近50年乌江流域降雨演变趋势研究

2022-12-19李长江吴海宽

水利建设与管理 2022年11期

李长江吴海宽付杰

(贵州省水利科学研究院，贵州贵阳 550002)

降水是形成径流的重要环节，长期以来，由于人类的不断活动，自然界原有的平衡被打破，气候变化从局部变化发展到全球变化，引发了全球气温升高、冰川融化、极端天气、水旱灾害频发等系列问题。研究变化条件下区域水资源的基本情况及演变趋势，及时掌握区域水资源的变化，对区域水资源合理配置以及防旱抗旱、经济社会发展、水资源安全等具有重要意义。目前，针对降雨趋势和变化、周期分析方面的研究，采用的方法有滑动平均法、回归分析法、Rescaled Range Analysis分析法、Mann-Kendall检验法、小波分析法等。莫崇勋等[1]采用Mann-Kendall方法对澄碧河流域近50年降雨径流变化趋势进行了分析；王孝礼等[2]采Rescaled Range Analysis分析法对水文时序趋势和变异点进行了研究，以水库的来水量为例，分析了其变异趋势，并对变异点进行了诊断研究；张平等[3]采用Mann-Kendall检验法、小波分析法等对淮河蚌埠以上流域近50年来降水时空变化特征进行了研究，分析了该地区年径流的演变趋势、突变点和径流演变周期。

乌江流域是贵州省最大的水系，占贵州省面积的37.5%，对贵州经济社会发展起着至关重要的作用。流域已开发梯级电站11座，总装机容量985万kW，流域总面积9.5万km2，现有耕地面积21056.33km2，人口2018.74万人[4-5]。研究乌江流域降雨时空分布及演变趋势，揭示其在不同时间尺度上的降雨特性和变化规律，为区域水资源的开发利用、优化调度、防灾减灾等有着重要意义。对于乌江流域的研究，徐成汉等[6]采用Mann-Kendall法、spearman秩次检验对乌江流域降水径流响应关系进行了研究，结果表明流域径流深呈现一定的减少趋势，但径流系数变化不明显；王俊超等[7]对乌江流域极端降水时空分布特征及重现期进行了分析研究，结果显示流域暴雨等级面雨量、日数和强度随时间变化呈现上升趋势，流域平均年最大日降水量年际变化比较明显，下游和中下游平均极端持续强降水次数趋势增加，上游呈现明显减小趋势；高红梅等[8]根据流域日降雨量资料，分析研究了乌江流域季、主汛期和年降水量，结果显示乌江流域平均降水量有减少趋势，且有明显的季节变化，春秋呈现减少趋势，夏季呈增加趋势。本文选取了乌江流域32个气象站点1961—2015年的降雨系列资料，采用滑动平均法、Mann-Kendall非参数检验法、Morlet小波分析法[9]等对流域降雨资料进行全面分析，对流域降雨变化特征和演变规律进行深入研究，掌握其在不同时间尺度上的降雨特性和变化规律，以期为区域水资源利用、防洪减灾、经济社会发展等提供决策支持。

1 研究资料与方法

1.1 研究区概况

乌江发源于贵州省西北面乌蒙山脉东麓羊角山最高峰东北面——威宁县草海镇绿水塘，横贯贵州省，于重庆市的涪陵区汇入长江，干流全长1044km，天然落差2391m，平均比降2.293‰。流域大小支流共163条，其中，流域面积在1000km2以上的一级支流16条；大于10000km2的1条；5000～10000km2的3条；2500～5000km2的4条；1000～2500km2的8条[10]。1000km2以上的二级支流有7条。本文选取了乌江流域32个气象站点1961—2015年共计55年降雨系列资料，对乌江流域近50年降雨特性变化进行深入研究。研究区乌江流域水系及气象站地理空间分布见图1。

图1 乌江流域研究区水系及气象站点示意图

1.2 滑动平均法

对于序列x1，x2，…,xn，改变滑动长度使得序列之间相关度增加，通过时间序列的平滑值来显示序列的变化趋势，滑动平均序列表示为

(1)

式中：k为滑动长度。

1.3 Mann-kendall趋势检验

Mann-Kendall检验法是一种非参数检查方法[11-12]，广泛应用于时间序列的趋势变化分析中。设时间序列x1，x2，…,xn，Mann-Kendall统计检验为

(2)

其中

(3)

统计量：

(4)

(5)

Zc的正负分别代表样本序列变化趋势，若Zc>0，则序列呈上升趋势；若Zc<0，则序列呈下降趋势；给定置信区间α(显著水平)，若|Zc|>Z1-α/2，拒绝原假设H0，表示序列呈明显上升或下降趋势；若|Zc|

指标β表示变化趋势的大小和方向:

(6)

若β>0，表示呈上升趋势；若β<0，表示呈下降趋势[13]。β数值越大，表示趋势越显著。

1.4 Mann-Kendall突变检验

对一个给定的时间序列x1，x2，…,xn，共有n个样本，Mann-Kendall突变检验[14]构造一个序列Sk：

(7)

其中

(8)

定义统计量：

(9)

其中：UF1=0,E(Sk)和var(Sk)是累计数Sk的均值和方差，x1，x2,…,xn相互独立，且有相同连续分布时，由下式得出：

(10)

(11)

UFk为标准正态分布，按时间序列计算，给定显著性水平α，若|UFk|>U∝/2，则表明序列存在明显的趋势变化。按逆序列xn，xn-1,…,x1重复以上过程，使UFk=-UBk。将UFk和UBk两个统计量曲线和显著性水平线绘制在同一图上，UFk>0表明序列呈上升趋势，反之呈下降趋势。当超过临界线时，表明上升或下降趋势明显，若UFk和UBk曲线相交，且交点在上下两条临界线之间，则交点对应的时刻为突变开始的时间点[15]。

1.5 Morlet小波周期性分析

小波分析是一种信号的时间尺度分析方法，能在时频两域表征信号局部特征，广泛运用于水文气象等时间序列分析中[16-18]。本文采用Morlet小波[19-20]对时间序列进行连续小波变换，连续小波变换为

(12)

设函数f(kΔt)(k=1,2,…,N;Δt为取样间隔)，则式(12)的离散小波变换形式为

(13)

对序列做小波变换后得到的小波系数是序列在不同时间尺度和不同时间位置上的投影，可以用来描述水文序列的组成结构和多时间尺度变化特性。将小波变换系数的平方在b域上进行积分，得到小波方差var(a)，它能反映信号波动的能量随尺度a的分布，进而可确定时间序列中存在的主周期[21]。

(14)

2 分析结果

2.1 降雨时空分析

根据流域内32个雨量站1961—2015年降雨量资料，采用泰森多边形法推算流域面降雨，得出流域多年降雨量为1117mm。从图2可以看出，丰水年为1964年、1967年、1977年、1980年、1996年、2008年、2014年，其中1977年降雨量最丰，为1377mm；枯水年为1966年、1981年、1985—1990年、2006年、2009—2011年、2013年，其中2011年最少，为805mm。从图3可以看出，流域降雨呈现空间分布不均现象，西北为流域降雨量低值区，极小值出现在威宁—赫章一带，降雨量为800～900mm；西南部为流域降雨量高值区，极大值出现在织金—普定一带，降雨量为1300～1400mm；中部地区修文、开阳、瓮安、播州等地处于全流域平均水平，降雨量为1000～1200mm；东部地区思南、沿河、德江、凤冈一带为流域降雨量次高区，降雨量为1100～1250mm。

图2 历年降雨量曲线

图3 降雨量空间分布情况

2.2 降雨演变趋势分析

根据流域1961—2015年面降雨序列资料，通过5年滑动平均，得流域5年滑动平均序列(见图4)，从图中可以看出，流域1961—1982年期间丰枯交替较为频繁，变化不明显，1982年以后，丰枯出现大幅波动变幅，滑动平均序列呈现下降趋势。总体上看，分析时段内降雨量的倾向率为-14.8mm/10年，降雨量总体上呈下降趋势。

图4 年降雨量趋势及五年滑动平均

根据Mann-kendall趋势检验，乌江流域降雨量趋势系数Zc=-1.22<0，序列呈下降趋势；但没有超过95%的显著性水平Zα/2=±1.96，说明流域降雨下降趋势变化不明显，根据计算，β=-1.49<0，反映出流域降雨呈下降趋势。

将流域1961—2015年面降雨序列进行Mann-kendall突变检验，结果表明(见图5)，在0.05的显著性水平下，流域55年时间内UF值大部分年份小于零且总体有减小的趋势，说明这段时间内，流域降雨呈现减小的趋势，与滑动平均法、Mann-Kendall统计检验法结果一致。UFk值和UBk值在分析时段内出现了6个交点，分别在1980—1981年、1981—1982年、1984年、1994—1995年、2001年、2002—2003年。1961—1984年UFk值在零值附近徘徊，说明降雨量趋于平稳，1981—1994年UFk值逐年减小，期间降雨量呈现减少趋势，1994—2003年UFk值逐年增加，降雨量有增加趋势，但没有形成有效突破，2003年以后，UFk值又呈现减少趋势，流域内降雨由增加趋势转为减少趋势。在整个分析时段内，UFk值总体处于零值下方，总体上流域降雨呈现减少的趋势。

图5 年降雨量M-K突变检验曲线

2.3 降雨周期分析

将序列资料进行一维连续小波变化，绘制小波系数图(见图6)，然后根据小波系数计算小波方差，并绘制相应的小波方差图(见图7)。同一时间尺度下，小波系数正值等值线代表丰水期，负值等值线代表枯水期，零值等值线则代表平水期。根据小波系数实部图，在55年时间序列中，降雨量大致存在3年、5～7年、7～10年、16～18年、27～30年几种时间尺度的枯、丰变化振荡周期；根据小波方差图，存在4个明显的极值，分别为5年、7年、18年、28年，其中28年周期振荡最强，说明乌江流域降雨量变化的主周期为28年，18年、7年、5年为流域降雨的第二、三、四周期，其中5年周期几乎贯穿于整个序列，流域降雨在小尺度5年周期内降雨丰、枯交替最为频繁。