基于M-K方法的大凌河中游降水量时空演变及突变特征分析

2017-04-10景淑娟徐世民

水利技术监督 2017年1期

关键词：大凌河特征分析降水量

景淑娟，徐世民

（1.辽宁省辽阳水文局，辽宁辽阳1110101；2.辽宁省阜新水文局，辽宁阜新118000）

基于M-K方法的大凌河中游降水量时空演变及突变特征分析

景淑娟1，徐世民2

（1.辽宁省辽阳水文局，辽宁辽阳1110101；2.辽宁省阜新水文局，辽宁阜新118000）

以大凌河中游大城子水文站以上为研究区域，结合区域内1955～2014年近60年实测降水量数据，应用MK方法分析大凌河中游降水量时空演变以及降水突变特征。并在此基础上定量分析降水量和地下水埋深之间的关系。研究结果表明：近60以来大凌河中游降水量增长趋势较弱，呈现5～10年的变化周期，不同季节降水量突变年份呈现个异性变化；从20世纪90年代到2000年后降水空间呈现由北向南逐渐递增的趋势，增长幅度较大；降水量和区域地下水埋深呈现较好的线性关系，相关系数达到0.7167。研究成果对于区域水资源变化评估提供参考价值。

M-K方法；降水量时空演变分析；突变特征分析；大凌河中游

降水量为区域水资源的主要补给量，对于区域降水量特性的分析将对区域水资源量的准确评估至关重要，对于降水量特性的分析，国内许多学者进行过研究，取得一定的研究成果［1-7］，在这些研究成果中，M-K方法［8-9］在降水量趋势以及突变分析中应用较为成熟，但是M-K方法在区域不同季节突变分析中应用还较少，而年降水量在不同季节分配不同，出现突变的原因和年份也不相同，呈现个异性［10］。为此本文选用M-K方法，对辽宁西部大凌河中游降水量的时空演变以及突变特征进行分析，并重点分析不同季节降水量的突变特征，此外，由于大凌河中游地地处辽宁西部地区，属于干旱半干旱区域，区域地下水资源量占总水资源量70%以上，比例较高，在降水量分析的基础，本文还定量分析了降水量和地下水埋深之间的相关关系。研究成果对于区域水资源量变化评估提供参考价值。

1 M-K趋势分析及突变分析原理

1.1 趋势分析

M-K检验，时间序列数据（x1，x2，…，xn）是n个独立的、随机变量同分布的样本，检验统计量的定义S：

式中，1≤j＜i≤n；S近似服从正态分布，标准差为σs；Z＞0表示增加趋势，Z＜0表示减少趋势，查表可知Z的绝对值大于一定值时表示通过了不同置信度的显著性检验。

1.2 突变分析

时间序列数据（x1，x2，…，xn）是n个独立的、随机变量同分布的样本，其中mi表示第i个样本xi＞xj（1≤j≤i）的累积数，定义一个统计量ck：

式中，E（ck）、σ（ck）为ck的均值和方差，UFk为ck的标准化；按逆序列数据（xn，xn-1，…，x1）重复上面过程，使UBk=-UFk，k=n，n-1，…，UB1= 0。如果UF和UB两条曲线在置信区间内出现交点，即为可能的突变点。

2 降水量时空演变及突变特征分析

2.1 研究区域概况

本文以辽宁西部第一大河大凌河中游为研究区域，研究区域主要位于辽宁省干旱半干旱区域，区域多年平均降水量为600mm，降水主要集中在7～9月份，由于地处干旱少水的区域，其水资源量相对较为匮乏，地下水资源在总水资源量的比例高达70%。

2.2 年降水量变化分析

结合小凌河流域1955～2014年年平均降水量，采用M-K趋势分析方法对辽宁西部小凌河流域的年降水量进行趋势分析并结合小波周期分析方法对区域降水变化周期进行分析，分析结果见图1。

图1（a）为大凌河中游年降水量变化趋势分析结果，从图中可以看出，大凌河中游年降水量呈现微弱上涨趋势，上涨趋势不显著，未能通过置信度为95%的假设检验，表明大凌河中游的年降水量变化较小，为对大凌河中游降水量的变化周期进行分析，采用小波周期分析方法对大凌河中游的年降水量进行周期分析，见图（1）b，从图1中可以看出，大凌河中游的年降水量小波方差在0～30之间，其年降水量的小波呈现5～10的周期性变化，变化周期性较短，区域降水量年际变化较快。

图1 研究区年降水变化分析

2.3 不同季节降水量突变特征分析

考虑到不同季节降水量变化的个异性，采用M-K方法对大凌河中游四个季节的降水量进行突变特征的分析，分析结果见图2。

图2 不同季节降水量突变分析

从图2中可以看出，大凌河中游春季降水量在1960～1970年间呈现下降的趋势，其突变点出现在1970年，从1970年以后其降水量开始上升，并在1989、1993、2013年其U统计值大于1.64，通过置信度为90%的假设检验。在夏季其降水量在90年代和2000年代呈现显著的下降趋势，综合分析夏季降水量的突变点发生在1980年，秋季的降水量在1963～1966年其U统计值超过1.64，通过通过置信度为90%的假设检验，表明在这个时期大凌河中游冬季的降水量下降趋势较为显著，通过其M-K统计值得分析表面，在秋季其降水量突变点发生在1957年。而在冬季大凌河中游降水量远小于其他几个季节的降水量，冬季的降水量在1958～1960其M-K统计值超过了1.96，通过了置信度为95%的假设检验，在这三个年份的降水量呈现了显著的下降趋势，这三个年份也呈现了严重的干旱情况，通过对大凌河中游冬季M-K统计值综合分析，在冬季大凌河中游的降水量在1973年出现突变。综上可见，大凌河中游不同季节降水量呈现个异性，不同季节突变特征不同，突变年份也大不相同。

2.4 年代降水量空间变化分析

在大凌河中游降水量时间过程分析的基础上，对大凌河中游降水量空间演变过程进行了分析，分析结果见图3。

图3 不同年代区域降水量空间变化分析

图3 为不同年代区域降水量空间变化分析结果，从图中可以看出，区域不同年代降水量空间变化分布较为不均匀，红色部分代表降水量较大的区域，而蓝色部分代表降水量较小的区域，黄色和橙色代表降水量中等的区域，从图3（a）可以看出，在90年代大凌河中游从西向东呈现递增的趋势，但降水量增加幅度较小，而进入2000年代以后，极端降水事件频发，区域降水量较大的区域出现在大凌河中游的北部区域，且降水量的空间变化呈现从90年代的由西向东递增变化到由北向南逐渐递减，降水量的空间分布出现变化。

2.5 降水对地下水变化的影响

为分析降水对地下水的影响，结合大凌河中游降水量和地下水数据，点绘了研究区域地下水和降水量之间的相关关系，结果见图4。

图4 研究区域降水量和地下水位的回归分析

从图4中可以看出研究区的降水量和地下水变化有着较好的相关关系，相关系数达到0.7167，可以看出，降水量的变化势必造成地下水的动态变化，从2000年以后大凌河中游地下水发生了较大程度的变化，一部分是由于区域开采量的变化，另外一部分还主要是因为2000年以后大凌河中游降水量呈现一定程度的变化，从而使得区域的地下水出现较为明显的变化，从图中还可以看出，大凌河中游的降水量和地下水变化呈现线性变化关系，当区域的降水量增加100mm，区域地下水水位可以抬升0.6m，可见，大凌河中游降水量对于区域地下水变化的影响较为显著。