玉溪綠汁江流域降水徑流變化趨勢特征分析

谷桂華，李能，吳獻花

(1.云南省水文水資源局 玉溪分局，云南 玉溪 653100；2.玉溪師范學院 高原湖泊生態(tài)環(huán)境保護重點實驗室，云南 玉溪 653100)

綠汁江流域地處滇中巖溶高原湖盆區(qū)，位于云南省楚雄市祿豐縣、雙柏縣和玉溪市易門縣、峨山縣、新平縣境內(nèi).河源段稱為西河，出祿豐壩子后稱星宿江，流經(jīng)易門縣綠汁鎮(zhèn)后稱祿汁江.流域西部為哀牢山，干流全長325 km，總面積8 573 km2，其中玉溪市境內(nèi)干流長168.3 km，流域面積2 573.8 km2.流域內(nèi)復雜的地貌形態(tài)造成氣候類型多樣，其中以亞熱帶高原季風氣候為主.作為云南省熱區(qū)資源最為豐富的地區(qū)之一，紅河谷——綠汁江流域具有光熱資源豐富、生態(tài)污染小、民族文化多樣、土地可開發(fā)潛力大等優(yōu)勢.通過對綠汁江流域1960～2016年降水和徑流變化特征進行分析，成果可為綠汁江流域水資源開發(fā)利用、水資源科學管理調(diào)配和綠汁江熱區(qū)經(jīng)濟帶建設提供基礎參考.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù) 據(jù)

選用綠汁江干流鴉勒水文站1960～2016年天然徑流數(shù)據(jù)，分析流域內(nèi)徑流變化趨勢；選用該流域玉溪境內(nèi)易門站和鴉勒雨量站1960～2016年逐月降水數(shù)據(jù)，分析流域降水變化特征.其中，鴉勒水文站1976～1989年徑流數(shù)據(jù)由上游江邊站同期數(shù)據(jù)經(jīng)面積比擬法插補得到、1976～1979降水由周邊雨量站同期數(shù)據(jù)建立相關關系插補得到；流域平均降水量由代表站雨量用算術平均法計算得到.所選用和插補計算數(shù)據(jù)系列成果經(jīng)分析考證，均具有可靠性、代表性和一致性，可供分析使用.

1.2 方 法

回歸分析法和滑動平均法回歸分析是水文統(tǒng)計學中常用的一種方法，主要包含線性回歸和非線性回歸.線性回歸又可分為一元線性回歸和多元線性回歸[1].一元線性回歸法研究某一變量隨時間的變化趨勢[2]，建立y=bx+a，y為依賴x的變化而變化的某一變量；a、b為回歸方程的截距和斜率，根據(jù)斜率的正負可以得知某變量的變化趨勢(若b>0,則當前系列為增加趨勢；反之為減小趨勢).

滑動平均法又稱移動平均法[3]，即沿著全長N個數(shù)據(jù)，逐個地取相鄰的2n+1個數(shù)據(jù)進行算術平均，其值作為滑動平均值.其具體的計算公式如下:

(1)

運用此方法可以很好地消除系列數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定波動，顯示出序列變化的平穩(wěn)性.

本文采用一元線性回歸分析法和5年滑動平均(即n=5)對綠汁江流域年徑流和年、季降水序列進行趨勢分析.

Mann-Kendall法Mann-Kendall法(簡稱M-K法)，是用來評估氣候要素時間序列趨勢的檢驗方法,以適用范圍廣、人為性少、定量化程度高而著稱[4].

對時間序列x1,x2,…，xn(n為樣本數(shù))，所有對偶觀測值(xi,xj,j>i)中xi

(2)

式中:

τ為Kendall秩統(tǒng)計量；

U為Kendall秩次相關系數(shù)；

P為系列中所有對偶觀測值(xi,xj,i

①對于無趨勢的序列E(P)=n(n-1)/4；

②當P

③當P>E(P)時表示序列可能有上升趨勢；

④當n增加時，統(tǒng)計量Kendall秩次相關系數(shù)U很快收斂于標準正態(tài)分布.

給定顯著水平ɑ，其檢驗臨界值為Uɑ/2.當|U|>Ua/2，序列趨勢顯著；當|U|

累積距平法利用下式來表示序列的累積距平[6]：

(3)

(4)

其主要思想是判斷離散數(shù)據(jù)對其均值的離散程度，若曲線呈現(xiàn)上升趨勢，表明累積距平值增大，離散數(shù)據(jù)大于其均值；若曲線呈現(xiàn)下降趨勢，表明累積距平值減小，離散數(shù)據(jù)小于其均值.

累積距平法是一種基于均值的檢驗方法，通過觀察差積曲線可判斷數(shù)據(jù)點離散程度，以及時間序列在長期內(nèi)的變化趨勢和突變時間[7].判斷系列是否存在突變：先計算回歸檢驗值T[8]，在給定α的條件下，若|T|>Ta/2，說明資料系列存在突變(跳躍)，跳躍點為累積距平曲線的極值點(最大、最小)前后，具體根據(jù)系列累積距平曲線過程確定；若|T|

2 分析成果

1960～2016年期間，鴉勒水文站以上綠汁江流域多年平均徑流量11.8億m3，多年平均徑流深166.5 mm，流域玉溪段多年平均降水量741.8 mm.降水和徑流年內(nèi)分配都極為不均，汛期(5～10月)降水占全年降水的84.7%，汛期(5～10月)徑流占全年徑流的81.4%.

2.1 趨勢變化

根據(jù)方法(1)，繪制1960～2016年年徑流、年降水、汛期(5～10月)降水和枯季(1～4月、11～12月)降水隨時間的變化過程線，建立一元線性回歸方程，統(tǒng)計各方程斜率b，以此判斷系列趨勢情況，同時根據(jù)(1)式對各要素作5年滑動平均過程，統(tǒng)計其趨勢結論，見表1.

表1 綠汁江流域降水、徑流變化趨勢分析結果

通過一元線性回歸法和5年滑動平均法分析得到，綠汁江流域年徑流深、年降水和汛期降水系列一元線性回歸方程的斜率b均小于0，數(shù)據(jù)系列均為減少趨勢，而枯季降水系列一元線性回歸方程的斜率b大于0，說明枯季降水系列為增加趨勢；5年滑動平均分析結論也與一元線性回歸分析的結論完全一致.

2.2 顯著性分析

根據(jù)Mann-Kendall法中(2)式進行各分析要素的檢驗統(tǒng)計量U計算，判斷各要素變化趨勢的顯著性(取a=0.05)，見表2.

表2 綠汁江流域降水、徑流變化趨勢顯著性分析結果( Mann-Kendall法)

從統(tǒng)計分析看出，1960～2016年綠汁江流域年徑流深的減少趨勢是顯著性的，而年降水和汛期降水的減少趨勢、枯季降水的增加趨勢則不顯著.

2.3 突變分析

根據(jù)(3)(4)式用累積距平法計算分析并繪制各要素累積距平過程線圖，見圖1～圖4.

圖1 1960～2016年徑流系列累積距平曲線 圖2 1960～2016年降水系列累積距平曲線

圖3 1960～2016年汛期降水系列累積距平曲線 圖4 1960～2016年枯季降水系列累積距平曲線

從1960～2016年徑流系列累積距平曲線看出，由于|T|=3.51>T(0.05/2)=1.64，說明徑流系列存在突變，突變點在累積距平曲線T檢驗值最高點對應的2003年，即在2003年前后徑流系列均值發(fā)生顯著性跳躍.

從1960～2016年降水系列累積距平曲線看出，由于|T|=1.62

從汛期降水系列累積距平曲線看出，由于|T|=1.76>T(0.05/2)=1.64，說明汛期降水系列存在突變，突變點在累積距平曲線T檢驗值最高點對應的2009年，即在2009年前后汛期降水系列均值發(fā)生顯著性跳躍.

從枯季降水系列累積距平曲線看出，由于|T|=0.95

3 結 論

(1)綠汁江流域徑流主要由降水形成，1960～2016年多年平均徑流量11.8億m3、多年平均徑流深166.5 mm，流域玉溪段多年平均降水量741.8 mm.

(2)綠汁江流域1960～2016年年徑流深系列為顯著減少趨勢，年降水系列和汛期降水系列為不顯著減少趨勢，枯季降水系列為不顯著增加趨勢.

(3)綠汁江流域1960～2016年年徑流深系列在2003年前后發(fā)生突變，汛期降水系列在2009年前后發(fā)生突變，年降水系列和枯季降水系列無突變.