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        孤山川流域降水變化特征及趨勢(shì)分析

        2012-12-14 02:52:22李春娟楊建虎
        地下水 2012年4期
        關(guān)鍵詞:趨勢(shì)分析

        李春娟,楊建虎

        (1.陜西省扶風(fēng)縣自來(lái)水公司,陜西 扶風(fēng)722200;2.陜西省眉縣水利局,陜西 眉縣722300)

        水資源是限制西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的主要因子[1]。大氣降水是水資源補(bǔ)給的主要來(lái)源,水資源年總量與氣候降水有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系[2],降水變化是水資源時(shí)空分布不均的主要因素之一,也是水資源評(píng)價(jià)研究的重要組成部分。為了緩解水資源危機(jī),認(rèn)識(shí)和把握流域水循環(huán)特征規(guī)律,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用才可能實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用的目的。本文以孤山川流域?yàn)槔y(tǒng)計(jì)并分析流域及周邊3個(gè)雨量站點(diǎn)51 a的月平均降雨數(shù)據(jù),采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法、五點(diǎn)滑動(dòng)平均法、R/S分析法,研究孤山川流域降水變化特征及趨勢(shì)。

        1 研究區(qū)概況

        孤山川流域位于陜北黃土高原與鄂爾多斯高原接壤地帶,區(qū)域地貌屬于毛烏素沙漠南緣與黃土丘陵溝壑的過(guò)渡地帶。是黃河中游北干流主要多沙、粗沙支流之一。孤山川全長(zhǎng)79.4 km,流域面積1 276.52 km2。孤山川流域?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶詺夂?,冷暖干濕四季分明,冬夏長(zhǎng),春秋短,雨熱同期,太陽(yáng)輻射強(qiáng),日照時(shí)間長(zhǎng),氣溫變化強(qiáng)烈,年較差與日較差大,降水年際變化大,旱澇霜雹災(zāi)害多。氣溫時(shí)空分布由東南向西北遞減,年均氣溫8.5℃,一月最低平均氣溫-8.4℃,七月份最高平均氣溫 24.0℃,年溫差 32.4℃,歷年極端最高氣溫38.9℃,極端最低氣溫 -24℃。年平均降雨量435.5 mm,年最大降雨量 849.6 mm,年最小降雨量 227.7 mm,年蒸發(fā)量1 192.2 mm,約相當(dāng)降雨量的2.5倍。流域河流縱橫、溝壑密布,大多屬季節(jié)性河流,雨季暴漲,旱季斷流,且河水含沙量高。

        2 研究方法

        2.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

        Mann-Kendall檢驗(yàn)法[4]主要是通過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量 τ,方差和標(biāo)準(zhǔn)化變量M,來(lái)判斷序列趨勢(shì)是否顯著。計(jì)算公式如下

        式中:s為序列所有對(duì)偶觀測(cè)值(Xi,Yj,i< j中 Xi< Yj)出現(xiàn)的次數(shù);N為序列長(zhǎng)度,取α=5%的顯著水平,如果一時(shí)間序列有明顯的趨勢(shì),則|M|>Mα/2=1.96,M 值為正,表明具有上升或增加趨勢(shì),M值為負(fù),則意味著下降或減少的趨勢(shì)。

        2.2 五點(diǎn)滑動(dòng)平均法

        滑動(dòng)平均法[5],其計(jì)算公式為…+yt+yt+1),式中yt為t點(diǎn)得滑動(dòng)平均值,yt=(yt-2+yt-1+yt+yt+1+yt+2)/5,五點(diǎn)滑動(dòng)平均法分析序列變化趨勢(shì),進(jìn)而擬合線性方程。

        2.3 分析方法

        分析方法的基本原理為[6]:對(duì)于時(shí)間序列{x(t)}t=1,2,…n,對(duì)于任意正整數(shù)定義均值序列:

        累積離差:

        極差序列:

        標(biāo)準(zhǔn)差序列:

        對(duì)于比值如果存在如下關(guān)系:

        則說(shuō)明時(shí)間序列{x(t)}t=1,2,…,n存在 Hurst現(xiàn)象,H稱為Hurst指數(shù),H值可根據(jù)計(jì)算出的(τ,R/S)的值,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系(ln(τ),ln(R/S))中用最小二乘法擬合,H對(duì)應(yīng)于擬合直線的斜率。

        根據(jù)H的大小可以判斷時(shí)間序列趨勢(shì)成分是表現(xiàn)為持續(xù)性(persistence),還是反持續(xù)性(anti-persistence)。Hurst等人證明,如果{x(t)}是相互獨(dú)立、方差有限的隨機(jī)序列,則有H=0.5。對(duì)于不同的Hurst指數(shù)H(0<H<1),存在三種情況:

        (1)H=0.5時(shí)表明時(shí)間序列變化是隨機(jī)的;

        (2)0<H<0.5時(shí)表明時(shí)間序列具有長(zhǎng)期相關(guān)性,但將來(lái)的總體趨勢(shì)與過(guò)去的相反,過(guò)程具有反持續(xù)性。值越接近于0,反持續(xù)性越強(qiáng);

        (3)0.5<H<1時(shí)表明時(shí)間序列過(guò)程具有持續(xù)性,H越接近1,持續(xù)性越強(qiáng)。

        3 降水變化特征

        3.1 降水年內(nèi)分配

        本文選孤山川流域三個(gè)雨量站1956~2006年各月降水資料,計(jì)算出多年平均降水量年內(nèi)分配(見(jiàn)表1)。

        表1 多年平均降水量年內(nèi)分配表

        從表1可以看出:

        1)孤山川流域降水量年內(nèi)分配極不均勻,年降水大多集中在7、8、9三個(gè)月份,其中8月份所占比例最大,可占到全年降水量的26.9%,7月份所占比例次之,為25.5%,而1、2、12三個(gè)月份平均月降水量比較小,所占全年降水量的比例均在1%以下。

        2)在季節(jié)分配上,夏季降水量最多,可占到全年降水量的63.9%,而冬季降水量較少,僅占全年降水量的1.9%,春秋二季各季降水量占全年降水量的10%~20%左右。

        3)孤山川流域汛期主要包括每年6—9月份,歷年汛期降水量大約占全年降水量的70%~90%,從占年降水量的程度來(lái)看,最高為1959年,汛期降水量為695.4 mm,占全年降水量的87.8%,最低為2003年,汛期降水量為125.9 mm,占全年降水量的61.2%。汛期降水通常集中在7月和8月,這2個(gè)月的降水量占汛期水量的67.8%,占全年降水量的52.4%左右,因此年降水的豐枯取決于汛期降水。

        3.2 降水趨勢(shì)分析

        本文選孤山川流域三個(gè)雨量站1956~2006年各月降水資料,用Mann-Kendall檢驗(yàn)法檢驗(yàn)其變化趨勢(shì),結(jié)果M值為-9.8,表明該年降水序列存在減少趨勢(shì)。

        從近50年的降水量滑動(dòng)平均來(lái)看(圖1),孤山川年降水波動(dòng)較大,其中1959年、1964年、1967年、1995年、2003年的降水量較大,而1965年和1972年的降水量較少,用五點(diǎn)滑動(dòng)平均法擬合的線性方程為y=-1.874 7x+476.93。

        根據(jù)流域1956-2006年的月降水資料,春、夏、秋、冬四季的降水量分別以3-5月、6-8月、9-11月和12月~次年2月的降水累加和來(lái)代替。從近51 a的季降水變化曲線(圖2、圖3、圖4、圖5)可以得出:

        圖1 1956-2006年降水變化圖

        圖2 1956-2006年春季降水變化圖

        1)春季降水減少趨勢(shì)不顯著,且年際間的變化較大,即呈現(xiàn)出突然地增加,又突然地減少,其中1964年、1990年、1991年的春季降水量較大。

        2)夏季降水的減少趨勢(shì)明顯,夏季降水對(duì)年降水的貢獻(xiàn)最大。從20世紀(jì)50年代后期逐漸下降,波動(dòng)較小,到了60年代逐漸增加,且變化明顯,70年代以后又呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。用五點(diǎn)滑動(dòng)平均擬合的夏季降水線性方程為y=-1.344 6x+308.47,這與年降水的變化趨勢(shì)較一致。

        3)秋季降水的減少趨勢(shì)不顯著,它對(duì)年降水的貢獻(xiàn)也較大。20世紀(jì)60年代至80年代的秋季降水量變幅較大,90年代以后有增加趨勢(shì)。

        4)冬季降水有增加的趨勢(shì),但趨勢(shì)不顯著,1971年、1978年和1989年的冬季降水較大,而1967年的冬季降水量最少。

        圖3 1956-2006年夏季降水變化圖

        圖4 1956-2006年秋季降水變化圖

        3.3 降水頻率分析

        根據(jù)1956—2005年降水資料,對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析,用皮爾遜Ⅲ型最佳適線法確定。運(yùn)用頻率曲線軟件進(jìn)行選型配線,可以得出:孤山川多年平均降水量變差系數(shù)Cv=0.31,R=Cs/Cv=2.0,從而得不同頻率下年降水量分布以及汛期降水分布,結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

        圖5 1956-2006年冬季降水變化圖

        3.4 降水持續(xù)性分析

        趨勢(shì)是指時(shí)間序列中穩(wěn)定和有規(guī)則的變動(dòng)。對(duì)孤山川流域降水的變化趨勢(shì),應(yīng)用Mann-Kendall秩次相關(guān)法進(jìn)行分析,得出在一定顯著性水平下,孤山川流域降水在多年變化中呈明顯下降趨勢(shì)。從圖6可得,通過(guò)R/S分析,得出皇甫川流域徑流的Hurst指數(shù)H為0.52,大于0.5,表明降水具有持續(xù)性。孤山川流域徑流表現(xiàn)出來(lái)的持續(xù)性說(shuō)明未來(lái)流域降水量的減少具有持續(xù)性。

        圖6 孤山川實(shí)測(cè)年降水序列分析圖

        表2 不同頻率年降水量

        表3 汛期(6-9月)不同頻率降水量

        4 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)孤山川流域逐月實(shí)測(cè)降水資料進(jìn)行分析,結(jié)論如下:

        1)孤山川流域多年平均降水量429 mm,孤山川年降水波動(dòng)較大,其中1959年、1964年、1967年、1995年、2003年的降水量較大,而1965年和1972年的降水量較少。

        2)孤山川流域降水年內(nèi)分配極不均,大多集中在7、8、9三個(gè)月份,其中8月份所占比例最大,可占到全年降水量的26.9%。歷年汛期降水量大約占全年降水量的70%~90%,年降水的豐枯取決于汛期降水。

        3)孤山川流域降水季節(jié)變化趨勢(shì)不同。夏季降水的減少趨勢(shì)明顯,冬季相反有增加趨勢(shì),但趨勢(shì)不顯著,春、秋二季降水減少趨勢(shì)不顯著

        4)利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法檢驗(yàn)其變化趨勢(shì),結(jié)果M值為-9.8,表明孤山川流域降水序列存在減少趨勢(shì);利用分析法,得出孤山川流域Hurt指數(shù)H均大于0.5,表明流域降水具有持續(xù)性,結(jié)果表明孤山川流域降水減少趨勢(shì)有持續(xù)性。

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