沣河流域水文气象要素变化特征分析
2019-03-14安宝军周维博
安宝军，周维博，夏 伟，杨 浩
(1.陕西省西咸新区 沣东新城斗门水库建设管理中心， 陕西 西安 710086； 2.长安大学 环境科学与工程学院， 陕西 西安 710054；3.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室， 陕西 西安 710054)
在政府间气候变化委员会(IPCC)第五次评价报告第二工作组报告《气候变化2014：影响、适应和脆弱性》中指出：气候变化已经对全球自然和人类系统包括11种领域和9个区域(各大洲、两极地区和岛屿)都产生广泛和深远的影响；气候变化增温幅度的提高将加剧自然和人类系统广泛的、严重的和不可逆影响的风险[1-2]。
唐熊鹏等[3]以沱沱河流域为例，采用累积距平法、M-K检验法以及小波分析法等一系列分析方法对其1961年—2010年的气温、降水和径流深序列进行了分析，研究表明：沱沱河流域气温、降水和径流深序列均呈不同程度的上升趋势，分别在1999年、2004年和2007年、2004年和2007年发生突变，且第一主周期分别为25年、20年和22年。田龙[4]应用多种数理统计法对台兰水文站1957年—2010年降水、气温和径流的变化趋势进行了分析，研究表明：降水量年际变幅增大，总体呈上升趋势，气温在1980年之前呈显著降低趋势，在1980年之后呈显著上升趋势，径流呈现较明显的增多的趋势；李海川等[5]以澜沧江流域为例，运用了气候倾向率、Mann-Kendall突变检验法以及Pearson相关性分析等一系列分析方法对其1958年—2015年的气温、降水和径流序列进行了分析，研究表明：澜沧江流域上游温度低降水少，下游温度高降水多，降水和径流主要集中于夏秋两季，径流在2005年发生突变，气温与径流的相关性较差，降水径流相关性于2005年之后变差。
目前，沣河处于西安城市建设西边缘区域，同时下游位于第七个国家级新区—西咸新区境内，战略地位不断凸显。在全球气候变化的背景下，沣河流域水文气象要素是否发生改变直接影响着当地的经济发展[6-7]。目前，西咸新区正处于快速发展成型时期。因此,对沣河流域水文气象要素进行趋势分析、突变分析以及周期分析实际意义重大。
1 材料和方法
1.1 研究区概况
1.2 数据来源
水文气象数据来源于秦渡镇水文站1965年—2016年(共52 a)逐年实测降水和径流数据。
1.3 研究方法
1.3.1 滑动平均法
滑动平均法又称移动平均法[8-9]，即沿着全长N个数据，逐个地取相邻的2n+1个数据进行算术平均，其值作为滑动平均值。其具体的计算公式如下：
(1)
本文采用五日滑动平均法(即n=2)对沣河流域年降水量和年径流量序列进行趋势分析。运用此方法可以很好地消除原始年降水量和年径流量数据的不稳定波动，显示出年降水量和年径流量序列变化的平稳性。
1.3.2 累积距平法
利用下式来表示序列的累积距平[10]
(2)
(3)
其主要思想是判断离散数据对其均值的离散程度，若曲线呈现上升趋势，表明累积距平值增大，离散数据大于其均值；若曲线呈现下降趋势，表明累积距平值减小，离散数据小于其均值。
1.3.3 Mann-Kendall检验法
Mann-Kendall检验法[11-12]是一种非参数检验方法，其优点主要有一下几点：(1) 对样本要求较低，不需要其具有一定的分布特征；(2) 分析结果对少数异常值的抗干扰性较强；(3) 适用性很强，可以被用于分析顺序变量和类型变量；(4) 计算也较为简单方便。Mann-Kendall法的主要思想是：先根据时间序列的顺序和逆序分别计算出统计量序列UF和UB，给定显著性水平α(本文α取0.05，即Uα=±1.96)，再在一幅图中绘制出UF和UB两条统计量序列曲线以及Uα=±1.96两条临界线。若UF和UB值大于0，则表明该统计量序列呈现上升的趋势；若UF和UB值大于0，则表明该统计量序列呈现下降的趋势。当UF和UB超过临界值时，则表明该统计量序列上升或下降的趋势显著。如果UF与UB两条统计量序列曲线在Uα=±1.96两条临界线之间出现交点，则此交点所对应的时间即为突变开始的时间。
1.3.4 小波分析法
小波分析[13-16]的基本思想是用一簇小波函数(本文选用Morelet小波系)来表示或逼近某一信号或函数。通过小波分析，可以得到小波分析时频分布图以及小波方差图。从小波分析时频分布图中可以看出水文时间序列的几个主要的变化周期，从小波方差图中可以看出水文时间序列在不同变化周期时的波动能量的大小，从而可以判断出水文时间序列在变化过程中的主周期。
2 流域水文气象要素时间序列分析
2.1 趋势分析
沣河流域1965年—2016年年降水量和年径流量趋势变化如图2所示。
由图2(a)可知，沣河流域多年平均降水量为642.6 mm，年降水量总体呈现减小的趋势，减小的速率为0.007 2 mm/a，其中最大降水量为1 063.2 mm(1983年)，最小降水量发生为301.4 mm(1995年)。从五年滑动平均曲线来看，沣河流域年降水量在21世纪之前降水丰枯明显，呈微弱下降趋势，20世纪70年代降水呈下降趋势，20世纪80和90年代降水下降趋势更加显著。
由图2(b)可知，沣河流域多年平均径流量为2.24 亿m3，年径流量总体呈现减小的趋势，减小的速率为0.011 4亿m3/a，其中最大径流量发生在1983年，为5.38亿m3，最小径流量发生在1995年和2001年，为0.87亿m3。从五年滑动平均曲线来看，沣河流域年径流量在21世纪之前径流丰枯明显，呈微弱下降趋势，20世纪70年代径流呈下降趋势，20世纪80和90年代径流下降趋势更加显著。沣河流域年径流量总体呈现减小的趋势，这可能是由两方面原因导致的，一方面是年降水量的减少，另一方面是人类活动的不断加剧。
利用累积距平法对沣河流域1965年—2016年的降水和径流丰枯状态进行分析，图3(a)为沣河流域年降水量累积距平曲线图，图3(b)为沣河流域年径流量累积距平曲线图。
由图3(a)可知，沣河流域1965年—2016年的年降水量序列大致可分为如下几个阶段：二个显著的枯水段，即1975年—1979年和1989年—1997年；二个显著的丰水段，即1980年—1988年和2002年—2011年；二个显著的平水段，即1998年—2001年和2014年—2016年。
由图3(b)可知，沣河流域1965年—2016年的年径流量序列大致可分为如下几个阶段：二个显著的枯水段，即1975年—1979年和1989年—2016年；一个显著的丰水段，即1980年—1988年；一个显著的平水段，即1968年—1974年。
从而可以看出，沣河流域1965年—2016年的年径流量的变化趋势与年降水量的变化趋势大体一致，在80和90年代下降趋势均较为显著，丰枯状态也大致对应。
2.2 突变分析
用Mann-Kendall检验法对沣河流域1965年—2016年的年降水量和年径流量进行突变分析，图4(a)和图4(b)分别为沣河流域年降水量和年径流量M-K检验图。
由图4(a)可知，UF和UB曲线在Uα=±1.96两条临界线间相交于1990年和2002年，可以确定沣河流域年降水量在1990年和2002年前后发生突变。
由图4(b)可知，UF和UB曲线在Uα=±1.96两条临界线间相交于1990年和2008年，可以确定沣河流域年径流量在1990年和2008年前后发生突变。
从而可以看出，沣河流域1965年—2016年的年径流量发生突变的年份与年降水量发生突变的年份大体一致，年径流量第一次发生突变的年份与年降水量第一次发生突变的年份相同，均发生在1990年前后，年径流量第二次发生突变的年份较年降水量第二次发生突变的年份有所滞后，前后相差6年左右。
2.3 周期分析
用小波分析法对沣河流域1965年—2016年的年降水量和年径流量进行周期分析，图5(a)和图5(b)分别为沣河流域年降水量和年径流量小波分析时频分布图，图6(a)和图6(b)分别为沣河流域年降水量和年径流量小波方差图。
由图5(a)可知，沣河流域年降水量序列存在12 a～13 a、25 a～30 a以及45 a～46 a左右的三个主要的变化周期。由图6(a)可知，沣河流域年降水量小波方差曲线共有三个峰值，其中最大峰值对应着25a～30a的变化周期，最小峰值对应着45 a～46 a的变化周期，这表明沣河流域年降水量序列的第一、第二和第三主周期分别为25 a～30 a、12 a～13 a和45 a～46 a。
由图5(b)可知，沣河流域年径流量序列存在13 a～15 a、27 a～32 a以及46 a～47 a左右的三个主要的变化周期。由图6(b)可知，沣河流域年降水量小波方差曲线共有三个峰值，其中最大峰值对应着27 a～32 a的变化周期，最小峰值对应着46 a～47 a的变化周期，这表明沣河流域年降水量序列的第一、第二和第三主周期分别为27 a～32 a、13 a～15 a和46 a～47 a。
从此可以看出，沣河流域1965年—2016年的年降水量和年径流量均存在着大体一致的三个主要的变化周期，且第一、第二和第三主周期也相互对应。
3 结 论
(1) 沣河流域1965年—2016年的年降水量序列和年径流量序列总体均呈现减小的趋势，减小的速率分别为0.007 2 mm/a和0.011 4亿m3/a，且最大值均发生在1983年，分别为1 063.2 mm和5.38亿m3；沣河流域1965年—2016年的年降水量序列存在着1975年—1979年和1989年—1997年二个显著的枯水段，1980年—1988年和2002年—2011年二个显著的丰水段以及1998年—2001年和2014年—2016年二个显著的平水段；沣河流域1965年—2016年的年径流量序列存在着1975年—1979年和1989年—2016年二个显著的枯水段，1980年—1988年一个显著的丰水段，以及1968年—1974年一个显著的平水段。
(2) 沣河流域1965年—2016年的年径流量序列与年降水量序列发生突变的年份大体一致，年降水量序列在1990年和2002年前后发生突变，年径流量序列在1990年和2008年前后发生突变。
(3) 沣河流域1965年—2016年的年降水量序列存在12 a～13 a、25 a～30 a以及45 a～46 a左右的三个主要的变化周期，其中第一主周期为25 a～30 a；沣河流域1965年—2016年的年径流量序列存在13 a～15 a、27 a～32 a以及46 a～47 a左右的三个主要的变化周期，其中第一主周期为27 a～32 a。
