南水北调中线水源地堵河流域降水变化分析

2017-08-22崔英何意计强郝蓉

湖北农业科学 2017年14期

关键词：降水

崔英+何意+计强+郝蓉

摘要：利用线性回归法、Man-Kendall检验法、R/S分析法结合Hurst系数等方法，分析了1964-2014年堵河流域降水量的变化情况。结果表明，堵河流域年降水量有明显的年际变化，季节降水量以夏季最多，春、秋两季次之，冬季最少。除夏季降水量表现为增加趋势外，年降水量与其他3个季节的降水量均表现为减少趋势，秋季降水量变化率达到-14.8 mm/10年。堵河流域除秋季降水量外，年及其他季降水量UF曲线均没有超过显著性水平线，认为没有明显的突变点；1985年为秋季降水量的突变年份。堵河流域除秋季降水量序列具有一定的相关性，其变异程度为中变异，降水减少趋势变化的持续性比较明显外，年降水量及其他季节降水量序列变异程度均不显著。

关键词：降水；堵河流域；Man-Kendall；Hurst系数

中图分类号：P332.1；P426.6 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）14-2657-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.014

Abstract： The variation of precipitation in the Duhe River Basin during 1964～2014 were analyzed by using the linear regression method， Mann-Kendall trend test， the R/S analysis and Hurst coefficient. Results indicated that the variation of annual precipitation was significant in the Duhe River Basin. Meanwhile， the precipitation amount in summer had the greatest proportion of the annual total precipitation. Additionally， the precipitation amount in spring takes the second place， which followed by the precipitation amount in autumn and winter. The total precipitation in summer increase faintly， while the annual total precipitation， the precipitation amount in autumn and spring showed a stable decreasing trend. Besides， the precipitation amount in winter did not indicate a significant changing tendency. There were not abrupt changes and periods on annual and seasonal precipitation， except autumn precipitation（1985）. The results indicated that the seasonal and annual precipitation alteration in Duhe River Basin was not remarkable， except that the alteration degree of autumn precipitation was moderate alteration.

Key words： precipitation； the Duhe River Basin； Mann-Kendall； Hurst coefficient

南水北調中线工程从汉江丹江口水库引水，连通长江、淮河、黄河、海河四大流域，北上自流到北京、天津，是缓解京津及华北地区水资源短缺问题的战略性工程。南水北调中线工程水源区为汉江流域丹江口以上地区，集水面积9.52万km2，属于北亚热带季风气候，多年平均降水量为819.5 mm，多年平均气温为14.6 ℃，多年平均径流量368.7亿m3。水源区的地表水资源量变化将直接影响调水工程的可靠性，是跨流域水资源调配与管理运行的重要依据。对南水北调中线工程水源区堵河流域降水进行特征分析，为南水北调中线工程水资源调度及风险管理提供科学的决策依据[1]，对今后研究南水北调中线工程通水后水源地水资源时空变化具有重要意义。

1 研究区域

堵河为汉江水系的第一大支流，西、南两支源流于竹山县两河口处汇合，汇合后的河流即称为堵河（图1）。南源即堵河最大支流官渡河，西源为干流，源出大巴山东北麓，渝、陕交界的界梁子，陕西境内汇毛坝河、大曙河、小曙河、竹溪河、浪河、洪石河等，由南向北纵贯镇坪县，流经竹溪县鄂坪乡彭家台入湖北后曲折向东，沿途纳入县河、泉河、官渡河、深河、苦桃河、霍河、北星河等主要支流，至竹山县又折向东北，穿过长达几十公里山区性狭长型黄龙滩大型水库，于十堰市郧阳区柳陂镇堵河口注入汉江，全长342 km，集水面积1.24万km2，堵河流域多年年平均降水量为945.1 mm。

2 数据来源及方法

数据来源于湖北省及陕西省50个降水量观测站1964-2014年月降水量、年降水量系列观测资料。

在线性回归法（y=ax+b）和Man-Kendall秩次相关检验法[2-5]进行区域水文变化趋势的判别及显著性检验的基础上，运用R/S分析法结合Hurst系数从整体上分析堵河流域水文时间序列变异的持续性及其变异程度[6]，定量估计未来的降水变化趋势。

3 降水特征分析

3.1 降水的年际和年代际变化

1964-2014年堵河流域多年年降水量平均值978.7 mm，标准差142.5 mm，变差系数0.15。1964-2014年堵河流域年降水量距平及5年滑动平均变化曲线见图2。由图2可知，堵河流域年降水量有明显的年际变化，年代际变化在90年代波动较大，其余时段变化不是很明显。年降水量最大值1 261.8 mm（1964年），最小值660.2 mm（1997年）。

3.2 降水的季节变化

1964-2014年堵河流域季节降水量的最大值、最小值、多年平均值、标准差以及变差系数见表1。从降水的季节分布来看，夏季最多，平均降水量425.5 mm，占全年降水量的43.9%；春、秋两季次之，秋季平均降水量略多于春季，占到全年降水量的25.7%；冬季平均降水量相比其他季节，明显减少，只有48.6 mm，仅占全年降水量的5.0%。各季降水量的变差系数，春夏两季较小，说明变化较为平缓；秋季次之；冬季最大，变化最剧烈。

3.3 降水的变化趋势与突变

1964-2014年堵河流域年、季降水量的线性趋势系数及MK检验结果见表2。由表2可知，除夏季降水量表现为增加外，年降水量与其他3个季节的降水量均表现为减少趋势。年降水量的变化率达到-12.2 mm/10年，但未通过显著性检验。4个季节里秋季降水量变化最大，变化率达到-14.8 mm/10年，并且通过了5%显著性检验，对年降水量的减少趋势贡献最大；春季变化率为-8.9 mm/10年，也通过了5%显著性检验；夏、冬两季降水量变化趋势未通过显著性检验。

采用Man-Kendall法α=0.05显著性检验对1964-2014年堵河流域年、季降水量序列进行突变性检验，分析各个时段的突变情况。由图3可知，1964-2014年堵河流域年、季降水量MK统计量（除秋季降水量MK统计量外）时间序列（UF）和反序列（UB）曲線均在α=0.05显著性水平线之间，表明其变化不显著，平缓的变化只是一种自然的振动。UF曲线没有超过显著性水平线，认为没有明显的突变点。

秋季降水量MK统计量UF和UB曲线均一度超越了α=0.05显著性水平线，UF表现为缓慢的抬升之后下降，下降为主要趋势。UF和UB曲线在1976-1985年这段时期内出现多次相交，结合秋季降水序列的累积距平曲线，确定1985年为秋季降水量的突变年份。

3.4 降水的变异分析

基于Hurst系数的水文变异分析方法[6-8]，利用变异程度分级（表3）对堵河流域的降水量序列进行变异分析。在资料长度n=51，显著性水平α=0.05，β=0.01的条件下，通过R/S分析法，计算各序列的Hurst系数值、相关函数值以及对应的变异程度，其计算结果见表4。

由表3、表4可知，堵河流域年、冬季、夏季降水量序列的相关函数值均小于r0.05=0.276，Hurst系数均小于h0.05=0.676，表明序列过去对未来几乎没有影响，依据变异程度分级表将其变异程度划分为无变异。春季降水量序列的相关函数为0.28，且r0.05=0.276<0.28r0.01=0.358，但小于0.6，表明序列具有一定的相关性，其变异程度为中变异，说明降水减少趋势变化的持续性比较明显。

4 小结与讨论

利用堵河流域及其周边共计50个降水量观测站1964-2014年的月、年降水量系列观测资料，对堵河流域降水变化特征进行分析，得到以下结论。

1）1964-2014年堵河流域年降水量有明显的年际变化，年代际变化在20世纪90年代波动较大，其余时期基本与多年平均值持平。季节降水量以夏季最多，春、秋两季次之，冬季最少。夏季占全年降水量的43.9%，冬季仅占5.0%。从变化的剧烈程度来看，春夏两季较为稳定；秋季次之；冬季变化最剧烈。

2）1964-2014年堵河流域年、季降水量线性趋势除夏季降水量表现为增加外，年降水量与其他3个季节的降水量均表现为减少。春、秋两季降水量变化率通过了5%显著性检验，其中秋季降水量变化率达到-14.8 mm/10年；年降水量及夏、冬两季降水量变化趋势均没有通过显著性检验。

3）采用Man-Kendall法α=0.05显著性检验对1964～2014年堵河流域年、季降水量序列进行突变性检验，除秋季降水量外，年及其他季降水量UF曲线均认为没有明显的突变点；结合累积距平曲线，确定1985年为秋季降水量的突变年份。

4）基于Hurst系数的水文变异分析方法，分析堵河流域降水量序列的变异程度，结果显示堵河流域年、冬季、夏季降水量序列过去对未来几乎没有影响，其变异程度为无变异；春季降水量序列有弱的相关性，其变异程度为弱变异；秋季降水量序列具有一定的相关性，其变异程度为中变异，降水减少趋势变化的持续性比较明显。

以上结论对于堵河流域的水资源调度、水土保持、水资源规划等具有重要的指导意义，可以为南水北调中线工程水资源调度及风险管理提供科学的决策依据，对研究南水北调中线工程通水后水源地水资源时空变化具有重要意义。

参考文献：

[1] 康玲，何小聪.南水北调中线降水丰枯遭遇风险分析[J].水科学进展，2011，22（1）：44-50.

[2] 张建云，王国庆，贺瑞敏，等.黄河中游水文变化趋势及其对气候变化的响应[J].水科学进展，2009，20（2）：153-158.

[3] 陆文秀，刘丙军，陈俊凡，等.近50a来珠江流域降水变化趋势分析[J].自然资源学报，2014，29（1）：80-90.

[4] 王勇，许红梅，程炳炎，等.1951-2012年降水变化对涪江流域径流的影响[J].气候变化研究进展，2014，10（2）：127-134.