多瑙河流域水文氣象要素演變及響應(yīng)關(guān)系

辛昱昊，劉穎，寧忠瑞,,3,4，鞠琴,3，張曉華，王鴻杰,6

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029; 3.長江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210098;4.水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心，江蘇 南京 210029；5.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003;6.河南省水文水資源局，河南 鄭州 450003)

眾所周知，氣候變化對(duì)流域水文要素有著最為直接的驅(qū)動(dòng)和影響[1-2],而流域人口的增加以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展則會(huì)直接或間接導(dǎo)致社會(huì)用水量的增加[3-4]，影響地表徑流量的變化。反之，徑流量的變化，如大洪水以及長期干旱事件，也會(huì)對(duì)社會(huì)安全產(chǎn)生威脅。由此可見，人類社會(huì)與水資源變化以及驅(qū)動(dòng)水資源變化的因素之間關(guān)系密切、互饋影響。因此，研究全球氣候變化條件下水資源的演變特征對(duì)人類科學(xué)開發(fā)利用水資源、促進(jìn)人水和諧意義重大[5-6]。

多瑙河是歐洲的第二長河，對(duì)歐洲的歷史進(jìn)展影響深遠(yuǎn)，對(duì)中歐及東南歐的移民和政治經(jīng)濟(jì)起到了重要作用，是歐洲各國的商業(yè)通衢和貿(mào)易往來的紐帶。多瑙河流域河網(wǎng)密布，支流遍布中歐以及東南歐大陸，流域三面環(huán)山，位于多瑙河盆地。多瑙河流域降水量總體充沛，但降水空間分布不均勻,上游降水量豐富，每年約為1 000～1 500 mm，中下游平原地區(qū)降水量較少，每年約為700～1 000 mm。多瑙河流域歷史洪水主要由夏季和秋季暴雨或長期連續(xù)降雨、春季高山積雪融化及冬季冰凌所造成，極少發(fā)生全流域大洪水，絕大多數(shù)洪水為局部洪水，且全年各時(shí)段均可發(fā)生洪水。多瑙河流域?qū)崪y(cè)洪水記錄歷史悠久，洪災(zāi)主要發(fā)生在中下游，1870—1970年共發(fā)生過洪災(zāi)62次。洪水過程會(huì)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生極大損害。近年來的分析數(shù)據(jù)表明，氣候變暖已導(dǎo)致流域的降水量增多，進(jìn)而直接導(dǎo)致流域的徑流量增多，極端氣候條件出現(xiàn)概率增加[7]，而極端氣候條件導(dǎo)致洪水頻率增加，會(huì)對(duì)社會(huì)發(fā)展與人類安全造成極大危害。洪水預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)工作是研究流域水文氣象要素的演變規(guī)律[8-10]。本文以多瑙河流域?yàn)槔?，?duì)該流域1951—2010年的氣溫、降水量、徑流量演變規(guī)律進(jìn)行了研究，研究結(jié)果對(duì)流域水資源規(guī)劃、洪水預(yù)報(bào)等定量研究具有重要意義。

1 流域概況與分析方法

1.1 流域概況及數(shù)據(jù)來源

氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)來源于NOAA(美國國家海洋和大氣管理局)提供的1951—2010年日尺度觀測(cè)數(shù)據(jù)，徑流數(shù)據(jù)來源于GRDC(全球徑流數(shù)據(jù)庫)提供的1951—2010 年歐洲Ceatal Izmail站的日尺度和月尺度的觀測(cè)數(shù)據(jù)。多瑙河發(fā)源于德國西南部,自西向東流經(jīng)9個(gè)國家,是世界上干流流經(jīng)國家最多的河流。文中以位于羅馬尼亞境內(nèi)的Ceatal Izmail站的數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,收集了自1951年至2010年逐月的氣溫、降水和徑流資料。圖1給出了多瑙河流域歐洲所處地理位置、流域水系以及Ceatal Izmail站的地理位置。

圖1 多瑙河流域水系及Ceatal Izmail站點(diǎn)位置示意圖

多瑙河流域處于溫帶海洋性氣候向溫帶大陸性氣候過渡區(qū)，就全流域來說,大部分降水出現(xiàn)在夏季和秋初。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,1951—2010年，流域多年平均降水量為761.12 mm,年均氣溫為8.84 ℃。Ceatal Izmail站測(cè)得的流域多年平均徑流量為255.4 mm,年徑流系數(shù)為0.34。

1.2 分析方法

采用最小二乘法線性擬合診斷水文氣象要素序列變化的趨勢(shì)[11-14]。通過累積距平法判斷水文氣象要素的豐水期以及枯水期。對(duì)于水文氣象要素的周期性分析,采用小波分析法診斷序列的主、次周期[15-16]。對(duì)于序列的突變性檢驗(yàn)則分別采用有序聚類分析法[17-18]和Mann-Kendall(M-K)突變檢驗(yàn)法[19-20]。有序聚類分析法是通過計(jì)算不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)前后序列的離差平方和，將離差平方和最小點(diǎn)判斷為突變點(diǎn)。結(jié)合兩種分析方法進(jìn)一步確定序列突變點(diǎn)。M-K突變檢驗(yàn)法具有不需要樣本遵從一定的分布、不受少數(shù)異常值干擾的優(yōu)點(diǎn)，常被用于水文氣象要素診斷與預(yù)測(cè)中。

2 結(jié)果分析

2.1 水文氣象要素演變趨勢(shì)分析

圖2給出了1951—2010年多瑙河流域年均氣溫、降水量和徑流量的變化情況。由圖2(a)—(c)可以看出：①氣溫呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì),線性傾向率為0.283 ℃/(10年)。最高氣溫出現(xiàn)在1994年,約為10.48 ℃；最低氣溫出現(xiàn)在1956年,約為7.23 ℃；多年平均氣溫約為8.84 ℃。②降水總體比較充沛,多年平均降水量為761.12 mm。降水量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。降水量具有較大的年際變化特征,特別是在20世紀(jì)60、70年代及21世紀(jì)初。年降水量最大約為907.3 mm,出現(xiàn)在1966年；最小年降水量約為615.2 mm,出現(xiàn)在1953年，最大年降水量約為最小年降水量的1.475倍。21世紀(jì)初最大年降水量約為970.2 mm,出現(xiàn)在2010年；最小年降水量約為617.8 mm,出現(xiàn)在2003年，最大年降水量約為最小年降水量的1.57倍。20世紀(jì)80年代至20世紀(jì)末降水量較少且年際變化不大。多瑙河流域?qū)崪y(cè)降水量序列中年降水量最大值出現(xiàn)在2010年，約為970.2 mm,最小值出現(xiàn)在1953年，約為615.2 mm。③流域徑流量增加趨勢(shì)不顯著,多年平均徑流量約為255.4 mm。徑流量在20世紀(jì)60和70年代及21世紀(jì)初具有較大的年代際變化，與降水量具有較大年代際變化的時(shí)期一致。最大年徑流量出現(xiàn)在2010年,約為366.7 mm;最小年徑流量出現(xiàn)在1990年,約為164.1 mm。徑流量豐枯分布與降水量豐枯分布基本一致。

圖2 多瑙河流域氣象要素及Ceatal Izmail站實(shí)測(cè)徑流量過程及其累積距平過程曲線

根據(jù)圖2(d)—(f)可知：①多瑙河流域氣溫變化可分為如下兩個(gè)階段。1951—1987年，氣溫累積距平曲線呈下降趨勢(shì)，該時(shí)間段內(nèi)氣溫逐漸降低，1987年達(dá)到最小值，累積距平值為-15.9 ℃；1988—2010年，氣溫累積距平曲線的趨勢(shì)為上升，該時(shí)間段內(nèi)氣溫逐漸上升。②降水量變化可分為6個(gè)階段。1951—1959年，該時(shí)間段為降水量波動(dòng)時(shí)期，降水量基本正常；1960—1967年，降水量累積距平曲線呈先下降后上升的趨勢(shì)，降水量先逐漸減小后逐漸增加；1968—1978年，該時(shí)間段為降水量波動(dòng)變化時(shí)期，降水量基本正常；1979—1982年，降水量累積距平曲線為上升趨勢(shì)，降水量逐漸增加，1982年達(dá)到累積距平最大值，為249.6 mm；1983—1993年，降水量累積距平曲線呈下降趨勢(shì)，降水量逐漸減小，1993年達(dá)到最小值，累積距平值為-601.3 mm；1994—2010年，降水量累積距平曲線呈升高趨勢(shì)，降水量逐漸增加。③徑流量變化可分為3個(gè)階段。1951—1973年，該時(shí)間段為徑流量波動(dòng)變化時(shí)期，徑流量基本正常；1974—1993年，徑流量累積距平曲線呈先上升后下降趨勢(shì)，徑流量先逐漸增加后逐漸減小，1982年達(dá)到最大值，為245.3 mm；1994—2010年，該時(shí)間段內(nèi)徑流量無顯著波動(dòng)變化。

2.2 周期性分析

圖3為多瑙河流域年均氣溫、降水量和徑流量的小波周期圖和小波方差圖。通過圖3(a)—(c)，可得到實(shí)測(cè)序列周期所處區(qū)間，結(jié)合圖3(d)—(f)區(qū)間峰值，可得到水文氣象要素變化的主、次周期。由圖3(a)—(c)可知:在實(shí)測(cè)序列年均氣溫整體呈升高趨勢(shì),無明顯周期性。降水量的周期分別在2～10年內(nèi)、10～20年內(nèi),25～30年內(nèi)，結(jié)合圖3(e)知，降水量的主周期為7年,次周期為16年與29年。徑流量的周期分別在0～5年內(nèi)、10～20年內(nèi)、25～30年內(nèi)，結(jié)合圖3(f)知，徑流量的主周期為16年,次周期為3年與30年。

圖3 多瑙河流域氣溫、降水量以及Ceatal Izmail站實(shí)測(cè)徑流量小波周期圖與小波方差圖

2.3 突變性分析

圖4為多瑙河流域降水量、Ceatal Izmail站實(shí)測(cè)徑流量和徑流系數(shù)時(shí)序離差平方和過程曲線。由圖4可以看出：實(shí)測(cè)年降水量和實(shí)測(cè)年徑流量的時(shí)序離差平方和均在2002年達(dá)到最小值，年降水量和年徑流量時(shí)序離差平方和在1984年前較穩(wěn)定，并分別在1984年和2000年出現(xiàn)劇烈變化，由此可以推斷2002年為變異突變點(diǎn)。年徑流系數(shù)時(shí)序離差平方和最小值和次小值分別出現(xiàn)在2008年和1982年，在1982年出現(xiàn)一個(gè)跳崖式突變，故1982年為另一變異突變點(diǎn)。

圖4 多瑙河流域年降水量、Ceatal Izmail站實(shí)測(cè)徑流量和徑流系數(shù)時(shí)序離差平方和過程曲線

圖5為多瑙河流域降水量、徑流量以及Ceatal Izmail站實(shí)測(cè)徑流量的M-K檢驗(yàn)結(jié)果。由圖5可以看出：在顯著性水平α=0.05、臨界值為±1.96 條件下(由M-K突變檢驗(yàn)原理可知，若在短時(shí)間區(qū)間內(nèi)頻繁相交并非突變點(diǎn)，而是變化頻繁),流域年降水量的UFk和UBk線交于1955年附近、1972年附近與1982年;徑流量的突變點(diǎn)出現(xiàn)在1962年附近、1982年與2002年;徑流系數(shù)突變點(diǎn)出現(xiàn)在1982年。結(jié)合有序聚類分析法和M-K突變檢驗(yàn)分析結(jié)果綜合分析，將1982年與2002年定為時(shí)間序列突變點(diǎn)。該分析結(jié)果與累積距平法的分析結(jié)果一致。根據(jù)上述對(duì)多瑙河流域流量過程的分析以及診斷結(jié)果,綜合考慮后將實(shí)測(cè)徑流序列劃分為3個(gè)階段：第一階段為1951—1981年,第二階段為1982—2001年,第三階段為2002—2010年。

圖5 多瑙河流域降水量、徑流量以及Ceatal Izmail站實(shí)測(cè)徑流量的M-K檢驗(yàn)結(jié)果

多瑙河流域不同時(shí)段氣溫、降水量、徑流量及其變化特征見表1。

表1 多瑙河流域不同階段水文氣象要素變化特征

由表1可知：①多瑙河流域多年平均氣溫為8.84 ℃，氣溫整體呈現(xiàn)上漲的趨勢(shì)，第一階段的平均氣溫低于多年平均氣溫，第二、三階段的平均氣溫均高于多年平均氣溫，第二、三階段氣溫上漲幅度分別為8.35%、15.89%；②流域多年平均降水量為761.12 mm，在第一階段、第三階段的平均降水量相對(duì)較豐，分別高于多年平均降水量7.63 mm、43.61 mm，第二階段的降水量較少，與第一階段的相比少5.09%；③多瑙河流域Ceatal Izmail站實(shí)測(cè)年均徑流量在第一階段約為258.56 mm，第二階段呈現(xiàn)減少的態(tài)勢(shì)，較基準(zhǔn)期第一階段的少9.93%，第三階段的呈現(xiàn)增加的態(tài)勢(shì)，較基準(zhǔn)期的增加4.87%。多瑙河流域Ceatal Izmail站實(shí)多年平均徑流量為255.4 mm，第一、三階段的年均徑流量分別高于多年平均徑流量3.16 mm、15.75 mm；第二階段的相較于多年平均徑流量少22.51 mm。第一、三階段的徑流量較豐，第二階段的徑流量較枯。第一階段、第三階段處于徑流量的豐水期，第二階段處于徑流量的枯水期。

2.4 不同階段降水-徑流響應(yīng)關(guān)系

圖6為多瑙河流域不同階段降水-徑流響應(yīng)關(guān)系散點(diǎn)圖。

由圖6可以看出：①不同階段的降水量和徑流量均有較好的正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均在0.6～0.8區(qū)間,多瑙河流域降水量和徑流量的相關(guān)性較好；②在年降水量超過700 mm時(shí)年降水量與年徑流量的相關(guān)性更好，這是由于歐洲地區(qū)降水量充沛,土壤初始含水量較高,用于填補(bǔ)土壤水量較少；③在不同階段的降水量和徑流量點(diǎn)群存在一定的差異,第一階段、第三階段的點(diǎn)群位置分布相對(duì)一致的,第二階段的點(diǎn)群位置略低于第一階段的，第一階段、第三階段的點(diǎn)群在降水量為700～850 mm時(shí)離散程度較高，第二階段的點(diǎn)群在降水量為600～700 mm時(shí)離散程度較高。盡管不同階段的點(diǎn)群分布位置相對(duì)集中，但各階段的點(diǎn)群分布存在差異,且離散程度變化較大，說明在1951—2010年，流域的自然條件由于人類活動(dòng)影響而發(fā)生變化。

圖6 不同時(shí)段降水-徑流響應(yīng)關(guān)系

2.5 不同階段的氣溫、降水量和徑流量的年內(nèi)分配

圖7為多瑙河流域氣溫、降水量以及Ceatal Izmail站實(shí)測(cè)徑流量在不同階段的年內(nèi)分配情況。

由圖7可以得出：①不同階段的氣溫整體呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，但年內(nèi)分布情況基本一致。氣溫自1月份至7月份逐漸升高，夏季氣溫高且不同階段的最高氣溫均出現(xiàn)在7月份，為17～22 ℃；氣溫自7月份至12月份逐漸降低，冬季氣溫低且不同階段的最低氣溫均出現(xiàn)在1月份，為-3～-1 ℃。②不同階段的降水量分布整體呈現(xiàn)夏季高、冬季低的現(xiàn)象。第一、二階段的降水量年內(nèi)分布1月份至3月份的逐漸減少，但減少幅度不顯著，3月份至6月份的降水量增加顯著，6月份至10月份的降水量減少顯著，10月份至12月份的降水量先增加后減少且變化趨勢(shì)不顯著；第一、二階段的降水量最小值分別出現(xiàn)在3月份與2月份，最大值均出現(xiàn)在6月份。第三階段1月份至4月份的降水量呈現(xiàn)先減少后增加的變化，但變化趨勢(shì)不顯著，4月份至5月份的降水量出現(xiàn)跳躍式增加，5月份至8月份的降水量均勻增加，8月份至9月份的降水量跳躍式減少，9月份至12月份的降水量均勻減少。第一、二階段的降水量年內(nèi)分配基本一致且變化趨勢(shì)相同，第三階段與前兩階段的出現(xiàn)較大差異：首先，在第一、二階段的夏季降水量逐漸減少，但第三階段的夏季降水量逐漸增加；其次，第一、二階段的降水量年內(nèi)變化均勻，但第三階段4月份與8月份的降水量出現(xiàn)跳躍式變化。③不同階段的徑流量年內(nèi)分布基本一致，第二階段的徑流量較第一、三階段的少，徑流量最大值出現(xiàn)在4月份與5月份，徑流量最小值出現(xiàn)在10月份。春季徑流量大，這主要是受到山地冰雪和積雪融水補(bǔ)充的影響所致;秋季徑流量小,這是由于降水量小且缺少冰雪融水補(bǔ)充。

圖7 多瑙河流域氣溫、降水量以及Ceatal Izmail站實(shí)測(cè)徑流量在不同階段的年內(nèi)分配情況

3 結(jié)語

1)在實(shí)測(cè)1951—2010年的水文氣象數(shù)據(jù)過程中,多瑙河流域氣溫呈現(xiàn)平穩(wěn)緩慢上升趨勢(shì),降水量由于全球變暖等因素的影響呈現(xiàn)增加趨勢(shì),徑流量無明顯變化趨勢(shì)。降水量實(shí)測(cè)序列過程變化趨勢(shì)與徑流量的變化趨勢(shì)基本一致。

2)多瑙河流域降水量主周期為7年,次周期為16年與29年;Ceatal Izmail站實(shí)測(cè)徑流量變化主周期為16年, 次周期為3年與30年;結(jié)合M-K突變檢驗(yàn)以及有序聚類分析法診斷出突變點(diǎn)主要在1982年與2002年。

3)不同階段的降水-徑流響應(yīng)關(guān)系存在差異,但整體來說多瑙河流域降水-徑流的相關(guān)關(guān)系較好。不同階段的點(diǎn)群分布較為集中，但各階段點(diǎn)群的離散程度差別較大，多瑙河流域水文氣象要素一定程度上受到人類活動(dòng)的影響。

4)在人類活動(dòng)的影響下，極端氣候事件發(fā)生頻率逐漸增高，大洪水發(fā)生的可能性同時(shí)提高。這對(duì)多瑙河流域現(xiàn)有防洪設(shè)施的安全性是一種挑戰(zhàn)。所以研究水文氣象要素演變規(guī)律對(duì)洪水預(yù)報(bào)等具有重要意義。