無為縣夏季降水多時間尺度規(guī)律研究

奚立平， 蔡文慶， 吳海鷹

(1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 合肥 231603； 2.無為縣氣象局， 安徽 蕪湖 238300)

1 研究背景

降水規(guī)律是地區(qū)水資源特性的主要因子之一，在降水規(guī)律的研究方面，學(xué)者們做了大量工作[1-7]，如邢萬秋等[1]分析了淮河流域1957-2008年降雨集中度的時空變化規(guī)律，任國玉等[2]綜合分析海河流域 1956 年以來、1880 年以來和 1736年以來降水量變化的主要特征，胡建橋等[7]研究了蘭州市近65年來降水周期變化規(guī)律，但國內(nèi)偏重于長期規(guī)律的研究，短期規(guī)律研究較少[8-9]，對同一地區(qū)長、短期結(jié)合的多時間尺度研究，以及將降水規(guī)律結(jié)合防洪策略研究較少，加之地理和氣候差異，各地降水規(guī)律存在差異性，因此長、短期結(jié)合的多時間尺度研究地區(qū)降水規(guī)律，全面弄清地區(qū)降水特點，在此基礎(chǔ)上進行防洪策略研究，具有重要意義。

無為縣位于皖江北岸，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，洪澇災(zāi)害頻發(fā)，2016年的特大洪水，造成種植業(yè)受災(zāi)面積68 400 hm2，僅農(nóng)業(yè)受災(zāi)經(jīng)濟損失就超過20×108元。無為縣的汛期洪水主要由夏季降水形成的，因此，研究無為縣夏季降水長、短期結(jié)合的多時間尺度規(guī)律及特點，對防汛抗旱、水資源開發(fā)利用、農(nóng)作物生產(chǎn)等具有積極意義[10-15]。本文利用無為縣1957-2016年的夏季降水資料，采用Morlet小波分析、時間序列分析等方法，從夏季的年際、年內(nèi)的月、旬、候、日、白天、夜間、小時等長、短期結(jié)合的多時間尺度，揭示無為縣夏季降水規(guī)律和特點，并據(jù)此提出防洪策略建議。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

無為縣地處安徽省中南部，北依巢湖，南臨長江，總面積2 433 km2。無為縣地勢西北高、東南低，西北主要是低山丘陵，中部是低崗平畈，東部則是圩區(qū)。無為縣河流眾多，水網(wǎng)密布，塘壩、水庫星羅棋布，臨長江水岸長達113 km，東北側(cè)的裕溪河長約50 km，西河長達72.7 km穿境而過。如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)來源

降水資料來源于無為縣氣象站，時間段為1957-2016年。2006年無為縣氣象站自動站運行后才開始觀測小時降水量，因此小時降水量采用2007-2016年的降水觀測資料。

2.3 研究方法

利用Matlab2015、Spss23和Surfer8.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，利用Morlet小波分析、時間序列分析，研究夏季降水量的年際、年內(nèi)的月、旬、候、日、白天、夜間、小時等長、短期結(jié)合的多時間尺度變化規(guī)律和特點，并建立降水量預(yù)測模型，預(yù)測未來5年夏季降水量，據(jù)此提出無為縣防洪策略建議。

圖1 無為縣地理位置

3 結(jié)果與分析

1957-2016年無為縣四季平均降水量占年平均降水量的百分比如圖2所示。由圖2可看出，無為縣降水四季分布極不均勻，夏季(6、7和8月)降水最為集中，占年平均降水量的42.4%，而無為縣屬于長江流域，主汛期為6-8月，顯然汛期洪水主要由夏季降水形成的，因此研究無為縣夏季降水規(guī)律及特征，對于做好防洪搶險工作具有較好的促進作用。

圖2 1957-2016年無為縣四季平均降水量占

3.1 夏季降水量年際變化規(guī)律和特點

利用Matlab2015和Surfer8.0軟件，對無為縣1957-2016年夏季降水量進行Morlet小波分析。

圖3為無為縣1957-2016年夏季降水量Morlet小波變換系數(shù)實部等值線圖，反映了實部在平面上的變化強弱。圖3中實線、虛線分別對應(yīng)降水量的偏多、偏少狀態(tài)。由圖3可知，夏季降水量在10、13、23年3類時間尺度上，呈現(xiàn)偏多、偏少相交替的周期變化[7]，降水波動能量變化特性的能量聚集中心，在10年尺度上其坐標主要有：(1960,10)、(1963,10)、(1966,9)、(1970,8)、(1973,9)、(1976,9)、(1978,10)、(1998,10)、(2002,9)、(2004,9)、(2007,10)、(2010,10)、(2014,11)；在13年尺度上主要有：(1977,13)、(1982,13)、(1987,13)、(1996,13)、(2000,13)、(2004,13)；在23年尺度上主要有：(1985,23)、(1992,23)、(2000,23)、(2008,23)。其中，10年尺度的周期性波動具有全域性，13年尺度的周期性波動在1975-2007年較為顯著，23年尺度的周期性波動從1985-2016較為顯著。

圖3 1957-2016年無為縣夏季降水量Morlet小波變換系數(shù)實部等值線

圖4為1957-2016年無為縣夏季降水量變化小波方差圖，反映了信號波動能量在時間尺度分布上的強弱，據(jù)此可以識別時間信號序列的主周期。由圖4可以看出，夏季降水量小波方差存在5個峰值，因而周期性變化由強到弱，分別對應(yīng)于第1、2、3、4、5主周期，其時間尺度分別是10、13、23、6、4年。另外，從圖3可知第4主周期(6年尺度)的周期性波動僅在1981-2000年較為顯著，其余年份相對較弱；第5主周期(4年尺度)的周期性波動微弱。

圖4 1957-2016年無為縣夏季降水量變化小波方差

圖5為1957-2016年無為縣夏季降水量變化主周期小波系數(shù)實部過程線。由圖5可知，夏季降水量在10年時間尺度上，經(jīng)歷了9次偏多-偏少的交替變化，2016年處于偏多階段的高位；在13年時間尺度上，經(jīng)歷7次偏多-偏少交替變化，2016年也是處于偏多階段的高位；在23年時間尺度上，經(jīng)歷4次偏多-偏少交替變化，2016年處于偏多階段的高位，但上升趨勢変緩。預(yù)計2016年后夏季降水量還將處于偏多階段并持續(xù)較長時間，但即將進入下降的階段。

圖5 1957-2016年無為縣夏季降水量變化主周期小波系數(shù)實部過程線

3.2 夏季降水量年內(nèi)變化規(guī)律和特點

3.2.1 夏季月降水量變化規(guī)律及特點 圖6為無為縣1957-2016年夏季各月平均降水量。由圖6可知，無為縣夏季降水主要集中在6月和7月，占夏季平均降水量的74.3%，夏季最大月平均降水量是6月為189.9 mm，最小月平均降水量是8月為130.8 mm，夏季最大月平均降水量是最小月平均降水量的近1.5倍。

圖6 無為縣1957-2016年夏季各月平均降水量

3.2.2 夏季旬降水量變化規(guī)律及特點 圖7為無為縣1957-2016年夏季旬平均降水量。由圖7可以看出，夏季旬平均降水量從6月上旬開始增加，到6月下旬達到峰值后逐漸減少，6月下旬和7月上旬平均降水量相對較大，占夏季平均降水量的34.5%。

3.2.3 夏季候降水量變化規(guī)律及特點 圖8為無為縣1957-2016年夏季候平均降水量。由圖8可知，夏季候(5d)平均降水量從6月第1候開始增加，到6月第6候達到峰值后逐漸減少，6月第6候和7月第1候平均降水量相對較大，占夏季平均降水量的20.3%。

圖7 無為縣1957-2016年夏季旬平均降水量

圖8 無為縣1957-2016年夏季候平均降水量

3.2.4 夏季日降水量變化規(guī)律及特點 圖9為無為縣1957-2016年夏季日平均降水量。由圖9(a)～9(c)可以看出，夏季6月日平均降水量呈逐漸增加的趨勢，6月29日達到峰值；7月日平均降水量在7月4日達到峰值后，呈逐漸減少的趨勢；8月日平均降水量比6月和7月要少，并且日平均降水量變化不大，降水相對較均勻。

3.2.5 夏季白天、夜間降水量變化規(guī)律及特點 從總體來看，夏季白天平均降水量占日平均降水量的55.1%，多于夜間的44.9%，降水頻數(shù)也是白天多于夜間。從分月來看，6月白天平均降水量多于夜間，降水頻數(shù)恰好相反，但白天和夜間的平均降水量和降水頻數(shù)差別不大。7月和8月白天平均降水量多于夜間，降水頻數(shù)也是如此，并且白天和夜間的平均降水量和降水頻數(shù)差別相對較大，尤其是8月這種差別非常明顯。如圖10所示。

3.2.6 夏季小時降水量變化規(guī)律及特點 夏季6月的小時平均降水量、小時平均降水頻數(shù)的集中度主要在6-7時，如圖11(a)、(b)所示；7月小時平均降水量、小時平均降水頻數(shù)的集中度在5-6時和15-18時，如圖11(c)、(d)所示；8月小時平均降水量、小時平均降水頻數(shù)的集中度在17-18時和20-21時，如圖11(e)、(f)所示。這就說明，自6月至8月，小時平均降水量、小時平均降水頻數(shù)的集中度從上午向下午、夜間推移。

圖9 無為縣1957-2016年夏季日平均降水量

6-1：6月白天； 6-2：6月夜間； 其余類推

圖11為無為縣2007-2016年夏季小時平均降水量和降水頻數(shù)。從小時平均降水量(圖11(a)、11(c)和11(e))來看，7月最多，6月次之，8月最少；而小時平均降水頻數(shù)(圖11(b)、11(d)和11(f))，則是6月最大，7月次之，8月最小，因此7月的小時平均降水量和小時降水強度在夏季的3個月中是最大的。而無為縣1957-2016年降水資料卻反映出夏季最大月平均降水量是6月(見圖6)，由此可知，無為縣夏季降水集中度從6月向7月推移。

圖11 無為縣2007-2016年夏季小時平均降水量和降水頻數(shù)

3.3 夏季降水量未來5年預(yù)測

對無為縣1957-2016年夏季降水序列進行一階差分處理，消除其逐年增加的趨勢性，得到平穩(wěn)序列[16]。

構(gòu)建AR(7)模型，經(jīng)t檢驗，自回歸系數(shù)的伴隨概率均小于0.05(見表1)，顯著非零，有統(tǒng)計學(xué)意義，表2所列的楊-博克斯統(tǒng)計量的顯著性大于0.05，圖12反映的殘差序列為白噪聲序列，另外，采用AR (7)擬合的模型不存在離群值，說明模型的擬合度較好。

表1 AR(7)模型參數(shù)

對時間序列進行模擬，用擬合值與夏季降水量一階差分后的序列值進行對比，結(jié)果如圖13所示。

圖12 無為縣夏季降水量一階差分后AR(7)自相關(guān)系數(shù)與偏自相關(guān)系數(shù)

利用建立的AR(7)模型對未來的值進行預(yù)測，分別得到2017-2021年的預(yù)測值(見表3)，可以看出從2017年至2021年夏季降水量總體呈下降的趨勢，除2020年的夏季降水量略少于多年平均降水量508.4mm，其余4年的汛期降水量均超過夏季多年平均降水量。

表2 AR(7)模型統(tǒng)計量

圖13 無為縣夏季降水量一階差分后采用AR(7)模型擬合值與實測值對比

表3無為縣2017-2021年夏季降水量的預(yù)測值

mm

4 結(jié) 論

(1)夏季降水量年際變化規(guī)律和特點：夏季降水量Morlet小波分析表明，無為縣1957-2016年夏季降水量存在豐枯交替的多周期變化規(guī)律，其第一、二、三主周期對應(yīng)于10、13、23 a，從10、13 a時間尺度上來看，2016年處于偏多階段的高位；從23a時間尺度來看，2016年處于偏多階段的高位，但上升趨勢變緩。預(yù)計2016年后夏季降水量還將處于偏多階段并持續(xù)較長時間，但隨后將進入下降的階段。

(2)夏季降水量月際變化規(guī)律及特點：無為縣1957-2016年降水資料反映，無為縣夏季降水主要集中在6月份和7月份，占夏季平均降水量的74.3%，其中6月份的平均降水量在夏季的3個月中是最大值。

(3)夏季降水量月內(nèi)變化規(guī)律及特點：無為縣1957-2016年降水資料反映，夏季日平均降水量從6月1日起逐漸增加，至7月4日達到峰值后逐漸減少，8月的日平均降水量比6月和7月要少，且相對較均勻。其中，6月下旬和7月上旬平均降水量相對較大，占夏季平均降水量的34.5%。特別是6月的第6候和7月的第1候平均降水量相對較大，占夏季平均降水量的20.3%。

(4)夏季降水量日內(nèi)變化規(guī)律及特點：無為縣1957-2016年降水資料反映，夏季6月、7月和8月白天平均降水量多于夜間，其中8月這種差別非常明顯。近10年(2007-2016年)資料表明，自6月至8月，小時平均降水量、小時平均降水頻數(shù)的集中度從上午向下午、夜間推移，6月的小時平均降水量、小時平均降水頻數(shù)的集中度主要在6-7時，7月的集中度在5-6時和15-18時，8月的集中度在17-18時和20-21時。其中，7月的小時平均降水量和小時降水強度在夏季的3個月中是最大的，也反映近10年無為縣夏季降水的集中度從6月向7月推移。

(5)2017-2021年夏季降水量的預(yù)測表明，從2017年至2021年夏季降水量預(yù)測值分別為：656.64、621.24、593.75、505.96、576.81 mm，總體呈下降趨勢，除2020年的夏季降水量略少于多年平均降水量508.4 mm，其余4年的夏季降水量均超過夏季多年平均降水量，反映了未來5年無為縣夏季降水量雖然處于下降階段，但是仍處于偏多階段。

5 建 議

上述小波分析和時間序列分析預(yù)測反映了未來5年無為縣夏季降水量雖然總體呈下降趨勢，但仍處于偏多階段，存在一定的防洪壓力，為此，根據(jù)無為縣夏季降水規(guī)律及特點，提出如下建議。

(1)清淤蓄水。由上面降水規(guī)律及特點分析可知，無為縣汛期洪水主要由夏季降水形成的，并且集中度高，因此應(yīng)充分考慮西北高、東南低的地貌特征，將降水就地攔蓄，能有效減輕防洪壓力。對于縣域北部至西南的低山丘陵區(qū)，自然地質(zhì)環(huán)境脆弱，應(yīng)鞏固退耕還林成果，涵養(yǎng)水源，部分裸巖，土壤流失嚴重的區(qū)域，修筑水土保持工程，防止水土流失，并推進小水庫的除險加固及改擴建，提高蓄水能力。縣境中部的低崗平畈區(qū)，大力開展水土保持工作，提高植被覆蓋率，增強對降水的截留作用，并減緩匯流速度，延長匯流時間，起到調(diào)節(jié)徑流作用?？h境東部低圩平原區(qū)，水網(wǎng)發(fā)達，如泥漢、陡溝、湯溝等鄉(xiāng)鎮(zhèn)河網(wǎng)密度超過90 km/km2，近年由于經(jīng)濟發(fā)展及建設(shè)，占用了一些河道，還有些河道被人為分割，另外，河道及當家塘淤積嚴重，河道槽蓄量及當家塘容量減少嚴重，以致一下雨就滿，不下雨就干，因此，應(yīng)打通分割的河道，恢復(fù)水系的完整性，清淤擴挖河道和當家塘，并在低洼地新開挖當家塘，增加河道槽蓄量及當家塘容量，使來水及降水能蓄得住。

(2)預(yù)報排水。無為縣固定排灌泵站640座，縣境東部地區(qū)上下九連圩、練塘圩、三閘圩等666.7 hm2以上的圩口的排澇能力已大幅度提高，由于無為縣降水主要集中在6月下旬和7月上旬，此時需要外排洪水，而長江往往也處于高水位，致使外排洪水困難，因此，應(yīng)增設(shè)氣象水文監(jiān)測設(shè)施，加強雨情、水情的監(jiān)測和預(yù)報，做到提前調(diào)度、提前排水、預(yù)降水位。

(3)堤防擋水。無為縣河網(wǎng)密布，圩口眾多，裕溪河及支流西河是貫穿縣境的主干河流，縣境內(nèi)河堤長近900 km，目前，官圩、上下九連圩防洪標準達50年一遇，2016年汛后，裕溪河治理工程全面開工，工程實施后，裕溪河、西河干流城鎮(zhèn)及重要園區(qū)防洪標準將達到50年一遇，666.7 hm2以上大圩、重要圩口的防洪標準將達到20年一遇以上，將顯著提高防洪安全保障能力，大大減輕防洪壓力，但一些重要的支流及眾多666.7 hm2以下的圩口防洪標準仍然偏低，即便是防洪標準達50年一遇上下九連圩，在2016年汛期洪水仍超過保證水位1 m多，因此，必須根據(jù)社會經(jīng)濟發(fā)展情況繼續(xù)逐步提高堤防防洪標準，特別是與國家一級堤防無為大堤成圈的練塘圩、東西二十四聯(lián)圩、上九連圩、下九聯(lián)圩等內(nèi)河圩堤，以及沿西河、裕溪河部分堤防，這些堤防是無為大堤后方的安全屏障，若潰決將直接從無為大堤背水面威脅其安全，必須予以高度重視。西河最大的支流永安河，流域總耕地面積近16 666.7 hm2，流域內(nèi)666.7 hm2以上大圩有6個，永安河流域上游山丘區(qū)面積較大，坡度陡，匯流時間短，往往洪峰流量大，而永安河干流河道斷面狹窄，堤防低矮單薄，防洪標準一般不超過20年一遇，兩岸圩區(qū)地勢低洼，在上游山洪及西河洪水的威脅下，洪澇災(zāi)害頻發(fā)，必須逐步加高加固堤防。另外，縣境內(nèi)200～666.7 hm2的圩口，許多圩堤基礎(chǔ)差，防洪抗災(zāi)能力弱，應(yīng)逐步加大投入，加高加固圩堤，提高其防洪標準。

(4)風(fēng)險管水。無為縣共有大小圩口210個，面積70 666.7 hm2。建國以來遭受的10次較大洪水，均有圩口潰破，其中2003年大水，中小圩口先后潰破85個，全是200 hm2以下的圩口，其中66.7 hm2以上圩口潰破12個，66.7 hm2以下圩口潰破73個。主要是由于無為縣降水在6月下旬和7月上旬集中度大，特別是近10年7月份小時降雨強度大，洪水位上漲速度快，再疊加長江高水位，境內(nèi)洪水外排困難，高水位持續(xù)時間長，以及中小圩口圩堤防洪標準低等原因所致。因此，想要通過控制洪水確保安全是不切實際的，必須轉(zhuǎn)變治水理念，從控制洪水轉(zhuǎn)向洪水風(fēng)險管理?？蓮?個方面著手：一是開展洪水風(fēng)險分析，繪制全縣洪水風(fēng)險圖，一方面可規(guī)范開發(fā)行為，另一方面據(jù)此合理制訂防洪預(yù)案，針對不同等級洪水，統(tǒng)籌調(diào)度，對200 hm2以下圩口采取相應(yīng)的取舍方案，指導(dǎo)避洪行動，確?？傮w利益最大化；二是加強圩區(qū)人民群眾防洪災(zāi)的宣傳教育，提高圩區(qū)人民群眾的洪水風(fēng)險意識，使其能積極參與防災(zāi)減災(zāi)工作，特別是需要從圩區(qū)轉(zhuǎn)移時能聽從指揮，能熟記預(yù)警信號、轉(zhuǎn)移路線、安置地點等，做到行動統(tǒng)一、有序、安全；三是建立健全預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，及時準確預(yù)報預(yù)警，為防汛搶險提供科學(xué)的決策依據(jù)，為防汛抗洪贏得主動；四是規(guī)劃、落實好預(yù)警方式、撤退路線、交通工具、救生器材、安置地點和醫(yī)療救助等工作，加強遷安基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，特別是撤退道路、安置點的建設(shè)與維護。

(5)擇時防水。在汛前、汛期應(yīng)根據(jù)降水規(guī)律及特點，踩準時間節(jié)點，合理安排相應(yīng)工作，就會達到事半功倍的效果。無為縣降水量從主汛期6月中旬起逐漸增加，至下旬達到峰值，持續(xù)到7月份上旬，然后逐漸下降，至7月中旬后顯著減少。因此，5月前必須完成預(yù)案準備，5月至6月上旬，進一步督查、完善相關(guān)準備工作，充分做好各項防汛準備工作，做到有備無患；6月中旬至7月中旬是防汛搶險的關(guān)鍵階段，各種險情都有可能出現(xiàn)，險情的發(fā)展變化一般是從無到有，由小變大，由漸變到突變，及時快速發(fā)現(xiàn)險情，就可將險情消滅于萌發(fā)階段，做到治早、治小，這樣既能保證工程安全又能節(jié)約搶險費用，因此巡堤查險尤為重要，除了正常的巡查外，對6月份的6：00-7：00時、7月份的5：00-6：00時和15：00-18：00時等降水集中的時段加強洪水防治；7月下旬以后，降水顯著減少，并趨于均勻，可封堵圩堤決口，加強圩區(qū)排水，組織生產(chǎn)自救，爭取趕在立秋前補種農(nóng)作物，相應(yīng)提高產(chǎn)量，彌補洪災(zāi)損失。