王家壩以上流域降水量與年最大洪峰流量響應(yīng)關(guān)系研究

一、引言

淮河流域地處我國南北氣候過渡帶，是我國旱澇頻繁發(fā)生的地區(qū)，也是氣候變化響應(yīng)明顯的地區(qū)。高超等研究表明20世紀(jì)60～80年代淮河流域年平均氣溫呈下降趨勢，進(jìn)入90年代開始顯著上升。在此背景下，國內(nèi)一些學(xué)者開展了相關(guān)的研究，楊赤等研究表明影響淮河上游水文極值的大氣環(huán)流因子主要有西太平洋副熱帶高壓、北半球極渦和亞洲經(jīng)向環(huán)流；鄧鵬等對淮河流域近50年年降水量變化研究表明年降水量呈增加趨勢，存在2～3年主周期震蕩和7年左右的次周期，具有南部多于北部、山區(qū)多于平原、近海多于內(nèi)陸的特點(diǎn)；董全等研究表明流域月降水量和月平均流量存在很好的對應(yīng)關(guān)系，但是比較極端的流量和降水事件線性關(guān)系不成立。洪澇災(zāi)害一般與地區(qū)的極端降水有關(guān)，在氣候變化的條件下，淮河流域的重要控制站年最大洪峰流量變化也表現(xiàn)出一定的響應(yīng)關(guān)系與周期變化規(guī)律，目前鮮有降水量與年最大洪峰流量的響應(yīng)關(guān)系及年最大洪峰流量的變化規(guī)律方面的研究?；春恿饔蛲跫覊握臼腔春铀档闹匾刂普荆瑢α饔虻姆姥从兄匾囊饬x，筆者試圖通過分析降水量與年最大洪峰流量的響應(yīng)關(guān)系及年最大洪峰流量的變化規(guī)律，以期為流域洪水的中長期預(yù)報(bào)及水資源利用等提供參考。

二、研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

淮河流域地跨鄂、豫、皖、蘇、魯五省，流域面積27萬km2。王家壩站系淮河上游總控制站，集水面積30630km2，淮河上游年平均降水量為1000mm，且年際變化大，時(shí)空分布不均勻，年降水量的60%集中在5～8月，以6月、7月暴雨次數(shù)較多。根據(jù)淮河流域水資源分區(qū)，王家壩站降水量數(shù)據(jù)是王家壩以上北岸區(qū)與南岸區(qū)的平均值，王家壩站年最大洪峰量為王家壩站、釤崗站、王家壩閘、地理城四站之和。所有資料均選取1953～2012年的時(shí)間系列，為了保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性與準(zhǔn)確性，在計(jì)算之前對數(shù)據(jù)的可靠性、一致性進(jìn)行了檢驗(yàn)與審查。

三、降水量與年最大洪峰流量響應(yīng)關(guān)系

根據(jù)王家壩站1953～2012年資料系列，作散點(diǎn)圖分析散點(diǎn)變化趨勢，分別采用線性函數(shù)（y=kx+b）、指數(shù)函數(shù)（y=beax）、冪函數(shù)（y=kxa）擬合降水量與年最大洪峰流量（其中用汛期降水量和年降水量分別與年最大洪峰流量擬合），分別得到汛期降水量與年最大洪峰流量的函數(shù)關(guān)系式、年降水量與年最大洪峰流量的函數(shù)關(guān)系式，見表1。其中，由于王家壩站1968年出現(xiàn)了異于常年的年最大洪峰流量（17600m3/s），通過對比分析研究，不包含1968年的時(shí)間系列擬合出的降水量與年最大洪峰流量的相關(guān)性得到顯著性提高，故表1擬合出的函數(shù)關(guān)系式不包含1968年這個(gè)特殊年份。汛期函數(shù)關(guān)系式汛期降水量為自變量，年最大洪峰流量為因變量；全年函數(shù)關(guān)系式年降水量為自變量，年最大洪峰流量為因變量。

從表1可以看出，對于汛期函數(shù)關(guān)系式，線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)擬合的函數(shù)關(guān)系式相關(guān)系數(shù)分別為0.672、0.6885、0.7328，對于全年函數(shù)關(guān)系式，線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)擬合的函數(shù)關(guān)系式相關(guān)系數(shù)分別為0.6979、0.7241、0.7593，無論是汛期函數(shù)關(guān)系式還是全年函數(shù)關(guān)系式，冪函數(shù)的相關(guān)系數(shù)最大，其次是指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)，說明冪函數(shù)較線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)擬合效果好，冪函數(shù)汛期函數(shù)關(guān)系式和全年函數(shù)關(guān)系式相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.7328、0.7593，相關(guān)系數(shù)較大，這也說明了近60a 以來王家壩站以上流域降水量與年最大洪峰流量呈現(xiàn)較好的非線性關(guān)系，從圖1也可以較為直觀的看出。對于線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)，全年函數(shù)關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)均大于汛期函數(shù)關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)，這進(jìn)一步說明年降水量與年最大洪峰的相關(guān)關(guān)系比汛期降水量與年最大洪峰的相關(guān)關(guān)系好。

表1 王家壩站以上流域降水量與年最大洪峰流量的函數(shù)關(guān)系式表

圖1 王家壩站以上流域年降水量與年最大洪峰流量關(guān)系圖

從圖1可以看出，年最大洪峰6000m3/s以下的點(diǎn)據(jù)緊密分布在冪函數(shù)擬合線兩邊，而年最大洪峰大于6000m3/s的點(diǎn)據(jù)分布相對散亂。王家壩站以上流域多年平均降水量為1000mm，由擬合的關(guān)系線可知王家壩站可能出現(xiàn)的年最大洪峰流量為3134m3/s，根據(jù)王家壩站的水位流量關(guān)系線可知，此時(shí)對應(yīng)的水位一般為27.6m，剛剛超過警戒水位27.5m。當(dāng)王家壩站達(dá)到保證水位29.3m時(shí)，此時(shí)對應(yīng)的洪峰流量一般為6500 m3/s，由擬合的關(guān)系線可知年降水量大約為1279mm。通過分析近年發(fā)生大洪水年份的年降水量，1991年、2003年、2007年全年的降水量分別為1236mm、1341mm、1174mm，這些年份全年降水量都非常接近1279mm，這進(jìn)一步說明了年最大洪峰流量與年降水量與有著較好的響應(yīng)關(guān)系，這對于流域洪水的中長期預(yù)報(bào)具有一定的指導(dǎo)意義。

四、年降水量與年最大洪峰流量周期變化關(guān)系

水文系統(tǒng)變化并不存在真正意義上的周期性，而是時(shí)而以這種周期變化，時(shí)而以另一種周期變化，并且在同一時(shí)段中又包含各種時(shí)間尺度的周期變化，即系統(tǒng)變化在時(shí)域中存在多層次時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)和局部化特征。基于小波分析理論，運(yùn)用小波分析的多分辨率功能，對王家壩站以上流域的年降水量、年最大洪峰流量進(jìn)行分析，了解其各自在不同尺度上的變化特征及是否具有相關(guān)關(guān)系。

圖2 王家壩站以上流域年降水量與年最大洪峰流量小波方差圖

圖3 王家壩站以上流域年降水量與年最大洪峰流量時(shí)頻分布圖

從圖2（a）、（b）可知，小波方差圖反映出王家壩站以上流域年降水量、年最大洪峰流量都有3個(gè)比較明顯的周期變化，年降水量的3個(gè)周期分別為31年、10年、55年，最明顯的周期變化為31年，年最大洪峰流量的3個(gè)周期分別為33年、11年、54年，最明顯的周期變化為33年，從中不難看出，王家壩站以上流域年降水量和年最大洪峰流量最明顯的周期變化均在30年左右，其次是10年左右的周期變化，55年的周期變化由于資料系列長度的問題有待進(jìn)一步研究。從前面的研究可知，年最大洪峰流量與年降水量與有較好的響應(yīng)關(guān)系，周期變化規(guī)律的相似性進(jìn)一步說明兩者呈現(xiàn)較好的相關(guān)關(guān)系。

圖3（a）、（b）時(shí)頻分布圖清晰的顯示了年降水量和年最大洪峰流量時(shí)間尺度變化、突變點(diǎn)分布及位相結(jié)構(gòu)，從中可以看出不同時(shí)段各時(shí)間尺度的強(qiáng)弱分布。從年降水量的時(shí)頻分布圖可知，27～36年周期表現(xiàn)十分明顯，中心時(shí)間尺度為31年，年降水量呈現(xiàn)較為顯著的偏多偏少偏多交替變化規(guī)律。從年最大洪峰流量的時(shí)頻分布圖可知，29～37年周期表現(xiàn)十分明顯，中心時(shí)間尺度為33年，年最大洪峰流量呈現(xiàn)較為顯著的偏大偏小偏大交替變化規(guī)律，其次8～14年周期表現(xiàn)較為明顯，中心時(shí)間尺度為11年，年最大洪峰流量也表現(xiàn)出偏大偏小偏大交替變化規(guī)律，目前正處于年最大洪峰流量偏小的周期之內(nèi)。

五、結(jié)語

利用數(shù)學(xué)趨勢分析模型，研究了王家壩站以上流域年降水量和汛期降水量與年最大洪峰流量的響應(yīng)關(guān)系，基于小波分析理論，明晰了王家壩站以上流域年降水量、年最大洪峰流量周期變化規(guī)律及相關(guān)關(guān)系，取得了以下初步認(rèn)識(shí)：

（1）王家壩站以上流域年降水量與年最大洪峰流量呈現(xiàn)較好的非線性關(guān)系，冪函數(shù)擬合的關(guān)系式相關(guān)系數(shù)R2到達(dá)0.7593。由擬合的關(guān)系式可知，當(dāng)王家壩站以上流域年降水量大約為1000mm時(shí)，王家壩可能出現(xiàn)超警戒水位左右的洪峰流量。

（2）王家壩站以上流域年降水量和年最大洪峰流量最明顯的周期變化均在30年左右，其次是10年左右的周期變化，年降水量和年最大洪峰流量周期變化規(guī)律呈現(xiàn)較好的一致性。

（3）王家壩站年最大洪峰流量表現(xiàn)出偏大偏小偏大交替變化的規(guī)律，目前正處于年最大洪峰流量偏小的周期之內(nèi)。

由于年降水量只能反映全年大體的氣候條件，降水量充沛的年份發(fā)生大洪水的可能性更大，本文只是從宏觀和水文長系列方面展開了研究，以期為流域的中長期預(yù)報(bào)提供一種新的思路。但對于一次極端降水事件來說，土壤前期影響雨量、降雨時(shí)空分布、降雨歷時(shí)等因素都對洪峰流量產(chǎn)生影響，還有待從微觀方面進(jìn)一步研究降雨與產(chǎn)流的響應(yīng)機(jī)制■