渭河林家村站降雨徑流變化特征分析

石軍孝，靳姍姍，由宇軍

（陜西省水文水資源勘測中心，陜西 西安 710068）

1 概況

渭河為黃河右岸支流， 橫跨甘肅東部和陜西中部。發源于渭源縣鳥鼠山北側，向東流經天水入陜，經寶雞、楊凌、咸陽、渭南入黃，全長818 km，流域總面積13.48 萬km2，其中陜境河長為502.4 km， 流域面積為3.33 萬km2（不含涇河、北洛河）。林家村水文站位于寶雞市金臺區峽石鎮林家村， 是渭河干流控制站， 屬國家重要水文站， 擔負著渭河河道和寶雞峽渠首水文要素監測任務， 集水面積30661 km2[1］。

2 數據來源與研究方法

本文選取林家村水文站1950 年～2021 年實測年降雨量和1944 年～2021 年實測年徑流量數據。通過距平和線性回歸分析林家村站年降雨量和徑流量的趨勢變化，并檢驗其顯著性，利用Mann-Kendall 非參數檢驗法對年降雨量和徑流量序列進行突變分析，采用復Morlet 小波來診斷林家村站降雨量和徑流量的周期特征。

3 結果分析

3.1 趨勢性分析

采用距平和線性回歸分析林家村站年降雨和徑流趨勢，結果見圖1、圖2，其相關統計特征量見表1。

圖1 林家村站年降雨量距平變化

圖2 林家村站年徑流量距平變化

表1 林家村站降雨量和徑流量統計特征值

結果顯示，林家村站年降雨量和徑流量呈下降趨勢，變化傾向率每年分別為-6.6m、-2.3×108m3。為進一步檢驗序列趨勢變化的顯著性，采用Mann-Kendall 秩次相關法進行詳細診斷，經計算，林家村站年降雨量和徑流量檢驗值Z 分別為-0.85、-4.59，選取顯著性水平為0.05，Za=0.05=1.64。對比分析可知，林家村站年降雨量檢驗值絕對值小于1.64，表示其未通過置信度為95%的顯著性檢驗水平，表明林家村站年降雨量序列的變化趨勢不顯著，即序列呈不顯著的下降趨勢；林家村站年徑流量檢驗值絕對值大于1.64，表示其通過置信度為95%的顯著性檢驗水平，表明林家村站年徑流量序列的變化趨勢顯著，即序列成顯著的下降趨勢。

3.2 突變性分析

水文情勢變化的影響因素較多，其中某些因素的變異會促使水文序列統計特征值發生較大變化，從而使水文時間序列偏離一致性[2］。常用的水文時間序列突變點檢驗法[3］有很多，本文采用Mann-Kendall 非參數檢驗法對林家村站年降雨量和年徑流量系列進行突變性分析。分析結果見圖3、圖4。從圖3 可以看出林家村站1950 年～1968 年降雨量有不顯著的上升趨勢，1969 年以后具呈下降趨勢，其中2002 年、2006 年～2010 年的下降趨勢突破了顯著性a=0.05 時的臨界值，該時期降雨量明顯低于前期。雖然在a=0.05 的臨界線范圍內，林家村站年降雨量序列UF 線和UB 線頻繁存在多處交點，但整體突變性不顯著。

圖3 林家村站年降雨量序列M-K 統計量突變圖

從圖4 可以看出林家村站1944 年～1950 年和1963 年～1977 年徑流量有不顯著的上升趨勢，1978 年以后具有下降趨勢，其中在1996 年點突破了顯著性a=0.05 時的臨界值。在a=0.05 的臨界線范圍內，林家村站年徑流量序列UF 線和UB 線存在1985 年、1987 年、1997 年3 個交點，即存在3 個突變點，突變點分析見表2。

圖4 林家村站年徑流量序列M-K 統計量突變圖

表2 年降雨量和徑流量突變分析

3.3 周期性分析

小波分析（wavelet analysis）在分析水文時間序列方面具有強大的分辨多尺度的功能，而且在時域和頻域上具有良好的局部化功能，能識別出水文序列或高或低不同的頻率成分和不同時間尺度的主要變化周期，從而對未來發展趨勢做出準確預測[4］。本文采用Morlet 連續復小波變換來對林家村站年降雨量和年徑流量序列進行周期分析，見圖5～圖8。從圖5、圖6 可以看出，在林家村站72 a 的降雨量時間序列中，存在4 個較為明顯的峰值，分別對應著4 a、15 a、30 a、43 a 的時間尺度，其中最大峰值對應于43 a 的時間尺度，說明43 a 的周期震蕩最顯著，是72 a 序列變化的第一主周期，15 a、30 a、4 a分別對應第二主周期、第三主周期、第四主周期。43 a 的周期變化具有全域性，共經歷了豐-枯-豐-枯-豐5 個交替變化，約為2.5 個周期，表明林家村站年降雨量演變的第一主周期約為28.8 a，具體豐水時段為1951 年～1965 年、1980 年～1992 年、2007 年～2020 年，且2021 年實部為負值，說明2021 年以后有極大可能會進入枯水期。同理可知，林家村站72 a 降雨量序列變化的第二、三、四主周期對應約7.5、3.5、25.5 個周期，表明林家村站年降雨量演變的第二、三、四主周期約為9.6 a、20.6 a、2.8 a。

圖5 林家村站年降雨量序列小波系數實部等值線

圖6 林家村站年降雨量序列小波方差圖

從圖7、圖8 可以看出，在林家村站78 a 徑流量時間序列中，存在5 個較為明顯的峰值，分別對應著4 a、12 a、22 a、30 a、47 a 的時間尺度，其中最大峰值對應于30 a 的時間尺度，說明30 a 的周期震蕩最顯著，是78 a 序列變化的第一主周期，47 a、12 a、22 a、4 a 分別對應第二主周期、第三主周期、第四主周期、第五主周期。30a 的周期變化具有全域性，共經歷了豐-枯-豐-枯-豐-枯-豐-枯-豐9 個交替變化，約為4 個周期，表明羅李村站年最大洪峰流量演變的第一主周期約為19.5 a，具體豐水時段為1944 年～1949 年、1960 年～1970年、1981年～1990年、2000年～2008年、2017年～2021年，且2021 年以后實部負值等值線未閉合，說明枯水期在2021 年后還會持續一段時間。同理可知，林家村站78 a 徑流量序列變化的第二、三、四、五主周期對應約2.5、10.5、5.5、28.5個周期，表明林家村站年徑流量演變的第二、三、四、五主周期約為31.2 a、7.4 a、14.2 a、2.7 a。

圖8 林家村站年徑流量序列小波方差圖

4 結論

論文利用多種統計方法和復Morlet 小波法對林家村站年降雨量和年徑流量的變化特征進行分析，得到了如下結論。

（1）1950 年～2021 年林家村站年降雨量呈不顯著性下降趨勢，變化傾向率每年為-6.6m；1944 年～2021 年林家村站年徑流量呈顯著性下降趨勢，變化傾向率每年為-2.3×108m3。

（2）采用Mann-Kendall 方法分析林家村站的年降雨量和年徑流量的突變點，確定林家村站年降雨量序列整體突變性不顯著；年徑流量序列存在1985年、1987年、1997年3個突變點。

（3）采用復Morlet 小波來診斷林家村站年降雨量和年徑流量的周期性，年降雨量存在28 a 左右的主周期，存在10 a左右的次周期；年徑流量存在20 a 左右的主周期，存在31 a左右的次周期。

（4）建議結合多個水文、氣象等要素對降雨、徑流之間的相關特征做深入研究，進一步探討其特征規律。

（5）建議采用多個站點的數據對渭河流域進行系統性研究，做更大尺度上的分析。