密云水库流域1960—2021年水文变量演变特征分析

樊 敏 王槿妍 张冠宇

(1.北京市密云水库管理处,北京 101512;2.北京市水文总站,北京 100089)

密云水库作为首都重要的地表饮用水源地、防洪控制工程和水资源战略储备基地,其安全运行对首都防洪安全和水资源安全至关重要。建库60多年来,流域水文要素特征在气候变化和人类活动等因素的影响下发生了较大的变化,流域降水和产汇流情况是影响入库水量的关键因素[1]。因此,针对流域降水和径流等重要水文要素变化开展成因分析,对于保障密云水库工程安全、防洪安全和供水安全具有重要意义。为了研究密云水库流域近62年的降水量和径流量变化特征,本文利用Mann-Kendall非参数检验法对流域降水和径流数据进行趋势检验和突变检验,研究其变化趋势特征及发生突变的时段,以期为水库水资源合理利用和安全度汛提供科学依据[2]。

1 研究区概况

密云水库由潮白河上游两大支流潮河、白河汇流而成,控制流域面积15788km2,占潮白河全流域面积的88%,具有山高、坡陡、沟深、流急等特点。河道比降较大,潮河河源至坝址全长220km,其平均比降为1.78‰,白河河源至坝址全长248km,其平均比降为4.87‰,见图1。流域属中纬度大陆性季风气候,降水量主要集中在6—9月,尤其集中在7—8月。汛期流域多年平均降水量为394mm(1960—2021年),暴雨中心多出现在南侧,由东南向西北递减[3]。

图1 密云水库流域概况

2 研究数据与方法

研究数据为1960—2021年密云水库流域逐年各月的降水量和径流量数据。采用Mann-Kendall(M-K)非参数检验法检验1960—2021年密云水库流域降水量和径流量的年际、年内变化趋势及其显著性。M-K趋势检验统计量为Z,选择置信水平α=0.05,临界值Z1-α/2=1.96[4-6]。其中M-K检验法趋势检验统计量Z的“+”或“-”表示上升或下降趋势,当|Z|≥2.32、1.64、1.28时,分别表示通过了置信度为99%、95%、90%显著性检验,相应的趋势检验水平为0.01、0.05、0.10。密云水库流域雨量站信息见表1。

表1 密云水库流域雨量站信息

3 结果与分析

3.1 降水量时间变化特征

3.1.1 年际变化

密云水库流域1960—2021年年降水量年际变化见图2,变化范围为295.00～665.30mm,2002年和2021年分别达到最小值和最大值,为295.00mm和665.30mm,最大值与最小值的比值达到2.26。降水量年际变化较大,多年平均降水量为471.10mm,其中2002—2021年波动最为明显,呈显著增加趋势。由降水距平百分率可知,1960—2021年年降水量丰枯交替出现,旱涝特征较明显,其中1960—1963年、1970—1972年和1999—2007年发生连续干旱现象。

图2 1960—2021年年降水量年际变化

由图3可知,汛期和非汛期降水量年际间具有明显差异,汛期(6—9月)和非汛期( 10月至次年5月)多年平均降水量分别为393.98 mm和88.27 mm,分别占年降水量的81.3%和18.7%。汛期降水量贡献率显著,表明密云水库流域降水存在一定的季节性。1960—2021年降水距平百分率正负交替变化,有连续的偏丰或偏枯现象。

图3 1960—2021年汛期和非汛期降水量年际变化

3.1.2 年内变化

密云水库流域降水量年内分配见表2,降水量数据采用密云水库流域各月多年平均值,存在明显的季节差异和年内分配不均匀性。1960—2021年的62年间,6—9月降水量占全年的80.45%,其中7月和8月降水量最多,为145.0mm和110.7mm,分别占全年总降水量的30.37%和23.19%;降水量最小的月份为1月和12月,仅1.6mm,占全年降水量的0.34%。

表2 密云水库流域降水量年内分配

3.1.3 变化趋势分析

针对不同时段的降水量数据,对密云水库流域降水数据分别作了年尺度、6—9月、汛期和非汛期的降水量趋势分析,根据M-K检验法的趋势检验计算公式进行计算,密云水库流域1960—2021年降水量统计值见表3,年降水量增幅每10年为3.19mm,M-K趋势检验统计量Z值的计算结果为0.7775,未通过0.05显著性检验,表明密云水库流域年降水量存在不显著的上升趋势[7]。从5年滑动平均曲线可以看出,流域年降水量存在较明显的年代际振荡周期,阶段变化周期为1～10年,整体在波动中呈现增大的趋势。

表3 密云水库流域年度及汛期、非汛期降水量统计值

汛期降水量M-K趋势检验统计量Z<0,表示流域降水量呈下降趋势,但是未通过置信度为90%的显著性检验,表明下降趋势不显著。非汛期降水量M-K趋势检验统计量Z>0,且通过了置信度为99%的显著性检验,表明降水量在0.01显著性水平上有明显上升趋势。

3.1.4 突变分析

对密云水库流域1960—2021年的逐年降水数据进行M-K突变检验,UF为标准正态分布,UB为UF的逆序列,UF与UB交点对应的时刻即为突变开始的时刻,给定显著性水平为0.05,统计量UF和UB的临界值为±1.96,UF>0,表示序列呈上升趋势,反之,呈下降趋势,大于或小于±1.96,表示上升或下降趋势明显[8-11]。年降水量M-K突变检验结果见图4,1963—2000年和2016—2021年UF统计量大于0,年降水量呈上升趋势,其他时段年降水量呈下降趋势。UF统计量序列和UB统计量序列在置信区间内存在多个交点,表明密云水库流域年降水量在多个时段发生突变。虽然在2020—2021年出现突变特征,但考虑该年份处于时间序列的末端,缺少佐证,所以舍弃[12]。

由表3可知,汛期统计值未通过0.05显著性检验,下降趋势不显著。由图5(a)可以看出,汛期降水量正序列曲线UF正负交替出现,1963—1983年、1986—2001年UF统计量大于0,降水量呈上升趋势,其他时段呈下降趋势。UF与UB曲线在置信区间出现多个交点,表明汛期降水量在多个时段发生突变。

图5 1960—2021年汛期和非汛期降水量M-K突变检验

由表3可知,非汛期统计值通过0.05显著性检验,上升趋势显著。由图5(b)可以看出,非汛期降水量UF曲线除1962年、2005年外均大于0,降水量呈上升趋势,其中1978—1987年、1990—1991年和2015—2021年UF曲线超出置信区间,上升趋势显著。UF与UB曲线在置信区间出现多个交点,部分交点超过了0.05临界线,分别为1987—1988年、1990—1991年,表明降水在此期间发生了突变,降水量趋势变化显著;2003—2004年间存在突变点,之后降水增加趋势显著。

3.2 径流量时间变化特征

3.2.1 年际变化

密云水库流域1960—2021年径流量变化趋势见图6。该区域径流量年际变化较大,多年平均径流量为8.700亿m3,其中1973—1984年波动最为明显,流域径流量总体呈明显的下降趋势,线性减小率为0.1494亿m3/年。径流变化范围在1.850亿～24.212亿m3,最大值出现在1973年,为24.212亿m3,最小值出现在2000年,为1.850亿m3,最大值与最小值的比值为13.09。从5年滑动平均来看,1999年以后滑动均值小于多年平均值,呈连续下降趋势。

图6 1960—2021年年径流量年际变化

由图7四季径流量年际变化可知,四季径流量及各季节年际间具有明显差异,春季(3—5月)、夏季(6—9月)、秋季(10—11月)和冬季(12月至次年2月)多年平均径流量分别为1.013亿m3、5.762亿m3、1.091亿m3和0.834亿m3,分别占年径流量的11.64%、66.23%、12.54%和9.59%。超过60%的径流发生在夏季,夏季贡献率最显著,表明密云水库流域径流存在一定的季节性。

图7 1960—2021年四季径流量年际变化

春季径流量年际间变化较大,1984—2021年春季径流量存在明显的连续偏枯现象;夏季径流量年际波动较大,1960—1998年丰枯交替频繁,1999—2020年连续偏枯;秋季径流量年际间变化较大,1960—1979年连续偏丰,1980—2020年连续偏枯,2021年出现极大值3.460亿m3,远高于平均值;冬季径流量在1960—1983年、1987年、1995—1997年偏丰,其他年份均较枯,连续丰枯现象非常明显。

3.2.2 年内变化

密云水库流域径流量年内分配情况见表4,径流量季节性差异不明显,径流量的年内分配相对均匀。1960—2021年的62年间,7—9月径流量占全年总径流量的60.94%,分别为1.843亿m3、2.434亿m3和1.025亿m3,占全年总径流量的21.18%、27.98%和11.78%;其他月份径流量相差不大。1月径流量最小,为0.261亿m3,占全年径流量的3.00%。

表4 密云水库流域径流量年内分配

3.2.3 变化趋势分析

针对不同时段的径流量数据,对密云水库流域径流量数据分别作了年尺度、各月及四季的径流量趋势分析,根据M-K检验法的趋势检验计算公式进行计算,密云水库流域1960—2021年年度和四季径流量统计值见表5,年径流量增幅每10年为-1.49亿m3,M-K趋势检验统计量Z值的计算结果为-4.7013,通过了置信度为99%的显著性检验,表明密云水库流域年径流量存在明显的下降趋势。从5年滑动平均曲线可以看出,年径流量总体在波动中呈现明显递减的趋势。

表5 密云水库流域年度和四季径流量统计值

在季尺度上,各个季节的径流量变化趋势一致,均通过了0.01显著性检验,表明各季节径流量下降趋势显著;在月尺度上,5月未通过0.10显著性检验,下降趋势不显著,其他各月的径流量变化趋势一致,均通过了0.01显著性检验,表明其他各月径流量均呈显著性下降趋势。

3.2.4 突变分析

对密云水库流域1960—2021年的逐年径流数据进行M-K突变检验,给定显著性水平为0.05,结果见图8。由年径流量M-K突变检验结果可知,除1963—1965年、1967年、1969—1970年以及1974—1980年外均小于0,径流量呈下降趋势,其中1989年、1993年和2000—2021年UF曲线超出置信区间,下降趋势显著。UF统计量序列和UB统计量序列在置信区间内存在一个交点,但未超过临界线,表明密云水库流域年径流量在多个时段发生突变[13]。

图8 1960—2021年年径流量M-K突变检验

由表5可知,春季统计值通过了0.01显著性检验,下降趋势显著。由图9(a)可以看出,春季径流量UF曲线均小于0,径流量呈下降趋势,其中1963年和1972—2021年UF曲线超出置信区间,下降趋势显著。UF与UB曲线在1970—1976年这一时间段存在多个交点,第一个交点发生在1970—1971年,表明径流在此期间发生了突变。

图9 1960—2021年四季径流量M-K突变检验

夏季径流总体呈显著下降趋势,由图9(b)可以看出,夏季径流量UF统计值除1962—1967年、1969—1970年和1973—1980年外均小于0,径流量呈下降趋势,其中2002—2021年超过0.05置信水平临界线,径流量趋势变化显著,UF与UB曲线在1990—1991年之间相交,径流发生突变。

秋季径流总体呈显著下降趋势,由图9(c)可以看出,秋季径流量UF统计值除1961年、1968—1971年和1973—1981年外均小于0,径流量呈下降趋势,其中1989—2021年超过0.05置信水平临界线,径流量趋势变化显著,UF与UB曲线在1982—1983年之间相交,径流发生突变。

冬季径流总体呈显著下降趋势,由图9(d)可以看出,冬季径流量正序列曲线UF统计量在1960—1974年和1982—2021年小于0,径流量呈下降趋势,其他时段呈上升趋势。其中1986—2021年超过0.05置信水平临界线,径流量趋势变化显著,UF与UB曲线在1987—1988年之间相交,且超过置信临界线,表明径流在此期间发生显著突变[14-15]。

4 结 论

运用 Mann-Kendall 检验法对密云水库流域的降水、径流数据进行趋势检验及突变检验,得到以下结论:

a.1960—2021年密云水库流域降水量和径流量年际变化较大,存在显著的季节特征。多年平均降水量为471.10mm,变化范围为295.00～665.30mm,2002年和2021年分别达到最小值和最大值,年降水量年际丰枯交替频繁,旱涝特征较明显。多年平均径流量为8.700亿m3,变化范围为1.850亿～24.212亿m3,2000年和1973年分别达到最小值和最大值,四季径流量及各季节年际间具有明显差异。

b.分析 Mann-Kendall 趋势检验结果可知,密云水库流域近62年来,年尺度上降水量M-K趋势检验统计量Z值大于0,流域降水量呈不显著上升趋势。年度、汛期和非汛期降水量年际波动性强,汛期、7月和8月降水量呈不显著下降趋势,6月和9月呈不显著上升趋势,非汛期呈显著上升趋势。流域年径流量总体在波动中呈现明显递减的趋势,各个季节的径流量变化趋势一致,均通过了0.01显著性检验,表明各季节径流量下降趋势显著。

c.密云水库流域年降水量和年径流量均无突变特征。非汛期降水量在1987—1988年和1990—1991年间发生了突变,降水量趋势变化显著。春夏秋冬四季径流分别在1970—1971年、1990—1991年、1982—1983年和1987—1988年发生突变。

d.密云水库流域降水量和径流量突变特征不一致,降水量突变点较径流量突变点明显偏多,说明降水量波动性更大,但总体呈现增加的趋势。流域径流量总体呈递减的趋势,引起径流量衰减的主要影响因素是气候变化和人类活动,特别是人口增加、水利工程建设、土地利用和土壤结构变化等因素。