朝陽市降水徑流變化趨勢特征分析

劉 洋

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

0 前 言

降水是徑流的主要補給來源之一，徑流是維持區域生態環境和支撐社會經濟的重要因素，徑流演變趨勢及特征直接關系到區域水資源的規劃和可持續利用[1-2]。自20世紀60年代以來，隨著全球氣候變化影響加劇、土地利用和城鎮化建設等對下墊面的劇烈改變以及水土資源開發利用的影響，朝陽市水循環及水文過程發生了顯著變化，為此需要及時準確掌握朝陽市水資源情勢出現的新變化，系統分析降水徑流的變化特征，這對適應新時期經濟社會發展、生態文明建設和資源管理的需要具有重要的現實意義[3]。

1 資料與方法

1.1 研究區域資料

本次研究區域為遼寧省朝陽市。朝陽市位于遼寧省的西部，介于E118°50′-121°17′，N40°36′-42°22′之間，全市土地總面積19698km2。朝陽市屬北溫帶大陸季風氣候區，四季分明，雨熱同季，年平均氣溫5.5～8.9℃；降水偏少，1956-2016年多年平均降水量482.8mm，夏季降水量約占年降水量的80%左右，易造成不同時段的干旱[4]。選取朝陽市1956-2016年多年平均降水量和徑流量數據資料，資料來源于遼寧省水文年鑒。

1.2 研究方法

1.2.1 趨勢分析方法

采用Man-Kendall趨勢檢驗法對朝陽市1956-2016年降水徑流變化特征進行分析，同時采用五年滑動均值標準化法、線性回歸分析法進行驗證。

Man-Kendall趨勢檢驗法：定義檢驗統計量：

(1)

式中：sign()為符號函數。當Xi-Xj<、=或>0時，sign(Xi-Xj)分別為-1、0或1。

M-K統計量公式S<、=、>0時分別為：

(2)

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α上，若|Z|≥Z1-a/2則原假設H0是不可接受的，即在置信水平α上，時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢。Z的絕對值在≤1.28、1.64、2.32時表示分別通過了置信度90%、95%、99%顯著性檢驗。

1.2.2 非參數Man-Kendall法突變檢測

定義統計量：

(3)

在時間序列隨機獨立的假定下，Sk的均值和方差分別為：

E[Sk]=k(k-1)/4,var[Sk]=
k(k-1)(2k+5)/72 1≤k≤n

(4)

將Sk標準化：

(5)

UBk=-UFk，i′=n+1-i
i，i′=1，2，L，n

(6)

式中：UB1=0

給定顯著性水平，如α=0.05，那么臨界值U0.05=±1.96。將UFk和UBk兩個統計量序列曲線和±1.96兩條直線均繪在同一張圖上。分析繪出的UFk和UBk曲線圖。若UFk和UBk的值>0，則表明序列呈上升趨勢，<0則表明呈下降趨勢。當它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。超過臨界線的范圍確定為出現突變的時間區域。如果UFk和UBk兩條曲線出現交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻便是突變開始的時間。

2 朝陽市降水徑流變化特征分析

2.1 降水徑流趨勢檢驗

利用Man-Kendall趨勢檢驗方法對朝陽市1956-2016年降水和徑流數據進行趨勢檢驗，同時采用回歸分析法繪制降水和徑流線性回歸分析趨勢線進行驗證。檢驗結果見表1，回歸分析趨勢圖見圖1。

表1 Man-Kendall降水徑流趨勢檢驗結果表

由檢驗結果可以看出：朝陽市的平均降水量61a來呈下降趨勢，但沒有通過置信度90%的顯著性檢驗，說明朝陽市的年降水量減少趨勢并不明顯。朝陽市的平均徑流量61a來呈下降趨勢，且分別通過了置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗，說明徑流量下降趨勢比較明顯。這與將年份數據與降水徑流數據作回歸分析所得出的趨勢結果是一致的。

2.2 降水徑流五年均值標準化分析

為了分析朝陽市降水徑流變化特征，繪制其降水量和徑流量五年滑動均值標準化過程線，如圖2所示。

從圖中可以看出：降水與徑流呈同步變化。降水量1956-2016年整體呈小幅度周期波動，出現3次波豐，2次波谷。1966年出現了第一次峰值，之后略有小幅度下降然后上升，在1978年第二次達到峰值；隨后1979-1984年下降至波谷；1985-1998年上升，達到了第三次峰值；1999-2004年下降到第二次波谷；2005-2016年呈平穩小幅度上升趨勢。徑流量1956-2016年地表水資源量整體上呈遞減趨勢。期間出現兩次比較大的波動，一次是20世紀60年代—1975年左右，1961-1966年上升，1967年到1976年逐漸下降；另一次是1984年至2004年，1984年到1998年上升，1999年到2004年逐漸下降；其它年份均呈小幅度波動趨勢。

2.3 降水徑流變化突變檢驗

利用Mann-Kendall方法對朝陽市1956-2016降水和徑流數據進行突變檢驗，檢驗結果見圖3和圖4。

由檢驗結果可以看出：朝陽市年平均降水量從1956-1981年整體上呈增加趨勢，1982年和1984年呈減少趨勢，1985-2006年呈增加趨勢，2007-2016年整體基本平穩，但這種趨勢均不明顯，沒有通過0.05顯著性檢驗。根據UFk和UBk曲線交點的位置，降雨量在1957年、1981年、2000年和2016年存在突變。朝陽市年平均徑流量從1956-1970年整體上呈增加趨勢，從1971-2016年呈減少趨勢，在20世紀80年代開始減少趨勢通過了通過了0.05的顯著性檢驗，甚至通過了0.001的顯著性檢驗，這表明朝陽市徑流量減少趨勢是非常顯著的。根據UFk和UBk曲線交點的位置，徑流量在1980年、1984年、1986年、1993年、1997年、2012年和2014年存在突變。這與降水和徑流五年滑動均值標準化過程分析的結果是一致的。

3 結 論

通過采用Man-Kendall趨勢及突變檢驗法、五年滑動均值標準化法、線性回歸分析等方法對朝陽市1956-2016年平均降水量和徑流量變化趨勢及相關性進行了分析，結論如下：

1)朝陽市平均降水量61a來整體呈下降趨勢，沒有通過置信度90%的顯著性檢驗，下降趨勢不明顯。其中：從1956-1981年整體上呈增加趨勢，1982-1984年呈減少趨勢，1985-2006年呈增加趨勢，2007-2016年整體基本平穩，各階段趨勢均不明顯。降雨量在1957年、1981年、2000年和2016年存在突變。

2)朝陽市平均徑流量61a來整體呈下降趨勢，且分別通過了置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗，說明徑流量下降趨勢比較明顯。其中：從1956-1970年整體上呈增加趨勢，從1971-2016年呈減少趨勢，減少趨勢非常顯著。徑流量在1980年、1984年、1986年、1993年、1997年、2012年和2014年存在突變。

3)朝陽市降水徑流呈同步變化特征，說明降水仍然是徑流的主導因素，但徑流量下降趨勢明顯大于降水量下降趨勢，說明人類活動對徑流影響越來越大，在以后研究中分析徑流的人為影響因素至關重要。