陳祖輝,楊玉閣

(遼寧省水文水資源勘測局鐵嶺分局,遼寧 鐵嶺 112000)

0 引言

降水是水資源的補給源,降水的特性決定了水資源特性。降水量及其時空分布取決于水汽來源、天氣系統(tǒng)和地形等條件。水汽入流的方向和地形等因素,對降水量在地區(qū)上的分布起著決定性影響。水汽輸送量隨季節(jié)不同而有所差異。降水是形成洪澇災(zāi)害的重要原因,還是引起土壤侵蝕引起水土流失的主要動力因素,同時降水對植被覆蓋和山坡穩(wěn)定性也具有一定的影響,因此降水對山區(qū)水土流失治理有重要意義。本文對鐵嶺東部山區(qū)凡河流域的降水特性及趨勢進行了分析,對該地區(qū)開展防洪減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境治理和水土保持工作有著重要的意義。

1 凡河區(qū)域概況

凡河位于鐵嶺市境內(nèi),是遼河一級支流,發(fā)源于鐵嶺縣白旗寨鄉(xiāng)東滾馬嶺,流經(jīng)白旗寨鄉(xiāng)、雞冠山鄉(xiāng)、大甸子鎮(zhèn)(以上為山區(qū))、催鎮(zhèn)堡鄉(xiāng)、市種畜場(以上為丘陵區(qū))、凡河鎮(zhèn)(平原區(qū)),在凡河鎮(zhèn)藥王廟村北匯入遼河,全長 102 km,流域面積 1180 km2。 位于東經(jīng) 123°37′～ 124°31′,北緯 42°03′～42°16′之間,流域多年平均氣溫 5.8℃,最高氣溫 36.7℃(2001年 6月 4日),最低氣溫 -43.1℃(2001年 1月 13日),無霜期 113～151天。凡河洪水主要來自上中游山區(qū)的降雨,流量榮枯相差很大,僅三十余年統(tǒng)計,洪峰流量大則可達 2390立方米每秒,而枯水時經(jīng)常斷流。

結(jié)合流域降水資料的實際情況,同時考慮雨量站的代表性,選取了水文年鑒已刊印的凡河流域上的 4個雨量站(腰寨子、榛子嶺水庫、菊花甸子、張家樓子)1964～2008年的實測降水資料,用 4個雨量站降雨量的算術(shù)平均值表示流域的降水量。采用 45年日降水量≥0.1mm的資料,通過建立年降水量、四季降水量、降水日數(shù)、降水強度序列,以分析降水變化特性和趨勢。

2 研究方法

研究表明,水文過程與人類活動和氣候等自然特征有關(guān),呈現(xiàn)出一定的變化趨勢。人們相繼提出了多種時間序列趨勢變化的參數(shù)和非參數(shù)方法,本文采用線性傾向估計法和Mann-Kendall法進行分析。用線性傾向估計法反映降水的多年變化特征,Mann-Kendall法定性地給出變化趨勢并對結(jié)果進行顯著性檢驗。

2.1 線性傾向估計法

在本文中線性傾向估計采用降水傾向率來計算,其算法為:設(shè)某雨量站氣象要素時間序列為 y1,y2,…,yi…,yn,可降水傾向率用下式表示:yn∧(t)=a0+a1t+a2t2+… +amtm(m＜n),式中 t為時間,單位為 a。一般來講,降水氣候趨勢用一次直線方程和二次曲線方程就能滿足。本文用一次直線方程來定量描述,即 y(t)=a0+a1t,則趨勢變化率方程為 Dy(t)/dt=a1,把 a1×10稱做降水傾向率,其單位為 mm/10a,方程中的系數(shù)可用最小二乘法或經(jīng)驗正交多項式來確定。

2.2 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall(非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗)法主要是通過計算統(tǒng)計量 ι,方差 δι和標準化變量 M,來判定序列趨勢是否顯著。計算公式如下:

式中:s為序列所對偶觀測值 (Xι,Xj,i＜j中 ,Xi＜Xj出現(xiàn)的次數(shù));N為序列長度。取α=0.05的顯著水平,如果一時間序列有明顯的趨勢,則|M|＞Mα/2,M值為正,表明具有上升或增加趨勢,M值為負,則意味著下降或減少的趨勢。

3 降水基本特征

3.1 季節(jié)平均降水量及平均降水日數(shù)

據(jù) 45年資料統(tǒng)計,年最大降水量為菊花甸子站 1986年的1 242.3 mm、最小降水量為張家樓子站 2001年的467.6 mm,日最大降水量為張家樓子站 1969年 8月 11日的235.9 mm。流域年平均降水量為 760.2mm,平均降水天數(shù)94.7天。降水集中在 5～9月份,平均降水量為 601.3 mm,占年平均降水量的 79.1%,同期平均降水天數(shù)為 57.5天,占年降水日數(shù)的 61.1%。見表 1。

表1 各月平均降水量、降水百分率、降水天數(shù)(1964～2008年)

3.2 降水的季節(jié)分配

降水在季節(jié)上分配很不均衡:夏季(6～8月)降水為480.4 mm,占全年降水量的 63.2%;而冬季(12～次年 2月)降水為 29.1mm,僅占全年降水量的 3.8%;春季與秋季相差不大,分別占全年降水量的 15.8%和 17.2%。

3.3 降水日數(shù)

降水日數(shù)是指日降水量大于 0.1mm的日數(shù)。凡河流域多年平均降水日數(shù)約 94.7天,最多為 120天(1990年),最少為 81天(2001年)。降水量大于等于 1.0 mm、10.0 mm、25.0mm、50.0 mm的降 水日數(shù)分別為 70.2、22.8、7.1、1.9天。

在植物生長期的 5～9月份,日降水量大于等于 1.0mm的日數(shù)占全年的 64.4%。大于等于 10.0 mm的降水日數(shù)主要集中在 3～11月份,大于 50.0 mm的暴雨則發(fā)生在 6～8月。見表 2。

表2 各級別降水天數(shù)(1964～2008年)

0.1 ～0.9mm的降水日數(shù)春夏秋冬四季相差不大,分別占全年的 24.1%、31.4%、20.4%和 24.1%;1.0～9.9 mm的降水日數(shù)夏季最多,占全年的三分之一還多;大于等于 10.0mm、25.0mm和 50.0mm的降水日數(shù)集中在夏季,分別占全年的 56.1%、75.0%和 100%。見表 3。

表3 各等級降水日數(shù)的季節(jié)分配(1964～2008年)

3.4 降水強度

根據(jù)資料統(tǒng)計,45年內(nèi)共有降水量大于等于 10.0mm的中雨天數(shù) 682天,大于等于 25.0 mm的天數(shù) 230天,大于等于 50.0 mm的大雨天數(shù) 82天,最大日降雨量 235.9 mm(1969年 8月 11日)。從日最大降水量的季節(jié)分布來看:夏季 10～24.9mm的降雨天數(shù)占 59.9%,25～49.9 mm的降雨天數(shù)占 75.0%,50.0mm以上的降雨全部在夏季;春秋兩季 10～24.9mm的降雨天數(shù)占 41.4%,25～49.9 mm的降雨天數(shù)占 25.0%。

4 降水分析

4.1 枯季和汛期降水量距平分析

距平值為某一年份降水量與多年平均值之差,能夠很好反映降水的多年變化特征,距平值為負,說明降水量小于平均值,反之亦然。對 1964年 ～2008年枯季(10月 ～次年 5月)和汛期(6月 ～9月)雨量資料進行距平分析。參見圖 1。

圖1 枯季和汛期距平變化圖

圖中表明,凡河流域汛期平均雨量為 545.3mm,枯季為 214.9mm,即汛期平均降水量是枯季的 2.5倍,從降水距平變幅看,汛期較枯季變幅明顯偏大。汛期和枯季降水變化的線性趨勢方程為 y=-0.4 009x+796.28和 y=-0.7 933x+1 575.5,表明汛期以 4.0 mm/10a的速度遞減,枯季以 7.9mm/10a的速度遞減,但是這種遞減不是絕對的直線下降。汛期降水量占全年降水量的 71.7%,表明汛期降水量的多少和降水強度的大小,直接影響出現(xiàn)多雨洪澇和少雨干旱等災(zāi)情,在汛期要特別加強防汛抗旱工作。

4.2 年降水趨勢分析

利用 Mann-Kendall檢驗法檢驗其變化趨勢。本資料年限 N=45,對偶值 S=25,通過計算 M值為 -9.19,當(dāng)顯著水平取 0.05時,Mα/2=1.96,則|M|＞Mα/2,M值為負,意味著降水呈下降趨勢,擬合的線性趨勢方程為:y=-1.1 943x+3 132。參見圖 2。

圖2 凡河流域降水趨勢圖

4.3 年降水量頻率

本流域多數(shù)年份降雨量在 600～900mm之間,出現(xiàn)頻率為 73.9%,小于 600 mm和大于 900mm的年降水量出現(xiàn)的年份很少。見表 4。

5 結(jié)語

通過對凡河流域 45年降水資料分析,得出以下結(jié)論:

(1)流域內(nèi)降水時空分布極不均勻,降雨量主要集中在汛期,約占全年降水量的 72%;大于 25mm以上的降雨主要集中在夏季,天數(shù)約占全年的 75%;流域多數(shù)年份降雨量在600～900mm之間。

表4 各級別年降水量出現(xiàn)頻率(1964～2008年)

(2)流域年降水、枯季降水、汛期降水均呈下降趨勢,從枯季和汛期變化的線性趨勢方程看,枯季遞減速度 7.9mm/10a約為汛期遞減速度 4.0 mm/10a的 2倍。

(3)年際降水量分布不均勻,通過 45年的降水量來看,總體呈下降趨勢。