张 磊

(甘肃省酒泉水文水资源勘测局，甘肃 酒泉 735000)

降水是水文循环的重要过程之一，是补给水资源的重要途径之一，降水量的大小直接决定了当地水资源总量的大小[1- 2]。降雨变化的随机性较大，在山区、盆地区域的降雨变化差异性尤为明显。影响降雨变化的主要因素包括植被覆盖情况、地理位置及海拔高度、人类活动等[3]。如何通过先进的分析方法，找出降雨时间变化趋势，找出不同区域降雨基本变化特征，通过空间插值的方法，找出区域空间变化趋势，可为无降雨资料地区降雨数据的获取提供依据，掌握降雨时空分布规律对区域水资源规划、水文模拟与降雨预测的意义重大[4- 5]。径流是影响区域水资源含量的重要因素之一，降雨量的多少直接关系着径流的产出，因此研究径流与降雨之间的水文响应关系，可通过降雨预测径流的多少，对洪水灾害措施的制定具有十分重要的意义[6- 7]。

甘肃省存在大面积的黄土高原，致使地下水位较低，路面蒸发严重，水资源总量较低且开发利用程度较低，全省多年水资源总量仅为584.77亿m3[8]。全省土壤包气带较厚，地面径流消减程度严重，较低的地表水与地下水资源量及较高的路面蒸发量，是造成甘肃省全省水资源匮乏的主要原因[9]。因此，研究甘肃省多年降雨时空分布规律，并结合径流数据，找出径流降雨水文响应规律，可对当地水资源开发治理措施的制定提供科学指导。

1 研究区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况

甘肃省各地年降水量在36.6～734.9mm，海拔相差悬殊，地貌包含了高山、盆地、平川、沙漠，年平均气温0～15℃。本文选择甘肃省包括敦煌、兰州等在内的8个站点的1965～2016年的降雨数据，分别采用Mann-Kendall和反距离权重法对降雨资料进行时空趋势变化分析[10]。研究区域概况如图1所示。

图1 研究区域概况图

1.2 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall(M-K)显著性检验法中，首先假设原时间序列数据为H0=(X1，X2，……Xn)为n个独立随机变量，备选假设H1为双边检验，检验的统计变量S可通过下式计算：

(1)

(2)

式中，检验统计变量S正态分布，将S标准化后得到统计变量Z值，在给定的α置信区间内，当Z>0时，所检验的时间变量具有上升趋势，当Z<0时为下降趋势，当Z的绝对值≥1.64时，即为检验变量达到了α=0.05的显著性水平。

Mann-Kendall(M-K)突变检验法是一种非参数检验法，常用来预测气温、降水、径流、水质等水文气象时间序列资料的长期变化趋势，找到时间序列的突变点[6]，计算公式如下：

(3)

E[dk]=k(k-1)/4

(4)

var[dk]=k(k-1)(2k+5)/72

(5)

(6)

式中，mi—第i个样本xi>xj(1≤i≤j)的累计数；dk—累积量。给定显著性水平，如α=0.05，U0.05=±1.96，α=0.01，U0.01=±2.58。将正序列UFk与逆序列UBk出现交点对应的时刻便是突变开始的时刻。

2 结果与分析

2.1 甘肃省年际降雨MK趋势检验

甘肃省年际降雨M-K变化趋势如图2所示，M-K突变检验分析可较明确地体现出不同站点降雨发生突变的时间和突变的显著性。图2显示，除敦煌外，其余站点在1965～2016年之间存在多个突变点，表明其余站点降雨变化幅度较高。而敦煌站点在1965～2016年内并无突变点，表明该站点多年降雨变化幅度不大，这与当地长时间缺水和沙漠面积大的实际情况相符。同时，不同站点突变点均位于显著信度线(α=0.05)之间，表明不同站点的突变均不显著。

甘肃省不同站点降雨趋势检验结果见表1。由表1显示，甘肃省不同站点降雨的M-K趋势检验值均为正，表明不同站点降雨多年均呈上升趋势，但不同站点的趋势趋势检验Z值均小于1.64，这表明不同站点降雨上升趋势均未达显著水平(α>0.05)。同时，比较不同站点的趋势检验Z值可知，敦煌站点多年降雨的变化趋势最低，仅为0.056，这表明该地区降雨多年基本未变，与前文M-K突变检验的结果一致。

表1 甘肃省不同站点年际降雨M-K趋势检验

2.2 甘肃省年内降雨变化趋势

甘肃省不同站点降雨年内变化趋势如图3所示。由图3显示，不同站点降雨变化趋势基本一致，呈开口向下的二次抛物线形势。春季和冬季的降雨相对较小，夏季降雨值相对较大。各站点降雨在7月份达到最大值，但不同站点的最大月降雨差异较大，西丰镇站点7月份降雨值最大，达到了112.84mm，而敦煌站最低，仅为11.84mm；在1、12月各站点降雨值最小，均小于5mm。1～7月，各站降雨基本呈线性增长的趋势，8～9月，各站点ET0下降趋势显著。降雨主要集中在1a中的第60～300d，即3～10月。各站点降雨增加趋势基本一致，呈“减少-增加-减少”趋势，3个时段分别为1～3月、3～9月和9～12月。

2.3 甘肃省降雨空间变化趋势

甘肃省不同站点不同时期降雨值空间变化趋势如图4所示。图4显示，不同时期甘肃省降雨量均呈现由西北到东南逐渐升高的趋势。春季降雨呈现由西北到东南逐渐升高的明显层状趋势，敦煌站点春季降雨最低，仅为9.01mm，而在武都站的降雨最高，达到了108.11mm，最高多出了91.7%；夏季降雨变化趋势与春季基本一致，敦煌站点夏季降雨最低，仅为25.67mm，而在西丰镇站的降雨最高，达到了274.30mm，最高多出了90.6%；秋季、冬季降雨与夏季的变化趋势基本一致，在西丰镇降雨最高，分别达到了155.21mm和15.38mm，较其余站点最高高出了89.4%和91.3%；在主要作物生长季的3～10月和全年内，降雨呈现由西北到东南逐渐升高的趋势，且敦煌站点全年降雨均较低。

图2 甘肃省年际降雨M-K突变检验趋势图

图3 甘肃省降雨年内变化趋势图

2.4 径流-降雨响应过程研究

根据单流向法对月径流进行模拟计算[11]，得出径流数据，为分析降雨与径流之间的敏感性，将降雨减少5%和10%，增加5%和10%，得到不同情况下的降雨，分别计算不同情况下不同站点的径流值，将全年分为汛期和枯水期，分别得出降雨径流的敏感性分析，结果如图5所示。图5显示，降雨对径流的敏感性不强，降雨与径流的变化规律基本一致，基本呈线性变化趋势，同时不同时期敏感性不同，表现为枯水期>全年>汛期。即枯水期的降雨径流敏感性较高，因此需在枯水期制定相应的措施，保证径流的流量。

图4 甘肃省降雨空间变化趋势图

图5 降雨径流变异敏感性分析

3 结论

通过分析1965～2016年多年降雨数据，得出甘肃省降雨的时空分布规律，并通过单流向法模拟径流，得出了径流与降雨的水文响应敏感性，即：甘肃省降雨年际变化趋势较稳定，通过M-K分析可知，多年降雨呈现增加趋势，但均增加不显著，同时不同时期甘肃省降雨的空间分布可知，甘肃省降雨呈现由西北到东南逐渐升高的趋势，且降雨分区明显。通过模拟径流可得出径流与降雨的响应敏感性，不同时期敏感性表现为枯水期>全年>汛期。