趙華安 姚開軍 官燕華 陳崇德

(湖北省漳河工程管理局,湖北荊門 448156)

漳河水庫流域位于湖北省襄樊、宜昌、荊門三市交界的山區(qū),水庫總庫容20.35億m3,其中興利庫容9.24億m3,集水面積2212km2,是以灌溉為主,兼有防洪、城市供水、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游、航運(yùn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多目標(biāo)綜合利用的大型水利工程.近幾十年來,隨著流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、進(jìn)步,人口的持續(xù)增長,城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程速度的加快,尤其是水土資源的開發(fā)利用都是以自身經(jīng)濟(jì)效益為最大目標(biāo),致使生態(tài)環(huán)境受到了一定程度的破壞,降雨時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)特征值(均值、CV、CS)也發(fā)生了較大的變化.因而有必要對流域降雨序列變化趨勢進(jìn)行分析,認(rèn)識(shí)人類活動(dòng)對水庫流域水文過程的影響,進(jìn)而指導(dǎo)水庫調(diào)度決策[1],合理開發(fā)利用流域水土資源,為生態(tài)環(huán)境的治理、保護(hù)等提供依據(jù),促進(jìn)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展.

1 分析方法

1.1 Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦并已廣泛應(yīng)用的一種檢驗(yàn)時(shí)間資料系列是否具有變化趨勢的方法,常用于對徑流、降水等水文時(shí)間序列的趨勢檢驗(yàn),其原理和方法為[1-7]:

設(shè)H0時(shí)間序列數(shù)據(jù)(χ1,χ2,…,χn)是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本;備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn),對于所有的κ,j≤n,且κ≠j,χκ和χj的分布是不相同的.當(dāng)n＞10時(shí),標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量z通過下式計(jì)算:

式中:

為正態(tài)分布,其均值為0,方差Var(S)=[n(n-1)(2n+5)-∑tt(t-1)(2t+5)]/18.

雙邊的趨勢檢驗(yàn)中,在給定的α置信水平上,若z值大于0,則表明序列呈上升趨勢,若z小于0則表明呈下降趨勢[4],若|z|＜zα/2時(shí),接受假設(shè),說明時(shí)間序列數(shù)據(jù)沒有顯著變化趨勢,若|z|＞zα/2時(shí),拒絕假設(shè),時(shí)間序列的趨勢性變化顯著[1].|z|越大,則在一定程度上說明序列的趨勢性變化越顯著.

1.2 R/S分析的原理和方法

R/S分析法(Rescaled Range Analysis,重新標(biāo)度極差分析法)是通過流域分形特征值、赫斯特指數(shù)、分形維數(shù)來判斷水文過程的變化[3,6].基本原理與方法如下:

(1)計(jì)算均值

(2)計(jì)算累積離差

(3)計(jì)算極差序列

(4)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差序列

卡類型的編碼，0：社?？?；1：醫(yī)?？?；2：全市統(tǒng)一自費(fèi)就診卡；3：醫(yī)院自費(fèi)卡；4：區(qū)內(nèi)統(tǒng)一自費(fèi)就診卡；5：新農(nóng)合卡；6：居民健康卡；9：其他卡。對于市管干部、在編軍人，這里的卡號(hào)、卡類型請?zhí)顚憽癟S”

(5)計(jì)算比值

(6)計(jì)算分形維數(shù):

(7)計(jì)算指數(shù)H:

式中,α為常數(shù),H為Hurst指數(shù).

根據(jù)時(shí)間序列{χ(t)},利用最小二乘法,可得式(10)的直線回歸方程,則直線的斜率即為H指數(shù).

一般認(rèn)為:①當(dāng)H=0.5時(shí),各次觀測結(jié)果之間相互無依賴,降水量指標(biāo)變化是隨機(jī)的.②當(dāng)0≤H＜0.5時(shí),即未來的總體趨勢與過去相反,過程具有反持續(xù)性,且H值越接近0,反持續(xù)性就越強(qiáng).③當(dāng)0.5＜H≤1時(shí),過程具有持續(xù)性,且 H值越接近1,持續(xù)性就越強(qiáng)[5-7].

2 漳河水庫流域降雨變化趨勢分析

2.1 資料數(shù)據(jù)

漳河水庫流域內(nèi)設(shè)有17個(gè)水文、雨量觀測站,記錄有1963～2008年歷年各月的實(shí)測降雨資料,據(jù)統(tǒng)計(jì),多年平均降雨量993.5mm,其中1963～1970年年均降雨量1060.1mm,1971～1980年年均降雨量944.4mm,1981～1990年年均降雨量 988.6mm, 1991～2000年年均降雨量1018.8mm,2001～2008年年均降雨量916.9mm,可見降雨量變化趨勢較大,說明流域下墊面因素受人類活動(dòng)影響較大,對流域降雨量已產(chǎn)生了較大的影響.因此,利用上述兩種方法對流域降雨序列變化趨勢進(jìn)行分析.

2.2 Mann-Kendall分析

對流域降雨量最少的1月和最多的7月按上述方法進(jìn)行分析,選取顯著水平α=0.05,1月份z=0. 29,7月份z=0.24,|z|＜zα/2,均接受假設(shè),時(shí)間序列數(shù)據(jù)沒有顯著變化趨勢.但1月和7月的z值為正值,表明這兩個(gè)月的降雨量呈微弱遞增的趨勢.

2.3 R/S分析

據(jù)公式(4)～(10)計(jì)算,得到年降雨量分式布朗運(yùn)動(dòng)模型樣本的回歸方程為:R(τ)/S(τ)=(3.246 τ)0.2161(見圖1～2).同理,應(yīng)用R/S模型對流域1月、7月降雨序列的趨勢變化情況進(jìn)行研究,得到模型樣本的回歸方程分別為:R(τ)/S(τ)=(5.7τ)0.2249和R(τ)/S(τ)=(17.05τ)0.1858(見圖3～6).

2.4 漳河水庫流域降雨變化趨勢分析

(1)年降雨量序列z=-1.05,1月份降雨序列z =0.29,7月份降雨序列z=0.24,說明未來流域年降雨量呈微小下降的變化趨勢,而降雨量最少的1月和降雨量最多的7月份其降雨量則呈微小增加的趨勢.對歷年各月降雨資料統(tǒng)計(jì)分析表明,1996～2008年系列比1963～1995系列,其降雨量減少3.84%.其中減少最多的為9月份,減少了30.84%,其次為4月、12月,分別減少了18.67%和17.79%.因而,主汛期降雨量的增加也沒有改變整體下降的趨勢.

(2)年際、1月份和7月份降雨量的 H指數(shù)分別為0.2161、0.2249與0.1858,均小于0.5,因此,流域降雨時(shí)間序列作為分式布朗運(yùn)動(dòng)的軌跡表現(xiàn)出反持久性,即未來流域年降雨量可能呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢.

(3)漳河水庫流域降雨量變化存在明顯的Hurst現(xiàn)象,反映流域地區(qū)可能在未來1月和7月的降雨量變化趨勢的隨機(jī)性成份很大,因此應(yīng)采取相應(yīng)對策和措施,以應(yīng)對未來可能出現(xiàn)的干旱或暴雨洪澇等自然災(zāi)害[8-9].

(4)將資料系列以1995年為分界線分為兩部分, 1995年后多年年平均降雨量減少了3.84%(見表1).同時(shí)也可看出,前后兩個(gè)系列的統(tǒng)計(jì)特征值均具有明顯的差異,已經(jīng)不符合一致性的要求.

表1 多年平均降雨量比較

3 結(jié) 論

(1)采用Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法,在顯著性水平α=0.05下,漳河水庫流域降雨量總體上呈緩慢下降的趨勢.降雨量最少的1月份和降雨量最多的7月份呈緩慢上升的趨勢.說明氣候變暖,對流域降雨有較大的影響.

(2)兩種分析方法的結(jié)果表明,流域未來一段時(shí)間內(nèi)降雨量變化趨勢一致,即呈持續(xù)緩慢下降的變化趨勢.

(3)漳河水庫流域降雨量變化存在明顯的Hurst現(xiàn)象,反映流域地區(qū)可能在未來1月和7月的降雨量變化趨勢的隨機(jī)性成份很大,因此應(yīng)采取相應(yīng)對策和措施,以應(yīng)對未來可能出現(xiàn)的干旱或暴雨洪澇等自然災(zāi)害.

(4)以1995年為界線將資料系列分為兩部分,前后兩個(gè)系列的統(tǒng)計(jì)特征值均具有明顯的差異,已經(jīng)不符合水溫資料的“一致性”的要求.

(5)近30年來,流域人類活動(dòng)日趨頻繁,農(nóng)林墾殖,水庫修建、人口增加、工業(yè)化與城鎮(zhèn)化速度加快等人類活動(dòng)使得流域下墊面條件發(fā)生了較大的變化,對于漳河水庫入庫徑流量變化有較大的影響[10],應(yīng)引起有關(guān)方面的重視.

[1] 張洪剛,王 輝,徐德龍,等.漢江上游降水與徑流變化趨勢研究[J].長江科學(xué)院院報(bào),2007,24(5):27-30.

[2] 馬 嵐,魏曉妹.石羊河下游年徑流序列的變異點(diǎn)分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2006,24(2):174-177.

[3] 于延勝,陳興偉.R/S和Mann-Kendall法綜合分析水文時(shí)間序列未來的趨勢特征[J].水資源與水工程學(xué)報(bào), 2008,19(3):41-44.

[4] 徐長江,范可旭,肖天國.金沙江流域徑流特征及變化趨勢分析[J].人民長江,2010,41(7):11-14.

[5] 于延勝,陳興偉.水文序列變異的差積曲線-秩檢驗(yàn)聯(lián)合識(shí)別法在閩江流域的應(yīng)用[J].資源科學(xué),2009,31(10): 1717-1721.

[6] 樊 毅,李 靖,仲遠(yuǎn)見,等.基于R/S分析法的云南干熱河谷降水變化趨勢分析[J].水電能源科學(xué),2008,26 (2):24-27.

[7] 徐宗學(xué),李占玲,史曉崑.石羊河流域主要?dú)庀笠丶皬搅髯兓厔莘治鯷J].資源科學(xué),2007,29(5):121-127.

[8] 陳崇德,邵春玲.漳河水庫區(qū)域水資源利用評價(jià)指標(biāo)的研究應(yīng)用[J].水利水電工程設(shè)計(jì).2009,28(3):23-25.

[9] 張笑天,陳崇德.漳河水庫灌區(qū)水資源脆弱性評價(jià)研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2010,31(2):12-15.

[10]陳崇德,王玉才,胡小梅.漳河水庫流域生態(tài)環(huán)境需水量預(yù)測研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2009(5):25-27.

[11]陳崇德,牛愛軍.R/S分析在水庫年來水趨勢預(yù)測中的應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2010,21(3):174-176.