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长江上游甘孜流域历史降雨时空变化分析

2021-09-07娅,朱

水科学与工程技术 2021年4期
关键词:检验法甘孜降雨量

蒲 娅,朱 朋

(长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局攀枝花分局, 四川 攀枝花 617000)

1 研究区概况

甘孜流域为长江流域上游的一部分, 流域面积约3.28万km2。 流域内海拔3343~5813m,以高海拔山区为主,地处川西高原气候区,流域内降雨主要集中在5—10月,多年年均降雨量596.8mm。由于该流域海拔高差较大,且为峡谷地形,适合开发水力资源,因此修建了一系列水电站,为流域内居民供电[1]。 降雨变化会影响到流域内水电站群的发电效益, 严重的情况会影响到水电站群的安全运行。 本文根据流域内降雨站点的降雨数据, 分析甘孜流域1980—2018年间降雨的时空变化趋势, 为流域水电站群的运行策略制定提供数据支撑[2-3]。

2 研究方法及数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 趋势分析法

趋势分析法[4]是指通过对有关指标的变化趋势进行分析,找到该指标的发展方向的一种研究方法的总称,比较常用的为回归方法。 本研究只针对降雨这一要素进行趋势变化分析,因此,选用适用于单变量趋势分析的一元线性回归法, 对流域内3个降雨站点的降雨数据进行趋势分析。 一元线性回归模型如下:

式中 y为因变量的值;x为自变量的值;b为常数项。

本研究中,为研究降雨随时间变化的趋势,以年份为自变量,年降雨量为因变量,分析年降雨量的历史变化趋势。

2.1.2 突变检验法

常见的突变检验分析方法有Mann-Kendall检验法、有序聚类法、滑动T检验法和R/S检验法等[5]。 其中,Mann-Kendall检验法[6]具有以下特征:①不需要对数据序列进行分布检验,不用剔除极值;②允许数据序列存在缺测值,可为不连续的序列;③其主要分析对象为数据序列的数量级,而非数据本身;④对时间序列检验时,不用考虑其是否为线性趋势。基于以上四点,该方法获得了世界气象组织的推荐,在世界各地被广泛应用,具有一定的权威性。 因此,本研究选用Mann-Kendall检验法对流域内3个降雨站点的降雨数据进行突变检验。

Mann-Kendall的原理为利用符号规则:

将时间序列X构造为一个秩序列:

假设时间序列随机独立,则可定义统计量:

再将序列按降序排列,构造统计量,从而形成统计量U的双曲线,给定显著性水平a=0.05,当两条曲线交点位于置信区间[-1.96,1.96]时,则可将对应的时间点作为可能的突变点。

2.2 数据来源

本研究所使用的数据下载于中国气象数据网,根据坐标筛选,甘孜流域内降雨站点有3个,其站点编号分别为:56034,56038,56146。 所获取的降雨数据尺度为日尺度, 时间范围为1980年1月1日—2018年12月31日。 降雨站点的空间分布如图1。

图1 流域概况图

3 结果

3.1 降雨时空趋势变化分析

由图2和图3可知, 流域内3个降雨站点的降雨变化趋势均为增加。 年均降雨量从上游的56034站(528mm)往下游的56146站(662mm)逐级增加,表明流域内降雨量存在空间差异性。 1980—2018年间,56034,56038 和56146 号 站 点 的 年 降 雨 量 分 别 以0.684,1.9553,0.8313mm/a的速度增长。 其中,56034号站点的变化趋势较为明显,呈现先下降,后增加的趋势,但整体仍表现为增加。 而56038和56146号站点变化趋势则没有56034号站点明显, 其变化较为散乱,整体为增长趋势。 需要通过进一步的突变诊断分析其变化趋势。

图2 甘孜流域1980—2018年降雨趋势分析

图3 甘孜流域1980—2018年降雨量统计

对于月均降雨而言,从图4可看出:每个站点的各月降雨分配都比较相似,降雨量主要集中在5—10月,而11—4月降雨量较少。 整体来说,56146站点的各月降雨量在3个站点里基本都是最高的,说明该站点全年降水都比其他两个站点要多。 56034站点和56038站点降雨最多的月份为7月,而56146站点降雨最多的月份为6月,且明显高于其他月份。

结合图1~图4可发现, 流域内上游降雨量最少,下游降雨量最多,中游降雨量介于上下游之间。 流域内降雨整体变化趋势为逐年增加, 并且中游的降雨量增加趋势最为明显。 造成这种现象的原因可能是流域通过径流将上游水资源输送到下游, 使下游水量增加,加速了下游的水循环过程,使其降雨增加。

图4 各站点月均降雨量

3.2 M-K检验

根据Mann-Kendall检验法,甘孜流域内3个降雨站点的年降雨数据被用来进行突变诊断, 结果如图5。可以发现:56034站降雨的M-K检验结果中,UFk和UBk线出现多次交叉,分别在1982,2011,2015, 2017年,且都在置信区间内,说明该站点的降雨变化趋势发生了4次转变。 56038站降雨在2016年发生一次突变,其变化趋势在该年发生了改变。 而对于56146站降雨而言,其交点较多,总共有11个交点,结合图2中该站点降雨时程分布, 可发现该站点逐年的降雨波动极大,对检验结果有一定影响。综合图2和图5,可认为该站点降雨突变点为1990和2000年。

图5 甘孜流域1980—2018年降雨M-K检验

4 结语

甘孜流域内降雨自1980—2018年, 整体呈现上升趋势。 上游、 中游和下游的年降雨量分别以0.684,1.9553,0.8313mm/a的速度增长。 流域内降雨主要集中在5—10月,而且逐月降雨和年降雨量的空间分布具有相似性。经M-K突变检验,上游站点降雨突变年份为1982,2011,2015,2017年,中游站点突变年份为2016年,下游站点突变年份为1990和2000年。面对逐年增长的降雨量, 流域内径流量将出现一定增长,能带来一定的发电效益。

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