太子河干流中游段近60年降水蒸发要素演变分析

2018-08-29徐飞

水利技术监督 2018年4期

徐飞

(辽宁省沈阳水文局，辽宁沈阳 110043)

降水蒸发是水平衡方程的重要输入项，对于区域水资源量的分配和计算至关重要，也是反映区域气候变化和土地利用/覆被的最重要的两个因素。对于区域降水蒸发的演变规律的分析有助于对区域水资源演变进行有把控。近些年来，对于区域降水蒸发演变规律分析的研究成果较多[1- 5]，其中趋势检验分析方法[6- 7]以及突变诊断分析方法[8- 9]在区域降水蒸发演变特征的分析中应用较为成熟。太子河是辽宁东部较为重要的河流，为此本文结合趋势检验法以及突变特征分析方法，结合太子河干流水文站实测降水蒸发数据，对太子河干流中游段的降水蒸发要素的演变特征及规律进行全面系统的分析，分析成果对于太子河中游水资源规划和水资源评价具有重要的参考价值。

1 研究方法

1.1 趋势检验方法

为对水文气象要素特征变化趋势进行检验，采用非线性趋势检验方法对水文变化特征进行检验，该方法假设时间数据序列(x1，x2，，xn)为独立、随机同变量分布的样本序列，检验统计变量S计算方程为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—正态分布的检验统计变量；xi和xj—同一样本中不同分布的两个系列，其中E(ck)=k(k-1)/4；σs—标准方差；sign—运算符号；n—样本的总个数；Z—检验值，若Z>0，检验的时间序列为上升变化趋势，Z<0，检验的时间序列为上下降变化趋势；Z的绝对值大于或等于2.32、1.64、1.28，表示通过置信度分别为99%、95%以及90%的显著性检验水平。

1.2 突变诊断方法

突变分定义一个统计量ck来分析n个独立的、随机变量同分布的样本数据序列(x1，x2，，xn)，计算方程分别为：

图1 研究区域站点分布图

(5)

E(ck)=k(k-1)/4

(6)

σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72

(7)

(8)

式中，m—第i个样本xi>xj(1≤j≤i)的累积数，E(ck)、σ(ck)—ck的均值和方差，UFk—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 研究成果

2.1 区域概况

太子河流域属于温带大陆性季风气候区，全年气候温和、湿润，四季分明。太子河流域多年平均降水量在700～900mm之间，是东北地区降水较多的地区。年内降水量分布很不均匀，多集中在6～9月，占全年的70%～80%，其中7～8月份降水量最多，约占全年的60%。小林子水文站址位于辽阳县小北河镇小林子村(东经122°54′，北纬41°22′)，是太子河重要控制站。太子河中下游，集水面积10254km2，至辽阳水文站距离为47km，见图1。

2.2 降水蒸发趋势检验分析

2.2.1 年降水蒸发趋势分析

结合小林子站1952～2016年降水蒸发统计年值，分析其年降水蒸发演变趋势，结果见图2。

图2 小林子站年降水蒸发趋势变化过程

图3 小林子站各季节降水变化过程

2.2.2 月降水蒸发趋势分析

结合小林子站1952～2016年降水蒸发统计月值，分析小林子站月降水蒸发演变趋势，结果见图3、4及表1。

表1 各时间尺度降水蒸发趋势检验结果

图2直观地反映了太子河干流小林子站的年降水和年蒸发演变趋势，从图2中可看成，小林子站年降水变化较为平稳，而年蒸发呈现较为明显的递减趋势，结合表1可看成，年降水的趋势检验值为-0.4812，变化趋势较弱。而年蒸发的检验统计值为-4.8405，达到95%的递减趋势。从降水各季节变化可以看成，和年降水变化较为一致，各季节降水变化也较为平稳，其秋季递减趋势较为明显，递减率达到-9.1mm/a，从蒸发的季节变化趋势图可以看成，春节较其他季节的递减趋势最为明显，冬季的变化趋势最弱，年蒸发逐年递减率为-14.7mm/a，而年蒸发递减率高，也是太子河干流径流减少的主要因素之一。

2.3 降水蒸发突变诊断分析

2.3.1 年降水蒸发突变诊断分析

结合小林子站1952～2016年降水蒸发统计年值，运用突变诊断分析方法对小林子站年降水蒸发的突变特征进行分析，分析结果如图5所示。

图5 年降水蒸发突变诊断结果

2.3.2 月降水蒸发突变诊断分析

结合小林子站1952～2016年降水蒸发统计月值，运用突变诊断分析方法对小林子站年降水蒸发的突变特征进行分析，分析结果如图6、7所示。

图5中可看出年降水和年蒸发的突变年份不一致，这主要是因为造成降水和蒸发变化的原因不一样，降水主要受气候变化，而蒸发除受气候变化外，还受到区域下垫面的变化，年降水突变主要发生在20世纪70年代，其中1975年为其突变转折年份。可以认为太子河干流在1975年前后出现一定程度的气候突变。而年蒸发的突变主要发生在2000年以后，这主要由于2000年以后城市化的发展步伐较快，城市化的发展减少了区域植被量，也间接减少了区域了蒸发量，使得年蒸发较2000年以前呈现一定的突变特征。而季节蒸发和降水和年突变特征具有一定的相似性，各季节降水突变主要发生20世纪70年代，而蒸发主要发生在2000年以后，其中夏季降水突变特征显著性高于其他季节，而春季蒸发的突变特征高于其他季节。春季蒸发突变的原因在于农业耕作措施的开展。