李文廣，彭 輝，韓 凱，潘柯帆

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 前 言

長(zhǎng)江上游來(lái)水豐富，是我國(guó)重要的水能水資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備區(qū)域，同時(shí)也是保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要水源地及水能資源開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。在全球氣候變化及長(zhǎng)江上游大型水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行的影響下，流域降水在空間和時(shí)間上發(fā)生一定的變化[1-3]，這種變化一定程度上改變了長(zhǎng)江流域洪澇和干旱災(zāi)害發(fā)生的頻率，同時(shí)也會(huì)影響流域內(nèi)水資源利用效率[4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于流域降水特征進(jìn)行了大量研究。文廣超[5]等利用德令哈氣象站1956 -2013年的月降水資料，分析該地區(qū)近60 a來(lái)其降水及干旱特征。田莉娟[6]等利用1952-2010年南四湖流域8個(gè)主要雨量站點(diǎn)的日降水資料，研究氣候變化背景對(duì)降水時(shí)空分布特性的影響，并分析了該流域地區(qū)近60 a來(lái)降水的時(shí)空演變特征。李曉英[7]等利用青藏高原1961-2010年69個(gè)氣象臺(tái)站的降水量資料，采用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析(REOF)、線性趨勢(shì)分析以及累積距平法，系統(tǒng)分析青藏高原降水的時(shí)空變化規(guī)律，提出并分析了青藏高原不同區(qū)域降水變化的差異性及原因。王景才[8]等基于淮河上中游流域19個(gè)站點(diǎn)1960-2010年的月降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)年降水和主汛期降水的統(tǒng)計(jì)特征、趨勢(shì)和周期性等時(shí)間特征及空間分布特征進(jìn)行研究。Khon V. C.[9]等分析了不同全球氣候模型模擬的降水特征，包括平均降水量、降雨強(qiáng)度、降雨事件概率和極端事件指數(shù)，全球氣候模式模擬歐亞大陸北部降水特征的區(qū)域變化。Li J.[10]等分析了1966-2005年中國(guó)東部地區(qū)7-8月降水歷時(shí)相關(guān)特征的10 a變化。

目前，關(guān)于流域降水變化的研究主要集中于長(zhǎng)序列降水特征變化研究[11-16]，考慮水庫(kù)影響，基于GIS技術(shù)對(duì)流域降水特征變化的分析研究相對(duì)較少。本文運(yùn)用時(shí)間尺度和空間尺度的分析方法，以長(zhǎng)江上游流域?yàn)槔诮邓拈L(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，融合GIS技術(shù)，研究長(zhǎng)江上游流域在大量水庫(kù)建成運(yùn)行后降水的時(shí)空變化規(guī)律，能直觀了解長(zhǎng)江上游流域降水的空間分布特點(diǎn)及時(shí)間變化趨勢(shì)，對(duì)合理開(kāi)發(fā)利用長(zhǎng)江上游流域水資源具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

截止2015年底，長(zhǎng)江上游地區(qū)投入運(yùn)行且總庫(kù)容1 億m3以上的水庫(kù)近80座，主要分布在長(zhǎng)江上游大型支流中，長(zhǎng)江上游流域大型支流主要有雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江[17,18]，各支流水文情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 長(zhǎng)江上游流域大型支流情況統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of large tributaries in the upper reaches of the Changjiang River

本文選擇長(zhǎng)江上游流域各干支流河段關(guān)鍵水文站共8個(gè)，分別是：攀枝花、小得石、屏山、高場(chǎng)、北碚、寸灘、武隆、宜昌。其選擇依據(jù)是：水文站上游有建成運(yùn)行水庫(kù)，并且水文站位于干流或支流把口處，便于依據(jù)水文站徑流資料研究水庫(kù)運(yùn)行對(duì)于水文序列變異性的影響。本文首先以水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容大于5 億m3為標(biāo)準(zhǔn)，在長(zhǎng)江上游流域選取對(duì)水資源時(shí)空分布影響明顯的13座大型水庫(kù)，選取的水庫(kù)基本參數(shù)見(jiàn)表2，水庫(kù)及水文站分布拓?fù)潢P(guān)系見(jiàn)圖1。

表2 水庫(kù)基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of reservoir

圖1 水庫(kù)及水文站分布拓?fù)潢P(guān)系Fig.1 Distribution topology diagram of reservoir and hydrological station

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及可靠性

數(shù)據(jù)來(lái)源有2個(gè)方面：①中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所提供的長(zhǎng)江上游流域及河網(wǎng)、水庫(kù)、水文站的GIS文件；②中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)下載的相關(guān)氣象站點(diǎn)徑流、降水、蒸散發(fā)長(zhǎng)時(shí)間序列資料。2個(gè)途徑獲取的數(shù)據(jù)互為補(bǔ)充，得到完整的水文要素基礎(chǔ)資料。

一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)來(lái)源的主要要求有代表性、完整性、準(zhǔn)確性、客觀性和合法性。具體表現(xiàn)為數(shù)據(jù)能夠很好地代表降水特征、足夠詳細(xì)不能有缺失或是遺漏，即符合相關(guān)規(guī)范、符合相關(guān)法律要求、采集過(guò)程中不存在人為因素。長(zhǎng)江上游流域雨量站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括收集長(zhǎng)江上游流域內(nèi)的87個(gè)雨量站1961-2010年降水資料，為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，去掉資料缺失較多無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的站點(diǎn)，并對(duì)缺失的資料進(jìn)行回歸插補(bǔ)，最后得到72個(gè)站點(diǎn)1961-2010年完整的降水資料。符合數(shù)據(jù)來(lái)源要求，數(shù)據(jù)可靠。

2 研究方法

2.1 泰森多邊形法

長(zhǎng)江上游流域內(nèi)雨量站比較分散，適合采用泰森多邊形法計(jì)算流域內(nèi)平均降水量，這種方法要求計(jì)算各雨量站的面積權(quán)重并作為系數(shù)乘以降水站的觀測(cè)值，作為該雨量站控制面積的降水量。

雨量站權(quán)重?cái)?shù)的計(jì)算過(guò)程如下：①用直線連接流域內(nèi)各相鄰雨量站構(gòu)成多個(gè)三角形；②作每條連線上的垂直平分線，全部垂直平分線相交將流域劃分為n個(gè)多邊形，每個(gè)雨量站都對(duì)應(yīng)一個(gè)多邊形，該多邊形面積即為該雨量站點(diǎn)的控制面積。雨量站點(diǎn)控制面積與流域總面積的商為該站點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)。由以上得出流域平均降水量的計(jì)算公式：

(1)

2.2 線性回歸法

假設(shè)降水序列為y1,y2,…,yn,與時(shí)間t之間的一元線性回歸方程為：

yi=a+bti,i=1,2,…,n

(2)

式中：a和b可以用最小二乘法求得，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)。b作為時(shí)間序列變化的傾向率能夠反映時(shí)間序列的變化速率，b>0時(shí)，時(shí)間序列呈上升趨勢(shì)；b=0時(shí)，時(shí)間序列趨勢(shì)無(wú)變化；b<0時(shí)，時(shí)間序列呈下降趨勢(shì)。

該回歸方程通過(guò)F檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性判斷：原假設(shè)總體回歸系數(shù)為0的前提下，統(tǒng)計(jì)量F遵從分母自由度為(n-2)，分子自由度為1的F分布，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量可表示為：

(3)

當(dāng)F>Fa時(shí)，可認(rèn)為回歸方程和相關(guān)系數(shù)是顯著的，F(xiàn)a可以通過(guò)F檢驗(yàn)臨界值表查詢。

2.3 M-K突變檢驗(yàn)法

時(shí)間序列為t1,t2,…,tn，構(gòu)造一秩序列ri用來(lái)表示ti>tj(1≤j≤i)的樣本累計(jì)數(shù)。定義Sk：

(4)

(5)

Sk的均值E(Sk)以及方差var(Sk)表示為：

(6)

(7)

假設(shè)時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的前提下，定義統(tǒng)計(jì)量：

(8)

UF1=0。UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，在顯著水平α條件下查找正態(tài)分布表得到臨界值即信度線Uα，當(dāng)|UFk|>Uα?xí)r，表明時(shí)間序列增長(zhǎng)或減少趨勢(shì)明顯。c1表示全部UFk形成的.曲線，通過(guò)信度檢驗(yàn)可知其趨勢(shì)性。將時(shí)間序列t1,t2,…,tn顛倒形成反序列，重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，最后得到的結(jié)果乘以-1，得到UBk，所有的UBk形成曲線c2。分別繪出c1和c2的曲線圖，c1中UFk>0表示時(shí)間序列呈上升趨勢(shì)，UFk<0則呈下降趨勢(shì)；當(dāng)UFk超過(guò)信度線時(shí)，表示時(shí)間序列上升或下降趨勢(shì)明顯；若曲線c1和c2的交點(diǎn)在信度線之間，則該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間可能就是突變點(diǎn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水年際變化

將站點(diǎn)信息導(dǎo)入到ArcGIS中，運(yùn)用ArcGIS中的Create Thiessen Polyons功能模塊制作泰森多邊形，然后分別以6個(gè)流域邊界為界限，利用ArcGIS中的Clip功能模塊剪切泰森多邊形，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 各流域的雨量站點(diǎn)泰森多邊形Fig.2 Tyson polygon of rainfall stations in various basins

根據(jù)上述公式計(jì)算各流域的平均降水長(zhǎng)時(shí)間序列，用線性回歸法分析得到的結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 長(zhǎng)江上游各流域平均降水量Fig.3 Average precipitation of each river basin in the upper reaches of the Changjiang River

由圖3可知，金沙江流域和雅礱江流域平均降水呈小幅度的上升趨勢(shì)，岷江流域、嘉陵江流域、烏江流域及長(zhǎng)江上游干流流域平均降水均呈不同幅度的下降趨勢(shì)：金沙江流域在1961-2010年平均降水線性擬合增率為0.920 1 mm/a；雅礱江流域在1961-2010年平均降水線性擬合增率為0.141 0 mm/a；岷江流域在1961-2010年平均降水線性擬合減率為1.831 9 mm/a；嘉陵江流域在1961-2010年平均降水線性擬合減率為1.635 8 mm/a；長(zhǎng)江上游干流流域在1961-2010年平均降水線性擬合減率為2.049 0 mm/a；烏江游流域在1961-2010年平均降水線性擬合減率為1.780 1 mm/a。流域平均降水呈上游逐年增加，下游逐年減小的趨勢(shì)。

由表3可以看出：6個(gè)流域都滿足|Z|

3.2 降水突變分析

用M-K突變檢驗(yàn)法對(duì)3個(gè)氣象站點(diǎn)及6個(gè)流域1961-2010年平均降水時(shí)間序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知：金沙江流域降水突變時(shí)間可能在2008年附近，雅礱江流域和位于雅礱江流域的會(huì)理站降水突變時(shí)間可能在1984年附近及2005年附近，岷江流域降水突變時(shí)間可能在1976-1989年，嘉陵江流域及位于嘉陵江流域的廣元站降水突變時(shí)間可能在1961年附近，長(zhǎng)江上游干流流域降水突變時(shí)間可能在1965-1984年，烏江流域降水突變時(shí)間可能在1962-1970年及1998年附近，位于烏江流域的黔西站降水突變時(shí)間可能在1994年及1998年附近。

圖4 流域降水M-K突變檢驗(yàn)Fig.4 M-K mutation test of precipitation in a river basin

表3 長(zhǎng)江上游各流域降水趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of precipitation trend in the upper reaches of the Changjiang River

3.3 降水的空間分布

將氣象站點(diǎn)屬性表中的高程和站點(diǎn)的多年平均降水導(dǎo)出并用SPSS檢驗(yàn)2者的相關(guān)性，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)果表明，站點(diǎn)的多年平均降水與高程顯著相關(guān)，于是本文利用站點(diǎn)本身的高程數(shù)據(jù)對(duì)降水進(jìn)行插值，插值結(jié)果見(jiàn)圖5。長(zhǎng)江上游流域多年平均降水分布見(jiàn)圖5，可以看出多年平均降水從西北至東南逐漸增加，這與長(zhǎng)江上游地形的分布相吻合。位于西北端的伍道梁站多年平均降水最少，為285.66 mm，位于中部的峨眉站多年平均降水最多，為1 748.12 mm，最大降水差值為1 462.46 mm。

表4 SPSS檢驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of SPSS

注：**. 在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

圖5 流域降水空間分布Fig.5 Spatial distribution of precipitation in the basin

長(zhǎng)江上游流域降水變化趨勢(shì)如圖6。由圖6可以看出：以金沙江流域的伍道梁站及雅礱江流域的理塘站為中心，整個(gè)流域年均降水變化趨勢(shì)向外逐漸減少，其中伍道梁站及理塘站這一區(qū)域降水變化趨勢(shì)為2.05～3.13 mm/a；以岷江流域的樂(lè)山站為中心，整個(gè)流域年均降水變化趨勢(shì)向外逐漸增加，其中樂(lè)山站這一區(qū)域年均降水變化趨勢(shì)為-5.65～-3.69 mm/a。

圖6 流域降水變化趨勢(shì)空間分布Fig.6 Spatial distribution of precipitation trend in the basin

結(jié)合長(zhǎng)江上游流域降水空間分布圖及降水變化趨勢(shì)空間分布圖，可以發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江上游流域西部降水較少的地區(qū)呈較大的增加趨勢(shì)；東部降水較多的地方呈較小的增加趨勢(shì)甚至減小趨勢(shì)。流域內(nèi)的降水空間分布更加均勻化。

4 結(jié) 論

為研究長(zhǎng)江上游流域大量水庫(kù)建設(shè)對(duì)降水時(shí)空變化的影響，本文將長(zhǎng)江上游流域分為金沙江流域、雅礱江流域、岷江流域、嘉陵江流域、烏江流域及長(zhǎng)江上游干流流域，分析各流域降水趨勢(shì)、突變年份及空間分布，結(jié)果如下。

(1)降水趨勢(shì)。金沙江流域和雅礱江流域平均降水呈不同幅度的上升趨勢(shì)，岷江流域、嘉陵江流域、烏江流域及長(zhǎng)江上游干流流域平均降水均呈不同幅度的下降趨勢(shì)。

(2)降水突變分析。金沙江流域降水突變時(shí)間可能在2008年附近，雅礱江流域和位于雅礱江流域的會(huì)理站降水突變時(shí)間可能在1984年附近及2005年附近，岷江流域降水突變時(shí)間可能在1976-1989年，嘉陵江流域及位于嘉陵江流域的廣元站降水突變時(shí)間可能在1961年附近，長(zhǎng)江上游干流流域降水突變時(shí)間可能在1965-1984年，烏江流域降水突變時(shí)間可能在1962-1970年及1998年附近，位于烏江流域的黔西站降水突變時(shí)間可能在1994年及1998年附近。

(3)降水空間分布。長(zhǎng)江上游流域多年平均降水從西北至東南逐漸增加，這與長(zhǎng)江上游地形的分布相吻合，其中位于西北端的伍道梁站多年平均降水最少，為285.66 mm，位于中部的峨眉站多年平均降水最多，為1 748.12 mm，最大降水差值為1 462.46 mm。以金沙江流域的伍道梁站及雅礱江流域的理塘站為中心，整個(gè)流域年均降水變化趨勢(shì)向外逐漸減少，其中伍道梁站及理塘站這一區(qū)域降水變化趨勢(shì)為2.05～3.13 mm/a；以岷江流域的樂(lè)山站為中心，整個(gè)流域年均降水變化趨勢(shì)向外逐漸增加，其中樂(lè)山站這一區(qū)域降水變化趨勢(shì)為-5.65～-3.69 mm/a。

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