牤牛河流域近60年降水时空演变特征分析

佟大千

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110000)

1 流域概况

牤牛河是大凌河的一条主要支流，发源于内蒙古敖汉旗南营子，流域面积2795km2，河长136km，流经阜新市、北票市，于北票市下府乡注入大凌河。流域内多丘陵山区，大部分开发为耕地，植被较差，水土流失严重，洪水时陡涨陡落，含沙量较大，河床来回摆动，两岸为石崖或土崖，洪水时塌岸比较严重，近年来为加固河床，在河道两边的沙滩上造林较多。牤牛河直接汇入白石水库，入库前牤牛河控制站为九连洞水文站。河流域属于温带亚干旱气候区，大陆性气候较为明显，四季分明，冬寒降水少，夏热雨水多，多年平均气温7～9.5℃，北部低南部高。多年平均蒸发量1700～1930mm(20cm蒸发皿)，南部小北部大。流域多年平均降水量在430～630mm之间，北部少南部多，降水时空分布不均，年内分配极不均匀，4—5月占全年的12%，汛期6—9月占全年的80%，10—11月占全年的6.5%，其它月份占全年的1.5%，汛期降水量集中在7—8月，尤以7月最多。就一次降水而言，多局部短暂暴雨，次暴雨历时一般为1—2天，主雨集中于6～24h。近些年来，不少研究成果表明[1- 6]，受气候变化影响区域降水量呈现较为明显的变化，通过对降水量时空变化的分析，有助于分析区域水资源变化的影响因素。牤牛河属于辽宁西部主要河流，是辽西水资源重要组成部分，为探讨流域降水的变化特征，本文选用当前在国内降水变化特征分析较为成熟的M-K非线性显著检验方法[7- 12]和突变分析方法[13]，结合牤牛河流域15个雨量站点近60年实测降水数据对其降水变化时空变化特征进行分析。

2 变化特征分析方法

2.1 显著性检验方法

采用M-K非线性显著检验方法对降水变化特征进行显著变化特征的分析。该方法将长系列的降雨序列作为样本序列对其统计变量S进行计算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—降雨样本序列显著性检验统计变量；xi和xj—来自同一个样本总体的两个降雨样本数据系列；σs—方差标准计算值；sign—计算变量；n—总的样本序数；Z—检验特征变量，当Z>0则表示降雨呈现递增变化趋势，否则呈现递减变化趋势，当|Z|>2.32、1.64<|Z|<2.32、1.28<|Z|<1.64则分别表示变化趋势的显著性可分别达到99%、95%以及90%的置信水平。

2.2 突变点分析

对降雨样本数据序列采用统计变量ck对其突变点进行分析，分析方程为：

(5)

E(ck)=k(k-1)/4

(6)

σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72

(7)

(8)

式中，m—降雨序列样本xi>xj(1≤j≤i)的统计值；E(ck)—变量统计值ck的均值；σ(ck)—变量统计值ck的方差；UFk—统计值ck的标准化转换值。对样本序列进行逆序计算其统计变量ck的标准化转换值，即为|UBk|=-UFk，k=n，n-1，…，UB1=0。如果正序和逆序计算曲线在置信范围出现交点，则可判定出现突变特征点。

3 不同时间尺度下的降雨变化趋势分析

3.1 年尺度降雨变化特征分析

基于牤牛河流域内15个降雨站点1960—2020年近60年的降雨数据系列，结合面积加权方法对柳河面平均降水进行计算，得到60年年降水量的变化特征进行趋势检验和突变特征分析，分析结果如图1所示，见表1。

从牤牛河流域年尺度降水变化特征分析结果可看出，从1960—2020年牤牛河流域年降水量总体呈现递减变化趋势，但趋势较弱，从表1不同年代际降水变化趋势检验结果可看出，近60年牤牛河年降水变化趋势检验统计值为-0.6256，其绝对值低于1.28，未通过90%的显著性检验，从其他年代际降水变化趋势检验结果可看出，1960—1969年牤牛河降水呈现较为明显的递减趋势，其变化趋势检验值为-1.4523，绝对值高于1.28，达到90%的显著性检验水平。1970—1979年降水变化趋势检验值为1.3925，达到90%的显著递增变化趋势。1990—1999年以及2000—2009年降水呈现弱递增和弱递减变化趋势，2010—2020年降水呈现弱递增变化趋势。从近60年降水突变特征可看出，牤牛河流域降水突变年份主要为1960—1969年和2010—2020年，降水均呈现低到高的递增突变。

3.2 月尺度降雨变化特征分析

考虑到牤牛河流域汛期和非汛期尺度降雨变化差异性较大，在年降水量变化特征分析的基础上对其月尺度降水趋势以及突变特征进行分析，结果如图2所示。

从牤牛河月尺度降水变化过程可看出，近60年牤牛河汛期降水总体呈现递减变化，而非汛期降水总体呈现递增变化，汛期和非汛期降水的变化趋势检验绝对值均低于1.28，为达到90%的显著性检验水平。从汛期降水突变特征可看出，其和年降水突变年份较为一致，这主要是因为牤牛河流域降水主要集中在汛期，汛期降水占年降水的比例超过70%，因此其降水突变特征和年降水突变较为一致，主要集中在1960—1969年和2010—2020年，降水突变特征也较为一致，这两个年代汛期降水突变均体现为由低到高的变化特征。从牤牛河非汛期降水突变特征可看出，突变年份主要集中在1990—1999年和2000—2009年，这两个年代非汛期降水变化较为明显，其中1990—1999年非汛期降水突变主要从低到高的变化，2000—2009年非汛期降水突变主要从高到低的变化。

图1 牤牛河流域年尺度降水变化特征分析结果

表1 牤牛河流域不同年代际降水变化趋势检验结果

图2 牤牛河流域月尺度降水量变化趋势及突变特征分析

4 降雨空间变化趋势分析

对牤牛河流域各年代际降水量均值空间演变特征进行分析，结果如图3所示。

从各年代际牤牛河流域降水空间分布结果可看出，各年代际降水空间分布较为一致，总体呈现从南到北逐步递减的空间变化趋势。从各年代际降水空间分布过程可看出，呈现较为明显的10年丰枯周期变化。1960—1969年，年降水量均值在600～700m的区域占比低于20%，主要集中在400～500mm之间，该年代也属于牤牛河干旱少雨的一个年代际，区域在该年代也出现较为严重的干旱年份。1970—1979年，年降水量在200～300mm的区域有所减少，降水量相比于1960—1969年有明显增多，总体处于降水偏丰年代际。1980—1989年，又进入枯水年代际，降水量相比于1970—1979年明显递减，区域年降水量在300～400mm的区域占比超过60%。1990—1999年，降水增多进入又一个10年丰水周期，且属于各年代际降水量均偏多的一个年代，年降水量均值超过500mm的区域占比超过40%，属于水量较为充沛的一个年代际。2000—2009年，降水量相比于1990—1999年明显递减，区域年降水量均值主要集中在300～400mm之间，且南部递减的趋势明显高于北部区域，北部也属于牤牛河受旱程度较大的区域。进入2010年以后，区域降水量明显增加，年降水量在500mm以上的区域降水量占比超过50%，且北部干旱易发区的降水量也有所增加。从牤牛河降水空间演变可看出，在2020年以后牤牛河区域将进入枯水变化周期，应提前做好区域农村灌溉供水储备，做好水库蓄水调度规划，重点对北部干旱易发区增加引水措施规划。

图3 牤牛河流域不同年代际降水空间分布

5 结论

(1)牤牛河流域非汛期降水量呈现递增变化，建议加大非汛期流域内水库的调蓄水量，降低非汛期内用水量，做好水量储备。

(2)在2020年以后牤牛河区域将进入枯水变化周期，应提前做好区域农村灌溉供水储备，做好水库蓄水调度规划，重点对北部干旱易发区增加引水措施规划。

(3)本文对牤牛河流域降水变化的成因还未进行研究，在后期还应对流域内降水变化成因尤其是环流特征进行深入探讨。