1980—2016年清源河流域降水量时序变化规律及趋势研究

张跃峰

(甘肃省定西水文站，甘肃 定西 743000)

渭源县地处定西市西南部，处于黄土高原与青藏高原的过渡带，气候、植被、水能涵养等较差，属于典型的干旱型气候区，降水量较少，由于地形地质因素，降水入渗快，导致该区域水资源严重短缺，已经影响到地区工农业生产。研究表明，渭河流域年自产水量19.74亿m3，其中地表水资源量19.25亿m3，约占水资源量的97%，地表水资源主要指河川径流，而在渭源县清源河流域，径流主要来源于降水量补给，地下水少之又少[1]。岳思羽等[2]研究了气候变化和土地利用对渭河流域水资源短缺的影响，结果表明：以降水量为代表的气候变化与水资源盈缺指数存在显著的空间集聚效应；杨建涛[3]研究了渭河流域降水量变异成因，证明降水等水文气象要素随时间变化呈现递减趋势；景宏等[4]对渭河流域55年水文气象要素进行分析,得出降水量年内分配和年际变化特征,为甘肃省境内渭河流域水土保持治理、防洪减灾和水资源开发利用提供依据；赵安周等[5]采用线性回归、经验正交函数(EOF)分解和Mann-Kendall突变性检验等方法,分析了渭河流域近50a降水的时空分布特征，得出流域内降水空间分布不均,总体呈现由东南向西北减小的趋势；来文立等[6]分季节对渭河流域的降水量作了深入研究，结果显示:渭河流域降水季节分配不均,主要集中在夏、秋两季,春、秋两季降水量呈现明显减小趋势,夏、冬两季降水量变化趋势不明显；毛明策等[7]专门针对渭河流域汛期降水量的变化作深入分析，结果表明渭河径流对于降水的变化很敏感;各分区降水周期一致,周期均在3年左右，与水文站实测降水量匹配较好。清源河作为渭河的源区，是流域水源涵养最主要部分，作用不容忽视。但查阅大量文献资料，发现针对渭河源区支流区域内的水文要素变异情况及尺度问题研究较少，本次采用了清源河流域内降水量观测站的实测长系列资料，在前人研究的基础上，对流域内的降水量变化作进一步深入研究，掌握降水量发展规律，为当地防汛抗旱提供有力的数据支撑，对区域内工农业生产具有重要意义。

1 研究区概况

清源河在甘肃省定西市渭源县境内，是渭河的上源，发源于渭源县境内的豁豁山，源地海拔3508m，河长约33km，流域面积120km2，平均比降0.1478[8]。流域呈长条形，流向为西南—东北，流经渭源县五竹镇、渭源县城，于柯寨村下游约100m处与锹峪河相遇，入河口以下称为渭河，见图1。流域上游植被覆盖较好、中下游植被较差，流域内大多为黄土山峁、耕地。流程较短，上游坡度较大，中下游平缓，属典型的小流域。

流域内有渭源水文站及其下辖的3处雨量站，从上到下分别是池沟站、年家寨站、渭源站。渭源站位于清源河下游的县城内，属渭河源区水文监测站，积水面积100km2，目前监测的水文要素主要有水位、降水、蒸发、流量。建站以来，实测最大洪峰流量164m3/s；实测最大含沙量311kg/m3，根据渭源站降水量观测值计算，多年平均降水量484.5mm，属干旱半干旱大陆性气候，多年平均气温5.7℃，无霜期154天。

图1 清源河流域水系及站点分布

2 资料及方法

本次计算在收集渭源站实测逐月降水量资料基础上，采用不均匀系数法、集中期、极差法对降水量的年内分配进行了分析；采用渭源站、池沟站、年家寨站的实测年降水量资料；采用线性回归法、斯波曼秩次相关法、Mann-Kendall秩次相关法对流域内降水量年际变化趋势进行分析与检验；采用轮次分析法对降水量丰枯情况及周期作了分析[9-11]。资料经过一致性、代表性、可靠性审查已整编为成果资料，可靠度较高。由于池沟站资料系列较短，采用线性相关法和渭源站资料对其进行插补展延，经验证，可以作为研究使用。采用各站系列资料统计结果见表1。

表1 流域内各站系列资料统计

2.1 年内分配不均匀性

诸多文献研究表明，水文序列的年内分配不均匀性可以用Cu值来估计，年内降水序列同样适用于此法；水文要素本身具有自身调节功能，可以采用完全调节系数Cr来衡量其集中度[12-14]。构造统计量：

(1)

(2)

(3)

2.2 变化幅度

变化幅度计算法类似于极差分析法，是一个相对变化量的概念。具体算法是先统计出水文序列的极值Rmax和Rmin、分别计算二者与平均月径流量的比值，然后对结果统计分析。统计量如下：

(4)

(5)

式中：Rmax和Rmin分别为逐月最大最小降水量，mm。

2.3 轮次分析法

轮次分析法是研究水文序列统计变化特性很有用的技术。分析降水量丰枯程度及周期变化时，可以采用轮次分析法。轮次分析已经运用多个领域，比如干旱分析，理论上和累积距平法类似，但轮次分析法优点在于丰枯周期的显示。设现有水文序列Xt(t=1,2、3,…,n)和一定的切割水平Y,当Xt在一个或者多个时段内连续小于(或大于等于)Y值时，则出现负(正)轮次，相应各轮次的和定义为轮次长；相应轮次时段内的|Xt-Y|之和称为轮次和。一般情况下，重点研究负轮次。基于这一理论，可以对流域内三站的年降水量丰枯情况进行分析。按照下列公式计算：

(6)

(7)

ln*=max(l1,l2,…,lM)

(8)

2.4 Mann-Kendall秩次相关法

Mann-Kendall秩次相关法是一种非参数检验方法，相比参数检验，具有一定的优越性。水文序列可以看作是由x1，x2，x3，…，xn组成的一组随机不确定数列，对序列先确定对偶值(xi，xj)中xi

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：UF1=0，E(Sk)为系列均值；Var(Sk)为系列方差；Sk为第k时刻数值大于j时刻数值个数的累计数。

3 降水量时序变化规律研究

降水时序本身具有变异性，给降水量变化规律及其内在机制研究带来了困难[16]。影响降水量的因素众多，研究降水量时序变化特征，可以很好地为水文预报、旱情预报、水资源评价等提供有力的技术支撑，从而为区域内工农业生产服务。

3.1 年内分配规律

统计流域内雨量站的资料，采用渭源站降水资料对流域降水量的年内分配进行分析。计算结果见表2。可以看出，最大月降水量出现在8月份，降水量86.2mm，占全年降水量的19.0%，最小降水量出现在12月份，降水量为2.0，占比0.4%。极值比43.1，相差悬殊。连续4个月最大降水量在6—9月，期间降水量为298.2mm，占比65.6%；连续4个月最小降水量值出现在11月至次年2月，期间降水量为18.4mm，占比4.0%，极值比16.2。季节变化上，春季(3—5月)降水量为103.3mm，占年降水的22.7%；夏季(6—8月)降水量为236.0mm，占年降水量的51.9%；秋季(9—11月)降水量102.9mm，占年降水量的22.6%；冬季(12月至次年2月)降水量为12.4mm，占年降水量的2.7%。从计算结果看，春秋两季降水量基本持平，其中春季主要受高山冰雪融化蒸发影响，流域内湿气相对增大，降水量稍有增长，秋季由于受夏季雨量影响，加之气温降低，蒸发量减小，降水量保持稳定。该流域内降水主要集中在夏季，冬季最少。

表2 渭源站降水量年内分配

利用上述年内分配不均匀性计算公式计算Cu系数，对该站逐月降水量的离散程度进行分析，按照每月的降水量分别计算其Cu值，Cu又称为变差系数或者离势系数。

Cu值小，说明变化小，Cu值大，则说明变化大。经计算，渭源站逐月降水量Cu值在0.5～1.2之间，平均值为0.65，点绘逐月流量Cu值变化曲线，见图2。图2显示，1月、2月Cu值较平稳，3月开始下降，4—10月趋于平稳。11月开始上升，3—10月Cu值低于平均值。12月最大，11月次之。整体来看，渭源站降水量出现年内分配极不均匀现象。

图2 渭源站降水量逐月Cu值变化曲线

为进一步研究年内分配的集中程度，需要计算各年逐月Cr值。Cr值越大，说明降水量年内分配越集中。对逐月降水量去中心化发现，11月至次年3月，整体出现Ri

图3 渭源站降水量逐月Cr占全年比例对比曲线

对各年逐月降水量的变化幅度进行计算，得出Cmax最大值为4.32，最小为2.10,分别出现在1999年7月、1990年8月，多年平均值为3.07；Cmin最大值为0.12，出现在1989年1月，最小值为0，多年平均值为0.03。Cmax、Cmin极值比36。可以得知，降水量年内变化幅度较大。

3.2 年际变化规律

图4 流域内降水量随海拔演变规律

图5 渭源站降水量年际演变趋势

图6 池沟站降水量年际演变趋势

图7 年家寨站降水量年际演变趋势

图8 流域逐年平均降水量变化曲线

点绘流域内3处降水量、流域年平均降水量的年际变化曲线，见图5～图8。三站降水量整体呈现逐年减少的趋势，均在多年平均值上下来回摆动，但幅度不大。计算各站年降水量Cu值，渭源站Cu值最大为0.24，年家寨站和池沟站Cu值为0.16，Cu值整体偏小，年际变化趋于稳定。对流域内逐年平均降水量计算Cu，Cu为0.17，说明变化不大。利用GIS软件做垂直平分法面雨量计算，得到逐年面雨量，其中最大值为856.1mm，最小值为396mm，极值比为2.14，多年平均面雨量为632.1mm。以降水量为纵坐标，海拔为横坐标，点绘降水量随海拔演变图，见图4。空间分布上，随着海拔的不断升高，降水量不断增加，雨量呈现由东北向西南递增的空间分布特征。经调查得知，上游受地形影响，属天然林区，水分涵养能力较好，蒸发量小，湿度大，随着水流的延长，海拔逐渐降低，植被破坏严重，降水量逐渐减小。

3.3 丰枯变化规律

按照上述介绍的丰枯情况分析方法，计算流域内降水量丰枯情况，点绘轮次分析图，见图9。可以看出，流域内1980—1982年为枯水期，轮次和为2年；1983—1993年进入丰水期，轮次和为10年，1994—2002年复进入枯水期，轮次和为8年，2003—2007年复进入丰水期，轮次和为4年，2008—2012年为枯水期，轮次和为4年，2013—2015年又进入丰水期。2016年为枯水期。

图9 流域降水量与多年平均轮次分析

可以计算出负轮次和为16年，正轮次和为20年。负轮次最长为8年，最小为2年。平均为5年，正轮次最长为10年，最小为4年，平均为5年。也就说枯水期出现周期为2～8年，丰水期出现周期为4～10年。

3.4 年际变化趋势及检验

采用线性回归法、斯波曼秩次相关法、Mann-Kendall秩次相关法对降水量序列进行趋势分析，表明整体出现减小趋势。主要受地形地质条件影响形成。由于该流域人类活动导致下垫面条件发生巨大变化，蒸发量逐年增大，降水量逐年减小，这符合自然发展规律。

将上述三站的年雨量和流域平均雨量带入式中计算，先假设四组序列无趋势成分，显著性水平取a=0.05，查算正态分布表的Ua/2,若|U|Ua/2，则说明趋势显著。基于这一方法，可以计算分析4组序列在该置信水平下的趋势成分及变化显著性，找出各站及平均雨量的跳跃年份，计算结果见表3。可以3看出，各站年降水量变化趋势均显著，趋势均为减少，跳跃年份出现在1989年、1994年、1995年、2003年、2012年，结论与前述文献研究的渭河流域降水量序列突变年份基本一致。植被的破坏、耕地的不断增多是导致降水序列突变的主要原因。

表3 各站及流域平均雨量趋势成分检验统计

4 结 论

通过对1980—2016年流域内降水量的研究，主要得出以下结论：

a.降水量年内分配极不均匀且汛期和非汛期相差较大；降水量主要集中在夏季，冬季最少；以5—8月最为集中。

b.各站及流域平均降水量趋于稳定；对流域降水的丰枯出现周期进行分析，发现枯水期出现周期为2～8年，丰水期出现周期为4～10年。

c.流域内雨量随着海拔的升高，呈现由东北向西南递增的空间分布特征。

d.采用Mann-Kendall秩次相关法进行趋势变化显著性检验，|U|值在0.627～1.307，该取值小于a=0.05置信水平下的Ua/2参数，降水呈量逐年不显著减少趋势。降水量在1989年、1994年、1995年、2003年、2012年出现突变。

由于资料系列只收集到2016年，研究尚有欠缺，存在较多不足之处。但从1980—2016年资料系列研究来看，清源河流域降水量演变规律与前述文献[1]～[7]研究结论基本一致，可以作为今后区域内水资源计算时的参考依据。