朝陽(yáng)市降水徑流變化趨勢(shì)特征分析

劉 洋

(遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

0 前 言

降水是徑流的主要補(bǔ)給來(lái)源之一，徑流是維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境和支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要因素，徑流演變趨勢(shì)及特征直接關(guān)系到區(qū)域水資源的規(guī)劃和可持續(xù)利用[1-2]。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著全球氣候變化影響加劇、土地利用和城鎮(zhèn)化建設(shè)等對(duì)下墊面的劇烈改變以及水土資源開發(fā)利用的影響，朝陽(yáng)市水循環(huán)及水文過(guò)程發(fā)生了顯著變化，為此需要及時(shí)準(zhǔn)確掌握朝陽(yáng)市水資源情勢(shì)出現(xiàn)的新變化，系統(tǒng)分析降水徑流的變化特征，這對(duì)適應(yīng)新時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)和資源管理的需要具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域資料

本次研究區(qū)域?yàn)檫|寧省朝陽(yáng)市。朝陽(yáng)市位于遼寧省的西部，介于E118°50′-121°17′，N40°36′-42°22′之間，全市土地總面積19698km2。朝陽(yáng)市屬北溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季，年平均氣溫5.5～8.9℃；降水偏少，1956-2016年多年平均降水量482.8mm，夏季降水量約占年降水量的80%左右，易造成不同時(shí)段的干旱[4]。選取朝陽(yáng)市1956-2016年多年平均降水量和徑流量數(shù)據(jù)資料，資料來(lái)源于遼寧省水文年鑒。

1.2 研究方法

1.2.1 趨勢(shì)分析方法

采用Man-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)朝陽(yáng)市1956-2016年降水徑流變化特征進(jìn)行分析，同時(shí)采用五年滑動(dòng)均值標(biāo)準(zhǔn)化法、線性回歸分析法進(jìn)行驗(yàn)證。

Man-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法：定義檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量：

(1)

式中：sign()為符號(hào)函數(shù)。當(dāng)Xi-Xj<、=或>0時(shí)，sign(Xi-Xj)分別為-1、0或1。

M-K統(tǒng)計(jì)量公式S<、=、>0時(shí)分別為：

(2)

在雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)中，對(duì)于給定的置信水平α上，若|Z|≥Z1-a/2則原假設(shè)H0是不可接受的，即在置信水平α上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢(shì)。Z為正值表示增加趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì)。Z的絕對(duì)值在≤1.28、1.64、2.32時(shí)表示分別通過(guò)了置信度90%、95%、99%顯著性檢驗(yàn)。

1.2.2 非參數(shù)Man-Kendall法突變檢測(cè)

定義統(tǒng)計(jì)量：

(3)

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，Sk的均值和方差分別為：

E[Sk]=k(k-1)/4,var[Sk]=
k(k-1)(2k+5)/72 1≤k≤n

(4)

將Sk標(biāo)準(zhǔn)化：

(5)

UBk=-UFk，i′=n+1-i
i，i′=1，2，L，n

(6)

式中：UB1=0

給定顯著性水平，如α=0.05，那么臨界值U0.05=±1.96。將UFk和UBk兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列曲線和±1.96兩條直線均繪在同一張圖上。分析繪出的UFk和UBk曲線圖。若UFk和UBk的值>0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，<0則表明呈下降趨勢(shì)。當(dāng)它們超過(guò)臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。超過(guò)臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。

2 朝陽(yáng)市降水徑流變化特征分析

2.1 降水徑流趨勢(shì)檢驗(yàn)

利用Man-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)方法對(duì)朝陽(yáng)市1956-2016年降水和徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，同時(shí)采用回歸分析法繪制降水和徑流線性回歸分析趨勢(shì)線進(jìn)行驗(yàn)證。檢驗(yàn)結(jié)果見表1，回歸分析趨勢(shì)圖見圖1。

表1 Man-Kendall降水徑流趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果表

由檢驗(yàn)結(jié)果可以看出：朝陽(yáng)市的平均降水量61a來(lái)呈下降趨勢(shì)，但沒有通過(guò)置信度90%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明朝陽(yáng)市的年降水量減少趨勢(shì)并不明顯。朝陽(yáng)市的平均徑流量61a來(lái)呈下降趨勢(shì)，且分別通過(guò)了置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明徑流量下降趨勢(shì)比較明顯。這與將年份數(shù)據(jù)與降水徑流數(shù)據(jù)作回歸分析所得出的趨勢(shì)結(jié)果是一致的。

2.2 降水徑流五年均值標(biāo)準(zhǔn)化分析

為了分析朝陽(yáng)市降水徑流變化特征，繪制其降水量和徑流量五年滑動(dòng)均值標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程線，如圖2所示。

從圖中可以看出：降水與徑流呈同步變化。降水量1956-2016年整體呈小幅度周期波動(dòng)，出現(xiàn)3次波豐，2次波谷。1966年出現(xiàn)了第一次峰值，之后略有小幅度下降然后上升，在1978年第二次達(dá)到峰值；隨后1979-1984年下降至波谷；1985-1998年上升，達(dá)到了第三次峰值；1999-2004年下降到第二次波谷；2005-2016年呈平穩(wěn)小幅度上升趨勢(shì)。徑流量1956-2016年地表水資源量整體上呈遞減趨勢(shì)。期間出現(xiàn)兩次比較大的波動(dòng)，一次是20世紀(jì)60年代—1975年左右，1961-1966年上升，1967年到1976年逐漸下降；另一次是1984年至2004年，1984年到1998年上升，1999年到2004年逐漸下降；其它年份均呈小幅度波動(dòng)趨勢(shì)。

2.3 降水徑流變化突變檢驗(yàn)

利用Mann-Kendall方法對(duì)朝陽(yáng)市1956-2016降水和徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4。

由檢驗(yàn)結(jié)果可以看出：朝陽(yáng)市年平均降水量從1956-1981年整體上呈增加趨勢(shì)，1982年和1984年呈減少趨勢(shì)，1985-2006年呈增加趨勢(shì)，2007-2016年整體基本平穩(wěn)，但這種趨勢(shì)均不明顯，沒有通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)UFk和UBk曲線交點(diǎn)的位置，降雨量在1957年、1981年、2000年和2016年存在突變。朝陽(yáng)市年平均徑流量從1956-1970年整體上呈增加趨勢(shì)，從1971-2016年呈減少趨勢(shì)，在20世紀(jì)80年代開始減少趨勢(shì)通過(guò)了通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)，甚至通過(guò)了0.001的顯著性檢驗(yàn)，這表明朝陽(yáng)市徑流量減少趨勢(shì)是非常顯著的。根據(jù)UFk和UBk曲線交點(diǎn)的位置，徑流量在1980年、1984年、1986年、1993年、1997年、2012年和2014年存在突變。這與降水和徑流五年滑動(dòng)均值標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程分析的結(jié)果是一致的。

3 結(jié) 論

通過(guò)采用Man-Kendall趨勢(shì)及突變檢驗(yàn)法、五年滑動(dòng)均值標(biāo)準(zhǔn)化法、線性回歸分析等方法對(duì)朝陽(yáng)市1956-2016年平均降水量和徑流量變化趨勢(shì)及相關(guān)性進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

1)朝陽(yáng)市平均降水量61a來(lái)整體呈下降趨勢(shì)，沒有通過(guò)置信度90%的顯著性檢驗(yàn)，下降趨勢(shì)不明顯。其中：從1956-1981年整體上呈增加趨勢(shì)，1982-1984年呈減少趨勢(shì)，1985-2006年呈增加趨勢(shì)，2007-2016年整體基本平穩(wěn)，各階段趨勢(shì)均不明顯。降雨量在1957年、1981年、2000年和2016年存在突變。

2)朝陽(yáng)市平均徑流量61a來(lái)整體呈下降趨勢(shì)，且分別通過(guò)了置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明徑流量下降趨勢(shì)比較明顯。其中：從1956-1970年整體上呈增加趨勢(shì)，從1971-2016年呈減少趨勢(shì)，減少趨勢(shì)非常顯著。徑流量在1980年、1984年、1986年、1993年、1997年、2012年和2014年存在突變。

3)朝陽(yáng)市降水徑流呈同步變化特征，說(shuō)明降水仍然是徑流的主導(dǎo)因素，但徑流量下降趨勢(shì)明顯大于降水量下降趨勢(shì)，說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)徑流影響越來(lái)越大，在以后研究中分析徑流的人為影響因素至關(guān)重要。