江蘇里下河腹部地區(qū)徑流系數(shù)變化特征分析

孫正蘭，王永東，陳 靜，王 江

(1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200;2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局 楊州分局，江蘇 楊州 225000；3.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，南京 210029)

1 研究區(qū)概況

里下河地處長(zhǎng)江和淮河的下游，因位于京杭大運(yùn)河江蘇段里運(yùn)河以東且地勢(shì)低洼而得名。根據(jù)地形和水系不同，里下河以通榆河為界分為里下河腹部水網(wǎng)地區(qū)和沿海墾區(qū)兩部分。西界里運(yùn)河、東至通榆河、北界灌溉總渠、南至新通揚(yáng)運(yùn)河的里下河腹部地區(qū)，河流縱橫交錯(cuò)，湖蕩星羅棋布，四周高、中間低，猶如鍋底，俗稱“鍋底洼”?？偯娣e11 897 km2，河網(wǎng)密度約1.08 km/km2，包括揚(yáng)州、泰州、鹽城、淮安等8縣(市、區(qū))56個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，形成獨(dú)立而相對(duì)封閉的里下河腹部水系。該地區(qū)曾是江蘇省淡水沼澤濕地最集中分布的區(qū)域，素有“魚米之鄉(xiāng)”的美稱。地區(qū)位置及降水量站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 里下河腹部地區(qū)位置及降水量站點(diǎn)分布Fig.1 Location of the hinterland area of Lixia River and distribution of precipitation stations

里下河腹部地區(qū)地處南北氣候過(guò)渡帶[1]。降水極端不均勻分布和特殊的地形特點(diǎn)，導(dǎo)致該地區(qū)大雨大澇、小雨小澇、無(wú)雨旱災(zāi)[2]。中華人民共和國(guó)成立后經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)有效綜合整治，里下河地區(qū)已建成較完整的防洪工程體系，較好地解決了困擾多年的洪澇出路的突出問(wèn)題。然而多年的粗放型經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展引發(fā)水資源短缺已成為新時(shí)期里下河腹部地區(qū)面臨的新矛盾。

多年來(lái)，里下河腹部地區(qū)防洪排澇抗旱問(wèn)題一直是眾多水利工作者關(guān)注的焦點(diǎn)，如：甘小榮[3]、葉正偉等[4]對(duì)里下河腹部地區(qū)致洪致澇成因分析與防治對(duì)策的研究，馮旭松等[5]關(guān)于南水北調(diào)東線建成后如何優(yōu)化調(diào)整里下河地區(qū)水資源配置方案，陳錫林等[6]就里下河地區(qū)引江能力的分析，陶長(zhǎng)生等[7]對(duì)新常態(tài)下里下河地區(qū)水利治理的思考與建議等，而針對(duì)變化環(huán)境下徑流系數(shù)演變規(guī)律的研究尚不多見。本文以近60 a來(lái)降水、徑流資料為基礎(chǔ)，揭示變化環(huán)境下區(qū)域水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)特征的徑流系數(shù)多年的變化特點(diǎn)及其演變趨勢(shì)，為區(qū)域水資源綜合利用和防汛抗旱等提供參考。

2 資料來(lái)源與研究方法

2.1 資 料

淮河洪水不進(jìn)入里下河，里下河腹部地區(qū)的洪澇由其區(qū)域內(nèi)暴雨形成。因地勢(shì)低洼平坦、地形變化較小，降水觀測(cè)站點(diǎn)分布較均勻，故以區(qū)域內(nèi)泰州、興化、建湖、阜寧等20站逐日降水量的平均值代表區(qū)域面降水量。

里下河腹部地區(qū)主要通過(guò)“上抽、中滯、下排”解決洪澇出路?！吧铣椤奔从山汲樗竞吞┲莞吒鄢樗緦⒏共康貐^(qū)南部的澇水經(jīng)新通揚(yáng)運(yùn)河抽出排入長(zhǎng)江；“下排”即利用地勢(shì)特點(diǎn)由入海港道主要經(jīng)射陽(yáng)河閘、黃沙港閘、新洋港閘、斗龍港閘(簡(jiǎn)稱沿海4閘)將澇水自東流入黃海。干旱和生態(tài)補(bǔ)水時(shí)，長(zhǎng)江水經(jīng)江都東閘和高港閘自流引入里下河腹部地區(qū)。由于里下河腹部地區(qū)“鍋底洼”地勢(shì)特性和自然水生態(tài)與水環(huán)境質(zhì)量的需要，河道常年不僅保持一定水位，同時(shí)還保證一定程度水的沖刷和流動(dòng)；加之降水量分配極不均勻性導(dǎo)致時(shí)空上水資源不均衡，即使是豐水年，仍需引江水補(bǔ)給里下河腹部地區(qū)。

里下河腹部地區(qū)徑流量為各排水口門總量與各引水口門總量之差。引水口門即江都東閘和高港閘?？偱潘恳匝睾?閘排水量與江都抽水站、高港抽水站抽排澇水量之和計(jì)算。經(jīng)多年統(tǒng)計(jì)，江都抽水站和高港抽水站抽排入長(zhǎng)江的澇水占里下河腹部地區(qū)澇水總量的20%以上[8-9]，沿海4閘外排澇水入海的比例約為70%[10]。江都、泰州引、排水口門和沿海4閘均設(shè)有國(guó)家重要水文站。文中降水量和引、排水量等水文數(shù)據(jù)均源自《水文年鑒》淮河下游區(qū)5卷4冊(cè)。

2.2 方 法

采用不均勻系數(shù)和相對(duì)變化幅度等指標(biāo)分析徑流系數(shù)年內(nèi)、年際變化的不均勻程度[11]，由徑流系數(shù)和降水量累積距平曲線明顯且一致的起伏變化，分析各豐枯時(shí)期徑流系數(shù)相對(duì)降水量變化的劇烈程度及演變趨勢(shì)[12]。在線性回歸分析大致變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Mann-Kendall(簡(jiǎn)稱M-K)方法分析徑流系數(shù)多年變化趨勢(shì)的顯著性[13]，在置信度為90%時(shí)，計(jì)算的統(tǒng)計(jì)量|Z|>臨界值1.64時(shí)，為變化趨勢(shì)顯著，否則變化趨勢(shì)不顯著。

以廣泛應(yīng)用的M-K非參數(shù)檢驗(yàn)方法進(jìn)行突變檢測(cè)，其計(jì)算結(jié)果不受序列中少數(shù)異常數(shù)據(jù)的影響。通過(guò)正反序列曲線UFK和UBK在臨界線(Uα= 0.05=±1.96) 內(nèi)相交，確定序列發(fā)生突變的時(shí)間，以滑動(dòng)T檢驗(yàn)對(duì)突變時(shí)間前后的序列進(jìn)一步精確判別是否發(fā)生顯著變化。

采用Morlet連續(xù)復(fù)小波為基函數(shù)進(jìn)行小波變換[14]，由不同時(shí)間尺度上小波方差的變化，得到降水、徑流系數(shù)多年時(shí)間尺度特征，確定多年演變的主、次周期，為預(yù)測(cè)未來(lái)水文情勢(shì)提供依據(jù)。

3 結(jié)果與分析

徑流系數(shù)為區(qū)域內(nèi)同一時(shí)段徑流量與降水量之比，其大小反映了區(qū)域的產(chǎn)水能力，表征了自然地理多種因素對(duì)降水形成徑流過(guò)程和水循環(huán)程度的綜合影響。嚴(yán)格意義上徑流系數(shù)應(yīng)≥0。但里下河腹部地區(qū)常年均處于水量充裕狀態(tài)，其獨(dú)特的區(qū)域特性使得同樣強(qiáng)度降雨情況下，徑流系數(shù)相對(duì)較高；在極干旱月、年，如水田農(nóng)作物播種、生長(zhǎng)的5、6月份，用水需求量大，排水量小于引水量，導(dǎo)致徑流量為負(fù)值，徑流系數(shù)<0。這是里下河腹部地區(qū)“鍋底洼”獨(dú)有的特性，徑流系數(shù)<0，從數(shù)學(xué)意義上理解為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水生態(tài)、水循環(huán)實(shí)際缺水的水量比值。

3.1 年內(nèi)變化

由圖2月平均徑流系數(shù)變化趨勢(shì)可知：降水量在夏季6—8月份最大，冬季12月份—次年2月份最小。徑流系數(shù)自2月份開始明顯呈減小趨勢(shì)，至4—6月份為全年最小，徑流系數(shù)<0。4—6月份為里下河腹部地區(qū)水田農(nóng)作物播種的季節(jié)，期間較小的降水量形成的徑流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大面積水田農(nóng)作物及植物生長(zhǎng)初期巨大的用水需求，因此，4—6月份引江水量多為年內(nèi)最大，期間排水量通常小于引江水量，徑流量為負(fù)值。7月份降水量為全年最大，但此時(shí)農(nóng)作物需水量已逐漸減小，徑流量為全年最大，徑流系數(shù)也急劇增大?？梢姡邓磕陜?nèi)分配滯后于里下河腹部地區(qū)春耕和農(nóng)作物生長(zhǎng)用水的需要。因8月份之后區(qū)域降水量常年偏少，8月份降水量形成的徑流部分被湖泊、圩塘人為蓄留，8月份徑流系數(shù)相對(duì)偏小。秋、冬季隨著溫度的降低，蒸發(fā)量和農(nóng)作物需水量均相應(yīng)減少，徑流系數(shù)普遍偏大；自11月份開始徑流系數(shù)>1.0，最大值出現(xiàn)在12月份，達(dá)1.2，即冬季較小徑流量中包含前期的徑流量。徑流系數(shù)年內(nèi)變化趨勢(shì)與降水量不一致，但與里下河腹部地區(qū)明顯的季節(jié)特點(diǎn)相一致，表明徑流系數(shù)不僅受降水量影響，還與平原水網(wǎng)地區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)期及人為活動(dòng)等密切相關(guān)。

圖2 月徑流和月降水量變化趨勢(shì)Fig.2 Monthly variation trend of runoff and precipitation

降水量與徑流系數(shù)年內(nèi)不均勻系數(shù)分別為0.71和0.98，表明兩者年內(nèi)分配極不均勻，且徑流系數(shù)年內(nèi)分配不均勻程度遠(yuǎn)大于降水量。

3.2 年際變化

3.2.1 趨勢(shì)變化

徑流系數(shù)多年平均值為0.52，最大為0.79，發(fā)生在1963年，1991年次之，為0.78；僅極干旱的1978年徑流系數(shù)<0，為-0.38。年徑流系數(shù)的變差系數(shù)為0.38，是降水量的1.7倍，徑流系數(shù)年際變化較大。

徑流系數(shù)多年線性趨勢(shì)呈微弱減小趨勢(shì)，而降水量呈微弱增大趨勢(shì)(圖3)。M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)計(jì)算徑流系數(shù)序列統(tǒng)計(jì)量Z=-0.17、降水量序列統(tǒng)計(jì)量Z=0.34，均小于置信度90%的臨界值，表明徑流系數(shù)多年呈不顯著減小趨勢(shì)、降水量呈不顯著增大趨勢(shì)。年徑流系數(shù)與降水量變化不一致，表明年徑流系數(shù)不僅受降水量影響，變化環(huán)境下自然地理等綜合因素的改變對(duì)徑流系數(shù)也起著明顯的作用。

圖3 年徑流系數(shù)和年降水量變化趨勢(shì)Fig.3 Yearly variation trend of runoff coefficient and precipitation

3.2.2 豐枯變化

由圖4徑流系數(shù)與降水量距平累積變化曲線可見：徑流系數(shù)隨降水量的豐枯變化而變化，但在不同時(shí)段變化劇烈程度不同，各時(shí)段相對(duì)多年平均值變化程度的比較見表1。

圖4 徑流系數(shù)與降水量的距平累積突變檢驗(yàn)曲線Fig.4 Curves of anomaly accumulation and abrupt change test for runoff coefficient and precipitation

表1 各時(shí)段徑流系數(shù)和降水量變化程度比較Table 1 Comparison of runoff coefficient and precipitation among different periods

由圖4可知，1961—2018年徑流系數(shù)與降水量經(jīng)歷了較明顯的4次豐枯交替變化：1961—1965年和1982—1993年降水量、徑流系數(shù)均處于高于多年平均值的豐水期；1966—1981年降水量、徑流系數(shù)處于低于多年平均值的枯水期；1994—2002年降水量在波動(dòng)中減小、徑流系數(shù)處于波動(dòng)平穩(wěn)變化；2003—2011年降水量、徑流系數(shù)均處于波動(dòng)平水期；2012—2018年降水量、徑流系數(shù)變化趨勢(shì)相反，降水量處于波動(dòng)上升、徑流系數(shù)處于波動(dòng)下降。

由表1可知：在豐枯各時(shí)段中，1993年前徑流系數(shù)相對(duì)降水量變幅隨著時(shí)間明顯增大，1982—1993年變幅達(dá)到最大，1994年后徑流系數(shù)相對(duì)降水量變幅呈減小趨勢(shì)，這與里下河腹部地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程相一致。改革開放后里下河腹部地區(qū)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，尤其是人口的急劇增長(zhǎng)和快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程使得植被面積和湖蕩區(qū)域逐步減少，自然生態(tài)系統(tǒng)演變退化，地表截水能力和蓄水能力減弱，使得較多的降水量形成徑流量，徑流系數(shù)顯著增大，反映了變化環(huán)境對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)影響的程度達(dá)到最大。20世紀(jì)90年代中期后，尤其是本世紀(jì)以來(lái)有計(jì)劃實(shí)施大面積造林、退耕還林、退田還湖等政策后，區(qū)域植被覆蓋率和河湖水域面積逐步擴(kuò)大，自然生態(tài)環(huán)境開始好轉(zhuǎn)，整個(gè)區(qū)域水土涵養(yǎng)能力、蓄滯水能力增強(qiáng)，產(chǎn)流能力逐漸下降，徑流系數(shù)明顯減小。尤其是2012年后降水量處于豐水期，但徑流系數(shù)卻小于多年平均值，為1961年以來(lái)豐水期產(chǎn)流率最低，表明自然生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)調(diào)節(jié)平衡能力為歷年來(lái)最大。

3.2.3 突變變化

由圖5可以看出：徑流系數(shù)和降水量的突變曲線變化趨勢(shì)與3.2.2節(jié)中的圖4距平累積曲線變化趨勢(shì)一致。在1961—2018年徑流系數(shù)隨著降水量發(fā)生較明顯的4次豐枯交替變化，1966年、1982年、2003年、2012年為降水量、徑流系數(shù)UFK和UBK曲線的交點(diǎn)，即序列可能發(fā)生突變的時(shí)間點(diǎn)。對(duì)上述突變點(diǎn)兩側(cè)序列進(jìn)行滑動(dòng)T檢驗(yàn)計(jì)算，給定顯著水平α=0.05，降水量均未發(fā)生顯著變化，徑流系數(shù)在1966年和1982年發(fā)生顯著突變?？梢?，變化環(huán)境下區(qū)域自然綜合因素的改變，使降水形成徑流的過(guò)程以及水循環(huán)發(fā)生相應(yīng)程度的變異，徑流系數(shù)的變化是氣候變化和人類活動(dòng)共同作用下水循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)能力的綜合反映。

圖5 降水量和徑流系數(shù)突變檢驗(yàn)曲線Fig.5 Curves of abrupt change test for precipitation and runoff coefficient

3.3 相關(guān)性分析

對(duì)1961—2018年豐枯各時(shí)段平均徑流系數(shù)與徑流量、降水量進(jìn)行Spearman和Pearson相關(guān)分析，結(jié)果如表2 。各時(shí)段徑流量與降水量相關(guān)系數(shù)均在0.91以上，均為顯著相關(guān)，即徑流量主要由降水量決定。各豐枯時(shí)段徑流系數(shù)與徑流量的相關(guān)性總體大于與降水量的相關(guān)性，在2002年前徑流系數(shù)與降水量的相關(guān)系數(shù)較小，為0.50～0.90；2003年后均達(dá)到0.96以上，與徑流量相關(guān)性基本一致，表明2003年后區(qū)域水循環(huán)平衡調(diào)節(jié)能力得到了有效改善，自然生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)性增強(qiáng)。

表2 各時(shí)段徑流系數(shù)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of runoff coefficient in different periods

3.4 周期分析

Morlet小波分析結(jié)果表明，徑流系數(shù)遵循降水量的周期變化。圖6為降水量、徑流系數(shù)小波方差。小波方差反映了降水、徑流系數(shù)時(shí)間序列的波動(dòng)能量隨時(shí)間尺度(a)的分布情況。由圖6可見：降水量和徑流系數(shù)主、次周期基本一致，主周期均為22 a左右特征時(shí)間尺度，次周期降水量是8 a和4 a、徑流系數(shù)是9 a和5 a左右特征時(shí)間尺度。以降水量為例，分析各特征時(shí)間尺度下豐枯變化特點(diǎn)與多年平均周期。

圖6 降水量和徑流系數(shù)小波方差Fig.6 Wavelet variances of precipitation and runoff coefficient

圖7為降水量主周期22 a與第1次周期8 a特征時(shí)間尺度的小波實(shí)部曲線，正值表示降水量偏豐，負(fù)值表示降水量偏枯。由圖7可知：在22 a左右特征時(shí)間尺度下，降水量大約經(jīng)歷了4個(gè)周期的豐枯交替變化，平均周期為14～15 a。在8 a左右特征時(shí)間尺度下，年降水量經(jīng)歷了大約10次較為顯著的豐枯循環(huán)交替。根據(jù)22 a左右特征時(shí)間尺度，豐水期約從2015年開始，至2022年左右結(jié)束，根據(jù)次周期8 a左右特征時(shí)間尺度，約在2020年開始進(jìn)入豐水期，至2022年左右結(jié)束。2020—2022年為主、次周期中豐水期的重合期，期間極易發(fā)生極端強(qiáng)降水，尤其是降水量和徑流系數(shù)均較大的7月份，徑流量將處于偏多態(tài)勢(shì)，里下河腹部地區(qū)將面臨較嚴(yán)峻的防汛形勢(shì)。

圖7 降水量22 a和8 a特征時(shí)間尺度小波實(shí)部過(guò)程線Fig.7 Wavelet real part processes of 22 a and 8 a characteristic time scale of precipitation

4 結(jié) 論

本文對(duì)1961—2018年江蘇里下河腹部地區(qū)水循環(huán)和自然生態(tài)系統(tǒng)特征的徑流系數(shù)進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明：

(1)徑流系數(shù)年內(nèi)、年際變化均有其獨(dú)特的區(qū)域性特點(diǎn)。徑流系數(shù)年內(nèi)變化不僅與降水量年內(nèi)分配和極不均勻有關(guān)，還與平原水網(wǎng)地區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)期以及人為活動(dòng)等密切相關(guān)。徑流系數(shù)年際變化隨著降水量豐枯而變化，其變化劇烈程度與里下河腹部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、自然環(huán)境建設(shè)與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的進(jìn)程相一致。

(2)徑流系數(shù)與降水量的主、次周期基本一致，主、次周期均在2020—2022年為豐水期，未來(lái)極易發(fā)生極端強(qiáng)降水，尤其是年降水量較集中的7月份；徑流系數(shù)偏大，徑流量將處于偏多態(tài)勢(shì)，里下河腹部地區(qū)將面臨較嚴(yán)峻的防汛形勢(shì)。因此，積極采取切實(shí)可行的對(duì)策和措施，應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的暴雨洪澇災(zāi)害是當(dāng)務(wù)之急。

(3)徑流系數(shù)的變化規(guī)律對(duì)防洪除澇抗旱具有更直接的指導(dǎo)意義。在同樣歷時(shí)、降水強(qiáng)度等自然因素條件下，徑流系數(shù)越小，產(chǎn)流量越小，即自然植被和生態(tài)環(huán)境的水源涵養(yǎng)能力與調(diào)節(jié)平衡能力增強(qiáng)，流域面臨的防洪抗旱壓力相對(duì)較小。因此，加強(qiáng)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)和自然環(huán)境保護(hù)具有極重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。