安寶軍，周維博，夏 偉，楊 浩

(1.陜西省西咸新區(qū) 灃東新城斗門水庫建設(shè)管理中心， 陜西 西安 710086； 2.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710054；3.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710054)

在政府間氣候變化委員會(IPCC)第五次評價(jià)報(bào)告第二工作組報(bào)告《氣候變化2014：影響、適應(yīng)和脆弱性》中指出：氣候變化已經(jīng)對全球自然和人類系統(tǒng)包括11種領(lǐng)域和9個(gè)區(qū)域(各大洲、兩極地區(qū)和島嶼)都產(chǎn)生廣泛和深遠(yuǎn)的影響；氣候變化增溫幅度的提高將加劇自然和人類系統(tǒng)廣泛的、嚴(yán)重的和不可逆影響的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。

唐熊鵬等[3]以沱沱河流域?yàn)槔?，采用累積距平法、M-K檢驗(yàn)法以及小波分析法等一系列分析方法對其1961年—2010年的氣溫、降水和徑流深序列進(jìn)行了分析，研究表明：沱沱河流域氣溫、降水和徑流深序列均呈不同程度的上升趨勢，分別在1999年、2004年和2007年、2004年和2007年發(fā)生突變，且第一主周期分別為25年、20年和22年。田龍[4]應(yīng)用多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)法對臺蘭水文站1957年—2010年降水、氣溫和徑流的變化趨勢進(jìn)行了分析，研究表明：降水量年際變幅增大，總體呈上升趨勢，氣溫在1980年之前呈顯著降低趨勢，在1980年之后呈顯著上升趨勢，徑流呈現(xiàn)較明顯的增多的趨勢；李海川等[5]以瀾滄江流域?yàn)槔?，運(yùn)用了氣候傾向率、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法以及Pearson相關(guān)性分析等一系列分析方法對其1958年—2015年的氣溫、降水和徑流序列進(jìn)行了分析，研究表明：瀾滄江流域上游溫度低降水少，下游溫度高降水多，降水和徑流主要集中于夏秋兩季，徑流在2005年發(fā)生突變，氣溫與徑流的相關(guān)性較差，降水徑流相關(guān)性于2005年之后變差。

目前，灃河處于西安城市建設(shè)西邊緣區(qū)域，同時(shí)下游位于第七個(gè)國家級新區(qū)—西咸新區(qū)境內(nèi)，戰(zhàn)略地位不斷凸顯。在全球氣候變化的背景下，灃河流域水文氣象要素是否發(fā)生改變直接影響著當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展[6-7]。目前，西咸新區(qū)正處于快速發(fā)展成型時(shí)期。因此,對灃河流域水文氣象要素進(jìn)行趨勢分析、突變分析以及周期分析實(shí)際意義重大。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)來源

水文氣象數(shù)據(jù)來源于秦渡鎮(zhèn)水文站1965年—2016年(共52 a)逐年實(shí)測降水和徑流數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 滑動平均法

滑動平均法又稱移動平均法[8-9]，即沿著全長N個(gè)數(shù)據(jù)，逐個(gè)地取相鄰的2n+1個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，其值作為滑動平均值。其具體的計(jì)算公式如下：

(1)

本文采用五日滑動平均法(即n=2)對灃河流域年降水量和年徑流量序列進(jìn)行趨勢分析。運(yùn)用此方法可以很好地消除原始年降水量和年徑流量數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定波動，顯示出年降水量和年徑流量序列變化的平穩(wěn)性。

1.3.2 累積距平法

利用下式來表示序列的累積距平[10]

(2)

(3)

其主要思想是判斷離散數(shù)據(jù)對其均值的離散程度，若曲線呈現(xiàn)上升趨勢，表明累積距平值增大，離散數(shù)據(jù)大于其均值；若曲線呈現(xiàn)下降趨勢，表明累積距平值減小，離散數(shù)據(jù)小于其均值。

1.3.3 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法[11-12]是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)主要有一下幾點(diǎn)：(1) 對樣本要求較低，不需要其具有一定的分布特征；(2) 分析結(jié)果對少數(shù)異常值的抗干擾性較強(qiáng)；(3) 適用性很強(qiáng)，可以被用于分析順序變量和類型變量；(4) 計(jì)算也較為簡單方便。Mann-Kendall法的主要思想是：先根據(jù)時(shí)間序列的順序和逆序分別計(jì)算出統(tǒng)計(jì)量序列UF和UB，給定顯著性水平α(本文α取0.05，即Uα=±1.96)，再在一幅圖中繪制出UF和UB兩條統(tǒng)計(jì)量序列曲線以及Uα=±1.96兩條臨界線。若UF和UB值大于0，則表明該統(tǒng)計(jì)量序列呈現(xiàn)上升的趨勢；若UF和UB值大于0，則表明該統(tǒng)計(jì)量序列呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)UF和UB超過臨界值時(shí)，則表明該統(tǒng)計(jì)量序列上升或下降的趨勢顯著。如果UF與UB兩條統(tǒng)計(jì)量序列曲線在Uα=±1.96兩條臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn)，則此交點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間即為突變開始的時(shí)間。

1.3.4 小波分析法

小波分析[13-16]的基本思想是用一簇小波函數(shù)(本文選用Morelet小波系)來表示或逼近某一信號或函數(shù)。通過小波分析，可以得到小波分析時(shí)頻分布圖以及小波方差圖。從小波分析時(shí)頻分布圖中可以看出水文時(shí)間序列的幾個(gè)主要的變化周期，從小波方差圖中可以看出水文時(shí)間序列在不同變化周期時(shí)的波動能量的大小，從而可以判斷出水文時(shí)間序列在變化過程中的主周期。

2 流域水文氣象要素時(shí)間序列分析

2.1 趨勢分析

灃河流域1965年—2016年年降水量和年徑流量趨勢變化如圖2所示。

由圖2(a)可知，灃河流域多年平均降水量為642.6 mm，年降水量總體呈現(xiàn)減小的趨勢，減小的速率為0.007 2 mm/a，其中最大降水量為1 063.2 mm(1983年)，最小降水量發(fā)生為301.4 mm(1995年)。從五年滑動平均曲線來看，灃河流域年降水量在21世紀(jì)之前降水豐枯明顯，呈微弱下降趨勢，20世紀(jì)70年代降水呈下降趨勢，20世紀(jì)80和90年代降水下降趨勢更加顯著。

由圖2(b)可知，灃河流域多年平均徑流量為2.24 億m3，年徑流量總體呈現(xiàn)減小的趨勢，減小的速率為0.011 4億m3/a，其中最大徑流量發(fā)生在1983年，為5.38億m3，最小徑流量發(fā)生在1995年和2001年，為0.87億m3。從五年滑動平均曲線來看，灃河流域年徑流量在21世紀(jì)之前徑流豐枯明顯，呈微弱下降趨勢，20世紀(jì)70年代徑流呈下降趨勢，20世紀(jì)80和90年代徑流下降趨勢更加顯著。灃河流域年徑流量總體呈現(xiàn)減小的趨勢，這可能是由兩方面原因?qū)е碌?，一方面是年降水量的減少，另一方面是人類活動的不斷加劇。

利用累積距平法對灃河流域1965年—2016年的降水和徑流豐枯狀態(tài)進(jìn)行分析，圖3(a)為灃河流域年降水量累積距平曲線圖，圖3(b)為灃河流域年徑流量累積距平曲線圖。

由圖3(a)可知，灃河流域1965年—2016年的年降水量序列大致可分為如下幾個(gè)階段：二個(gè)顯著的枯水段，即1975年—1979年和1989年—1997年；二個(gè)顯著的豐水段，即1980年—1988年和2002年—2011年；二個(gè)顯著的平水段，即1998年—2001年和2014年—2016年。

由圖3(b)可知，灃河流域1965年—2016年的年徑流量序列大致可分為如下幾個(gè)階段：二個(gè)顯著的枯水段，即1975年—1979年和1989年—2016年；一個(gè)顯著的豐水段，即1980年—1988年；一個(gè)顯著的平水段，即1968年—1974年。

從而可以看出，灃河流域1965年—2016年的年徑流量的變化趨勢與年降水量的變化趨勢大體一致，在80和90年代下降趨勢均較為顯著，豐枯狀態(tài)也大致對應(yīng)。

2.2 突變分析

用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對灃河流域1965年—2016年的年降水量和年徑流量進(jìn)行突變分析，圖4(a)和圖4(b)分別為灃河流域年降水量和年徑流量M-K檢驗(yàn)圖。

由圖4(a)可知，UF和UB曲線在Uα=±1.96兩條臨界線間相交于1990年和2002年，可以確定灃河流域年降水量在1990年和2002年前后發(fā)生突變。

由圖4(b)可知，UF和UB曲線在Uα=±1.96兩條臨界線間相交于1990年和2008年，可以確定灃河流域年徑流量在1990年和2008年前后發(fā)生突變。

從而可以看出，灃河流域1965年—2016年的年徑流量發(fā)生突變的年份與年降水量發(fā)生突變的年份大體一致，年徑流量第一次發(fā)生突變的年份與年降水量第一次發(fā)生突變的年份相同，均發(fā)生在1990年前后，年徑流量第二次發(fā)生突變的年份較年降水量第二次發(fā)生突變的年份有所滯后，前后相差6年左右。

2.3 周期分析

用小波分析法對灃河流域1965年—2016年的年降水量和年徑流量進(jìn)行周期分析，圖5(a)和圖5(b)分別為灃河流域年降水量和年徑流量小波分析時(shí)頻分布圖，圖6(a)和圖6(b)分別為灃河流域年降水量和年徑流量小波方差圖。

由圖5(a)可知，灃河流域年降水量序列存在12 a～13 a、25 a～30 a以及45 a～46 a左右的三個(gè)主要的變化周期。由圖6(a)可知，灃河流域年降水量小波方差曲線共有三個(gè)峰值，其中最大峰值對應(yīng)著25a～30a的變化周期，最小峰值對應(yīng)著45 a～46 a的變化周期，這表明灃河流域年降水量序列的第一、第二和第三主周期分別為25 a～30 a、12 a～13 a和45 a～46 a。

由圖5(b)可知，灃河流域年徑流量序列存在13 a～15 a、27 a～32 a以及46 a～47 a左右的三個(gè)主要的變化周期。由圖6(b)可知，灃河流域年降水量小波方差曲線共有三個(gè)峰值，其中最大峰值對應(yīng)著27 a～32 a的變化周期，最小峰值對應(yīng)著46 a～47 a的變化周期，這表明灃河流域年降水量序列的第一、第二和第三主周期分別為27 a～32 a、13 a～15 a和46 a～47 a。

從此可以看出，灃河流域1965年—2016年的年降水量和年徑流量均存在著大體一致的三個(gè)主要的變化周期，且第一、第二和第三主周期也相互對應(yīng)。

3 結(jié) 論

(1) 灃河流域1965年—2016年的年降水量序列和年徑流量序列總體均呈現(xiàn)減小的趨勢，減小的速率分別為0.007 2 mm/a和0.011 4億m3/a，且最大值均發(fā)生在1983年，分別為1 063.2 mm和5.38億m3；灃河流域1965年—2016年的年降水量序列存在著1975年—1979年和1989年—1997年二個(gè)顯著的枯水段，1980年—1988年和2002年—2011年二個(gè)顯著的豐水段以及1998年—2001年和2014年—2016年二個(gè)顯著的平水段；灃河流域1965年—2016年的年徑流量序列存在著1975年—1979年和1989年—2016年二個(gè)顯著的枯水段，1980年—1988年一個(gè)顯著的豐水段，以及1968年—1974年一個(gè)顯著的平水段。

(2) 灃河流域1965年—2016年的年徑流量序列與年降水量序列發(fā)生突變的年份大體一致，年降水量序列在1990年和2002年前后發(fā)生突變，年徑流量序列在1990年和2008年前后發(fā)生突變。

(3) 灃河流域1965年—2016年的年降水量序列存在12 a～13 a、25 a～30 a以及45 a～46 a左右的三個(gè)主要的變化周期，其中第一主周期為25 a～30 a；灃河流域1965年—2016年的年徑流量序列存在13 a～15 a、27 a～32 a以及46 a～47 a左右的三個(gè)主要的變化周期，其中第一主周期為27 a～32 a。