澄碧河水库流域降雨变化分析

莫崇勋，莫桂燕，阮俞理，王大洋，朱新荣，林怡彤(1.广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004；2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室，南宁 530004；3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，南宁 530004)

以气温升高为特征的气候变化将加快水文循环过程，引起区域水量平衡和水资源重新分配；而改变产汇流形成条件的人类活动，使区域水循环的物理成因发生变化，导致水文序列变异；二者综合影响下，会出现水资源系列的防洪、供水、水生态环境和水工程方面的水安全问题[1-4]。变化环境下，全国平均年降水量整体略有减少(-2.23 mm/a)的变化趋势，并其变化趋势对所取时间段和区域范围有一定的敏感性；同时，不同区域的气候变化特征不尽相同，有其特殊性。目前，国内关于不同区域变化环境下降雨演变特征分析已有许多的研究成果[5-9]，而关于澄碧河水库流域气候变化特征的相关研究较少，仅朱胜等[10]对澄碧河水库上游流域气候变化特征及其影响进行分析。而水库作为重要的供水水源，其运行调度在缓解水资源矛盾中发挥举足轻重的作用，故深入研究变化环境下澄碧河水库流域降雨特征演变，对于探讨气候变化引起的水文水资源响应及进一步制定水库流域水资源更合理高效利用的对策具有重要现实意义。鉴此，本文利用线性趋势法、滑动平均法、距平百分比、变异分析法和Arcgis空间插值法等对澄碧河水库流域降雨变化趋势和变异性进行分析，并结合气温和蒸发气候资料进一步了解流域内气候要素受全球气候变化的影响程度及变化趋势，为流域生态建设和水土保持规划提供指导与帮助。

1 研究区概况

澄碧河水库流域位于106°21′E～106°48′E，23°50′N～24°45′N，地处喀斯特山区，属于亚热带气候区，气候温和多雨，地势自西北向东南倾斜(如图1所示)。水库坝址坐落于中国东南部广西壮族自治区百色市凌云县境内。澄碧河属于珠江流域西江水系右江干流左岸一级支流，发源于凌云县青龙山北麓他以村，河流总长127 km，流域总面积2 087 km2，其中2 000 km2为水库集雨面积。流域内各地多年平均降雨量在1 100～1 600 mm之间，汛期(4-10月)占全年水量的87%，多年平均月降雨量最大值出现在6月，占多年平均降雨量的23%，其次是7月、8月和5月，流域内各地区多年平均气温在12.3～21.3 ℃之间。

图1 研究区域及雨量站点分布

2 数据来源与分析方法

2.1 数据来源

本文所用气象资料通过澄碧河水库实测系列获取，选取水库流域内8个雨量站(1966-2015年)50 a的降雨数据，对部分站点缺测数据利用Arcgis克里金插值以及多元回归插值进行补全，构建澄碧河水库流域1966-2015年的降雨数据时间序列。

2.2 分析方法

本文对澄碧河水库流域内8个雨量站的降雨进行趋势及变异研究，进而结合流域蒸发和气温因素进行相关性分析。文中采用线性趋势分析[11]和滑动平均[12]分析气温、降雨及蒸发时间序列的趋势性变化；应用变异分析法识别和诊断降雨趋势变异程度；运用累计距平法[13]辨析降雨趋势年际变化的阶段性。

序列的持续性破坏了序列的随机性，使得序列产生了变异。Hurst系数h能够反映其持续性。同时，R/S分析法中的关系函数C(t)是分数布朗运动参数H的外在体现[C(t)=22H-1-1][14]，其假设检验所通过的显著性水平能表征变异程度大小，并且运动参数H和Hurst系数h是一致的，因而从相关函数Ct的角度结合其与系数h的转换可直观有效地进行变异度划分。Hurst系数h的计算[15]及变异度分级情况(见表1)如下[16]。

表1 变异度分级

在给定n个样本量的时间序列xi，i=1,2,…,n，定义均值序列：

(1)

计算累积离差：

(2)

定义极差序列和标准差序列：

(4)

建立无量纲比率R/S：

(5)

式中：C为常数；h为Hurst系数，取值范围为[0,1]。

3 结果与分析

3.1 降雨趋势分析

采用线性趋势和5 a滑动平均法研究澄碧河水库流域8个雨量站降雨时间序列趋势性(见表2)，只呈现百炼站和凌云站的变化趋势图(见图2)，并利用Arcgis空间插值方法进行流域降雨及其倾向率空间变化探讨(见图3)。由表2和图2可知：澄碧河水库流域8个雨量站点的多年平均降雨量在1 009.2 mm(百炼站)～1 536 mm(凌云站)之间；雨量站多年平均降雨发生不同程度波动，但均呈现减少趋势，百炼站降雨减少尤为明显，降雨倾向率达-3.53 mm/a，其次为林河站(-3.25 mm/a)与下塘站(-3.05 mm/a)，与全国平均年降水量波动略有减少(-2.23 mm/a)的整体趋势相同[17]。由图3可知，澄碧河水库流域降雨及其倾向率在空间上呈大致相反的分布趋势，流域降雨主要集中于远离库区的西北地区，且向东南方向减少(由凌云站1 536 mm减少至百炼站的1 009.2 mm)；而降雨倾向率则相反，靠近库区的东南地区出现较大变化，且从东南向西北逐渐减少(由百炼站-3.53 mm/a减少至凌云站的-2.35 mm/a)。

表2 澄碧河水库流域降雨趋势

图2 澄碧河水库流域变化趋势(百炼站和凌云站)

3.2 降雨变异分析

(1)年变异。在显著性水平α=0.05，β=0.01的条件下，借助Matlab编程对降雨序列变异进行探讨(见表3和图4)。由表3和图4可知：澄碧河水库流域百炼站降雨变异最显著，Hurst系数 高达0.956(巨变异)，凌云站相对变异程度最小，h为0.665(弱变异)；降雨变异与其倾向率有相似的空间分布趋势：靠近库区的东南地区最为显著，远离库区的西北地区相较不明显。

图3 澄碧河水库流域降雨及其倾向率空间变化

表3 澄碧河水库流域降雨变异分析

(2)年际变异。运用累计距平法和变异分析法研究降雨趋势年际变化的阶段性(见图5)和变异性(见表4和图6)。由图5可知：澄碧河水库流域降雨距平大致呈增大(20世纪六七十年代)-减小(80年代)-增大(90年代)-减小(21世纪)趋势，20世纪八九十年代降雨变化较显著，距平百分比达-10.81%(林河，80年代)～11.79%(朝里，90年代)，流域降雨呈现较强波动性；由表4和图6：流域降雨系列Hurst系数 处于0.591 2～0.953 2之间，降雨趋势年代间出现不同程度变异，总体上呈弱度(20世纪六七十年代)-强度(20世纪八九十年代)-弱度(21世纪)的变化尺度，与降雨年代距平有相似变化趋势，且变异强度中心空间上大致呈集中库区(20世纪60年代、80年代和21世纪)-分散库区(20世纪70年代和90年代)往复变化趋势。

图4 澄碧河水库流域降雨变异空间变化

图5 澄碧河水库流域降雨年代距平变化

3.3 降雨变化气候分析

采用线性趋势和5 a滑动平均法研究澄碧河水库流域气温和蒸发时间序列趋势性(见图7和图8)。由图7和图8可知：澄碧河水库流域年平均气温为17.5℃，最高和最低气温分别为18.9℃(2009年)和15.8℃(1978年)，流域近50 a来气温增加趋势明显，气温倾向率为0.013 6 ℃/a左右，相较于全国近50 a的气候倾向率(0.022℃/a)[18]以及整个广西气温倾向率(0.0148℃/a)[19]略低，而相比全球近50a(1956-2005年)的气候倾向率0.013℃/a则略高，表明流域与全球气候变暖的趋势一致，气温变幅较其他地区有一定的地区差异；澄碧河水库流域水面年平均蒸发量为1190.89 mm，细节上与降雨呈大致相同的增加(20世纪六七十年代和90年代)-减少(20世纪80年代和21世纪)波动形式，总体上呈明显的与降雨相似的减少趋势，蒸发倾向率为-2.42 mm/a，相较于全国近45 a(1956-2000年)的平均水面蒸发量变化速率-3.45 mm/a[20]则略低，表明流域蒸发与全国变化趋势一致。

表4 澄碧河水库流域降雨年代变异

图6 澄碧河水库流域降雨年代变异空间变化

图7 澄碧河水库流域气温变化趋势

图8 澄碧河水库流域蒸发变化趋势

4 讨论与结论

4.1 讨 论

(1)澄碧河水库流域蒸发和降雨总体上均呈减少趋势，且年代间降雨与蒸发亦大致呈同一增加0(20世纪六七十年代和90年代)-减少(20世纪80年代和21世纪)的循环变化趋势。流域降雨60%～70%通过蒸散发返回大气形成水循环，从而降雨与蒸发变化步调大致相同，与全国降水与蒸发量区域变化趋势关系相吻合[21]。而降雨空间上在远离库区分布多，靠近库区分布少。可能由于水库库区，水面温度低，气团上冷下热，对流变弱，返回大气中的蒸散发变少，形成的降雨相对变少；而远离库区地区，植被覆盖率高，植物蒸腾作用增强形成的蒸散发多，形成的降雨相对增加[22]。另一方面，结合流域气温整体上升趋势，则会出现靠近库区的东南地区降雨下降趋势比远离库区的西北地区要明显，其所反映降雨减少的持续性大小进一步表现为降雨变异性在东南地区较西北地区显著。

(2)澄碧河水库流域气温呈明显增加趋势，而蒸发却呈减少趋势，存在“蒸发悖论”现象。结合降雨分布情形，靠近库区蒸散发相对减少，而远离库区则相对增加，在气温变暖的背景下，降雨倾向率与降雨空间分布上出现大致互逆现象。

4.2 结 论

(1)澄碧河水库流域近50 a来降雨整体呈减少趋势，流域雨量站点降雨倾向率波动范围为-2.35～-3.53 mm/a，均比全国平均年降水量波动略有减少(-2.23 mm/a)的整体趋势要明显；流域降雨自西北向东南递减(由凌云站1 536 mm减少至百炼站的1 009.2 mm)，降雨倾向率则与其大致呈互逆变化趋势(由凌云站的-2.35 mm/a增加至百炼站-3.53 mm/a)。

(2)澄碧河水库流域降雨在年尺度上发生弱变异～巨变异不同程度的变异，其中百炼站最显著，Hurst系数h高达0.956(巨变异)，凌云站变异最小，h为0.665(弱变异)，且其与降雨倾向率有相似空间分布趋势，东南地区最为显著；年代尺度上变异强度中心大致呈集中于库区(20世纪60年代、80年代和21世纪)-分散于库区(20世纪70年代和90年代)往复变化趋势。

(3)澄碧河水库流域降雨与蒸发变化基本一致，降雨-蒸发关系没有发生明显变化，而气温-蒸发关系呈现一定的“蒸发悖论”现象；流域蒸发与降雨有相同减少趋势(蒸发倾向率为-2.42 mm/a)，同时，流域气温呈增加趋势(气温倾向率为0.013 6 ℃/a)。可见，流域呈现暖干趋势。

(4)本文基于变异分析和Arcgis空间插值等方法研究流域降雨特征时空变化，后续有望结合径流等水文资料综合分析预测水文序列对气候变化与人类活动的响应，以资更进一步指导水库流域管理工作。

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