三江平原典型区降水特性分析_孙永贺.pdf

三江平原典型区降水特性分析孙永贺，乌丽罕（黑龙江省水文水资源中心，黑龙江 哈尔滨 150001）摘 要为研究三江平原典型区降水的变化规律，本文将19562021年作为研究时域，利用实测降水资料，采用差积曲线法、P-III频率曲线、Mann-Kendall（M-K）检验法、小波分析法对三江平原典型区及各雨量站的雨量在空间及时间分布上进行了分析。结果表明，研究区在研究时域内降水量空间变化不均匀，时间序列上总体呈弱的减少趋势，且存在5年、16年和45年时间尺度的主周期；降水量年内分配呈夏季秋季春季冬季规律，且极易发生春旱。关键词I降水量；差积曲线法；滑动平均法；Mann-Kendall趋势检验法；小波分析法中图分类号 P426.6文献标识码B文章编号 10020624（2023）030031040 引 言三江平原是我国的大粮仓，也是黑龙江省重要的商品粮基地之一。该区地下水资源是三江平原农业生产主要的供水水源，同时也是多处湿地自然保护区的重要维持因素之一1。近年来，随着水稻灌区生产规模的不断扩大，过度开采地下水使得建三江垦区形成了大型地下水降落漏斗雏形，地下水环境的改变严重地制约了三江平原灌区农业的可持续发展2。降水是地下水的重要补给源汇项，是大多数地区地下水资源的重要组成部分。准确地掌握降水的变化特征，是确定地下水资源可利用量的重要依据。很多学者对三江平原的降水特征做了大量研究。邢贞相等3应用SPI指数对三江平原龙头桥灌区的降水量及旱涝趋势进行了分析；王洪丽4选取了5个极限指标对三江平原地区极限降水从年和季度尺度进行了分析与探讨；李天霄等5研究了三江平原近几十年来降水量的长期演变趋势和突变特征；国世友6分析了三江平原夏季旱涝变化特征。虽然以上研究对于降水量及旱涝变化规律已经做了大量的探索，但研究区域大都是三江平原，对于三江平原典型区（地下水超采区）相对较小的区域尺度研究较少，而不同区域的降水量变化特征表现的差异性很大。本文采用19562021年共计66年实测资料，对三江平原典型区降水量的时空变化进行了深入分析。研究成果对三江平原典型超采区实行“三水共治”，保证粮食安全、地下水和水生态恢复具有一定的现实意义。1 研究区与资料1.1 研究区概况此次研究区域为三江平原典型区，即松花江、黑龙江、乌苏里江及挠力河所围成的建三江区域，包括富锦市、同江市、抚远市、饶河县挠力河以北部分地区，总面积约2.21万km2。1.2 资料来源1.2.1 降水资料此次分析采用 19562021 年富锦站、菜咀子站、勤得利站、海青站、富廷岗站降水资料。各站资料时间同步，期间没有迁站和资料缺失，具有一致性。1.2.2 资料代表性分析资料代表性分析采用差积曲线法，见图1。当某一时段（一年或几年）差积曲线斜率大于 0 时，表明该时段平均降雨量大于多年平均降雨量，当2023年第3期水文水资源东北水利水电 31DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.03.005差积曲线斜率小于0时，表明该时段平均降雨量小于多年平均降雨量，当差积曲线斜率等于0时，表明该时段平均降雨量接近多年平均降。由图1可以清晰看到，19562021 年各站系列资料具有周期性变化规律，包含了丰水年、平水年和枯水年，说明系列资料具有代表性。图1 研究区内各雨量站降水量差积曲线2 研究方法2.1 Mann-Kendall（M-K）检验法71）趋势检验法对于样本容量为n的时间序列X1，X2，Xn，构造统计量S：S=i=2nj=1i-1sign()Xi-Xj（1）式中：sign（）为符号函数，当Xi-Xj0时，sign()Xi-Xj=1；S为检验统计量，其服从正态分布，均值为0。S的方差Var（S）计算公式：Var()S=n()n-1()2n+518（2）标准化统计量Z的计算公式：|Z=S-1Var()S，S0Z=0，S=0Z=S+1Var()S，SXj0，XiXj，()j=1，2，i（4）式中：Sk为第i个样本XiXj（1ji）的累计数；ri为中间变量。在时间序列随机独立的假定下，Sk的均值计算公式：E()Sk=k()k-14，1kn（5）Sk的方差计算公式：Var(Sk)=k()k-1()2k+572，1kn（6）将Sk标准化计算公式：UFk=Sk-E()Skvar()Sk（7）式中：UFk为Sk的标准差，其中UF1=0。U为显著性水平对应的正态分布值，若|UFkU，则表明序列存在明显的趋势变化，所有UFk可组成一条曲线。将此方法引用到反序列，把反序列Xn，Xn-1，X1重复上述计算过程，计算标准差为UBk。反序列中，UFk=-UBk(k=n，n-1，)1；UB1=0。通过UFk与UBk两条曲线的交点确定时间序列的突变点。2.2 小波分析法8-10小波分析法是一种信号的时频局部分析方法，具有多种分辨率分析的特点，在时频两域都能反映出信号的局部变化特征。小波变换对于分辨时间序列在不同时间尺度上的演变特征十分有效，近年来被广泛应用于多尺度水文序列分析研究。小波函数(t)L2()R且满足：-+(t)dy=0，L2（R）为函数空间；(t)为基小波函数，它可以通过尺度的伸缩和时间轴上的平移构成一簇函数系：a，b(t)=|a-12t-ba（8）式中：a，b(t)为子小波；a为尺度因子，反映小波周期长度，aR且a0；b为时间因子，反映时间平移，bR；t为时间。对于给定的能量信号，其连续小波变换如下：rVasignsignrVarVarVa2.53.02.01.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2.019962006201619861966年份Ki-11976富锦富廷岗海青菜咀子勤得利rVa东北水利水电水文水资源2023年第3期RR 32Wf(a，b)=|a-12Rf()t-t-badt（9）式中：Wf(a，b)为小波变换系数；f()t为时间序列；-t-ba为t-ba的复共轭函数。由于水文时间序列大多都是离散的，故将f()t离散化为f()kt（k=1，2，n；t为取样间隔），式（9）变为：Wf(a，b)=|a-12tk=1Nf()kt-kt-ba（10）将时间域上关于a的所有小波变换系数的平方进行积分，得到小波方差：Var()a=-+|Wf()a，b2db（11）式中：Var(a)为小波方差。小波方差的大小能够反应降水序列能量波动随a变化状况，可以根据小波方差图中极大值对应的数值确定降水主周期。3 计算与分析根据算数平均法计算，得到研究区 19562021 年降水量线性变化趋势及 5 年滑动平均曲线，如图2所示。图2 研究区19562021年平均降水量及5年滑动平均变化曲线图由图2可知，研究区多年平均降水量为559.86mm，最大年降水量为 928.56 mm（2019 年），最小年降水量为379.70 mm（1999年），最大年降水量是最小年降水量的2.45倍，最大年降水量是多年平均降水量的1.67倍，最小年降水量是多年平均降水量的0.68倍。根据线性回归方法的计算结果可知，年降水量呈弱减少的趋势，其线性倾向率为-1.11 mm/10 a。3.1 降水量空间变化采用P-频率曲线分析研究区各雨量站年降水量，频率计算采用数学期望公式：P=mn+1100%（12）式中：P为经验频率；m为系列按递减次序排列时，随机变量的顺序号；n随机变量的总项数。P-频率分析方法计算结果如表1所示。表1 研究区各雨量站年降水量统计参数成果表由表1可知，研究区多年平均降水量最大的是勤得利站，菜咀子、海青、富锦站次之，富廷岗站最小。富廷岗站多年平均降水量的变差系数最大，降水量变化幅度不稳定，丰枯变化频繁。勤得利、富锦站的变差系数较大，说明降水量的变化幅度较大。菜咀子、海青站变差系数居中，说明菜咀子、海青站附近降水量的变化居于研究区内各站降水量的中游。3.2 降水量时间变化3.2.1 趋势变化利用 M-K 趋势检验法判断研究区降水系列的变化趋势，对各雨量站19562021年降水量变化趋势进行显著性检验，如表2所示。表2 研究区各站降水量M-K趋势检验成果表由表 2 可知，由于富锦站、菜咀子站、勤得利站、富廷岗站的|Z 1.96，通过了显著性水平=0.05的检验，海青站附近年降水量呈显著减少的趋势。研究区平均降水量|Z=0.255秋季春季冬季的变化规律，研究区降水量最大的 4 个月（69 月）的降水量占全年降水量的70.00%，8月降水量为全年最大，2月降水量为全年最小，35月的降水量仅占全年降水量的16.64%，极易出现春旱现象。4 结语通过三江平原典型区5个雨量站66年的降水资料分析可知，虽然2020和2021年平均降水量有2.0E41.3E44.1E42.7E4年份1990200020102020198019701960605040302010时间尺度/a3.4E41.3E42.0E44.8E43.4E42.7E46.1E31.3E46.1E36.1E36.1E36.1E32.53.52.01.50.5600503010时间尺度/a小 方差/10301.03.02040年份1990200020102020198019701960605040302010时间尺度/a1.1E2-1.3E21.1E21.1E2-1.3E261-85616161-85-36366136121212121212121.962.53.02.01.00.50-1.0-2.0198619962006201619761966年份Ki-1-2.0UBkUFk1.96图6 研究区降水量小波系数模方图（下转第45页）东北水利水电水文水资源2023年第3期 3416林涛，徐盼盼，钱会，等.黄河宁夏段水质评价及其污染源分析 J.环境化学，2017，36（6）：1388-1396.17王超.基于改进Froude数的太子河流域河相形态分析J.水利技术监督，2022（3）：122-125.18李选或.辽阳市太子河流域地下水水质评价 J.水土保持应用技术，2021（2）：44-46.19徐祖信.我国河流单因子水质标识指数评价方法研究J.同济大学学报（自然科学版），2005（3）：321-325.20徐祖信.我国河流综合水质标识指数评价方法研究J.同济大学学报（自然科学版），2005（4）：482-488.21张敏，李令军，赵文慧，等.密云水库上游河流水质空间异质性及其成因分析 J.环境科学学报，2019，39（6）：1852-1859.22连慧姝，刘宏斌，李旭东，等.太湖蠡河小流域水质的空间变化特征及污染物源解析 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J.黑龙江水利科技，2022（1）：28-33.图7 研究区降水量45年特征时间尺度小波实部过程线图收稿日期 2022-11-09（上接第34页）图8 研究区月降水量变化曲线图2003001000-100-20070小波系数605040302010时间尺度/a-3001001206040200月份降水量/mm801121110987654322023年第3期水生态环境东北水利水电 45