朝阳市降水径流变化趋势特征分析

刘 洋

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

0 前 言

降水是径流的主要补给来源之一，径流是维持区域生态环境和支撑社会经济的重要因素，径流演变趋势及特征直接关系到区域水资源的规划和可持续利用[1-2]。自20世纪60年代以来，随着全球气候变化影响加剧、土地利用和城镇化建设等对下垫面的剧烈改变以及水土资源开发利用的影响，朝阳市水循环及水文过程发生了显著变化，为此需要及时准确掌握朝阳市水资源情势出现的新变化，系统分析降水径流的变化特征，这对适应新时期经济社会发展、生态文明建设和资源管理的需要具有重要的现实意义[3]。

1 资料与方法

1.1 研究区域资料

本次研究区域为辽宁省朝阳市。朝阳市位于辽宁省的西部，介于E118°50′-121°17′，N40°36′-42°22′之间，全市土地总面积19698km2。朝阳市属北温带大陆季风气候区，四季分明，雨热同季，年平均气温5.5～8.9℃；降水偏少，1956-2016年多年平均降水量482.8mm，夏季降水量约占年降水量的80%左右，易造成不同时段的干旱[4]。选取朝阳市1956-2016年多年平均降水量和径流量数据资料，资料来源于辽宁省水文年鉴。

1.2 研究方法

1.2.1 趋势分析方法

采用Man-Kendall趋势检验法对朝阳市1956-2016年降水径流变化特征进行分析，同时采用五年滑动均值标准化法、线性回归分析法进行验证。

Man-Kendall趋势检验法：定义检验统计量：

(1)

式中：sign()为符号函数。当Xi-Xj<、=或>0时，sign(Xi-Xj)分别为-1、0或1。

M-K统计量公式S<、=、>0时分别为：

(2)

在双边趋势检验中，对于给定的置信水平α上，若|Z|≥Z1-a/2则原假设H0是不可接受的，即在置信水平α上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。Z为正值表示增加趋势，负值表示减少趋势。Z的绝对值在≤1.28、1.64、2.32时表示分别通过了置信度90%、95%、99%显著性检验。

1.2.2 非参数Man-Kendall法突变检测

定义统计量：

(3)

在时间序列随机独立的假定下，Sk的均值和方差分别为：

E[Sk]=k(k-1)/4,var[Sk]=
k(k-1)(2k+5)/72 1≤k≤n

(4)

将Sk标准化：

(5)

UBk=-UFk，i′=n+1-i
i，i′=1，2，L，n

(6)

式中：UB1=0

给定显著性水平，如α=0.05，那么临界值U0.05=±1.96。将UFk和UBk两个统计量序列曲线和±1.96两条直线均绘在同一张图上。分析绘出的UFk和UBk曲线图。若UFk和UBk的值>0，则表明序列呈上升趋势，<0则表明呈下降趋势。当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。如果UFk和UBk两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。

2 朝阳市降水径流变化特征分析

2.1 降水径流趋势检验

利用Man-Kendall趋势检验方法对朝阳市1956-2016年降水和径流数据进行趋势检验，同时采用回归分析法绘制降水和径流线性回归分析趋势线进行验证。检验结果见表1，回归分析趋势图见图1。

表1 Man-Kendall降水径流趋势检验结果表

由检验结果可以看出：朝阳市的平均降水量61a来呈下降趋势，但没有通过置信度90%的显著性检验，说明朝阳市的年降水量减少趋势并不明显。朝阳市的平均径流量61a来呈下降趋势，且分别通过了置信度90%、95%、99%的显著性检验，说明径流量下降趋势比较明显。这与将年份数据与降水径流数据作回归分析所得出的趋势结果是一致的。

2.2 降水径流五年均值标准化分析

为了分析朝阳市降水径流变化特征，绘制其降水量和径流量五年滑动均值标准化过程线，如图2所示。

从图中可以看出：降水与径流呈同步变化。降水量1956-2016年整体呈小幅度周期波动，出现3次波丰，2次波谷。1966年出现了第一次峰值，之后略有小幅度下降然后上升，在1978年第二次达到峰值；随后1979-1984年下降至波谷；1985-1998年上升，达到了第三次峰值；1999-2004年下降到第二次波谷；2005-2016年呈平稳小幅度上升趋势。径流量1956-2016年地表水资源量整体上呈递减趋势。期间出现两次比较大的波动，一次是20世纪60年代—1975年左右，1961-1966年上升，1967年到1976年逐渐下降；另一次是1984年至2004年，1984年到1998年上升，1999年到2004年逐渐下降；其它年份均呈小幅度波动趋势。

2.3 降水径流变化突变检验

利用Mann-Kendall方法对朝阳市1956-2016降水和径流数据进行突变检验，检验结果见图3和图4。

由检验结果可以看出：朝阳市年平均降水量从1956-1981年整体上呈增加趋势，1982年和1984年呈减少趋势，1985-2006年呈增加趋势，2007-2016年整体基本平稳，但这种趋势均不明显，没有通过0.05显著性检验。根据UFk和UBk曲线交点的位置，降雨量在1957年、1981年、2000年和2016年存在突变。朝阳市年平均径流量从1956-1970年整体上呈增加趋势，从1971-2016年呈减少趋势，在20世纪80年代开始减少趋势通过了通过了0.05的显著性检验，甚至通过了0.001的显著性检验，这表明朝阳市径流量减少趋势是非常显著的。根据UFk和UBk曲线交点的位置，径流量在1980年、1984年、1986年、1993年、1997年、2012年和2014年存在突变。这与降水和径流五年滑动均值标准化过程分析的结果是一致的。

3 结 论

通过采用Man-Kendall趋势及突变检验法、五年滑动均值标准化法、线性回归分析等方法对朝阳市1956-2016年平均降水量和径流量变化趋势及相关性进行了分析，结论如下：

1)朝阳市平均降水量61a来整体呈下降趋势，没有通过置信度90%的显著性检验，下降趋势不明显。其中：从1956-1981年整体上呈增加趋势，1982-1984年呈减少趋势，1985-2006年呈增加趋势，2007-2016年整体基本平稳，各阶段趋势均不明显。降雨量在1957年、1981年、2000年和2016年存在突变。

2)朝阳市平均径流量61a来整体呈下降趋势，且分别通过了置信度90%、95%、99%的显著性检验，说明径流量下降趋势比较明显。其中：从1956-1970年整体上呈增加趋势，从1971-2016年呈减少趋势，减少趋势非常显著。径流量在1980年、1984年、1986年、1993年、1997年、2012年和2014年存在突变。

3)朝阳市降水径流呈同步变化特征，说明降水仍然是径流的主导因素，但径流量下降趋势明显大于降水量下降趋势，说明人类活动对径流影响越来越大，在以后研究中分析径流的人为影响因素至关重要。