南水北調(diào)工程東線源區(qū)近60年降水徑流特征分析

孫正蘭

(江蘇省江都水利工程管理處， 江蘇 揚(yáng)州 225200)

1 研究背景

南水北調(diào)東線工程由位于江蘇揚(yáng)州的江都水利樞紐抽引長江水，跨越淮河、黃河、海河三大流域，向華北地區(qū)輸送工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水，對我國尤其是北方地區(qū)宏觀經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展起著十分關(guān)鍵的作用[1]。隨著東線一期主體工程于2013年11月正式通水運(yùn)行，眾多學(xué)者就東線江蘇段源區(qū)的水質(zhì)變化和水量調(diào)配開展了大量研究，如王一舒等[2]、顏志俊等[3]分析了東線工程江蘇段源區(qū)水質(zhì)變化趨勢和深化治污措施；王文杰等[4]、郭玉雪等[5]進(jìn)行了源區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)度和多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度研究。

江都水利樞紐工程實(shí)現(xiàn)了江水北調(diào)、江淮互濟(jì)。在北方發(fā)生干旱時，抽引長江水通過京杭大運(yùn)河逐級翻水北送；當(dāng)淮河發(fā)生洪水時，上中游河南、安徽等15.8×104km2的區(qū)域來水經(jīng)洪澤湖調(diào)蓄后, 70%以上的洪水由淮河流域最大的泄洪通道，即入江水道經(jīng)源區(qū)歸江控制主要口門萬福閘、太平閘、金灣閘排泄入江。工程自建成以來，抽引江水北送1 430×108m3，排泄淮河洪水9 800×108m3，在區(qū)域的防汛抗旱中發(fā)揮了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。近年來，極端天氣頻發(fā)，干旱、暴雨和洪澇等自然災(zāi)害發(fā)生的頻率呈現(xiàn)上升趨勢，洪澇旱災(zāi)頻發(fā)的主要原因是由于降水量的時空分布不均勻[6]。分析源區(qū)降水和徑流的水情情勢演變趨勢，掌握源區(qū)水情的變化規(guī)律，有助于東線源區(qū)水資源的優(yōu)化配置和充分利用，對區(qū)域防汛抗旱和水利工程安全運(yùn)行與科學(xué)管理都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 資料與方法

源區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，寒暑變化顯著，土地肥沃，植被良好，是全國著名的魚米之鄉(xiāng)；雨量充沛，降水集中于汛期，6-7月份常因南北冷暖氣團(tuán)遭遇，產(chǎn)生鋒面低壓和靜止鋒，導(dǎo)致連續(xù)降雨的梅雨天氣；7-9月份多遭遇臺風(fēng)暴雨襲擊。

2.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)東線源區(qū)河流水系特征和水利工程作用，降水選取淮河下游區(qū)京杭大運(yùn)河和入江水道沿線的淮陰、運(yùn)東閘、高良澗閘、寶應(yīng)、三河閘、界首、金湖、高郵、六閘、三江營等10個雨量站資料(見圖1)，徑流量為淮河入江水道歸江控制口門萬福閘、太平閘、金灣閘等3個閘口的入江泄洪總量。選用1961-2017年逐月實(shí)測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，文中水文資料均來自淮河下游區(qū)5卷4冊《水文年鑒》。

2.2 研究方法

本文采用線性趨勢法[7]判斷源區(qū)近60年降水量和徑流量的變化大致趨勢，進(jìn)而采用5 a滑動平均法[8]揭示降水量和徑流量的年際變化趨勢；通過Mann-Kendall檢驗(yàn)法[9]結(jié)合累積距平序列變化情況[10]，判斷降水量和徑流量的長期演變趨勢，診斷發(fā)生突變的大致時間，分析徑流量相對降水量的劇烈變化程度；基于變差系數(shù)[11]進(jìn)一步分析徑流量相對降水量的年內(nèi)、年際豐枯不均勻程度；最后采用Morlet小波作為基函數(shù)進(jìn)行小波變換[12]，得到降水量和徑流量序列的多時間尺度相互交錯的復(fù)雜變化規(guī)律。通過徑流量相對降水量的豐枯劇烈程度預(yù)測源區(qū)未來徑流量的變化情勢。

圖1 源區(qū)及水文站點(diǎn)分布圖

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量和徑流量年內(nèi)、年際分配特征分析

以變差系數(shù)CV反映降水量、徑流量的年內(nèi)、年際分配特征。CV值越大，降水量和徑流量的豐枯變化幅度越大，容易發(fā)生洪澇旱災(zāi)，不利于防汛抗旱工作；CV值越小，則降水量和徑流量的年內(nèi)、年際分配較均勻，有益于降雨徑流資源的高效利用。

3.1.1 年內(nèi)分配特征 1961-2017年源區(qū)數(shù)據(jù)表明，降水量汛期(5-9月)占多年平均降水量的69.2%；夏季(6-8月)占多年平均降水量的52.0%，冬季(12-2月)僅占多年平均降水量的9.2%，春季和秋季降水量相近；一年中7月降水量最大，占多年平均降水量的22.3%，12月降水量最小，僅占多年平均降水量的2.4%。可見源區(qū)一年四季的降水主要集中在夏季。

年徑流量主要集中在7-9月份，占多年平均徑流量的70.5%；一年中7-8月最大，占多年平均徑流量的52.5%，12-次年1月最小，僅占多年平均徑流量的1.9%?？梢?，降水對徑流的作用有一定的滯后性，源區(qū)徑流量年內(nèi)分配趨勢與降水量一致，但不均勻程度比降水量更大。

1961-2017年各年代降水量與徑流量年內(nèi)特征分析結(jié)果見表1。由表1可看出，1961-2017年月降水量CV值為0.69，月徑流量CV值為1.10。1961-1969年月降水量CV值高于多年平均值且為各年代最大，而月徑流量的CV值低于多年平均值且為各年代最小，分析20世紀(jì)60年代正是河道整治與水利工程建設(shè)時期，太平閘、金灣閘等大型水閘均未建，河道行洪不暢，導(dǎo)致各月泄洪量差別較小。其余各年代月徑流量CV值基本隨月降水量CV值的增大或減小而變化。1970年后，各年代月徑流量相對月降水量的變化程度相對穩(wěn)定，兩者之比為1.6～1.8。

表1 1961-2017年各年代降水量與徑流量年內(nèi)特征分析

3.1.2 年際豐枯變化程度 1961-2017年源區(qū)多年平均降水量為984 mm，最大與最小年降水量分別發(fā)生在1991和1978年，分別為1 597和480 mm，極差為1 117 mm，最大年降水量為最小年降水量的3.3倍。多年平均徑流量為167.4×108m3，最大與最小年徑流量發(fā)生在2003和1978年(1991年僅次于2003年)，分別為620.4×108m3和0，極差為620.4×108m3(見表2)。

1961-2017年年降水量CV為0.22，年徑流量CV為0.90，可見年際變化幅度均比年內(nèi)變化小，尤其是降水量的年際分配比年內(nèi)要均勻得多。1980-1989年、2010-2017年降水量和徑流量的CV值均低于多年平均值，1990-1999年降水量和徑流量的CV值均高于多年平均值，其余各年代降水量和徑流量的CV值均接近于多年平均值，且年徑流量的CV值隨年降水量CV值的增大或減小而變化，反映了年徑流量遵循年降水量的周期變化規(guī)律。1980年前徑流量與降水量的CV值之比為3.4～3.5，1980-1989年、1990-1999年、2010-2017年徑流量與降水量的CV值之比均為4.4，2000-2009年CV值之比為3.8。表明在20世紀(jì)80年代前，徑流量的變差系數(shù)相對降水量變化較?。辉?0世紀(jì)80年代后，徑流量的變差系數(shù)相對降水量變化較大，徑流量相對降水量的變化程度相對穩(wěn)定。

表2 1961-2017年各年代降水量與徑流量年際特征分析

3.2 趨勢分析

Mann-Kendall(M-K)趨勢檢驗(yàn)為廣泛使用的一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，該方法不針對特定的參數(shù)，不對總體分布做嚴(yán)格假定，能夠定量反映變化趨勢的顯著性。檢驗(yàn)置信度為90%時，統(tǒng)計(jì)量|Z|≥1.28。

3.2.1 降水量 根據(jù)5 a滑動平均和線性回歸分析，年降水量和夏季降水量變化一致且均呈增多趨勢，速率分別為1.02和1.08 mm/a(見圖2)。由M-K趨勢分析計(jì)算，年降水量和夏季降水量的統(tǒng)計(jì)量分別為Z=0.53和Z=0.38，表明年降水量和夏季降水量均呈不顯著增大趨勢。

3.2.2 徑流量 根據(jù)M-K趨勢分析、5 a滑動平均和線性回歸分析，年徑流量和7-9月徑流量均呈不顯著減小趨勢，速率分別為0.76×108和0.14×108m3/a(見圖3);7月徑流量呈不顯著增大趨勢，速率為13.7×108m3/a。由此可見，7-9月徑流量減小趨勢較小，因6月及前期降水量相對較小，降水主要為滿足上中游人類活動和水利工程調(diào)蓄，對徑流影響作用較??；7月為歷年降水的集中期，對徑流影響作用最大，故在徑流量總趨勢不顯著減小的情形下，7月徑流量呈不顯著增加趨勢，與年降水量的總體變化趨勢一致。

圖2 1961-2017年年降水量和夏季(6-8月)降水量變化

圖3 年徑流量、7-9月徑流量和7月徑流量的變化

3.3 突變分析

長時間序列突變檢驗(yàn)常用的方法有M-K檢驗(yàn)和累積距平等。M-K突變檢驗(yàn)假設(shè)樣本序列隨機(jī)獨(dú)立，由正反序列UFK和UBK曲線通過信度檢驗(yàn)是否有明顯的變化趨勢；檢驗(yàn)顯著水平α=0.05時，統(tǒng)計(jì)量U0.05=±1.96。累積距平法是通過差積曲線判斷數(shù)據(jù)點(diǎn)離散程度和變化趨勢的一種非線性統(tǒng)計(jì)方法，即根據(jù)曲線明顯的上下起伏，可直觀而準(zhǔn)確地確定發(fā)生突變的大致時間。

3.3.1 降水量 由源區(qū)年降水序列M-K分析圖(圖4)可見，1961-1965年、2003-2007年，正反序列的UFK和UBK曲線有多個交點(diǎn)，表明年降水量呈波動上升趨勢，1966-2002年呈不顯著波動下降，1966年為下降的突變點(diǎn)，2003年為上升的突變點(diǎn)；2008-2013年呈不顯著下降，2008年為下降的又一突變點(diǎn)；2014年后，年降水量呈不顯著上升趨勢，2014年為上升的又一突變點(diǎn)。以上源區(qū)降水量變化規(guī)律與淮河流域降水量變化規(guī)律基本一致[13]。

3.3.2 徑流量 采用累積距平法即通過徑流量和降水量的差積曲線，揭示徑流量與降水量發(fā)生突變階段的一致性，并對兩者各階段的劇烈程度進(jìn)行定量比較。萬福閘、太平閘、金灣閘的泄洪量短期內(nèi)受工程控制和人為調(diào)節(jié)的影響很大，但長序列可減弱人為因素的影響，多年的徑流量資料可客觀反映淮河上中游多年來水量的變化規(guī)律。從年降水量、年徑流量距平累積曲線可見，源區(qū)年徑流量的累積距平曲線變化趨勢與年降水量一致(見圖5)，均經(jīng)歷了7次顯著變化：1961-1965年為急劇上升期，1966-1979年、1992-2002年為急劇下降期，1980-1991年、2003-2007年、2014-2017年為平緩上升期，2008-2013年為平緩下降期。1966、2008年為下降的突變點(diǎn)，2003、2014年為回升的突變點(diǎn)。年徑流量的變化規(guī)律與年降水量M-K突變檢驗(yàn)的分析結(jié)果吻合。

圖41961-2017年年降水量M-K突變檢驗(yàn) 圖51961-2017年年降水量、年徑流量距平累積曲線

表3為1961-2017年各階段降水量和徑流量相對多年平均值的變化量，各階段豐枯水期相互交替，徑流量的增減變化幅度比降水量大得多。降水量的豐枯程度變化越大，徑流量的增減變化幅度則更大。在1980年前，徑流量豐枯期增減變化幅度相對較小，在1980年后相對較大。2014-2017年降水量略大于多年平均值，年內(nèi)、年際分配較均勻，徑流量的增減變化幅度最小。

表3 各階段平均降水量和平均徑流量多年平均值的變化

3.4 周期分析

小波分析具有非常強(qiáng)大的多尺度分辨功能，根據(jù)不同時間尺度上小波方差的變化，分析時間序列的時頻變化特征；通過小波方差圖，確定序列的主、次周期。

圖6為年降水量和年徑流量序列的小波方差圖。由圖6可見，年降水量和年徑流量均存在多個不同時間尺度的周期，且兩者主、次周期基本一致，即主周期為28 a左右，次周期為4 a和9 a左右。以年降水量為例，分析不同時間尺度下存在的平均周期與豐枯變化特征。

圖7為主周期28 a和第一次周期9 a的年降水序列的小波系數(shù)變化，其中小波系數(shù)正值表示降水量偏豐，負(fù)值表示降水量偏枯。在28 a左右的特征時間尺度下，年降水量經(jīng)歷了大約3次較為顯著的豐枯交替變化，平均周期為18 a左右。在9 a左右的特征時間尺度下，年降水量經(jīng)歷了大約9個周期的豐枯循環(huán)交替。對于同一個時間序列，大周期與小周期的豐枯點(diǎn)并不完全一致，小周期是時間序列隨機(jī)性與規(guī)律性的綜合體現(xiàn)，不確定性和波動性較大；由大環(huán)境影響因素決定的大周期，總體變化趨勢具有較為穩(wěn)定持續(xù)的規(guī)律性和確定性。

根據(jù)28 a左右特征時間尺度，枯水期約從2012年開始，2016年到達(dá)最低點(diǎn)，至2020年左右結(jié)束，之后將進(jìn)入約9 a左右的豐水期，源區(qū)降水量、徑流量均將處于偏多態(tài)勢，尤其是7月，將面臨較嚴(yán)峻的防汛形勢。

圖6 源區(qū)降水量、徑流量小波方差圖

圖7 降水量28 a和9 a特征時間尺度小波實(shí)部過程線

4 結(jié) 論

(1)源區(qū)降水量變化趨勢與淮河流域一致，呈不顯著增大趨勢；年徑流量呈不顯著減小趨勢，但7月徑流量呈不顯著增大趨勢。年降水量枯水期自2012年開始，于2020年左右結(jié)束，隨后將進(jìn)入9 a左右的豐水期。在未來豐水期，尤其是7月，源區(qū)將面臨較為嚴(yán)峻的防汛形勢，應(yīng)采取必要的對策和措施，應(yīng)對可能出現(xiàn)的暴雨洪澇災(zāi)害。

(2)徑流量和降水量的周期變化規(guī)律一致。兩者的年際變化幅度均比年內(nèi)變化小，尤其是降水量的年際分配比年內(nèi)要均勻得多。徑流量的豐枯變化程度比降水量顯著，尤其是徑流量年際變化遠(yuǎn)比降水量年際變化更為劇烈。20世紀(jì)80年代后，徑流量的年際豐枯變化程度相對降水量變化趨于穩(wěn)定，變差系數(shù)多為降水量的4倍以上。源區(qū)徑流量年際豐枯劇烈的變化將加劇源頭樞紐工程防洪抗旱的壓力，有必要采取相應(yīng)的措施應(yīng)對區(qū)域水資源調(diào)配和水生態(tài)調(diào)水面臨的挑戰(zhàn)。