兰溪桥水库1963—2021年降水时空演变规律分析

高家玮，孙颖娜，*，乔伟毅

(1.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江大学中俄寒区水文和水利工程联合实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 研究方法

1.1 研究区概况

兰溪桥水库工程位于庆元县城上游7 km处，坐落在闽江水系槎溪支流松源溪上，坝址应岭尾村上游，集水面积235 km2，总库容1617万m3，电站装机6400 kW，2004—2021年多年平均年发电量1773万kW·h。

1.2 资料选取

选取兰溪桥国家气候基准站1963—2021年长达59 a的逐月降水资料作为研究对象，对兰溪桥水库的降水特征进行趋势分析和突变分析[1]。

1.3 研究方法

本文使用Matlab和Excel进行数据分析，运用气候倾向率法，滑动平均法和Manner-Kendall检验法对兰溪桥水库的降水特征进行趋势分析和突变分析

(1)气候倾向率法。降水量的气候倾向率通过一元一次方程来表示，如式(1)：

Y=at+b

(1)

式中：Y为降水量，mm；a为斜率，mm/a；t为年份；b为常数项，mm。气候倾向率的单位为mm/10 a。

(2)滑动平均法。滑动平均法是通过选取不同的时间间隔，从时间数列的第一项数值开始.按不同周期求序时平均数，得出一个由滑动均值构成的新的时间序列。

(3)Manner-Kendall检验法(M-K检验)。M-K检验是一种非参数统计检验方法，该检验方法的检验结果受少数异常值的影响非常小，且不要求所选区的样本服从某一特定分布，所以此方法被广泛运用在分析降水、气温、径流等要素的时间序列的趋势变化。

原理：对于具有n个样本量的时间序列X1，X2，…，Xn，构造一秩序列如式(2)：

(2)

式中：Sk为第i时刻数值大于j时刻数值个数的累积数；Ri为Xi大于Xj(1≤j≤i)的个数。

定义统计量UFk，如式(3)：

(3)

式中：E(Sk)和Var(Sk)分别为Sk的均值和方差。计算公式见式(4)、式(5)

(4)

(5)

给定显著性水平α，查找u分布表获得临界值uα，如果|UFk|>uα，则序列发生突变，存在明显的变化趋势。

取时间序列的反序(xn，xn-1，，…，1)，重复上面的步骤，定义统计量UBk(k=n，n-1，…，2)，令UBk=UFk。

前盾脱困施工从中间向两边进行，在原塌腔拱部防护下按设计断面安装拱顶拱架后，采用方木临时支撑在盾壳上，见图6，然后分左右开挖拱脚，并及时进行支护。

绘制出UFk，UBk的曲线。当UFk值>0时，降雨量随时间呈上升趋势，反之则为下降趋势，当UFk，值超出临界值范围时，说明上升或下降的趋势显著。当UFk，UBk值相等，而且交点在临界值范围内，说明交点所对应的时间就是突变开始的时间[2-6]。

2 结果与分析

2.1 年降水量变化特征分析

从图1中可以看出，1953—2021年兰溪桥水库年降水量总体呈上升趋势，气候倾向率为21.41 mm/10 a，年平均降水量1376.1 mm，年降水量最小在1976年，为660.6 mm，年降水量最大在1967年，为2104.0 mm。近70 a兰溪桥水库降水量波动幅度较大，1967年、1980年、2003年、2015年降水量偏高，1968年、1976年、1991年、1996年和2008年降水量偏小。从5 a滑动平均看，20世纪60年代年降水量呈下降趋势，20世纪70年代呈上升趋势，20世纪80年代前期呈下降趋势，后期呈上升趋势，20世纪90年代变化平稳，2000—2007年呈下降趋势，2007—2021年呈上升趋势，总体呈上升趋势。

图1 兰溪桥水库年降水量变化趋势

根据表1可知，降水量呈下降趋势且在置信度95%的显著性检验下，下降趋势不显著。

表1 兰溪桥水库年降雨量M-K趋势检验统计结果

采用Mann-Kendal突变检验法，对兰溪桥水库1953—2021年的年降水量进行趋势分析和突变检验，绘制出UF值和UB值曲线见图2。在1960—1983年和2008—2015年间降水变化趋势不明显，1983—2008年降水呈上升趋势，最明显的突变点在2000年。则2000年为年降水序列显著突变年份。

图2 兰溪桥水库年平均降水量M-K检验结果

2.2 四季降水量特征分析

依据气候学的统计方法，将3—5月的总降水量定义为春季降水量，6—8月的总降水量定义为夏季降水量，9—11月的总降水量定义为秋季降水量，12月—次年2月的总降水量定义为冬季降水量。

从图3可以看出，1963—2021年兰溪桥水库降水量随季节变化明显，春季降水量占年降水量的45%，夏季降水量占年降水量的36%，秋季降水量占年降水量的8%，冬季降水量占年降水量的11%，可以看出全年的降水量大部分集中在春季和夏季，占全年的81%，而秋季和冬季的降水量较少，只占全年降水量的19%。

图3 春、夏、秋、冬四季降水量

兰溪桥水库春季降水气候倾向率为-10.2 mm/10 a，总体呈下降趋势；春季最大降水量在1978年，为1107.9 mm，春季最小降水量在1976年，为230.9 mm。1958—1980年间降水量波动较大，1981年之后降水量较为平缓。

秋季降水气候倾向率为13.86 mm/10 a，总体呈上升趋势；秋季最大降水量在2020年，为409.4 mm，秋季最小降水量在1977年，为13.0 mm。降水变化趋势幅度较小，但在2020—2021年急剧上升。

冬季降水气候倾向率为7.43 mm/10 a，总体呈上升趋势。冬季最大降水量在1964年，为478.4 mm，冬季最小降水量在2001年，为18.1 mm。

兰溪桥水库四季降雨量统计结果见表2。由表2可知，春季降雨量呈下降趋势，且下降趋势不显著，夏季与冬季降雨量呈上升趋势，且上升趋势不显著，而秋季降雨量呈上升趋势且上升趋势显著，与用前面方法所得出的降水量分析结果相同。

表2 兰溪桥水库四季降雨量M-K趋势检验统计结果

图4～图7分别为春季、夏季、秋季、冬季平均降水量M-K检验结果，由图8可知，兰溪桥水库春季降水量在20世纪60年代—80年代呈下降趋势，20世纪80年代—2000年呈上升趋势，2000—2021年呈下降趋势。UF值与UB值在置信区间内在1967年、1980年、2002年、2018年相交，说明兰溪桥水库春季降水在这四年发生突变。

图4 兰溪桥水库春季平均降水量M-K检验结果

由图5可知，兰溪桥水库夏季降水量在20世纪60年代到1983年呈上升趋势，1983—2002年呈下降趋势，2002—2021年呈上升趋势。UF值与UB值在置信区间内在1982年、2000年相交，说明兰溪桥水库夏季降水在这两年发生突变。

图5 兰溪桥水库夏季平均降水量M-K检验结果

由图6可知，兰溪桥水库秋季降水量在1963—1973年呈下降趋势，1973—2021年呈上升趋势。UF值与UB值在置信区间内在1963年、2019年相交，说明兰溪桥水库秋季降水在这两年发生突变。

图6 兰溪桥水库秋季平均降水量M-K检验结果

由图7可知，冬季降水在置信区间内，虽然存在多个交点，但是变化十分不显著，说明兰溪桥水库冬季降水量不存在突变点。

图7 兰溪桥水库冬季平均降水量M-K检验结果

3 结 论

(1)兰溪桥水库年降水量气候倾向率为21.41 mm/10 a，总体呈现上升趋势，且上升趋势不显著。年降水量存在突变性，突变点在2000年。

(2)降水主要集中在春季和夏季，而在秋季和冬季降水量很少，兰溪桥水库春季降水呈不显著下降趋势，夏季和冬季降水呈不显著上升趋势，秋季降水呈显著上升趋势。春季降水量在1967年、1980年、2002年、2018年发生突变，夏季降水量在1982年、2000年发生突变，秋季降水量在1963年、2019年发生突变，而冬季降水量不发生突变。