近50年贛江水位特征變化規(guī)律及其周期性分析

陳 峰，游海林

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西南昌330029；2.江西省科學(xué)院鄱陽(yáng)湖研究中心，江西南昌330096)

水文時(shí)間序列是指各時(shí)刻或各時(shí)段水文值按日歷時(shí)間順序排列而成的序列，可由離散的觀測(cè)值或統(tǒng)計(jì)值組成，也可由連續(xù)的水文過(guò)程經(jīng)離散化后的取值組成[1-2]。水位是水文時(shí)間序列的重要組成部分，它是反映水體最直觀的因素，其變化主要由于水體水量的增減變化引起的。一般通過(guò)描繪水位過(guò)程線來(lái)研究水位隨時(shí)間的變化規(guī)律，進(jìn)而揭示斷面以上流域內(nèi)自然地理因素對(duì)該流域水文過(guò)程的綜合影響，特別是氣候因素對(duì)水文過(guò)程的影響[3]：一方面，開(kāi)展水位變化規(guī)律研究可直接為預(yù)防旱澇災(zāi)害、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全提供判斷依據(jù)；另一方面，水文過(guò)程被認(rèn)為是濕地生態(tài)系統(tǒng)形成與演化的重要驅(qū)動(dòng)因子，因而開(kāi)展水位變化研究對(duì)揭示濕地生態(tài)過(guò)程與生態(tài)格局形成具有重要意義[4-5]。

傳統(tǒng)意義上的水文時(shí)間序列分析方法一般是建立在數(shù)理統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)水文學(xué)理論基礎(chǔ)之上[6]。然而，由于現(xiàn)實(shí)自然界中的水文現(xiàn)象十分復(fù)雜，加之水文系統(tǒng)的非線性、時(shí)刻變化、分布不確定性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的水文時(shí)間序列分析方法在實(shí)際應(yīng)用中的局限性較為明顯，以滑動(dòng)平均模型為例，參數(shù)估計(jì)的復(fù)雜程度極大地限制了其精度的提高[7]。針對(duì)傳統(tǒng)分析方法存在的不足，許多學(xué)者將具有時(shí)-頻多分辨功能的小波分析技術(shù)引入到水文序列變化特性研究之中，并取得了較好的應(yīng)用效果，尤其是在分析水文序列的變化趨勢(shì)和周期等組成效果更加明顯。米熱古力·艾尼瓦爾等應(yīng)用小波分析技術(shù)對(duì)比研究了博斯騰湖與伊塞克湖近50多年來(lái)水位變化特征，結(jié)果顯示博斯騰湖和伊塞克湖年水位總體呈顯著的下降趨勢(shì)[8]。游海林等利用小波技術(shù)研究了鄱陽(yáng)湖近60年水位時(shí)間序列的周期變化特征，結(jié)果表明鄱陽(yáng)湖水位序列顯現(xiàn)出不同的周期交替現(xiàn)象[9]。前人的研究對(duì)象大部分集中于湖泊的研究，對(duì)河道的研究相對(duì)報(bào)道較少。

贛江作為江西省最大河流、長(zhǎng)江主要支流之一，開(kāi)展其水位變化特征與周期性規(guī)律研究，揭示贛江、鄱陽(yáng)湖和長(zhǎng)江三者之間的“江河湖”關(guān)系具有指參考性作用；同時(shí)，對(duì)維護(hù)鄱陽(yáng)湖水環(huán)境和水生態(tài)安全、減輕旱澇災(zāi)害威脅以及保障湖區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

贛江位于長(zhǎng)江中下游南岸，源于贛閩邊界武夷山西麓，自南向北縱貫江西省全省，被譽(yù)為南昌人的“母親河”。贛江有13條主要支流匯入，長(zhǎng)766 km，自然落差937 m，多年平均流量2 130 m3/s。從河源至贛州為上游，稱(chēng)貢水；在贛州市城西納章水后始稱(chēng)贛江。外洲水文站是贛江入鄱陽(yáng)湖的重要控制站點(diǎn)，位于南昌市桃花鄉(xiāng)外洲村，1949年10月設(shè)立，控制流域面積為80 948 km2，占鄱陽(yáng)湖流域總面積的49.9%。自外洲站設(shè)立以來(lái)，有連續(xù)的水文觀測(cè)資料，該站水位和徑流序列對(duì)鄱陽(yáng)湖水位影響較大；同時(shí)也受鄱陽(yáng)湖水位頂托的影響[10]。

2 材料與方法

選取贛江外洲水文站1965年～2015年的水位時(shí)間序列數(shù)據(jù)(吳淞基面，m)作為研究對(duì)象，利用Origin8.5對(duì)贛江水位序列的年尺度、月尺度和日尺度這三種時(shí)間尺度的水位變化特征與規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與作圖。在此基礎(chǔ)上，采用Morlet連續(xù)復(fù)小波變化對(duì)贛江歷年年均水位序列的進(jìn)行周期分析，并利用surfer12.0繪制出反映年均水位序列周期性變化特征的小波系數(shù)時(shí)頻圖，確定年均水位序列的變化趨勢(shì)和周期組成。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 贛江多時(shí)間尺度水位變化特征

3.1.1年尺度水位變化特征

從圖1可以得知，在1965年～2015年期間，贛江年最高水位變化范圍為18.45～25.60 m，多年平均值為22.69 m，其中以1982年年最高水位為最高，2011年年最高水位最低。年最低水位變化范圍為11.50～17.17 m，多年平均值為15.75 m，其中以1975年年最低水位為最高，2015年年最低水位為最低。年內(nèi)水位變幅為4.69～11.25 m，年內(nèi)水位變幅均值為6.94 m，年內(nèi)水位變幅以2010年為最高，以 1990年的年內(nèi)水位變幅為最低。年際水位變幅最大值為14.10 m，為1982年的年最高水位和2015年年最低水位之差。

1965年～2015年贛江年平均水位變化為14.83～19.63 m，多年平均水位為17.92 m，其中以1998年年平均水位最高，2011年年平均水位最低。1998年由于厄爾尼諾現(xiàn)象肆虐，全球氣候普遍出現(xiàn)異常，加之流域內(nèi)不合理的人類(lèi)活動(dòng)(如采砂等)，長(zhǎng)江流域(包括江西省)遭遇百年一遇的特大洪水，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅[11]，贛江是長(zhǎng)江流域的主要支流之一，是江西省內(nèi)最大河流，因此不難理解贛江1998年的年平均水位最高。2011年是鄱陽(yáng)湖流域的典型干旱年份，由于氣候干旱導(dǎo)致的降水量普遍減少，贛江流域也不例外，盡管贛江流入鄱陽(yáng)湖的水量與往年相比有所下降，但是贛江仍是補(bǔ)給鄱陽(yáng)湖水量的最大水系，因此也可以理解贛江的年最低水位發(fā)生在2011年[12]。

圖1 贛江年尺度水位變化特征

3.1.2月尺度水位變化特征

從圖2可以得知，贛江水位年內(nèi)過(guò)程線均呈現(xiàn)單峰型，逐月平均水位和逐月最高水位的單峰的形狀更加明顯。在1965年～2015年期間，贛江逐月平均水位變化范圍為 11.86～22.64 m，逐月最高水位變化范圍為12.37～25.60 m，逐月最低水位變化范圍為11.50～22.15 m。逐月水位變幅變化范圍為0.13～7.29 m，呈現(xiàn)波峰的形狀，波峰出現(xiàn)在6月份。

圖2 贛江月尺度水位變化特征

表1為贛江外洲站1965年～2015年的多年月平均水位數(shù)據(jù)?？梢缘贸?，贛江多年月均水位為17.92 m，以6月份最高(19.69 m)，以1月份最低(16.52 m)，因而其最高水位出現(xiàn)時(shí)間相比鄱陽(yáng)湖而言提前出現(xiàn)1～2個(gè)月，而最低水位出現(xiàn)時(shí)間則與鄱陽(yáng)湖幾乎重疊。1月～2月份和7月～9月份共計(jì)5個(gè)月的多年月均水位最大值發(fā)生在1998年，占全年比例的41.67%；有3個(gè)月(5月和10月～11月)的最大值發(fā)生在1975年，占全年的比例的25.00%；3月、4月、6月和12月份的最大值依次出現(xiàn)在1983年、1981年、1977年和1982年。相比多年月均水位的最大值，月均水位最小值發(fā)生的年份更加集中。其中，3月～8月份共計(jì)6個(gè)月的多年月均水位的最小值均發(fā)生在2011年，占全年比例的50.00%；1月～2月份的最小值發(fā)生在2015年；9月～11月份的最小值則發(fā)生在2013年，12月份的最小值則發(fā)生在2014年。故，可以總結(jié)出贛江多年月均水位的最大值均發(fā)生在1998年之前；而最小值均發(fā)生在2010年之后。由于贛江是補(bǔ)給鄱陽(yáng)湖水量的最大水系，且外洲水文站是贛江入鄱陽(yáng)湖的重要控制站點(diǎn)，贛江水位低可直接導(dǎo)致進(jìn)入鄱陽(yáng)湖的水量減少，因此本研究結(jié)果可在一定程度上反映出近些年來(lái)鄱陽(yáng)湖水位出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，產(chǎn)生了“高水不高，低水過(guò)低”的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在2010年之后更加明顯[13]。贛江流域降水量減少和不合理的人類(lèi)活動(dòng)(如非法采砂、過(guò)度引水灌溉等)是導(dǎo)致贛江水位下降的兩個(gè)主要因素[14]。

表1 贛江多年月平均水位數(shù)據(jù)(1953年～2012年) m

3.1.3日尺度水位變化特征

從圖3可以得知，贛江逐日平均水位變化范圍為11.52～22.56 m，逐日水位最大值發(fā)生在1982年(6月20日)，最小值則發(fā)生在2015年(2月19日)。將圖3中的1965年～2015年的逐日平均水位的每一年平均值(即為圖3中箱型圖小方框?qū)?yīng)的水位)進(jìn)行可視化，得贛江歷年年均水位序列曲線及其變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖4)。

圖3 贛江日尺度水位變化特征

圖4 贛江歷年年均水位序列曲線

可以看出，贛江歷年年均水位呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，尤其是在1998年～2011年期間下降速度明顯加快，平均每年下降幅度達(dá)到0.37 m，比同期鄱陽(yáng)湖星子水文站的下降速度高0.2 m/a[15]。

圖5 贛江歷年年均水位序列Morlet小波系數(shù)時(shí)頻

3.2 贛江水位周期性分析

在分析贛江水位年尺度、月尺度和日尺度水位變化特征的基礎(chǔ)上，利用Morlet小波方法進(jìn)一步分析贛江水位歷年年均水位序列的周期性特征。小波系數(shù)實(shí)部等值線可以用于反映水位變動(dòng)在不同的多時(shí)間尺度周期變化，以及其在時(shí)間域中的分布；并在此基礎(chǔ)上能夠判斷出在不同時(shí)間尺度上，贛江水位變動(dòng)特征以及未來(lái)演變趨勢(shì)。不同時(shí)間尺度的贛江歷年年均水位變化特征，可以由不同時(shí)間尺度的小波系數(shù)反映出來(lái)。如小波系數(shù)為正數(shù)則對(duì)應(yīng)贛江年均水位升高；反之，為負(fù)數(shù)則對(duì)應(yīng)贛江年均水位下降；如果小波系數(shù)為零則對(duì)應(yīng)著突變點(diǎn)，表示這個(gè)在這個(gè)點(diǎn)的前后贛江年均水位變化必然不同。小波系數(shù)的絕對(duì)值越大，則表明該時(shí)間尺度變化越為顯著[16-17]。從圖5可以看出，贛江歷年年均水位存在多時(shí)間尺度特征?？傮w而言，17～22 a和8～14 a這兩類(lèi)尺度的周期變化規(guī)律較為明顯。其中，在17～22 a尺度上出現(xiàn)了枯-豐交替的準(zhǔn)2次震蕩。這一尺度在整個(gè)分析時(shí)段表現(xiàn)具有較為穩(wěn)定以及全域性的特征。在8～14 a尺度上，則出現(xiàn)了枯-豐交替的準(zhǔn)3次震蕩，該周期變化規(guī)律在1988年以前表現(xiàn)較為穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

本研究依據(jù)長(zhǎng)江主要支流、鄱陽(yáng)湖最大補(bǔ)給水系贛江水位變化特征與變化趨勢(shì)，采用Morlet連續(xù)小波變化分析贛江1965年～2015年的歷年年均水位變動(dòng)的多時(shí)間尺度特征。研究表明，借助小波分析技術(shù)時(shí)、頻局部化的特性，可以較好地應(yīng)用于贛江歷年年均水位序列的多時(shí)間尺度分析。分析得到的結(jié)果相對(duì)于傳統(tǒng)的分析方法更具科學(xué)性及可行性，且能夠發(fā)掘出水位時(shí)間序列中更多的隱藏信息。本研究得到的主要結(jié)論有：

(1)贛江多年月均水位的最大值均發(fā)生在1998年之前，而最小值均發(fā)生在2010年之后，流域內(nèi)降水量減少和人類(lèi)活動(dòng)的影響是導(dǎo)致該現(xiàn)象的兩個(gè)主要原因。

(2)贛江歷年年均水位呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且在1998年～2011年期間下降速度最為明顯，與同期鄱陽(yáng)湖水位下降速度較為吻合。

(3)贛江歷年年均水位存在著17～22 a和8～14 a這2類(lèi)尺度的周期變化特征，前者具有全域性，后者在1988年前表現(xiàn)較為穩(wěn)定。