黃土高原典型小流域降水變化特征研究

楊 俊，徐 智，蘭立軍，孫棟元，武蘭珍，李曉霞，張 軍，王興繁

(1.甘肅省水利廳 水土保持中心，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730070)

降水作為關鍵的水文氣象要素之一，在區域水文循環過程研究、水資源演變規律研究、氣候變化特征研究等方面具有舉足輕重的作用。同時，降水作為水文循環的重要環節和水資源的直接來源，是決定區域水資源時空分布特征和陸地水循環的重要因素，也是區域自然地理特征、生態系統形成與演化過程的重要表征要素與關鍵環節[1-3]。降水量變化特征及趨勢分析是研究氣候變化、水文預報、區域水資源分布的重要方式和重要依據，降水量的季節、年內、年際等變化特征，不僅直接影響著區域地表及地下水量，還影響自然生態環境、社會經濟活動等諸多方面，乃至全球的水分平衡[4-8]。因此，研究區域降水量變化特征，對科學管理與配置區域水資源、掌握區域氣候演變規律、做好自然災害綜合防治工作具有重要價值。本研究分別選取黃土高原廟龍溝、榆林溝和田家溝3條典型小流域的3個雨量站降水觀測資料作為基礎數據，采用線性傾向擬合、累積距平、滑動平均、Mann-Kendall突變檢驗等方法，對黃土高原典型小流域降水序列進行研究，分析其降水量年內變化、年際變化、年代變化、突變特征，從而為流域水資源管理、生態保護、自然災害防治等提供技術支撐和數據參考。

1 研究區概況

1.1 廟龍溝流域

廟龍溝流域位于莊浪縣北部，屬黃土丘陵溝壑區第三副區，流域總面積64.01 km2，冬春兩季干燥寒冷，夏秋兩季濕潤溫暖，降水年內分布極不均勻，年際變化大，且多以暴雨形式出現。

1.2 榆林溝流域

榆林溝流域地處莊浪縣境內，屬黃土丘陵溝壑區第三副區，流域總面積41.81 km2，降水年際變化大，時空分布不均。

1.3 田家溝流域

田家溝流域位于涇川縣北部，是涇河的一級支流，流域面積35.67 km2，氣候屬典型的大陸性氣候，四季分明，氣候干燥，蒸發量大，氣溫多變，降水量少而集中，年際變化大。

2 資料與方法

2.1 數據來源

廟龍溝流域采用威戎鎮站(1966—2016年)、榆林溝流域采用莊浪站(1956—2016年)、田家溝流域采用涇川站(1956—2016年)逐月、逐年觀測數據作為基礎資料，所有數據均來源于甘肅省水文局。

2.2 研究方法

采用線性傾向擬合法、滑動平均法、累積距平法、Spearman秩次相關檢驗法、Mann-Kendall趨勢檢驗及突變檢驗法，對降水變化趨勢、突變特征等進行分析。

3 結果與分析

3.1 降水年際變化特征

各流域降水特征值見表1。由表1可知，廟龍溝流域1966—2016年年均降水量為437.80 mm，最大年降水量出現在2013年，為731.00 mm，最小年降水量為1995年的240.00 mm，相差491 mm，極值比為3.05；榆林溝流域1956—2016年年均降水量為515.28 mm，最大年降水量出現在2013年，為802.50 mm，最小年降水量為1997年的271.40 mm，相差531.10 mm，極值比為2.96；田家溝流域1956—2016年年均降水量為552.74 mm，最大年降水量出現在2003年，為803.50 mm，最小年降水量為1972年的287.70 mm，相差515.80 mm，極值比為2.79。

表1 各流域降水特征值

圖1為年降水過程線變化圖，圖2為降水量累積距平變化圖。由圖1(a)可知，廟龍溝流域年降水量呈現微弱增加趨勢，線性傾向率為0.028，從線性傾向趨勢看出廟龍溝流域降水量以0.28 mm/10a的速率增加；從5 a滑動平均過程線看出，降水序列呈減少—增加—減少—增加波動變化趨勢，呈現多段下降—上升—下降—上升變化過程；由圖2可知，廟龍溝流域年降水量呈現2個時段升降變化過程，1966—2002年呈下降趨勢，2002—2016年呈上升趨勢。由圖1(b)可知，榆林溝流域年降水量呈減少趨勢，線性傾向率為-0.571，從線性傾向趨勢可知榆林溝流域降水量以5.71 mm/10a的速率減少；從5 a滑動平均過程線看出，降水序列呈減少—增加—減少—增加波動變化趨勢，呈現多段上升—下降—上升—下降變化過程；由圖2可知，榆林溝流域年降水量呈現3個時段升降變化過程，1956—1976年呈上升趨勢，1976—2003年呈下降趨勢，2003—2016年呈上升趨勢。由圖1(c)可知，田家溝流域年降水量呈現減少趨勢，線性傾向率為-1.584，從線性傾向趨勢可知榆林溝流域降水量以15.84 mm/10a的速率減少；從5 a滑動平均過程線看出，降水序列呈減少—增加—減少的波動變化趨勢，呈現多段下降—上升—下降—上升變化過程；由圖2可知，田家溝流域年降水量呈2個時段升降變化過程，1956—1970年呈上升趨勢，1970—2016年呈下降趨勢。

圖1 典型小流域年降水過程線變化

圖2 典型小流域降水量累積距平變化

采用Mann-Kendall趨勢檢驗法和Spearman秩次相關檢驗法驗證1956—2016年期間降水變化趨勢及其在置信水平α=0.05下的顯著性，結果見表2。由表2可知，廟龍溝流域降水的Mann-Kendall趨勢檢驗統計量Z=0.292，且|Z|=0.292小于Zα/2=1.96，Spearman秩次相關系數rs=0.043>0，且統計量|T|=0.321

表2 降水變化趨勢統計檢驗值

3.2 降水年內變化特征

圖3為3個流域多年月平均降水量，廟龍溝流域、榆林溝流域、田家溝流域降水量年內分配極不均勻，降水量均主要集中于7—9月，廟龍溝流域3個月累計降水量為242.72 mm，占全年總降水量的55.4%，榆林溝和田家溝流域3個月累計降水量分別為286.67和313.16 mm，分別占年降水總量的55.8%和56.7%。總體上，黃土高原典型小流域降水主要集中于7—9月份，期間降水量占全年降水量的55%以上。

圖3 典型小流域多年月平均降水量

3.3 降水年代變化特征

根據數據資料，年代劃分為:1956—1959年為20世紀50年代，1960—1969年為20世紀60年代，1970—1979年為20世紀70年代，1980—1989年為20世紀80年代，1990—1999年為20世紀90年代，2000—2009年為21世紀00年代，2010—2016年為21世紀10年代。對廟龍溝、榆林溝、田家溝流域年代降水量進行分析，結果分別如表3、4和5所示。

表3 廟龍溝年代降水量特征值

由表3可知，過去51 a廟龍溝流域在20世紀70—90年代年均降水量均低于多年平均值437.80 mm，20世紀60年代和21世紀10年代降水偏豐，兩個年代的年均降水量均高于500 mm，同時各個時段降水量呈現不同極值變化特征。

由表4可知，過去61 a榆林溝流域在20世紀60—70年代和21世紀10年代年均降水量高于流域多年平均降水量515.28 mm，尤其是20世紀60年代和21世紀10年代降水頗豐，年均降水量高于570 mm；20世紀50年代、80—90年代和21世紀00年代年均降水量均低于多年平均值，尤其是20世紀末，流域年均降水量不足500 mm，屬枯水季。同時各個時段降水量呈現不同極值變化特征。

表4 榆林溝年代降水量特征值

由表5可知，過去61 a田家溝流域除20世紀50—60年代年均降水量頗豐，高于600 mm外，其余年代除21世紀10年代外，年均降水量均低于多年平均降水量552.74 mm。各個時段降水量呈現不同極值變化特征。

表5 田家溝年代降水量特征值

3.4 降水突變分析

圖4為廟龍溝、榆林溝、田家溝流域降水數據Mann-Kendall突變檢驗分析結果。由圖4UF和UB曲線交點大致判斷，廟龍溝流域降水量發生突變的年份為1969年，榆林溝流域降水量發生突變的年份分別為1957年和1978年，田家溝流域降水量發生突變的年份分別為1957年和1969年。

圖4 典型小流域突變檢驗

4 結 論

(1)廟龍溝、榆林溝、田家溝流域年均降水量分別為437.80、515.28和552.74 mm，極值比分別為3.05、2.96和2.79。廟龍溝流域年降水量呈現微弱增加趨勢，以0.28 mm/10a的速率增加，1966—2002年呈下降趨勢，2002—2016年呈上升趨勢。榆林溝流域年降水量呈減少趨勢，以5.71 mm/10a的速率減少，1956—1976年呈上升趨勢，1977—2003年呈下降趨勢，2003—2016年呈上升趨勢。田家溝流域年降水量呈減少趨勢，以15.74 mm/10a的速率減少，1956—1970年呈上升趨勢，1970—2016呈下降趨勢。

(2)廟龍溝、榆林溝、田家溝降水量年內分配極不均勻，降水量均主要集中于7—9月，分別為242.72、286.67和313.16 mm。總體上，黃土高原典型小流域降水主要集中于7—9月份，期間降水量占全年降水量的55%以上。

(3)廟龍溝、榆林溝和田家溝流域降水量在不同年代呈現不同變化規律，同時各個時段降水量呈現不同極值變化特征。

(4)采用Mann-Kendall突變檢驗法對廟龍溝、榆林溝、田家溝流域降水數據進行突變檢驗分析，其對應突變年份分別為1969年、1957年和1978年、1957年和1969年。