淮河流域地表水資源量變化及降水驅(qū)動效應(yīng)分析

錢名開 徐勝 梁樹獻(xiàn) 劉開磊

（淮河水利委員會水文局（信息中心），蚌埠 233001）

0 引言

淮河流域位于我國南北氣候過渡帶，極端氣候事件發(fā)生的概率高，降水變率大、旱澇并重、大旱大澇、旱澇交替現(xiàn)象突出，未來極端事件的發(fā)生頻率還有增加趨勢，迫切需要加強(qiáng)研究，制定應(yīng)對方案[1-2]。淮河流域水資源嚴(yán)重短缺，年人均水資源占有量不到500 m3，僅為全國人均的1/5[3]。降水強(qiáng)度的變化及極端降水事件的發(fā)生將影響到可用水資源、洪澇事件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活習(xí)慣等[4]，翟媛[5]、Woolhiser[6]等的研究表明不同地區(qū)、不同降水強(qiáng)度模式對產(chǎn)流量的影響巨大，而產(chǎn)流量的多少又決定了洪水的水量和地表水資源的多寡。在全球變暖背景下，淮河流域氣候?qū)②呌谂瘽瘢陱搅髁繉⒖赡芤詼p少趨勢為主[7]。因此，隨著流域社會經(jīng)將進(jìn)入快速發(fā)展期，水資源短缺的問題將更加突出。同時，由于淮河流域地處東亞季風(fēng)氣候區(qū)，在梅雨季節(jié)和臺風(fēng)影響期間，強(qiáng)降水事件多發(fā)，這些強(qiáng)降水使流域面臨洪澇威脅的同時，也帶來了豐沛的水資源，研究分析淮河流域降雨徑流關(guān)系以及不同降水強(qiáng)度和地表水資源的關(guān)系，對于適度承擔(dān)風(fēng)險、兼顧防洪安全和洪水資源利用具有重要意義。由于特殊的地形地貌、水利工程調(diào)度應(yīng)用規(guī)則及后期降水信息不確定性等因素影響，水利部門的傳統(tǒng)是將風(fēng)險降至最低，防洪安全第一。在這種情況下，每年丟棄許多寶貴的水資源在所難免。如統(tǒng)計分析2000—2016年17年洪澤湖三河閘棄水和江都抽水站北調(diào)里運(yùn)河水量發(fā)現(xiàn)：在主汛期6月21日—8月20日洪澤湖三河閘年均棄水量達(dá)到86.19 億m3，而南水北調(diào)東線起點站江都站同期引水量為7.09 億m3，棄水遠(yuǎn)多于引水。理論上講，棄水應(yīng)該能夠補(bǔ)充引水量的需求。上述問題實質(zhì)上也就是洪水資源的利用問題，要利用好洪水資源，關(guān)鍵是要精準(zhǔn)預(yù)報和優(yōu)化調(diào)度。精準(zhǔn)預(yù)報就是對每一個水文預(yù)報單元，水文部門要根據(jù)雨水情現(xiàn)狀和預(yù)報降水做出較為準(zhǔn)確的水文預(yù)報，管理部門據(jù)此進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)洪水資源利用的最大化。2019年第11號臺風(fēng)“利奇馬”影響淮河流域期間，水利部門依據(jù)水文氣象耦合預(yù)報調(diào)度蘇北駱馬湖洪水，前期提前預(yù)泄洪水、中期合理調(diào)度洪水、后期及時蓄水就是水文氣象耦合預(yù)報調(diào)度應(yīng)用成功的典型個例。開展氣象水文耦合預(yù)報應(yīng)用研究，尤其是強(qiáng)降水的耦合預(yù)報應(yīng)用研究，可為了解區(qū)域性的地表水資源主要影響因子，減輕洪澇災(zāi)害，適度利用洪水資源提供重要的支撐信息。

1 數(shù)據(jù)來源

全國第三次水資源調(diào)查評價淮河流域相關(guān)工作和計算成果，主要包括1956—2016年流域939個雨量站雨量，二級水資源分區(qū)面雨量、徑流深、地表水資源量等資料（地表水資源量是指河流、湖泊、冰川等地表水體中由當(dāng)?shù)亟邓纬傻?、可以逐年更新的動態(tài)水量。一般在考慮農(nóng)業(yè)、工業(yè)等用水消耗以及洪水棄水等因素，對實測徑流量還原計算得到）；1956—2019年臺風(fēng)（本文將各等級熱帶氣旋統(tǒng)稱為臺風(fēng)）路徑及臺風(fēng)影響淮河流域期間的降水資料，1956—2016年淮河流域每年入梅與出梅時間、梅雨量及2000—2016年部分南水北調(diào)東線工程調(diào)水量等數(shù)據(jù)。

2 降水時空分布

2.1 降水分布概況

淮河流域近60年來（1956—2016年）年均降雨878 mm，相應(yīng)水量2365 億m3。在水資源二級分區(qū)中，淮河下游區(qū)降水量最大，為1022 mm，沂沭泗河區(qū)最小，為785 mm，各二級分區(qū)之間的降水量差異顯著，空間變異大?；春恿饔蚰昃邓康戎稻€與水資源二級分區(qū)見圖1，淮河區(qū)各二級水資源分區(qū)不同時期的降水量比較情況見表1?；春恿饔蚰杲邓孔兎鶠?00～1600 mm，總體呈現(xiàn)由南向北遞減趨勢。大于1600 mm的高值區(qū)主要位于南部大別山區(qū)，最大雨量點為花屋站（1715.2 mm）。

圖1 淮河流域年均（1956—2016年）降水量（mm）等值線（紅線）與水資源二級分區(qū)（綠線）圖Fig. 1 Annual average rainfall (1956—2016)contour line (red line) and secondary water resource division (green line) of Huaihe River Basin

表1 淮河區(qū)各二級水資源分區(qū)不同時期降水量（單位：mm）Table 1 Precipitation in different periods of secondary water resources division in Huaihe River region (unit: mm)

淮河流域降水年際變化劇烈，呈現(xiàn)最大與最小年份降水量比值（即極值比）、年降水量變差系數(shù)均較大，年際間豐枯變化頻繁等特點。根據(jù)代表站統(tǒng)計結(jié)果，淮河流域年降水量極值比最大的雨量站點為河南省永城閘站（資料系列1931—2016年），極值比達(dá)7.1。流域極值比總體表現(xiàn)出南部小于北部、山區(qū)小于平原、淮北平原小于濱海平原等特點。

2.2 降水變化趨勢

2.2.1 年代際變化

從淮河流域不同年代年均降水量柱狀圖（圖2）可以看出：淮河流域降水總體趨勢為20世紀(jì)50年代后半期、60年代偏豐，70、80和90年代偏枯，進(jìn)入21世紀(jì)后降水略有增加，前10年為偏豐狀態(tài)， 2011—2016年降水偏枯。

圖2 淮河流域不同年代年均降水量柱狀圖Fig. 2 Histogram of annual average precipitation in different years in Huaihe River Basin

2.2.2 多年變化

經(jīng)MK方法檢驗，1956—2016年降水量序列未發(fā)生突變（圖3）。流域降水量總體呈不明顯 下降趨勢，降幅約為1.59 億m3/a，折合降水量變幅為-0.59 mm/a；其中淮河上游區(qū)降水量減小幅度為0.46 億m3/a，相應(yīng)降水量的變幅為-1.49 mm/a。

圖3 淮河流域降水量多年變化趨勢圖Fig. 3 Annual change trend of rainfall in Huaihe River Basin

3 地表水資源時空演變

3.1 總體特點

淮河流域地表水資源量主要由降水補(bǔ)給，呈現(xiàn)汛期徑流集中，季間徑流變化較大和最大、最小月徑流相差懸殊等特點。1956—2016年多年平均地表水資源量606.26 億m3，相應(yīng)徑流深225 mm，2003年地表水資源量最大，為1384.82 億m3，1978年最小，為178.56 億m3，極值比達(dá)7.76。其中淮河水系為464.41 億m3，2003年最大，為1068.86 億m3，1978年最小，為105.13 億m3；沂沭泗水系為141.85 億m3，2003年最大，為315.96 億m3。流域不同區(qū)域不同頻率年徑流量詳見表2。在地區(qū)分布上，多年平均天然徑流深呈現(xiàn)南部大于北部、山區(qū)大于平原和沿海大于內(nèi)陸的特點（圖略）。

表2 淮河流域1956—2016年分區(qū)水資源量特征分析表Table 2 Characteristics of water resources in different areas in the Huaihe River Basin from 1956 to 2016

3.2 趨勢分析

經(jīng)MK方法檢驗，淮河流域地表水資源量1956—2016年序列未發(fā)生突變。從流域地表水資源量變化趨勢（圖4）及流域二級分區(qū)地表水資源量變化趨勢統(tǒng)計表（表3）分析，流域地表水資源量總體呈現(xiàn)下降的趨勢，減小幅度為0.90 億m3/a，只有淮河中游區(qū)、下游區(qū)略呈現(xiàn)遞增趨勢。

圖4 淮河流域地表水資源量變化趨勢圖Fig. 4 Change trend of surface water resources in Huaihe River Basin

表3 淮河流域水資源二級分區(qū)地表水資源量變化趨勢統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of the change trend of surface water resources in the secondary water resources division in Huaihe River Basin

4 水資源與降水

4.1 降水徑流關(guān)系

一個流域的徑流量可以反映該地區(qū)水資源的豐歉程度。對不同年代各分區(qū)降雨徑流關(guān)系進(jìn)行分析對比（圖5），可以看出1956—2000年、2001—2016年兩個時期，淮河流域降水徑流關(guān)系擬合程度均較好，降水徑流關(guān)系未發(fā)生顯著改變。

圖5 淮河流域不同年代不同區(qū)域降雨徑流關(guān)系對比圖Fig. 5 Comparison of precipitation-runoff relationship in different division of Huaihe River Basin in different years

4.2 徑流量與降水強(qiáng)度

不同降水強(qiáng)度分布對徑流量影響較大，如淮河上游1967和1968年兩個澇年的降水量分別為1178和1172 mm，兩年僅差6 mm，但徑流量分別為109.5 億m3和159.1 億m3，兩者相差達(dá)49.6 億m3，主要是因為1967年6、7、8、9月降水相對均勻，而1968年強(qiáng)降水主要集中在7月，降水量達(dá)479 mm（比常年同期偏多133%），導(dǎo)致王家壩站出現(xiàn)有記錄以來最大洪水?；春由嫌?966和2001年兩個旱年的降水量分別為560、569 mm，而徑流量分別為23.4 億m3、 35.0 億m3，兩年的降水量接近，徑流量差11.6 億m3，這是因為1966年降水相對集中在7月，而1966年各月降水量均較少。

為揭示不同強(qiáng)度降水對年徑流量的影響，本文以淮河上游區(qū)為例，將降水強(qiáng)度分為10 mm以下、10～20 mm、20～30 mm、30～40 mm、40～50 mm、50 mm以上6個量級，以歷年不同量級日降水量累計值作為回歸因子，采用逐步回歸分析方法（回歸方程見式（1）），計算得出淮河上游年徑流量，并統(tǒng)計出不同量級降水量因子對年徑流量貢獻(xiàn)權(quán)重（表4）。

表4 淮河上游不同降水量級計算年徑流量權(quán)重系數(shù)表Table 4 Weight coefficient of annual runoff calculated by different precipitation levels in the upper reaches of the Huaihe River

由表4可以看出：淮河上游日降水量＜10 mm的年累計降水量均值為290 mm，占全年降水量的29.7%，年徑流量的計算權(quán)重（回歸系數(shù)占比）僅為11.5%，占比最小；降水量級30～40 mm的年累計降水量均值為106 mm，占年降水量的10.9%，徑流量占比最大（25.4%）；降水量級40～50 mm、＞50 mm分別占年降水量均值的7.0%和11.0%，年徑流量占比分別為17.8%和17.2%。說明降水強(qiáng)度越大，對年徑流量的貢獻(xiàn)越大。

5 水資源與影響天氣系統(tǒng)

5.1 水資源與梅雨

依據(jù)《梅雨監(jiān)測指標(biāo)》[8]，統(tǒng)計分析的淮河流域平均入梅日期為6月19日，出梅日期為7月14日，梅雨日數(shù)為25 d，梅雨量為218 mm。流域歷年地表水資源量與梅雨量相關(guān)系數(shù)為0.60，說明梅雨量與地表水資源量有較好的正相關(guān)關(guān)系。流域歷年地表水資源量與梅雨量對應(yīng)關(guān)系如圖6。

圖6 流域歷年地表水資源量與梅雨量關(guān)系Fig. 6 Relationship between surface water resources and mould rains in the basin over the years

流域地表水資源量最大的前10個年份，水資源量均值為1009 億m3，比常年均值偏多66.5%，相應(yīng)年份的梅雨量均值為309 mm，比歷年梅雨量偏多42%，其中有5個年份排在梅雨量前10的年份之中，僅1964年梅雨期短（6月23日入梅、7月1日出梅）、梅雨量少（49 mm），但該年4、5、9、10月降水量分別為186、119、120和107 mm，比常年同期分別偏多220%、58%、155%、205%。流域地表水資源量最少的10個年份，水資源量均值為290 億m3，比常年均值偏少52%，這10年中，有7年排在梅雨量最小的10個年份之中，其中有3年為空梅（1978、1994、2001年），其余7年梅雨量均偏少，梅雨量均值為120 mm，比歷年梅雨量偏少45%。

流域梅雨量最多的10個年份，梅雨量均值為393 mm，比多年均值偏多80%，相應(yīng)年地表水資源量均值為856 億m3，比多年均值偏多41%。其中有5個年份排在水資源量最多的10年中，只有1968年梅雨量比常年偏多34%，但年降水量僅為775 mm，地表水資源量為475.8 億m3，偏少21%。流域梅雨量最少或空梅的10個年份，除空梅外的6個年份梅雨量均值為66 mm，比多年均值偏少70%，相應(yīng)年地表水資源量均值為374億m3，比多年均值偏少38%，其中有6個年份排在水資源量最少的10個年份之中。

為直觀揭示梅雨量與年徑流量關(guān)系，根據(jù)公式（1）擬合的淮河上游梅雨期徑流量均值為32.4 億m3，占其年徑流量（101 億m3）的32%。圖7為淮河上游年天然徑流量與梅雨期擬合徑流量對比，可看出淮河上游年徑流量與梅雨期擬合徑流量一致性較好，相關(guān)系數(shù)為0.82，年徑流量最大的10個年份，梅雨期擬合徑流量比多年均值偏多123%，年徑流量比多年均值偏多78%；年徑流量最小的10個年份，梅雨期擬合徑流量比多年均值偏少70%，年徑流量也比多年均值偏少49%。

5.2 水資源與臺風(fēng)

據(jù)統(tǒng)計[9]，1956—2019年64年中共有113個臺風(fēng)（熱帶風(fēng)暴統(tǒng)稱臺風(fēng)）影響淮河流域降水，約占西太平洋和南海所有生成臺風(fēng)的6.6%，真正誘發(fā)淮河流域產(chǎn)生較大洪澇災(zāi)害的只有2個（分別是“7412”和“7503”號臺風(fēng)），僅占影響流域降水臺風(fēng)的1.8%。

臺風(fēng)降水能給淮河流域帶來較豐沛的水資源并緩解旱情。經(jīng)統(tǒng)計[10-11]，平均每個影響流域臺風(fēng)帶來的平均降水約24 mm，其中淮河水系24 mm，沂沭泗河水系25 mm，最大降水區(qū)間為里下河區(qū)（39 mm），其次為新沂河區(qū)（38 mm），最小降水區(qū)間為南四湖區(qū)的14 mm（為進(jìn)一步細(xì)化分析，本節(jié)將水資源分區(qū)沂沭泗河區(qū)分成南四湖區(qū)、沂沭河區(qū)和新沂河區(qū)（圖略））。圖8是1956—2019年各年7—9月總降水與臺風(fēng)降水序列對比圖，從圖中可以看出，臺風(fēng)降水較多的年份，7—9月降水相對偏多，7—9月淮河易受副熱帶高壓控制，高溫少雨，臺風(fēng)降水可適時補(bǔ)充水資源的不足。

以2019年第11號臺風(fēng)“利奇馬”為例，進(jìn)一步分析臺風(fēng)與流域水資源和洪澇關(guān)系如下：2019年6—7月淮河流域出現(xiàn)了嚴(yán)重干旱，沂沭泗降水比常年同期偏少37%。8月10—11日“利奇馬”給沂沭泗水系帶來142 mm降水，解除了持續(xù)多日的旱情。受臺風(fēng)影響，沂沭泗水系沂河、沭河相繼發(fā)生2019年第1號洪水，但通過氣象水文耦合預(yù)報和工程調(diào)度，在暴雨到來時提前預(yù)泄駱馬湖洪水，保障了防洪安全，并在適當(dāng)時機(jī)關(guān)閉嶂山閘，截留尾部洪水資源，期間還調(diào)度10.15億m3洪水到旱情嚴(yán)重的淮河水系，取得了可觀經(jīng)濟(jì)和社會效益。通過氣象水文耦合預(yù)報和科學(xué)調(diào)度，不但可有效減輕強(qiáng)降水帶來的危害，還能化危害為效益。

圖8 1956—2019年各年7—9月總降水與臺風(fēng)降水序列對比Fig. 8 Comparison of total precipitation and typhoon precipitation in July-September of 1956—2019

6 結(jié)論與建議

1）根據(jù)淮河流域1956—2016年降水、地表水資源量等資料分析，淮河流域多年平均降水878 mm、徑流深225 mm；從多年變化趨勢上看，流域降水量、徑流量總體呈不明顯降低趨勢，其中降水量的變幅為-1.59 億m3/a，地表水資源量的變幅為-0.90 億m3/a。

2）降水強(qiáng)度是影響徑流豐枯的重要因子，淮河上游區(qū)的分析表明：日降水量＜10 mm占年降水量的29.7%，產(chǎn)生徑流僅占全年的11.5%，占比最少。日降水量為30～40 mm的降水量占年降水量的10.9%，產(chǎn)生徑流占全年的25.4%，占比最大。日降水量為10～20 mm、20～30 mm、40～50 mm、50 mm以上產(chǎn)生的徑流量分別占全年的13.6%、14.4%、17.8%和17.2%。

3）淮河流域年地表水資源量與梅雨量有較好的正相關(guān)關(guān)系。地表水資源明顯偏多的年份，梅雨量也明顯偏多，反之梅雨量則明顯偏少或為空梅。

4）臺風(fēng)對淮河流域的降水影響總體上利大于弊，臺風(fēng)降水對緩解流域旱情、補(bǔ)充水資源有重要作用，帶來嚴(yán)重洪澇災(zāi)害的概率不大。

5）加強(qiáng)淮河流域地表水資源量變化分析，發(fā)展氣象水文耦合預(yù)報技術(shù)并應(yīng)用于工程調(diào)度，可有效地減輕強(qiáng)降水帶來洪澇威脅，并為洪水資源利用提供有效的決策支持信息。