值UFn=0.0142，绝对值小于显著性水平α=0.05的临界值1.96，说明汤溪水库1985～2019年年降雨量整体呈增长趋势，但趋势较不显著。同理，汛期降雨量统计值UFn=-0.2698>-1.96，其减少趋势不显著；非汛期降雨量统计值UFn=0.4971<1.96，其增长趋势不显著。

分别绘制黄冈河汤溪水库年降雨量、汛期和非汛期降雨量的MK检验曲线图见图3。

由图3（a）可得：①1985～2019年，黄冈河汤溪水库年降雨量统计值UFk的绝对值均小于显著性水平α=0.05的临界值1.96，其年降雨量变化趋势不明显，变化趋势与累积距平曲线基本一致，增加与减少趋势交替出现，其中呈上升趋势的年份较多，可将年降水量增减变化大致划分为5个变化阶段：1985～1986年、1990～2003年和2006年～2019年呈增加趋势，1987～1989年和2004～2005年呈减少趋势；②图3（a）中，UF和UB曲线虽然存在明显的交点，但均位于显著性水平临界线范围内，故认为汤溪水库1985～2019年年降雨量不存在显著的突变点。

由图3（b）可得：①1985年～2019年，黄冈河汤溪水库汛期降雨量UF曲线位于显著性水平α=0.05的临界线范围内，说明其汛期降雨量变化趋势不明显，变化趋势与累积距平曲线基本一致，增加和减少趋势波动交替，其中呈上升趋势的年份较多。可根据汛期降水量的变化趋势大致将其划分8个阶段：1985～1986年、1990～1991年、1997年～2004年和2006～2018年呈增加趋势，1987～1989年、1992～1996年、2005年和2019年呈减少趋势；②图3（b）中，UF和UB曲线虽然存在明显的交点，但均位于显著性水平临界线范围内，故亦认为汤溪水库1985～2019年汛期降雨量不存在显著的突变点。

由图3（c）可得：①1985年～2019年，黄冈河汤溪水库非汛期降雨量变化趋势可分为5个阶段：1985～1987年、1994～1998年和2015年后呈增多趋势，1988～1993年和1999～2014年呈减少趋势。变化趋势与累积距平曲线分析结果基本一致；②图3（c）中，UB曲线仅在1998年超出了显著性水平临界线，1998年之前UF和UB曲线大致相交于1986～1987年之间，交点位于显著性水平临界线范围内，故可认为黄冈河汤溪水库非汛期降雨量于1986～1987年之间出现突变点。

5 降雨空间变化特征分析

根据黄冈河汤溪水库1985～2019年降雨系列资料，分别计算出各个站点多年平均降雨量、多年平均汛期和非汛期降雨量如表2。

表2 黄冈河汤溪水库各站点多年平均降雨量 （单位：mm）

由表2分别绘制黄冈河汤溪水库多年平均年降雨量、汛期和非汛期降雨量的站点分布图见图4。

由图4可得，黄冈河汤溪水库多年平均年降雨量、汛期的空间分布相似，均表现为由西南向东北递减的趋势，降雨中心主要集中在西南外宫一带；而非汛期多年平均降雨量则表现为在外宫、三饶、麻寮沿线从西往东递减、从中部往南北递减的趋势，降雨中心也是集中在西南外宫一带。

6 结论

本文根据黄冈河汤溪水库1985～2019年的降雨序列资料，采用累积距平法和Mann-Kendall法对黄冈河汤溪水库的年降雨量、汛期和非汛期降雨量的变化特征进行了分析研究，并对其在空间上的分布进行了探讨，得出以下结论：①1985～2019年，黄冈河汤溪水库年降雨量和非汛期降雨量整体呈现不明显的增长趋势，而汛期降雨量则整体呈现不明显的减少趋势；年降雨量受汛期降雨量的影响较为显著，受非汛期降雨量的影响不明显。②1985～2019年，黄冈河汤溪水库年降雨量和汛期降雨量的变化趋势均不明显，且呈增长趋势的年份较多，但均未超0.05的显著性水平，无明显的突变点；非汛期降雨量总体变化趋势虽不明显，且呈减少趋势的年份较多，但在1986～1987年之间存在突变点导致1998年其变化超过了显著性水平。③在空间分布上，黄冈河汤溪水库多年平均年降雨量、汛期和非汛期降雨量的降雨中心均在外宫一带。其中，年降雨量与汛期降雨量呈相似的空间分布，均变现为由西南向东北递减的趋势；非汛期多年平均降雨量则表现为在外宫、三饶、麻寮沿线从西往东递减、从中部往南北递减的趋势。④考虑资料的一致性和连续性，本文仅选取了汤溪水库上游的8个雨量站的数据作为研究数据，导致个别雨量站可能存在代表性不足的情况，也缺乏对降雨周期性和稳定性方面的研究，将在后续研究中补充完善。