山東省濱州市蒸發(fā)動態(tài)變化趨勢分析

李本厚，孔令太，朱廣祿

（濱州市水文中心，山東 濱州 256600）

水面蒸發(fā)是水體生態(tài)系統(tǒng)中較為關(guān)鍵和重要的問題，也是水資源的三大平衡因素之一。同時，水面蒸發(fā)是水庫、湖泊等水體水分流失的重要組成成分，是陸地蒸騰過程中的重要參考數(shù)據(jù)，同時在產(chǎn)流計算、水資源評價、洪水預(yù)報、水量平衡計算、旱情分析、水資源利用等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用[1]。

1 概況

濱州市位于山東省北部、黃河三角洲腹地、渤海灣西南岸，全市境域橫跨黃河南北，位于北緯36°41′19″～38°16′14″、東經(jīng)117°15′27″～118°37′03″，南北最長縱距175 km，東西最大跨徑120 km，總面積9 660 km2。下轄2 區(qū)4 縣，代管鄒平縣級市，全市常駐人口約為393 萬人。地處中緯度，屬東亞暖溫帶亞濕潤大陸性季風氣候區(qū)，因受太陽輻射、季風和自然地理環(huán)境影響，形成四季分明、氣候溫和的基本氣候特征。河流冰期大致分為結(jié)冰期、封凍期和解凍期3個階段，結(jié)凍期一般在12月初至翌年2月底；封凍期多在12月中下旬至翌年2月中旬，約60 d。

濱州市境內(nèi)除過境黃河外，以黃河為界，南部為小清河流域，北部為海河流域，各河大致流向東北，注入渤海。黃河自鄒平市西北部的苗家入境，東至博興縣老蓋家村附近入東營市，境內(nèi)河段長94 km，南堤長99.3 km，北堤長91.6 km，兩堤間灘區(qū)面積為158.8 km2；小清河水系包括小清河、孝婦河、杏花河、支脈河4條主要河流；海河水系包括徒駭河、德惠新河、馬頰河、漳衛(wèi)新河、秦口河、潮河6條主要河流。

2 資料來源和選用

2.1 資料來源

本文選取堡集閘水文站、白鶴觀閘水文站實測系列水文資料。堡集閘水文站位于濱州市三河湖鎮(zhèn)的二十里堡閘，白鶴觀閘水文站位于濱州市無棣縣車王鎮(zhèn)白鶴觀閘，兩站均建于1971 年，蒸發(fā)觀測情況相同，均為不同時段分別使用20 cm 口徑蒸發(fā)器、E601蒸發(fā)器、80 cm 口徑套盆蒸發(fā)器，不同蒸發(fā)器觀測結(jié)果均折算至E601蒸發(fā)器蒸發(fā)量，折算系數(shù)詳見表1[2]。

表1 不同型號蒸發(fā)器與E601蒸發(fā)器折算系數(shù)匯總

2.2 資料使用合理性分析

對于水平蒸發(fā)來說，其站網(wǎng)布局要能充分反映蒸發(fā)量的空間變異，并能適應(yīng)區(qū)域內(nèi)的蒸發(fā)率和地表蒸發(fā)區(qū)的分布特征。水面蒸發(fā)站網(wǎng)密度根據(jù)本地區(qū)的分析成果來確定，應(yīng)采用2 000～5 000 km2設(shè)一站的標準[3]。山東省濱州市位于魯北平原地區(qū)，總面積9 660 km2，現(xiàn)有2處蒸發(fā)站，蒸發(fā)站布設(shè)密度為4 830 km2設(shè)一站，滿足密度要求。

白鶴觀閘水文站、堡集閘水文站均為國家重要水文站，測站設(shè)立時即含有蒸發(fā)觀測項目。依托各類水文設(shè)施工程，2 處測站相應(yīng)水文要素觀測設(shè)施均及時進行更新?lián)Q代，設(shè)備均符合現(xiàn)行國家相關(guān)規(guī)范要求。2 處水文站均由水文職工常年駐守，觀測數(shù)據(jù)真實可靠，并全部納入水文年鑒刊印。本文采用1971—2021年實測蒸發(fā)量與鄰近水文站蒸發(fā)資料進行對比，數(shù)據(jù)可靠度高，可用于蒸發(fā)變化趨勢分析。

3 分析方法介紹

3.1 Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall 趨勢檢驗法是Mann 在1945 年首次提出來的，而后Kendall 在1975 年對該方法進行了改進，形成了標準的Mann-Kendall 趨勢檢驗法。該方法屬于非參數(shù)檢驗，由于不受樣本值、分布類型等的影響，因此在水文學(xué)中有著十分廣泛的運用[4]。本文以Mann-Kendall 趨勢檢驗法為基礎(chǔ)，通過Mann-Kendall 趨勢檢驗，分析了蒸發(fā)序列數(shù)據(jù)的變化趨勢并進行置信檢驗。

在Mann-Kendall 趨勢檢驗過程中，在序列Xi=（X1，X2，…，Xn）中，對全部的對偶值（Xi，Xj，j＞1）進行確定，得出Xi、Xj之間的關(guān)系[4]，統(tǒng)計量S計算公式如下：

式中：sign（）是一個符號函數(shù)，Xi-Xj在大于、等于、小于零時，sign（Xi-Xj）對應(yīng)的是1、0、-1。

M-K統(tǒng)計量Z的計算公式如下[4]：

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2時，則原假設(shè)H0不成立，即在置信水平α上時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值代表上升的趨勢，為負值代表下降的趨勢。|Z|的值大于等于1.28、1.64、2.32時，表示變化趨勢通過了90%、95%、99%置信度顯著性檢驗[5]。

3.2 Mann-Kendall突變檢驗法

通過使用Mann- Kendall 趨勢檢驗法確定蒸發(fā)序列數(shù)據(jù)變化傾向后，使用Mann-Kendall 突變檢驗法做進一步分析，確定變化趨勢的突變節(jié)點及趨勢顯著變化情況。定義統(tǒng)計量，給出顯著程度，按時間順序求UF統(tǒng)計量，逆時序求UB統(tǒng)計量。UF＞0 時表示該序列在上升，UF＜0 時表示該序列有下降的趨勢；超出臨界點時，表明該序列有明顯的上升或下降趨勢，超出臨界點的區(qū)域發(fā)生突變；若UF與UB在臨界線上相交，則該交叉點為突變起始時刻[6]。

3.3 小波分析法

小波分析是在Fourier分析基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的時間-尺度（頻率）分析方法。小波方差圖能反映能量隨尺度的分布，可以確定一個時間序列中各種尺度擾動的相對強度，進而確定一個時間序列中存在的主要周期[7]。本文使用Matlab程序?qū)?971—2021年山東省濱州市年均蒸發(fā)量進行小波分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 變化趨勢及突變分析

根據(jù)計算，山東省濱州市年蒸發(fā)量變化趨勢的Mann-Kendall 統(tǒng)計量結(jié)果詳見表2，Z=-5.26，|Z|＞2.32＞0，由此可得出山東省濱州市年蒸發(fā)量表現(xiàn)出較為顯著的下降態(tài)勢，同時通過了顯著性99%的檢驗。利用Mann-Kendall 突變檢驗法對年蒸發(fā)量資料做突變檢驗，將獲得的UB統(tǒng)計量和UF統(tǒng)計量繪于圖1。從圖1可以看出，山東省濱州市年蒸發(fā)量的UF統(tǒng)計量曲線從1973 年開始小于零，1984—1986、1994年之后超出臨界線范圍，即自1973年開始出現(xiàn)下降趨勢，1984—1986、1994 年以后下降更為明顯。UF、UB的統(tǒng)計量曲線，并沒有在臨界線內(nèi)發(fā)生相交。

圖1 山東省濱州市1971—2021年蒸發(fā)量Mann-Kendall檢驗曲線

表2 山東省濱州市1971—2021年蒸發(fā)量變化情況檢驗

4.2 周期性分析

利用Matlab 程序，對山東省濱州市1971—2021年蒸發(fā)量進行小波分析，繪制小波方差，如圖2 所示。從圖2 可以看出，山東省濱州市年蒸發(fā)量存在較為明顯的2個波峰，分別對應(yīng)時間為18、28 a。其中，波峰最高為28 a處，即年蒸發(fā)量數(shù)據(jù)序列主要時間尺度為28 a，也是該數(shù)據(jù)序列的主要震蕩周期；時間尺度18 a 處對應(yīng)另一波峰，為該數(shù)據(jù)序列的次要震蕩周期。

圖2 山東省濱州市1971—2021年蒸發(fā)量小波方差示意

利用Matlab程序，計算小波方差，分別制作時間尺度18、28 a 的實部過程線，如圖3—4 所示。從圖3—4 可以看出，在18 a 時間尺度內(nèi)，平均蒸發(fā)量的變化周期大約是10 a；在28 a 時間尺度內(nèi)，平均蒸發(fā)量的變化周期大約是17 a。

圖3 山東省濱州市1971—2021年蒸發(fā)量18 a時間尺度小波實部過程線

圖4 山東省濱州市1971—2021年蒸發(fā)量28 a時間尺度小波實部過程線

5 結(jié)論

本文對山東省濱州市1971—2021 年多年蒸發(fā)量進行了分析研究，得出該時間序列動態(tài)變化規(guī)律。

（1）濱州市多年平均蒸發(fā)量為977.1 mm，最大年蒸發(fā)量為1972 年的1 160.9 mm，最小年蒸發(fā)量為2010年的771.1 mm。

（2）濱州市年均蒸發(fā)量隨時間變化存在下降趨勢，1994年之后下降趨勢顯著。

（3）年蒸發(fā)量在18、28 a時間尺度表現(xiàn)出強烈的波動，并具有一定的規(guī)律性。其中，以28 a為一個主要的震蕩周期，年蒸發(fā)量變幅在17 a左右。