湖南省铁山水库流域降水演变规律

蔡锦文, 胡国华, 顾庆福

(1.长沙理工大学 水利工程学院， 湖南 长沙 410114； 2.水沙科学与水灾害防治 湖南省重点实验室， 湖南 长沙 410114； 3.湖南省水文水资源勘测局， 湖南 长沙 410007)

铁山水库是东洞庭湖水系新墙河上游的一座大型水库，是全国重要的饮用水水源地之一。铁山水库兴建时只规划为农业灌溉供水，自2002年10月以来，岳阳市区、岳阳县城及周边集镇居民生活用水改为铁山水库供水，铁山水库供水由原单一的季节性农业灌溉供水，转变为城镇供水与农业灌溉供水两者兼有，承担着岳阳市区、岳阳县城等地城乡居民生活用水，及全市耕地面积1/4的灌溉任务。铁山水库既要承担水源地供水功能，又要承担铁山灌区一部分灌溉任务。铁山水库饮用水水源地一般情况下能满足正常年份需水要求，但在遭遇枯水年份或保证率需要提高时，灌区将会出现不同程度的缺水情况。

因此，对铁山水库饮用水水源地流域的降水变化趋势进行分析是非常必要的。近年来，有学者应用多种方法对长系列水文气象资料进行趋势分析[1-3]，其中Mann-Kendall检验法被广泛使用和认可，也得到世界气象组织的推荐。除了Mann-Kendall检验法，在突变检验运用较多的方法还有R/S突变检验[4-5]和累计距平与滑动t联合检验[6]等，而周期分析最常用是小波分析法[7-8]。本文拟使用线性回归、滑动平均、Mann-Kendall检验、累积距平、滑动t检验和Morlet小波分析等方法研究铁山水库饮用水水源地流域降水演变规律,以期为流域的水资源利用以及水库的调度运行提供科学依据。

1 流域概况

铁山水库位于东洞庭湖水系新墙河上游，坝位于湖南省岳阳县公田镇，控制流域面积493 km2，总库容6.35×108m3，有效库容3.84×108m3，多年平均入库年径流量4.31×108m3，为多年调节水库，水库以灌溉和城市供水为主，设计城市供水规模4.50×105m3/d。灌溉方面，铁山灌区现状灌溉面积4.46×104hm2，规划设计灌溉面积5.69×104hm2。流域以亚热带湿润季风气候为主，年平均气温17 ℃，年平均降水量1 471.6 mm，降水主要集中在5,6月，占全年降水量30%左右。

2 资料来源与研究方法

2.1 资料来源

本文采用的原始数据为铁山水库饮用水水源地流域内毛田、月田和板江3个雨量站1968—2014年实测逐日降水数据，数据来源于湖南省水文水资源勘测局。利用ArcGIS 9.3平台基于泰森多边形插值成流域的面降水量。本次研究将降雨资料处理为年降水(1—12月)、汛期降水(3—8月)和非汛期降水(9至翌年2月)3个时段。

2.2 研究方法

本文采用线性回归法和滑动平均法分析降水的时间变化趋势，并用Mann-Kendall非参数检验法分析变化趋势的显著情况[9]。利用累计距平法找到突变的初始点，并采用滑动t检验法确定突变显著程度[10]。运用小波分析法对各时期的降水周期和演变规律进行分析[11]。

3 结果与分析

3.1 降水变化趋势

用线性回归和5 a滑动平均处理各时期的降水序列得到图1。从图1可以看出，流域内年降水呈现上升趋势，上升率为8.7 mm/10 a，年降水的时间相关系数为0.001。流域内汛期降水量呈现上升趋势，上升率为4.8 mm/10 a，汛期的时间相关系数为0.000 6。流域内非汛期降水量呈现上升趋势，上升率为9.2 mm/10 a，非汛期的时间相关系数为0.01。整体看来，流域内各时段降水量均呈现出上升的趋势，且非汛期降水的上升趋势较年降水和汛期降水明显。

图1 湖南省铁山水库流域各时段降水时间变化趋势

由表1可以看出，在95%的置信区间下，年降水、汛期降水和非汛期降水都呈现不明显的上升趋势，与线性回归法和滑动平均法得到的结果是一致的。

表1 湖南省铁山水库流域各时段Mann-Kendall统计值

3.2 降水突变分析

本次研究采用累计距平曲线寻找初始突变点，并用滑动t检验确定突变的显著程度，将数据处理分别得到各时期累计距平曲线。累计距平曲线下降表示降水偏枯，上升表示降水偏丰。由图2可以看出，年降水发生突变的初始点在1987和2003年，汛期降水发生突变的初始点在1992和2003年，非汛期降水发生突变的初始点在1980和2005年。对各突变初始点进行滑动t检验得到表2。由表2可以看出，年降水在1987和2003年左右发生了显著性突变，1987年左右，由枯水期向丰水期突变，2003年左右由丰水期向枯水期突变。汛期降水在1990和2003年左右发生了显著性突变，1992年左右由枯水期向丰水期突变，2003年由丰水期向枯水期突变。非汛期未通过显著性检验，没有发生突变。2007年以后，各时期的累计距平曲线反复升降，表明该流域各时期的丰枯交替变得频繁。

图2 湖南省铁山水库流域各时段累计距平曲线

表2 湖南省铁山水库流域各时段初始变点滑动t检验值

3.3 周期分析

采用Morlet小波对近47 a来铁山水库饮用水水源地流域年降水、汛期降水和非汛期降水量进行周期分析，得到各时期小波变换系数实部二维等值线图(图3)。二维等值线中的小波变换系数为正值的用实线表示，来体现降水量偏丰；虚线表示为负值，来体现降水量偏枯。

通过计算小波方差可得，年降水拥有的周期为5,11和29 a左右，其中相位变化最显著的是11和29 a左右。以11 a左右为尺度的周期在1970—2005年丰枯交替十分剧烈，存着着7个偏丰期和6个偏少期。以29 a左右为周期的信号最强，拥有3个偏少期和偏丰期，经历了枯—丰—枯—丰—枯—丰的更替变化，丰枯期的交替点为1977,1986,1993,2003和2013年左右，其中1986和2003年左右与累计距平曲线的初始突变点基本一致。1968—1977，1986—1994和2003—2012年周围是虚线属于负值，表明降水处于偏少期；而1978—1985，1995—2002和2013—2014年周围是实线属于正值，表明降水处于偏丰期，且实线未闭合，可推测2014年后的降水量仍然是较多的阶段。

汛期降水拥有6,13和29 a左右的周期，其中相位变化最明显的是6和29 a左右的周期。1968—1974和1995—2004年是6 a左右为尺度周期发生最明显的时段，丰枯变化剧烈。以29 a左右为尺度的周期的信号最强，拥有3个偏少期和偏丰期，经历了枯丰—枯—丰—枯—丰的更替变化，丰枯期的交替点为1975,1984,1992,2003和2013年左右，其中1992和2003年左右与累计距平曲线的初始突变点基本一致。1968—1974,1984—1992和2003—2012年周围是虚线属于负值，表明降水处于偏少期；而1975—1983,1993—2002和2013—2014年周围是实线属于正值，表明降水处于偏丰期，且实线未闭合，可推测2014年后的汛期的降水量仍然是较多的阶段。

图3 湖南省铁山水库流域各时期小波系数实部等值线

非汛期降水拥有6,12和28 a左右的周期，其中相位变化最明显的是12和28 a左右的周期。1980—2007年是12 a左右为尺度周期发生最明显的时段，丰枯交替明显。以28 a左右为尺度的周期的信号最强，拥有3个偏少期和偏丰期，经历了丰—枯—丰—枯—丰—枯的更替变化，丰枯期的交替点为1970,1980,1989,1998和2006年左右，其中1980和2006年左右与累计距平曲线的初始突变点基本一致。1968—1970,1980—1988和1998—2007年周围是实线属于正值，表明降水处于偏丰期；而1971—1979,1989—1997和2008—2014年周围是虚线属于负值，表明降水处于偏少期，且虚线未闭合，可推测2014年以后的非汛期降水量仍是较少的阶段。

4 结 论

(1) 通过线性回归法和5 a滑动平均法分析得到铁山水库饮用水源地流域年降水量、汛期降水量和非汛期降水量均呈现上升趋势。采用Mann-Kendall非参数检验法得出，在95% 的置信区间下，年降水量、汛期降水量和非汛期降水量均呈现不明显的上升趋势，非汛期降水的上升趋势较年降水和汛期降水明显，得到结果与线性回归的结果基本一致。

(2) 通过累计距平曲线找到了各时段的突变初始点，运用滑动t检验确定出年降水在1987和2003年发生了显著性突变，汛期降水在1992和2003年发生了显著性突变，非汛期降水在47 a间没有发生突变。各时期自2007年后丰枯交替变得频繁。

(3) 通过小波分析得到，年降水存在5,11和29 a左右的周期，其中29 a左右尺度的周期信号最强，汛期降水存在6,13和29 a左右的周期，与年降水一样，29 a左右尺度的周期信号最强，非汛期降水存在6,12和28 a左右的周期，28 a左右尺度的周期的信号最强。铁山水库饮用水水源地流域各时期降水的主周期都在28～29 a，丰枯交替点与累计距平曲线的初始突变点基本一致。