澄碧河水庫流域降雨變化分析

莫崇勛，莫桂燕，阮俞理，王大洋，朱新榮，林怡彤(1.廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530004；2.工程防災與結構安全教育部重點實驗室，南寧 530004；3.廣西防災減災與工程安全重點實驗室，南寧 530004)

以氣溫升高為特征的氣候變化將加快水文循環過程，引起區域水量平衡和水資源重新分配；而改變產匯流形成條件的人類活動，使區域水循環的物理成因發生變化，導致水文序列變異；二者綜合影響下，會出現水資源系列的防洪、供水、水生態環境和水工程方面的水安全問題[1-4]。變化環境下，全國平均年降水量整體略有減少(-2.23 mm/a)的變化趨勢，并其變化趨勢對所取時間段和區域范圍有一定的敏感性；同時，不同區域的氣候變化特征不盡相同，有其特殊性。目前，國內關于不同區域變化環境下降雨演變特征分析已有許多的研究成果[5-9]，而關于澄碧河水庫流域氣候變化特征的相關研究較少，僅朱勝等[10]對澄碧河水庫上游流域氣候變化特征及其影響進行分析。而水庫作為重要的供水水源，其運行調度在緩解水資源矛盾中發揮舉足輕重的作用，故深入研究變化環境下澄碧河水庫流域降雨特征演變，對于探討氣候變化引起的水文水資源響應及進一步制定水庫流域水資源更合理高效利用的對策具有重要現實意義。鑒此，本文利用線性趨勢法、滑動平均法、距平百分比、變異分析法和Arcgis空間插值法等對澄碧河水庫流域降雨變化趨勢和變異性進行分析，并結合氣溫和蒸發氣候資料進一步了解流域內氣候要素受全球氣候變化的影響程度及變化趨勢，為流域生態建設和水土保持規劃提供指導與幫助。

1 研究區概況

澄碧河水庫流域位于106°21′E～106°48′E，23°50′N～24°45′N，地處喀斯特山區，屬于亞熱帶氣候區，氣候溫和多雨，地勢自西北向東南傾斜(如圖1所示)。水庫壩址坐落于中國東南部廣西壯族自治區百色市凌云縣境內。澄碧河屬于珠江流域西江水系右江干流左岸一級支流，發源于凌云縣青龍山北麓他以村，河流總長127 km，流域總面積2 087 km2，其中2 000 km2為水庫集雨面積。流域內各地多年平均降雨量在1 100～1 600 mm之間，汛期(4-10月)占全年水量的87%，多年平均月降雨量最大值出現在6月，占多年平均降雨量的23%，其次是7月、8月和5月，流域內各地區多年平均氣溫在12.3～21.3 ℃之間。

圖1 研究區域及雨量站點分布

2 數據來源與分析方法

2.1 數據來源

本文所用氣象資料通過澄碧河水庫實測系列獲取，選取水庫流域內8個雨量站(1966-2015年)50 a的降雨數據，對部分站點缺測數據利用Arcgis克里金插值以及多元回歸插值進行補全，構建澄碧河水庫流域1966-2015年的降雨數據時間序列。

2.2 分析方法

本文對澄碧河水庫流域內8個雨量站的降雨進行趨勢及變異研究，進而結合流域蒸發和氣溫因素進行相關性分析。文中采用線性趨勢分析[11]和滑動平均[12]分析氣溫、降雨及蒸發時間序列的趨勢性變化；應用變異分析法識別和診斷降雨趨勢變異程度；運用累計距平法[13]辨析降雨趨勢年際變化的階段性。

序列的持續性破壞了序列的隨機性，使得序列產生了變異。Hurst系數h能夠反映其持續性。同時，R/S分析法中的關系函數C(t)是分數布朗運動參數H的外在體現[C(t)=22H-1-1][14]，其假設檢驗所通過的顯著性水平能表征變異程度大小，并且運動參數H和Hurst系數h是一致的，因而從相關函數Ct的角度結合其與系數h的轉換可直觀有效地進行變異度劃分。Hurst系數h的計算[15]及變異度分級情況(見表1)如下[16]。

表1 變異度分級

在給定n個樣本量的時間序列xi，i=1,2,…,n，定義均值序列：

(1)

計算累積離差：

(2)

定義極差序列和標準差序列：

(4)

建立無量綱比率R/S：

(5)

式中：C為常數；h為Hurst系數，取值范圍為[0,1]。

3 結果與分析

3.1 降雨趨勢分析

采用線性趨勢和5 a滑動平均法研究澄碧河水庫流域8個雨量站降雨時間序列趨勢性(見表2)，只呈現百煉站和凌云站的變化趨勢圖(見圖2)，并利用Arcgis空間插值方法進行流域降雨及其傾向率空間變化探討(見圖3)。由表2和圖2可知：澄碧河水庫流域8個雨量站點的多年平均降雨量在1 009.2 mm(百煉站)～1 536 mm(凌云站)之間；雨量站多年平均降雨發生不同程度波動，但均呈現減少趨勢，百煉站降雨減少尤為明顯，降雨傾向率達-3.53 mm/a，其次為林河站(-3.25 mm/a)與下塘站(-3.05 mm/a)，與全國平均年降水量波動略有減少(-2.23 mm/a)的整體趨勢相同[17]。由圖3可知，澄碧河水庫流域降雨及其傾向率在空間上呈大致相反的分布趨勢，流域降雨主要集中于遠離庫區的西北地區，且向東南方向減少(由凌云站1 536 mm減少至百煉站的1 009.2 mm)；而降雨傾向率則相反，靠近庫區的東南地區出現較大變化，且從東南向西北逐漸減少(由百煉站-3.53 mm/a減少至凌云站的-2.35 mm/a)。

表2 澄碧河水庫流域降雨趨勢

圖2 澄碧河水庫流域變化趨勢(百煉站和凌云站)

3.2 降雨變異分析

(1)年變異。在顯著性水平α=0.05，β=0.01的條件下，借助Matlab編程對降雨序列變異進行探討(見表3和圖4)。由表3和圖4可知：澄碧河水庫流域百煉站降雨變異最顯著，Hurst系數 高達0.956(巨變異)，凌云站相對變異程度最小，h為0.665(弱變異)；降雨變異與其傾向率有相似的空間分布趨勢：靠近庫區的東南地區最為顯著，遠離庫區的西北地區相較不明顯。

圖3 澄碧河水庫流域降雨及其傾向率空間變化

表3 澄碧河水庫流域降雨變異分析

(2)年際變異。運用累計距平法和變異分析法研究降雨趨勢年際變化的階段性(見圖5)和變異性(見表4和圖6)。由圖5可知：澄碧河水庫流域降雨距平大致呈增大(20世紀六七十年代)-減小(80年代)-增大(90年代)-減小(21世紀)趨勢，20世紀八九十年代降雨變化較顯著，距平百分比達-10.81%(林河，80年代)～11.79%(朝里，90年代)，流域降雨呈現較強波動性；由表4和圖6：流域降雨系列Hurst系數 處于0.591 2～0.953 2之間，降雨趨勢年代間出現不同程度變異，總體上呈弱度(20世紀六七十年代)-強度(20世紀八九十年代)-弱度(21世紀)的變化尺度，與降雨年代距平有相似變化趨勢，且變異強度中心空間上大致呈集中庫區(20世紀60年代、80年代和21世紀)-分散庫區(20世紀70年代和90年代)往復變化趨勢。

圖4 澄碧河水庫流域降雨變異空間變化

圖5 澄碧河水庫流域降雨年代距平變化

3.3 降雨變化氣候分析

采用線性趨勢和5 a滑動平均法研究澄碧河水庫流域氣溫和蒸發時間序列趨勢性(見圖7和圖8)。由圖7和圖8可知：澄碧河水庫流域年平均氣溫為17.5℃，最高和最低氣溫分別為18.9℃(2009年)和15.8℃(1978年)，流域近50 a來氣溫增加趨勢明顯，氣溫傾向率為0.013 6 ℃/a左右，相較于全國近50 a的氣候傾向率(0.022℃/a)[18]以及整個廣西氣溫傾向率(0.0148℃/a)[19]略低，而相比全球近50a(1956-2005年)的氣候傾向率0.013℃/a則略高，表明流域與全球氣候變暖的趨勢一致，氣溫變幅較其他地區有一定的地區差異；澄碧河水庫流域水面年平均蒸發量為1190.89 mm，細節上與降雨呈大致相同的增加(20世紀六七十年代和90年代)-減少(20世紀80年代和21世紀)波動形式，總體上呈明顯的與降雨相似的減少趨勢，蒸發傾向率為-2.42 mm/a，相較于全國近45 a(1956-2000年)的平均水面蒸發量變化速率-3.45 mm/a[20]則略低，表明流域蒸發與全國變化趨勢一致。

表4 澄碧河水庫流域降雨年代變異

圖6 澄碧河水庫流域降雨年代變異空間變化

圖7 澄碧河水庫流域氣溫變化趨勢

圖8 澄碧河水庫流域蒸發變化趨勢

4 討論與結論

4.1 討 論

(1)澄碧河水庫流域蒸發和降雨總體上均呈減少趨勢，且年代間降雨與蒸發亦大致呈同一增加0(20世紀六七十年代和90年代)-減少(20世紀80年代和21世紀)的循環變化趨勢。流域降雨60%～70%通過蒸散發返回大氣形成水循環，從而降雨與蒸發變化步調大致相同，與全國降水與蒸發量區域變化趨勢關系相吻合[21]。而降雨空間上在遠離庫區分布多，靠近庫區分布少。可能由于水庫庫區，水面溫度低，氣團上冷下熱，對流變弱，返回大氣中的蒸散發變少，形成的降雨相對變少；而遠離庫區地區，植被覆蓋率高，植物蒸騰作用增強形成的蒸散發多，形成的降雨相對增加[22]。另一方面，結合流域氣溫整體上升趨勢，則會出現靠近庫區的東南地區降雨下降趨勢比遠離庫區的西北地區要明顯，其所反映降雨減少的持續性大小進一步表現為降雨變異性在東南地區較西北地區顯著。

(2)澄碧河水庫流域氣溫呈明顯增加趨勢，而蒸發卻呈減少趨勢，存在“蒸發悖論”現象。結合降雨分布情形，靠近庫區蒸散發相對減少，而遠離庫區則相對增加，在氣溫變暖的背景下，降雨傾向率與降雨空間分布上出現大致互逆現象。

4.2 結 論

(1)澄碧河水庫流域近50 a來降雨整體呈減少趨勢，流域雨量站點降雨傾向率波動范圍為-2.35～-3.53 mm/a，均比全國平均年降水量波動略有減少(-2.23 mm/a)的整體趨勢要明顯；流域降雨自西北向東南遞減(由凌云站1 536 mm減少至百煉站的1 009.2 mm)，降雨傾向率則與其大致呈互逆變化趨勢(由凌云站的-2.35 mm/a增加至百煉站-3.53 mm/a)。

(2)澄碧河水庫流域降雨在年尺度上發生弱變異～巨變異不同程度的變異，其中百煉站最顯著，Hurst系數h高達0.956(巨變異)，凌云站變異最小，h為0.665(弱變異)，且其與降雨傾向率有相似空間分布趨勢，東南地區最為顯著；年代尺度上變異強度中心大致呈集中于庫區(20世紀60年代、80年代和21世紀)-分散于庫區(20世紀70年代和90年代)往復變化趨勢。

(3)澄碧河水庫流域降雨與蒸發變化基本一致，降雨-蒸發關系沒有發生明顯變化，而氣溫-蒸發關系呈現一定的“蒸發悖論”現象；流域蒸發與降雨有相同減少趨勢(蒸發傾向率為-2.42 mm/a)，同時，流域氣溫呈增加趨勢(氣溫傾向率為0.013 6 ℃/a)。可見，流域呈現暖干趨勢。

(4)本文基于變異分析和Arcgis空間插值等方法研究流域降雨特征時空變化，后續有望結合徑流等水文資料綜合分析預測水文序列對氣候變化與人類活動的響應，以資更進一步指導水庫流域管理工作。

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