甘肅省降雨時(shí)空分布規(guī)律與水文響應(yīng)

張 磊

(甘肅省酒泉水文水資源勘測局，甘肅 酒泉 735000)

降水是水文循環(huán)的重要過程之一，是補(bǔ)給水資源的重要途徑之一，降水量的大小直接決定了當(dāng)?shù)厮Y源總量的大小[1- 2]。降雨變化的隨機(jī)性較大，在山區(qū)、盆地區(qū)域的降雨變化差異性尤為明顯。影響降雨變化的主要因素包括植被覆蓋情況、地理位置及海拔高度、人類活動等[3]。如何通過先進(jìn)的分析方法，找出降雨時(shí)間變化趨勢，找出不同區(qū)域降雨基本變化特征，通過空間插值的方法，找出區(qū)域空間變化趨勢，可為無降雨資料地區(qū)降雨數(shù)據(jù)的獲取提供依據(jù)，掌握降雨時(shí)空分布規(guī)律對區(qū)域水資源規(guī)劃、水文模擬與降雨預(yù)測的意義重大[4- 5]。徑流是影響區(qū)域水資源含量的重要因素之一，降雨量的多少直接關(guān)系著徑流的產(chǎn)出，因此研究徑流與降雨之間的水文響應(yīng)關(guān)系，可通過降雨預(yù)測徑流的多少，對洪水災(zāi)害措施的制定具有十分重要的意義[6- 7]。

甘肅省存在大面積的黃土高原，致使地下水位較低，路面蒸發(fā)嚴(yán)重，水資源總量較低且開發(fā)利用程度較低，全省多年水資源總量僅為584.77億m3[8]。全省土壤包氣帶較厚，地面徑流消減程度嚴(yán)重，較低的地表水與地下水資源量及較高的路面蒸發(fā)量，是造成甘肅省全省水資源匱乏的主要原因[9]。因此，研究甘肅省多年降雨時(shí)空分布規(guī)律，并結(jié)合徑流數(shù)據(jù)，找出徑流降雨水文響應(yīng)規(guī)律，可對當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)治理措施的制定提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

甘肅省各地年降水量在36.6～734.9mm，海拔相差懸殊，地貌包含了高山、盆地、平川、沙漠，年平均氣溫0～15℃。本文選擇甘肅省包括敦煌、蘭州等在內(nèi)的8個(gè)站點(diǎn)的1965～2016年的降雨數(shù)據(jù)，分別采用Mann-Kendall和反距離權(quán)重法對降雨資料進(jìn)行時(shí)空趨勢變化分析[10]。研究區(qū)域概況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域概況圖

1.2 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall(M-K)顯著性檢驗(yàn)法中，首先假設(shè)原時(shí)間序列數(shù)據(jù)為H0=(X1，X2，……Xn)為n個(gè)獨(dú)立隨機(jī)變量，備選假設(shè)H1為雙邊檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量S可通過下式計(jì)算：

(1)

(2)

式中，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量S正態(tài)分布，將S標(biāo)準(zhǔn)化后得到統(tǒng)計(jì)變量Z值，在給定的α置信區(qū)間內(nèi)，當(dāng)Z>0時(shí)，所檢驗(yàn)的時(shí)間變量具有上升趨勢，當(dāng)Z<0時(shí)為下降趨勢，當(dāng)Z的絕對值≥1.64時(shí)，即為檢驗(yàn)變量達(dá)到了α=0.05的顯著性水平。

Mann-Kendall(M-K)突變檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)法，常用來預(yù)測氣溫、降水、徑流、水質(zhì)等水文氣象時(shí)間序列資料的長期變化趨勢，找到時(shí)間序列的突變點(diǎn)[6]，計(jì)算公式如下：

(3)

E[dk]=k(k-1)/4

(4)

var[dk]=k(k-1)(2k+5)/72

(5)

(6)

式中，mi—第i個(gè)樣本xi>xj(1≤i≤j)的累計(jì)數(shù)；dk—累積量。給定顯著性水平，如α=0.05，U0.05=±1.96，α=0.01，U0.01=±2.58。將正序列UFk與逆序列UBk出現(xiàn)交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)刻。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘肅省年際降雨MK趨勢檢驗(yàn)

甘肅省年際降雨M-K變化趨勢如圖2所示，M-K突變檢驗(yàn)分析可較明確地體現(xiàn)出不同站點(diǎn)降雨發(fā)生突變的時(shí)間和突變的顯著性。圖2顯示，除敦煌外，其余站點(diǎn)在1965～2016年之間存在多個(gè)突變點(diǎn)，表明其余站點(diǎn)降雨變化幅度較高。而敦煌站點(diǎn)在1965～2016年內(nèi)并無突變點(diǎn)，表明該站點(diǎn)多年降雨變化幅度不大，這與當(dāng)?shù)亻L時(shí)間缺水和沙漠面積大的實(shí)際情況相符。同時(shí)，不同站點(diǎn)突變點(diǎn)均位于顯著信度線(α=0.05)之間，表明不同站點(diǎn)的突變均不顯著。

甘肅省不同站點(diǎn)降雨趨勢檢驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1顯示，甘肅省不同站點(diǎn)降雨的M-K趨勢檢驗(yàn)值均為正，表明不同站點(diǎn)降雨多年均呈上升趨勢，但不同站點(diǎn)的趨勢趨勢檢驗(yàn)Z值均小于1.64，這表明不同站點(diǎn)降雨上升趨勢均未達(dá)顯著水平(α>0.05)。同時(shí)，比較不同站點(diǎn)的趨勢檢驗(yàn)Z值可知，敦煌站點(diǎn)多年降雨的變化趨勢最低，僅為0.056，這表明該地區(qū)降雨多年基本未變，與前文M-K突變檢驗(yàn)的結(jié)果一致。

表1 甘肅省不同站點(diǎn)年際降雨M-K趨勢檢驗(yàn)

2.2 甘肅省年內(nèi)降雨變化趨勢

甘肅省不同站點(diǎn)降雨年內(nèi)變化趨勢如圖3所示。由圖3顯示，不同站點(diǎn)降雨變化趨勢基本一致，呈開口向下的二次拋物線形勢。春季和冬季的降雨相對較小，夏季降雨值相對較大。各站點(diǎn)降雨在7月份達(dá)到最大值，但不同站點(diǎn)的最大月降雨差異較大，西豐鎮(zhèn)站點(diǎn)7月份降雨值最大，達(dá)到了112.84mm，而敦煌站最低，僅為11.84mm；在1、12月各站點(diǎn)降雨值最小，均小于5mm。1～7月，各站降雨基本呈線性增長的趨勢，8～9月，各站點(diǎn)ET0下降趨勢顯著。降雨主要集中在1a中的第60～300d，即3～10月。各站點(diǎn)降雨增加趨勢基本一致，呈“減少-增加-減少”趨勢，3個(gè)時(shí)段分別為1～3月、3～9月和9～12月。

2.3 甘肅省降雨空間變化趨勢

甘肅省不同站點(diǎn)不同時(shí)期降雨值空間變化趨勢如圖4所示。圖4顯示，不同時(shí)期甘肅省降雨量均呈現(xiàn)由西北到東南逐漸升高的趨勢。春季降雨呈現(xiàn)由西北到東南逐漸升高的明顯層狀趨勢，敦煌站點(diǎn)春季降雨最低，僅為9.01mm，而在武都站的降雨最高，達(dá)到了108.11mm，最高多出了91.7%；夏季降雨變化趨勢與春季基本一致，敦煌站點(diǎn)夏季降雨最低，僅為25.67mm，而在西豐鎮(zhèn)站的降雨最高，達(dá)到了274.30mm，最高多出了90.6%；秋季、冬季降雨與夏季的變化趨勢基本一致，在西豐鎮(zhèn)降雨最高，分別達(dá)到了155.21mm和15.38mm，較其余站點(diǎn)最高高出了89.4%和91.3%；在主要作物生長季的3～10月和全年內(nèi)，降雨呈現(xiàn)由西北到東南逐漸升高的趨勢，且敦煌站點(diǎn)全年降雨均較低。

圖2 甘肅省年際降雨M-K突變檢驗(yàn)趨勢圖

圖3 甘肅省降雨年內(nèi)變化趨勢圖

2.4 徑流-降雨響應(yīng)過程研究

根據(jù)單流向法對月徑流進(jìn)行模擬計(jì)算[11]，得出徑流數(shù)據(jù)，為分析降雨與徑流之間的敏感性，將降雨減少5%和10%，增加5%和10%，得到不同情況下的降雨，分別計(jì)算不同情況下不同站點(diǎn)的徑流值，將全年分為汛期和枯水期，分別得出降雨徑流的敏感性分析，結(jié)果如圖5所示。圖5顯示，降雨對徑流的敏感性不強(qiáng)，降雨與徑流的變化規(guī)律基本一致，基本呈線性變化趨勢，同時(shí)不同時(shí)期敏感性不同，表現(xiàn)為枯水期>全年>汛期。即枯水期的降雨徑流敏感性較高，因此需在枯水期制定相應(yīng)的措施，保證徑流的流量。

圖4 甘肅省降雨空間變化趨勢圖

圖5 降雨徑流變異敏感性分析

3 結(jié)論

通過分析1965～2016年多年降雨數(shù)據(jù)，得出甘肅省降雨的時(shí)空分布規(guī)律，并通過單流向法模擬徑流，得出了徑流與降雨的水文響應(yīng)敏感性，即：甘肅省降雨年際變化趨勢較穩(wěn)定，通過M-K分析可知，多年降雨呈現(xiàn)增加趨勢，但均增加不顯著，同時(shí)不同時(shí)期甘肅省降雨的空間分布可知，甘肅省降雨呈現(xiàn)由西北到東南逐漸升高的趨勢，且降雨分區(qū)明顯。通過模擬徑流可得出徑流與降雨的響應(yīng)敏感性，不同時(shí)期敏感性表現(xiàn)為枯水期>全年>汛期。