摘要: 利用Mann-Kendall、Pettitt及Morlet小波分析等多种检验方法，对寒溪河流域雨及流域内6个雨量站年降雨系列变化特征进行分析。结果表明：流域内常平站和同沙站年降雨序列呈显著上升趋势，松木山站年降雨序列略呈下降趋势，流域雨、石龙站、上村站、黄牛埔站呈不显著上升趋势。流域雨及流域内6个雨量站年降雨序列突变点均不显著，石龙站、上村站、松木山站和常平站对应突变点集中在2004年。石龙站年降雨第一主周期为33年，其他5个站点年降雨第一主周期均为6年。流域降雨空间分布规律为由南向北递减，由西向东递减，流域内中下游年降雨增加趋势明显，在未来防洪排涝规划中应予以考虑，进一步提升寒溪河流域洪涝灾害防御能力。
Abstract:
The Mann-Kendall, Pettitt, Morlet wavelet and other relevant analysis test methods were used to study the spatial and temporal variation rules of rainfall characteristics at six gauged stations in the Dongguan Han-xi River basin. The results show that the annual rainfall series of Changping and Tongsha stations show a significant upward trend, the annual rainfall series of Songmushan station shows a slight downward trend, and the rainfall of the basin in Shilong, Shangcun, and Huangnupu stations shows a non-significant upward trend. The rainfall in the basin and the mutation points of the annual rainfall series at the six stations are not significant, and the corresponding mutation points at Shilong, Shangcun, Songmushan and Changping stations are concentrated in 2004. The first major cycle of annual rainfall at Shilong station is 33 years, while the first major cycle of annual rainfall in the basin and other five stations is 6 years. The spatial dis-tribution pattern of rainfall in the basin is decreasing from south to north and from west to east. The in-creasing trend of annual rainfall in the middle and lower reaches is obvious and should be taken into ac-count in future flood defense and drainage planning to further enhance the disaster flood defense capabil-ity of the Hanxi River basin.
1. 引言
在全球变暖的背景下，受气候变化和人类活动对自然剧烈改造的影响，流域降雨序列的趋势和周期也出现与以往不同的明显变化，降雨时空变化更加复杂，城镇化对降雨的影响越来越大。中国位于气候敏感区 [1] ，降雨有重要的研究价值，深入研究变化环境下的降雨特征，对水资源高效利用和全面了解气候变异条件下的水文响应机理等具有重要意义 [2] 。目前，针对降雨序列变化特征的研究方法较为成熟，主要有趋势检测法、突变检测法、小波分析法和聚类分析法等，在不同流域或区域取得了广泛应用。陈立华等 [3] 采用滑动平均、线性回归、M-K及R/S等方法综合分析钦州市降雨径流的趋势性及突变特征，分析表明钦州市降雨总体呈弱增加趋势；陈鹏等 [4] 采用Hurst系数法进行趋势诊断和跳跃诊断，分析宁波市北仑区降雨序列的变异情况；张平等 [5] 利用淮河蚌埠以上流域内112个雨量站的逐日降雨资料，采用M-K趋势分析和小波分析法研究该流域近50年的降雨时空分布特征，认为整个蚌埠以上降雨有递增趋势；张利茹等 [6] 选取黄河流域和淮河流域的典型支流，利用有序聚类分析法和M-K检验法典型支流水文序列进行变异分析。王兆礼等 [7] 利用珠江流域80个观测站40年的逐月降雨资料对珠江流域的变化趋势及突变分量进行分析，结果表明珠江流域年降雨序列呈微弱增加趋势，存在明显的11年主周期振荡，但不存在突变现象。国外学者在降雨趋势、突变分析的基础上，研究水汽变化及地形对降雨的影响 [8] [9] 。然而，现有研究尚未考虑东莞市作为研究对象，以珠江流域为尺度的研究对于东莞市具有一定指导意义但空间尺度过大，无法全面体现东莞市降雨变化特征。考虑到近年来粤港澳大湾区暴雨灾害愈发频繁 [10] ，有必要针对东莞市主要流域片开展降雨特征变化分析研究，更好地为东莞市全面实施粤港澳大湾区水安全保障规划、高质量编制东莞市防洪排涝规划等提供成果支撑。
因此，本文以寒溪河流域为研究区域，采用水文年鉴中的降雨序列数据，首先采用泰森多边形法，计算寒溪河流域面降雨，其次采用5a滑动平均、M-K趋势检测分析寒溪河流域降雨变化趋势，最后采用Pettitt突变检测求出降雨系列的突变年份，最后采用Morlet小波分析法进行周期特征分析，其成果可为寒溪河流域水资源利用和防洪排涝规划提供一定的参考。
2. 资料与方法
2.1. 研究范围和资料
寒溪河流域地处东莞市西南部，东与石马河流域相邻，南接深圳，西邻狮子洋和珠江口，北邻东江干流及东江南支流，为东江左岸一级支流，流域面积847 km2，主要支流有松木山水、梅塘水、黄沙河、寮步水和东坑内河等水系。流域属亚热带季风气候区，多年平均雨量为1767.8 mm，暴雨多集中在每年的4~9月份。
本次选取了寒溪河流域6个站点的逐日降雨资料，包括石龙(樊屋)站、上村站、黄牛埔站、松木山站、常平站和同沙站，各站点分布见图1。各站点均为东莞市水文年鉴整编资料，水文资料整编、审查、复审和汇编符合相关技术规范规定，可以应用于寒溪河流域的降雨特征分析研究。各站点资料年限及所处位置如表1所示。
图1. 寒溪河流域河流水系及站点分布图
表1. 各站点资料年限及位置
2.2. 研究方法
采用Mann-Kendall趋势检测法 [11] 对寒溪河流域和6个雨量站降雨变化趋势进行分析，采用Pettitt突变点检测法 [12] 检测降雨时间序列突变发生的时间，利用Morlet小波分析法 [13] 分析降雨序列的周期性。因选取方法均为常用方法，原理不再赘述。
3. 结果与分析
3.1. 寒溪河流域雨分析
寒溪河流域雨分析选择寒溪河流域及流域内长度超过30年的主要站点石龙(樊屋)站、上村站、黄牛埔站、松木山站、常平站、同沙站，根据各站的位置，采用泰森多边形计算各站点的权重(见表2)，分析计算寒溪河流域逐日雨(1975~2020年)系列。
表2. 各站点权重表
(a) 寒溪河流域
(b) 同沙站
图2. 寒溪河流域及同沙站年降雨变化趋势
3.2. 降雨趋势变化分析
本次研究对寒溪河流域及6个站点年降雨系列数据进行分析，结果表明：除松木山站以−0.11 mm/a的速度略有降低以外，寒溪河流域及其他5个站点年降雨均呈上升趋势，其中，常平站和同沙站分别以7.9、8.8 mm/a的速度上升明显。以寒溪河流域和同沙站为例，1975~2020年的年降雨过程见图2。接下来采用M-K方法对寒溪河流域及各站点年降雨系列的变化显著性进行分析(见表3)。通过表3可以看出，除松木山站外，寒溪河流域及其他5个站点的M-K统计量均大于0，与上述结论一致。利用95%置信度对相应统计量进行显著性检验，仅常平站和同沙站通过显著性检验，寒溪河流域、石龙(樊屋)站、上村站、黄牛埔站和松木山站均未通过显著性检验。
表3. 寒溪河流域及各站点年降雨系列趋势性检验结果
注：本次置信度取95%，对应M-K统计量阈值为1.96。
3.3. Pettitt突变性分析
通过Pettitt非参数检验法对寒溪河流域及6个站点年降雨序列进行变异点分析，结果见表4。根据表4可以看出，石龙(樊屋)站、上村站、松木山站和常平站年降雨序列突变点均为2004年，寒溪河流域雨序列突变点为1996年，黄牛埔站年降雨序列突变点为2011年，同沙站年降雨序列突变点为1991年，但均未通过显著性检验，即寒溪河流域及6个站点年降雨序列对应突变点均不显著。
表4. 寒溪河流域及6个站点系列突变性检验结果
3.4. Morlet小波分析法
在趋势性检测与突变性分析的基础上，采用Morlet小波分析法对寒溪河流域及各个站点年降雨系列的周期性进行分析研究，结果如表5所示，以寒溪河流域、石龙(樊屋)站和同沙站为例，小波分析图见图3。图3显示寒溪河流域、石龙(樊屋)站和同沙站近46年降雨存在不同时间尺度的周期变化规律。寒溪河流域和同沙站在41年左右时间尺度上，存在2个准震荡周期，年降雨经历了少→多的循环交替，6年左右时间尺度的周期震荡在90年代以后较为稳定，存在多雨和少雨的循环交替。寒溪河流域在3年左右时间尺度上存在多个的降雨较多和较少的循环交替，同沙站在11年左右尺度上存在准6次震荡。石龙(樊屋)站在33年左右时间尺度上，存在3个准震荡周期，年降雨经历了多→少→多的循环交替，6年左右时间尺度的周期震荡同样是在90年代以后较为稳定，存在多雨和少雨的循环交替，在3年左右时间尺度上存在多个降雨较多和较少的循环交替。由表5结果可以看出，除石龙(樊屋)站年径流第一主周期为33年，第二主周期为6年，寒溪河流域和其他5个站点年径流第一主周期均为6年。
表5. 寒溪河流域及各站点年降雨系列周期性检验结果
(a) 寒溪河流域
(b) 石龙(樊屋)站
(c) 同沙站
图3. 寒溪河流域、石龙(樊屋)站及同沙站年降雨系列小波分析图
3.5. 降雨空间演变规律
根据寒溪河流域及流域内6个雨量站降雨资料，得到不同时段的平均降雨值，见表6。通过寒溪河流域及流域内6个雨量站年降雨均值和汛期均值对比分析可知，流域降雨空间分布总体表现出由南向北递减，由西向东递减的规律，年降雨均值和汛期均值最小值均为黄牛埔站，分别为1670.6 mm、1395.3 mm；最大值均为同沙站，分别为1832.5 mm、1512.1 mm。
表6. 不同时段降雨均值统计表
4. 结论
东莞市作为粤港澳大湾区重要节点城市，已经发展成具有千万人口、万亿GDP的特大城市。寒溪河流域干支流主要流经包括东城街道、寮步镇、大岭山镇、大朗镇、黄江镇、横沥镇、东坑镇、企石镇、石排镇、茶山镇、松山湖、常平镇、桥头镇等13个镇，因此，寒溪河流域洪涝灾害防御能力对东莞市至关重要。考虑到寒溪河流域年降雨呈上升趋势，尤其是流域内中下游年降雨增加趋势明显，需合理划分防洪、排涝分区，确定防洪排涝总体布局，系统规划防洪排涝工程措施和非工程措施，以进一步提升灾害防御能力。本文通过寒溪河流域及流域内6个雨量站降雨序列分析研究，得出以下主要结论：
1) 除松木山站年降雨序列略呈下降趋势外，寒溪河流域及其他5个站点年降雨序列均呈上升趋势，且常平站和同沙站上升趋势显著。
2) 石龙(樊屋)站、上村站、松木山站和常平站对应突变点集中在2004年，寒溪河流域、黄牛埔站、同沙站年降雨序列突变点分别为1996、2011和1991年，但对应突变点均不显著。
3) 除石龙(樊屋)站年降雨第一主周期为33年，寒溪河流域和其他5个站点年降雨第一主周期均为6年。
4) 寒溪河流域降雨空间分布规律为由南向北递减，由西向东递减，年降雨均值和汛期均值最小值均为黄牛埔站，最大值均为同沙站。