洞庭湖區(qū)降水與徑流特征分析

周牡丹

(湖南省聯(lián)宏水利科技有限公司，湖南 株洲 412007)

隨著全球氣候變暖，極端水文事件的發(fā)生更加復(fù)雜多變，給人類生活和社會(huì)生產(chǎn)帶來(lái)巨大影響[1-2]。近年來(lái)，眾多學(xué)者利用各種方法對(duì)國(guó)內(nèi)外各區(qū)域的降水和徑流特征進(jìn)行了分析研究[3-5]。洞庭湖是長(zhǎng)江流域重要的湖泊，擁有強(qiáng)大的調(diào)蓄能力，本文根據(jù)橫板橋水文站1980—2014年近35年的實(shí)測(cè)降水和徑流資料，對(duì)洞庭湖上游地區(qū)的降水和徑流的變化特性進(jìn)行分析，對(duì)于洞庭湖區(qū)水資源的合理配置、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展以及安全度汛具有重要意義。

1 概 況

橫板橋水文站位于湖南省溆浦縣橫板橋鎮(zhèn)紅星村，集水面積31.4km2，屬于沅江水系，是洞庭湖區(qū)四大水系之一。設(shè)站目的主要是為了收集洞庭湖區(qū)上游小面積區(qū)域的暴雨洪水資料，探索自然情況下當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)匯流參數(shù)受地區(qū)和下墊面變化影響的規(guī)律。橫板橋水文站始建于1959年12月，由湖南省水文總站設(shè)為龍?zhí)稄搅髡緳M板橋點(diǎn)，1979年12月改為小河水文站至今。設(shè)站以來(lái)實(shí)測(cè)最高洪水位3.25m，發(fā)生于1979年6月27日；次高洪水位為3.22m，發(fā)生于1995年6月30日。

2 研究方法

2.1 不均勻系數(shù)

不均勻系數(shù)是反映降水或徑流在年內(nèi)分布不均勻程度的指標(biāo)。其計(jì)算公式為

計(jì)算得出的不均勻系數(shù)越大，表示降水或徑流在年內(nèi)的分配越不均勻。

2.2 集中度及集中期

集中度(PCD)和集中期(PCP)是一種將降水(徑流)量當(dāng)作矢量來(lái)進(jìn)行分析的方法，矢量的大小和方向就是月降水(徑流)量的大小和時(shí)間[6]。計(jì)算公式為

式中：R為年降水(徑流)量；Rx、Ry分別為12個(gè)月降水(徑流)量的分量之和所構(gòu)成的水平分量和垂直分量；θi為第i月降水(徑流)量的矢量角度。

集中度(PCD)取值在0～1之間，PCD值越大，說(shuō)明分析的降水(徑流)分布越集中在某個(gè)時(shí)段內(nèi)；相反，PCD值越小，說(shuō)明該段降水(徑流)分布得越均勻。集中期(PCP)則是反映降水(徑流)量最大值出現(xiàn)的時(shí)段。

2.3 Mann-Kendall法趨勢(shì)檢驗(yàn)

Mann-Kendall法趨勢(shì)檢驗(yàn)計(jì)算公式為

式中：S為正態(tài)分布的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量；xi和xj分別為同一樣本中不同分布的兩個(gè)系列，其中1≤j

2.4 Mann-Kendall法突變檢驗(yàn)

Mann-Kendall檢驗(yàn)法用于檢驗(yàn)序列突變時(shí)，對(duì)具有n個(gè)樣本量的序列X，其順序列結(jié)構(gòu)為

統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算公式為

根據(jù)時(shí)間序列Xn，Xn-1，…，X1的逆序排列，重復(fù)上述過(guò)程得出逆序列統(tǒng)計(jì)量，使UBk=-UFk，k=n+1-k，k=1，2，3，…，n，得到逆序列統(tǒng)計(jì)量UBk。

對(duì)UBk和UFk進(jìn)行曲線繪制，如果兩條曲線在置信區(qū)間|U|≤1.96中存在交點(diǎn)，則這些交點(diǎn)就是該序列置信度水平為0.05的突變點(diǎn)[7]。

3 結(jié)果與分析

3.1 年內(nèi)分配分析

橫板橋水文站降水存在明顯的季節(jié)性差異，降水量在年內(nèi)的分配極不均勻。根據(jù)橫板橋水文站1980—2014年的降水和徑流的各月多年平均值繪制降水和徑流的年內(nèi)分配柱狀圖(見(jiàn)圖1)。由圖1可以看出，1980—2014年的35年間，降水量少的月份有9—12月、1—3月，這些月份降水量?jī)H占全年的37.2%，4—8月降水量較大，占全年降水量的62.8%；其中以5月、6月最多，分別為216.99mm和260.96mm，分別占全年降水量的14.0%和16.9%；最小降水量在12月，僅47.4mm，占全年降水量的3.1%。

圖1 橫板橋水文站1980—2014年降水、徑流年內(nèi)分布情況

徑流年內(nèi)分配特征與降水的年內(nèi)分配特征有較好的同步性，年內(nèi)分配不均勻。年內(nèi)徑流集中分布在4—8月，6月徑流量最大，為456.96萬(wàn)m3，占全年總徑流量的15.7%；冬季(12月至次年2月)徑流量最少。

3.2 不均勻系數(shù)分析

橫板橋水文站降水和徑流的年內(nèi)分配不均勻系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2中可以看出，該區(qū)域降水量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)年際變化較為明顯，35年間不均勻系數(shù)變化范圍在0.037～0.079之間，在2000—2010年較為穩(wěn)定，最大值出現(xiàn)在1995年，最小值出現(xiàn)在1997年。總的來(lái)說(shuō)，35年來(lái)降水不均勻系數(shù)呈增加趨勢(shì)，其中1980—2000年增加趨勢(shì)較為明顯，2000年之后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖2 橫板橋水文站1980—2014年降水、徑流不均勻系數(shù)

由圖2可以看出，該區(qū)域徑流量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)年際變化與降水相比有一定的同步性。35年間不均勻系數(shù)變化范圍在0.031～0.070之間，最大值出現(xiàn)在1996年，最小值出現(xiàn)在1990年。總的來(lái)說(shuō)，35年來(lái)徑流不均勻系數(shù)呈遞增趨勢(shì)，在2003—2008年徑流量分布較為均勻。相比降水量不均勻系數(shù)曲線來(lái)看，在1980—1990年，徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)年際變化與降水變化趨勢(shì)一致，且基本完全同步；在1990—2014年，徑流的年內(nèi)分配不均勻系數(shù)年際變化逐漸出現(xiàn)了一定程度的滯后。此外，在2000年之前，徑流與降水的不均勻系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，均為增加趨勢(shì)，變化程度也基本相同；在2000年之后，徑流與降水的不均勻系數(shù)均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，徑流的不均勻系數(shù)的下降趨勢(shì)相比降水更加明顯。

3.3 集中度和集中期分析

降水和徑流的集中度及集中期計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。從圖3可以看出，橫板橋水文站的降水集中度變化與不均勻系數(shù)變化趨勢(shì)較為一致，降水集中度變化在0.18～0.47之間，多年平均降水集中度為0.34。其中1980年、1986年、1988年、1992年、1995—1996年、1998—1999年、2001—2004年、2006—2007年、2009—2011年及2014年的降水集中度都大于平均值，表明這些年份的降水趨于集中。其余年份的降水集中度都低于平均值，因而它們的降水分布相對(duì)均勻。35年中降水集中度高于多年平均值的有18年，有17年低于多年平均值，其中的最大值為1999年的0.48，最小值為1997年的0.18。在2000年之前，降水的集中度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；在2000年之后，降水的集中度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖3 橫板橋水文站1980—2014年降水、徑流集中度年際變化

圖4 橫板橋水文站1980—2014年降水、徑流集中期年際變化

徑流集中度與降水集中度變化情況基本一致，35年中徑流集中度高于多年平均值的有17年，低于多年平均值的有18年，其中最大值為2014年的0.45，最小值為1997年的0.15。在2000年之前，徑流的集中度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，與降水集中度相比增加趨勢(shì)基本一致；在2000年之后，徑流的集中度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與降水集中度相比下降趨勢(shì)更加明顯。說(shuō)明降水和徑流的集中程度不穩(wěn)定，年際變化較大，近年來(lái)降水和徑流的集中程度都有下降趨勢(shì)，徑流集中程度的下降趨勢(shì)更加明顯。

從圖4可以看出，35年來(lái)橫板橋水文站降水集中期波動(dòng)于109～187之間，大部分在145附近波動(dòng)，說(shuō)明其降水主要集中在6月初。徑流的集中期波動(dòng)于108～221之間，大部分在155附近波動(dòng)，說(shuō)明其徑流主要集中在6月中下旬，相比降水有一定的滯后性。

3.4 變化趨勢(shì)分析

結(jié)合橫板橋水文站1980—2014年實(shí)測(cè)降水和徑流數(shù)據(jù)，根據(jù)Mann-Kendall非線性檢驗(yàn)方法對(duì)該區(qū)域變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，橫板橋水文站35年來(lái)降水量呈輕微的上升趨勢(shì)，其Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值為0.5396，未通過(guò)Mann-Kendall置信度為90%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明其變化趨勢(shì)不顯著。橫板橋水文站35年來(lái)的徑流量呈現(xiàn)比較明顯的下降趨勢(shì)，其Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值為-1.6473，達(dá)到了95%的置信度水平，減小趨勢(shì)顯著。

圖5 橫板橋水文站1980—2014年降水、徑流年際變化趨勢(shì)

3.5 突變分析

對(duì)橫板橋水文站近35年時(shí)間序列進(jìn)行Mann-Kendall檢驗(yàn)，分析其突變情況，分析結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。由圖6可以看出，該地降水在2000年左右發(fā)生突變，在2000年之前呈現(xiàn)出波動(dòng)變化，2000年之后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由圖7可以看出，該地徑流在1985年和2010年左右發(fā)生了突變，在2010年之后下降趨勢(shì)較為明顯。突變情況與變化趨勢(shì)情況基本一致。

圖6 橫板橋水文站1980—2014年降水量Mann-Kendall突變分析

圖7 橫板橋水文站1980—2014年徑流量Mann-Kendall突變分析

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用不均勻系數(shù)、集中期和Mann-Kendall檢驗(yàn)等多種分析方法對(duì)洞庭湖上游橫板橋水文站近35年的降水和徑流實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了綜合分析，對(duì)其降水與徑流的特征進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，徑流量很大程度上受降水量的影響。雖然下墊面對(duì)徑流的影響逐年增大，對(duì)徑流的調(diào)蓄作用越來(lái)越明顯，人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響也在逐漸加劇，但降水仍然是影響徑流的主要原因。因此在日常工作中仍需加強(qiáng)對(duì)降水的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)以及區(qū)域內(nèi)降水與徑流之間關(guān)系的分析研究，這對(duì)防汛減災(zāi)、水資源開(kāi)發(fā)利用以及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。