大汶河流域近60年降水与水资源演变趋势分析

2022-09-14王如岩张春霞程家兴

地下水 2022年4期

王如岩，张春霞，程家兴

(泰安市水文中心，山东泰安 271000)

0 引言

水资源变化不仅受人类活动影响，同时还受气候变化的叠加效应。研究气候变化对水资源量影响的常用方法包括：水文模型法、统计学方法及经验公式法[1-5]。近几十年全球温度升高，降水极端事件增加，都对我国水资源可持续开发利用提出了挑战[6]。降水的变化包括总量及年内分配等特性的变化。杨若子等[7]基于华北地区1961-2017年的均一化降水数据，从降水量、降水强度、降水日数和降水量贡献率等方面揭示了华北地区降水的气候特征。王充等[8]以西吉县1952-2018年降水数据为基础，采用线性回归方程、累积距平曲线、小波变化等多种方法对降水变化趋势、突变性和周期性进行分析。WANG等[9]利用双累计曲线和线性回归的方法分析了降水对黄甫川径流的影响。王丽娜[10]等采用M-K法计算Kendall倾斜度分析海河流域降水的时空变化特征。通过分析降水的变化特征来预测未来水资源变化趋势，可为各级决策部门优化配置水资源提供科学依据。

1 大汶河流域概况

大汶河流域位于山东省中部泰莱平原，流域水系分布情况见图1。多年平均降水量700.6 mm，多年平均水资源总量19.4亿 m3，人均水资源量不足全国的1/7。近年来，随着社会经济的发展，区域水资源供需矛盾日益突出，严重制约了区域可持续快速发展。本文通过分析大汶河流域63年的降水序列和水资源总量序列，研究降水变化及其对水资源量的影响规律，为优化流域水资源配置提供重要依据。

图1 大汶河水系分布图

2 资料及研究方法

2.1 资料来源

流域内共有32处常年降雨监测站点，雨量站分布见图2。降水序列采用1956-2018年共63 a的水文年鉴资料分析，水资源总量序列资料采用泰安市水资源调查评价和莱芜市水资源调查评价的数据。

图2 大汶河流域雨量站点分布图

降水量空间数据采用资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)的中国1980年以来逐年年降水量空间插值数据集，数据年限为1980-2015，数据精度为1 000 m。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall趋势检验分析

Mann-Kendall趋势检验分析法[11]是揭示时间序列趋势变化规律的常用方法，是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法[12]。

对于降水序列x1、x2、x3、…、xn，其趋势检验统计量公式为：

(1)

式中：sign()为符号函数，其计算公式为：

(2)

M-K法统计量公式F大于、等于、小于零时，计算公式分别为：

(3)

当Z<0时，表明序列有单调减少趋势；当z>0时，表明序列有单调增加趋势。显著性水平a下，若∣Z∣≥Za/2，则认为单调递减或增加趋势显著；若∣Z∣

2.2.2 Pettitt分析法

Pettitt分析法常被用于降水序列的突变时间点分析，该方法具有操作简便、突变时间明确，水文序列的突变点容易识别的优点[11]。对n个样本的时间序列，构造统计量Ut，N：

(4)

统计量kN代表最显著的突变点t所对应∣Ut，N∣的最大值，即：

kN=max∣Ut，N∣ t=1，2，…，N

(5)

该方法的零假设为无突变点，显著性检验的公式为：

P≅2exp{-6(kN)2/(N3+N2)}

(6)

若P ≤ 0.5，则认为发生显著性突变。

3 近60年年降水特征分析

3.1 年降水量的变化趋势

用线性倾向的最小二乘法估算降水线性变化趋势(见图3)，相关系数r为0.97，倾向率b为-0.87，说明降水量与时间变化关系密切，且随时间推移年降水量呈略微减少趋势。

图3 大汶河流域年降水量一元线性回归曲线

采用 Mann-Kendall趋势检验分析法计算统计量Z为-0.35，但未通过显著性水平α=0.05的假设检验，说明降水随时间呈现减少趋势，但趋势不显著。这跟线性倾向率检验结果基本一致。年降水量Mann-Kendall趋势检验见表1。

表1 大汶河流域年降水量Mann-Kendall趋势检验表

3.2 年降水的突变性和阶段性

采用Pettitt分析法进行突变分析，计算统计量P值为0.86，降水在1964年发生突变，突变后、前年降水量均值比为0.83，说明突变并不明显。年降水量突变分析结果见表2，年降水量突变前后均值对比见图4。

表2 大汶河流域年降水量突变分析表

图4 大汶河流域年降水量突变前后均值对比图

采用累积距平法对流域年降水序列进行分析可知(图5)，年降水序列存在明显的阶段性。1956-1964年属丰水期，降水逐年增多，在1964年达到最大；1965-2002年进入枯水时期，年降水量波动减少，2002年降水量最少；2003-2011年为波动上升时期[13]，2012-2018年为波动下降时期，总体上降水量呈现减少趋势，不过减少趋势不显著。

图5 大汶河流域年降水量累积距平动态图

4 年水资源演变趋势分析

根据大汶河流域1956-2018年水资源总量系列资料，计算多年平均水资源总量为19.4亿 m3。大汶河属于雨源性山溪河流，汛期洪水暴涨暴落，枯季河流断流，流域水资源总量年内变化呈现非常不均匀的特性。空间分布表现为南部多、北部少，东部多、西部少的特点。

4.1 水资源总量演变特征

采用累积距平法对流域水资源总量进行变化趋势分析。由累积距平曲线图(6)分析可知，水资源总量序列存在明显的阶段性特征。1956-1964年、2003-2011年为波动增多时期，1965-2002年、2012-2017年为波动减少时期，波动增多时期和波动减少时期交替发生。

图6 大汶河流域水资源总量累积距平动态图

4.2 水资源演变趋势

采用Mann-Kendall趋势检验分析法对不同阶段的水资源总量进行相关检验，结果见表3。1956-1964年呈现增大趋势，1956-1989年呈现减少趋势，且趋势显著，1956-2018年水资源量呈现减少趋势，不过减少趋势不显著。

表3 大汶河流域水资源总量Mann-Kendall趋势检验表

5 年降水与水资源演变的相关分析

将水资源总量换算成径流深，对63年的降水量与年径流深两序列进行分析。通过降水量、径流深累积距平动态图(图7)可知，水资源的变化趋势、突变性、阶段性与年降水量大体一致，水资源量随降水量的增减而增减。

图7 大汶河流域年降水量与年径流深累积距平动态图

对年平均降水量与年径流深进行相关分析，发现相关系数r为0.91，通过了0.01的置信度检验，表明大汶河流域降水与水资源有着明显的正相关关系。相关性随着时间系列的延长而明显减弱，1956-1998年，降水与径流存在密切的相关关系，两者的相关系数达0.93；1998-2018年，两者相关系数降为0.87，这说明1998年以后，径流减少的趋势受降水的影响在减弱，而人类活动对径流演变的影响在逐步增强。

图8 大汶河流域年降水量与年径流深相关分析

6 水资源变化影响因素分析

水资源变化主要受气候变化和人类活动影响。降水是大汶河流域的主要补给来源，降水与水资源有着高度相关。60多年来，流域降水量呈不显著的下降趋势，导致流域水资源量呈下降趋势。同时，流域平均气温呈现以0.347℃/10a的变化率上升的趋势[14]，导致蒸发增加，从而使水资源减少。随着人口的不断增多，工农业、生活用水量大幅增加。社会经济发展加速了城市化进程，城区面积扩大，土地利用情况改变，直接改变了天然状态下的流域下垫面条件，导致植被对径流调蓄作用减弱。特别是上游用水量的增加，加大了水资源的开发和利用，减少了水资源量。综上所述，水资源减少是气候变化和人类活动共同作用的结果，但人类活动是导致水资源减少的重要原因。