南水北調(diào)東線調(diào)水區(qū)及受水區(qū)降水徑流變化特征

陶佳輝，卞錦宇，敖天其，呂良華，耿雷華，王 歡

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

2002年8月，國(guó)務(wù)院審議通過(guò)了《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》(以下簡(jiǎn)稱《總體規(guī)劃》)，自此南水北調(diào)工程由規(guī)劃階段進(jìn)入實(shí)施階段。南水北調(diào)工程是實(shí)現(xiàn)水資源南北調(diào)配、東西互濟(jì)，提高水資源與人口、經(jīng)濟(jì)時(shí)空匹配性的國(guó)家戰(zhàn)略性工程。全球氣候變化改變區(qū)域水循環(huán)條件[1]，使南水北調(diào)工程所涉長(zhǎng)江和黃淮海流域來(lái)水條件發(fā)生了動(dòng)態(tài)調(diào)整，改變了調(diào)水區(qū)可調(diào)水量和受水區(qū)水資源需求，從而影響調(diào)水規(guī)模和工程運(yùn)行方式[2-4]。目前，學(xué)者們對(duì)南水北調(diào)工程調(diào)水區(qū)及受水區(qū)水文情勢(shì)變化特征開(kāi)展了一系列研究工作[5-7]。夏軍等[8]基于Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)、彈性系數(shù)法和水文模擬法等方法，發(fā)現(xiàn)1961—2013年漢江上游流域徑流呈明顯下降趨勢(shì)，降水及潛在蒸發(fā)變化趨勢(shì)不明顯；左其亭等[9]從地理學(xué)的角度，對(duì)南水北調(diào)中線調(diào)水區(qū)主要特征參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)梳理，分析了水資源特征、水資源開(kāi)發(fā)利用演變過(guò)程以及存在的問(wèn)題；張曉松等[10]根據(jù)東線受水區(qū)1951—2012年降水資料，分析得出江蘇省沂南水利分區(qū)降水呈不顯著減少趨勢(shì)，變化周期為27 a；方思達(dá)等[11]基于中線工程水源區(qū)與受水區(qū)歷史旱澇變化特征，分析了近500 a來(lái)的旱澇遭遇特征及調(diào)水保障概率；楊鵬鵬等[12]通過(guò)Spearman、小波分析等方法，分析得出西線調(diào)水區(qū)年徑流量變化趨勢(shì)總體不明顯，認(rèn)為氣候變化是流域徑流量變化的主要影響因素。相關(guān)研究對(duì)南水北調(diào)工程的規(guī)劃與運(yùn)行提供了一定的科學(xué)依據(jù)[13-15]，但《總體規(guī)劃》以2000年作為規(guī)劃的現(xiàn)狀水平年，論證可調(diào)水量和工程規(guī)模所采用的水文資料系列均截至2000年甚至更短。而長(zhǎng)江和黃淮海四大流域降水、徑流系列已延長(zhǎng)近20 a，并且2000年以來(lái)長(zhǎng)江和黃淮海流域降水、徑流等氣象水文要素已檢測(cè)到一定的變異信號(hào)[16-17]。鑒于此，本文以1956—2016年為研究期，以南水北調(diào)東線工程調(diào)水區(qū)、受水區(qū)為研究范圍，以1956—2000年為基準(zhǔn)期，以2001—2016年為比較期，基于東線工程調(diào)水區(qū)、受水區(qū)長(zhǎng)系列降水和徑流資料，采用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)、小波分析等定量分析方法，通過(guò)比較期與基準(zhǔn)期降水、徑流序列統(tǒng)計(jì)特征值，分析數(shù)據(jù)延長(zhǎng)后統(tǒng)計(jì)特性上的差異，闡明數(shù)據(jù)系列變化對(duì)南水北調(diào)工程水資源條件的影響，為確保南水北調(diào)東線工程科學(xué)建設(shè)和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

南水北調(diào)東線工程從長(zhǎng)江下游江都樞紐和寶應(yīng)抽水站取水，基本沿京杭大運(yùn)河向北輸水。主要供水目標(biāo)是解決調(diào)水線路沿線和山東半島城市及工業(yè)用水，并在北方需要時(shí)，提供農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境用水。根據(jù)《南水北調(diào)東線工程規(guī)劃》(2001年修訂)，東線工程一期調(diào)江水量89.37億m3，二期規(guī)模148.17億m3(含一期規(guī)模)。東線一期工程已建成并于2013年11月正式通水。

圖1為南水北調(diào)東線工程調(diào)水區(qū)與受水區(qū)范圍，受水區(qū)包括淮河、海河和黃河流域的4個(gè)省25個(gè)地級(jí)城市及天津市，其中江蘇省5個(gè)(揚(yáng)州、淮安、宿遷、徐州、連云港)、安徽省3個(gè)(蚌埠、淮北、宿州)、山東省14個(gè)(棗莊、濟(jì)寧、菏澤、泰安、濟(jì)南、淄博、濰坊、青島、聊城、德州、濱州、東營(yíng)、威海、煙臺(tái))，河北省2個(gè)(衡水、滄州)；調(diào)水區(qū)為長(zhǎng)江流域，以長(zhǎng)江干流大通水文站(集水面積170.5萬(wàn)km2，占長(zhǎng)江流域總面積的95.6%)作為分析節(jié)點(diǎn)，結(jié)合長(zhǎng)江全流域研究其降水量與天然徑流量；受水區(qū)針對(duì)沿線25市研究其降水量與徑流量。

圖1 南水北調(diào)東線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)范圍Fig.1 Scope of water transfer area and water receiving area of the East Route of South to North Water Transfer Project

1.2 數(shù)據(jù)資料

收集了研究區(qū)4個(gè)省25個(gè)地級(jí)城市及天津市1956—2016年逐年降水量和逐年地表徑流量、長(zhǎng)江大通水文站1956—2016年逐月天然徑流量，結(jié)合全國(guó)水資源公報(bào)、長(zhǎng)江水資源公報(bào)、黃河水資源公報(bào)、相關(guān)地市水資源公報(bào)等資料，作為本文的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 研究方法

水文氣象序列趨勢(shì)分析主要判斷水文序列是否存在顯著趨勢(shì)特征以及該序列趨勢(shì)是上升還是下降[18]。本文采用非參數(shù)M-K檢驗(yàn)法[19-20]進(jìn)行趨勢(shì)分析，采用Morlet小波作為基函數(shù)進(jìn)行小波變換分析[21]開(kāi)展水文周期性研究，從而揭示南水北調(diào)東線工程調(diào)水區(qū)及受水區(qū)水文序列變化特征。

2 調(diào)水區(qū)變化特征

2.1 調(diào)水區(qū)降水

a.總體變化特征。調(diào)水區(qū)基準(zhǔn)期多年平均年降水量為1 084.7 mm，比較期多年平均年降水量為1 069.2 mm，較基準(zhǔn)期下降約1.4%，總體變化不明顯(圖2)。年降水量最大(1998年)為1 239.1 mm，最小(1978年)為922.5 mm，降水年際間有明顯差異。對(duì)基準(zhǔn)期與比較期調(diào)水區(qū)年降水量采用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行水文頻率分析，結(jié)果見(jiàn)表1，表中Cv為變差系數(shù)，Cs為偏態(tài)系數(shù)，對(duì)水文序列進(jìn)行頻率分析時(shí)，一般要求序列長(zhǎng)度大于30 a，比較期時(shí)段較短，因此僅計(jì)算了Cv值。

圖2 1956—2016年調(diào)水區(qū)年降水變化Fig.2 Annual precipitation change in water transfer area from 1956 to 2016

表1 調(diào)水區(qū)水文頻率分析結(jié)果Table 1 Hydrological frequency analysis results of water transfer area

b.M-K趨勢(shì)分析。對(duì)調(diào)水區(qū)降水進(jìn)行M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)95%置信水平的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，基準(zhǔn)期降水序列統(tǒng)計(jì)值Z為0.73，比較期降水序列Z值為1.22，1956—2016年調(diào)水區(qū)降水序列Z值為-0.02，可見(jiàn)基準(zhǔn)期、比較期、研究期3個(gè)時(shí)段調(diào)水區(qū)年降水量變化趨勢(shì)均不顯著。

c.小波周期分析。圖3為1956—2016年調(diào)水區(qū)降水量小波變換系數(shù)實(shí)部等值線，圖3中綠色部分實(shí)線為正值等值線，代表豐水期，黃色部分虛線為負(fù)值等值線，代表枯水期。由圖3可見(jiàn)，在4 a、13 a左右的時(shí)間尺度豐枯交替變化比較明顯；在13 a的周期尺度上，降水量經(jīng)歷了“枯-豐-枯-豐”的循環(huán)交替過(guò)程，可推測(cè)未來(lái)一個(gè)周期調(diào)水區(qū)降水量將呈上升趨勢(shì)。圖4為1956—2016年調(diào)水區(qū)降水量小波變換方差過(guò)程線，同樣顯示出在4 a、13 a左右時(shí)間尺度的極值周期較明顯。綜合分析可知，在30 a左右的時(shí)間尺度上調(diào)水區(qū)降水存在一定的周期變化規(guī)律，但具體時(shí)間尺度不明顯，這可能是由于降水序列長(zhǎng)度不夠，限于數(shù)據(jù)原因，無(wú)法分析出具體的主周期。

圖3 1956—2016年調(diào)水區(qū)降水量小波變換系數(shù)實(shí)部等值線Fig.3 Real part isoline of wavelet transform coefficient of precipitation in water transfer area from 1956 to 2016

圖4 1956—2016年調(diào)水區(qū)降水量小波變換方差過(guò)程線Fig.4 Wavelet transform variance hydrograph of precipitation in water transfer area from 1956 to 2016

2.2 調(diào)水區(qū)徑流

a.總體變化特征。長(zhǎng)江大通水文站1956—2016年平均天然徑流量為9 454.2億m3?；鶞?zhǔn)期年均徑流量為9 501.1億m3，比較期平均徑流量為9 322.6億m3，較基準(zhǔn)期下降1.9%(圖5)。大通站最豐年(1998年)徑流量達(dá)到13 132.6億m3，最枯年(1978年)徑流量?jī)H為7 333.5億m3。表2為大通站水文頻率分析結(jié)果，基準(zhǔn)期平水年徑流量為9 432.8m3，研究期平水年徑流量為9 368.7m3。

表2 大通站水文頻率分析結(jié)果Table 2 Hydrological frequency analysis results of Datong Station

圖5 1956—2016年大通站天然年徑流量變化Fig.5 Variation of natural annual runoff at Datong Station from 1956 to 2016

b.M-K趨勢(shì)分析。對(duì)調(diào)水區(qū)徑流進(jìn)行M-K趨勢(shì)分析結(jié)果表明，經(jīng)95%置信水平的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，基準(zhǔn)期大通站年徑流序列Z值為2.07，比較期徑流序列Z值為0.69，研究期徑流序列Z值為1.18，可見(jiàn)大通站基準(zhǔn)期年徑流量呈顯著上升趨勢(shì)，比較期年徑流量呈不顯著上升趨勢(shì)，研究期年徑流量呈一定上升趨勢(shì)但不顯著。

c.小波周期分析。圖6為1956—2016年大通站徑流量小波變換系數(shù)實(shí)部等值線，從圖6可見(jiàn)，大通站年徑流量序列主周期為28 a，次周期為12 a；28 a的周期尺度較為明顯，主次周期內(nèi)徑流量經(jīng)歷了“枯-豐-枯-豐”的循環(huán)交替過(guò)程，反映了大通站徑流具有明顯的周期性和波動(dòng)性。同時(shí)，在28 a的時(shí)間尺度上，2000—2016年長(zhǎng)江流域經(jīng)歷了一段徑流偏少期，降水變化周期類似，推測(cè)未來(lái)一個(gè)周期大通站將處于徑流偏多期，這為東線工程一期調(diào)水提供了穩(wěn)定的水源條件。圖7為1956—2016年大通站徑流量小波變換方差過(guò)程線，可見(jiàn)，在5 a、12 a、28 a左右時(shí)間尺度的極值周期較明顯。最大峰值對(duì)應(yīng)著28 a左右的時(shí)間尺度，說(shuō)明28 a左右的周期震蕩最強(qiáng)，為大通站年徑流量的第一主周期；12 a左右時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)著第二峰值，為第二主周期；5 a左右的時(shí)間尺度為第三主周期。

圖6 1956—2016年大通站徑流量小波變換系數(shù)實(shí)部等值線Fig.6 Real part contour of wavelet transform coefficient of runoff at Datong Station from 1956 to 2016

圖7 1956—2016年大通站徑流量小波變換方差過(guò)程線Fig.7 Wavelet transform variance hydrograph of runoff at Datong Station from 1956 to 2016

3 受水區(qū)變化特征

3.1 受水區(qū)降水

a.總體變化特征。按南水北調(diào)東線工程受水區(qū)涉及的25個(gè)地級(jí)行政區(qū)計(jì)算，受水區(qū)基準(zhǔn)期平均降水量為699.0 mm，比較期平均降水量為703.7 mm，與基準(zhǔn)期基本持平，總體變化不明顯(圖8)。表3為不同時(shí)段受水區(qū)降水量水文頻率分析結(jié)果，東線受水區(qū)基準(zhǔn)期平水年降水量為691.6 mm，研究期平水年降水量為693.7 mm。根據(jù)1956—2016年受水區(qū)5個(gè)省相關(guān)地市的降水量資料，安徽省和江蘇省多年平均降水量均超過(guò)800 mm，山東省、河北省和天津市多年平均降水量為500～600 mm。與基準(zhǔn)期相比，比較期江蘇省、安徽省、山東省受水區(qū)降水有一定增加，增長(zhǎng)率分別達(dá)到3.7%、2.1%及3.7%；但比較期河北省和天津市受水區(qū)降水較基準(zhǔn)期有所下降，兩市受水區(qū)合計(jì)減少60.1 mm，相對(duì)減少率分別為5.6%和5.2%。

(a) 全部受水區(qū)

(b) 江蘇受水區(qū)

(c) 安徽受水區(qū)

(d) 山東受水區(qū)

(e) 河北受水區(qū)

(f) 天津受水區(qū)圖8 1956—2016年?yáng)|線受水區(qū)年降水量變化Fig.8 Variation of annual precipitation in the water-receiving area of Eastern Route from 1956 to 2016

表3 不同時(shí)段受水區(qū)降水量水文頻率分析結(jié)果Table 3 Hydrological frequency analysis results of precipitation in water receiving areas at different periods

b.M-K趨勢(shì)分析。表4為受水區(qū)降水量M-K趨勢(shì)分析結(jié)果，經(jīng)95%置信水平的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，基準(zhǔn)期受水區(qū)降水量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中山東省呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，其他省級(jí)行政區(qū)呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)。比較受水區(qū)各省級(jí)行政區(qū)基準(zhǔn)期Z值大小，得到降水量下降趨勢(shì)顯著性由大到小排序?yàn)椋荷綎|省、河北省、江蘇省、天津市和安徽??；比較期受水區(qū)年降水量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，江蘇省、河北省和天津市呈不顯著上升趨勢(shì)，安徽省和山東省呈不顯著下降趨勢(shì)；研究期受水區(qū)年降水量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，各省市均呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)。

表4 受水區(qū)降水量M-K趨勢(shì)分析結(jié)果Table 4 M-K trend analysis results of precipitation in the catchment area

c.小波周期分析。圖9為受水區(qū)降水量小波轉(zhuǎn)換系數(shù)實(shí)部等值線，可見(jiàn)，天然年降水量表現(xiàn)為25 a、12 a左右時(shí)間尺度的周期，在該時(shí)間尺度上，年降水量的豐枯交替變化十分明顯。25 a的大周期與12 a的小周期呈現(xiàn)一定的嵌套關(guān)系，從25 a的大周期上看，降水量在該時(shí)間尺度上經(jīng)歷了3次“豐-枯”交替變化，目前東線受水區(qū)正處于年降水量偏少期。圖10為1956—2016年受水區(qū)降水量小波變換方差過(guò)程線，在4 a、12 a、17 a及25 a左右時(shí)間尺度的極值周期較明顯。最大峰值對(duì)應(yīng)著25 a左右的時(shí)間尺度，說(shuō)明25 a左右的周期震蕩最強(qiáng)，為東線受水區(qū)天然年降水的第一主周期；17 a左右時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)著第二峰值，為第二主周期；12 a、4 a左右的時(shí)間尺度分別為第三、第四主周期。

圖9 1956—2016年受水區(qū)降水量小波變換系數(shù)實(shí)部等值線Fig.9 Real part isoline of wavelet transform coefficient of precipitation in catchment area from 1956 to 2016

圖10 1956—2016年受水區(qū)降水量小波變換方差過(guò)程線Fig.10 Wavelet transform variance hydrograph of precipitation in watershed area from 1956 to 2016

3.2 受水區(qū)徑流

a.總體變化特征。1956—2016年受水區(qū)平均徑流量為284.4億m3。基準(zhǔn)期年均徑流量為281.5億m3，比較期平均徑流量為292.5億m3，較基準(zhǔn)期略有上升，上升率為3.9%，總體變化不明顯(圖11)。最豐年(1964年)徑流量為731億m3，最枯年(2002年)徑流量為83.0億m3，極值比為8.8。表5為受水區(qū)徑流水文頻率分析結(jié)果，從表5可見(jiàn)，受水區(qū)研究期平水年徑流量為261.9m3，基準(zhǔn)期平水年徑流量為259.2m3。河北省1956—2016年多年平均徑流量最小，僅為2.6億m3，山東省和江蘇省多年平均徑流量均大于100億m3，安徽省和天津市多年平均徑流量均大于10億m3。與基準(zhǔn)期對(duì)比，比較期江蘇省、安徽省受水區(qū)徑流量有較大增加，增長(zhǎng)率分別達(dá)到18.5%、10.0%，但山東省、河北省和天津市受水區(qū)天然徑流量較基準(zhǔn)期有所下降，3省市受水區(qū)合計(jì)減少10.1億m3，相對(duì)減少率分別為5.8%、4.0%和9.6%。綜合分析受水區(qū)降水與徑流的均值變化情況，以山東省和天津市為例，比較期山東省降水較基準(zhǔn)期增加3.5%，但天然徑流下降5.8%；天津市降水較基準(zhǔn)期下降5.2%，但天然徑流量下降9.6%，要高于降水的下降率。分析原因可能是人類活動(dòng)對(duì)下墊面產(chǎn)生了一定的影響，導(dǎo)致了以上兩種情況的出現(xiàn)，說(shuō)明人類活動(dòng)在一定程度上影響了區(qū)域水資源量[22-23]。

表5 受水區(qū)徑流量水文頻率分析結(jié)果Table 5 Hydrological frequency analysis results of runoff in the catchment area

(a) 全部受水區(qū)

(b) 江蘇受水區(qū)

(c) 山東受水區(qū)

(d) 安徽受水區(qū)

(e) 河北受水區(qū)

(f) 天津受水區(qū)圖11 東線受水區(qū)1956—2016年天然徑流量變化Fig.11 Variation of natural runoff in the water-receiving area of Eastern Route from 1956 to 2016

b.M-K趨勢(shì)分析。表6為受水區(qū)年徑流量M-K趨勢(shì)分析結(jié)果，經(jīng)95%置信水平統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，總受水區(qū)以及江蘇省、安徽省和天津市受水區(qū)年徑流量表現(xiàn)出一定下降態(tài)勢(shì)但不顯著，而山東省、河北省受水區(qū)年徑流量下降態(tài)勢(shì)較其他受水區(qū)明顯，這在一定程度上說(shuō)明兩省受水區(qū)的水資源量呈下降趨勢(shì)，反映了南水北調(diào)工程?hào)|線調(diào)水的必要性。

表6 受水區(qū)年徑流量M-K趨勢(shì)分析結(jié)果Table6 M-K trend analysis results of annual runoff in the catchment area

c.小波周期分析。圖12為1956—2016年受水區(qū)徑流量小波變換系數(shù)實(shí)部等值線，可見(jiàn)徑流變化主周期為20 a，次周期為12 a，主次周期內(nèi)徑流量經(jīng)歷了“枯-豐-枯-豐”的循環(huán)交替過(guò)程?？傮w來(lái)說(shuō)，在4 a、12 a、20 a左右時(shí)間尺度的豐枯交替變化特征比較明顯。在20 a的周期尺度上，共經(jīng)歷了4次較為完整的豐枯交替過(guò)程，推測(cè)目前受水區(qū)正處于徑流偏少期。圖13為1956—2016年受水區(qū)徑流量小波變換方差過(guò)程線，可見(jiàn)，在4 a、12 a、20 a左右時(shí)間尺度的極值周期較明顯。最大峰值對(duì)應(yīng)著20 a左右的時(shí)間尺度，說(shuō)明20 a左右的周期震蕩最強(qiáng)，為東線受水區(qū)天然年徑流量的第一主周期；12 a左右時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)著第二峰值，為第二主周期；4 a左右的時(shí)間尺度為第三主周期。

圖12 1956—2016年受水區(qū)徑流量小波變換系數(shù)實(shí)部等值線Fig.12 Real part contour of wavelet transform coefficient of runoff in catchment area from 1956 to 2016

圖13 1956—2016年受水區(qū)徑流量小波變換方差過(guò)程線Fig.13 Wavelet transform variance hydrograph of runoff in catchment area from 1956 to 2016

4 結(jié) 論

a.東線調(diào)水區(qū)水資源條件較為平穩(wěn)，其統(tǒng)計(jì)特征無(wú)顯著變化。相對(duì)于基準(zhǔn)期，比較期東線調(diào)水區(qū)降水量變化不明顯，長(zhǎng)江大通站天然徑流量較基準(zhǔn)期略有下降。以長(zhǎng)江大通控制斷面徑流計(jì)算，根據(jù)《總體規(guī)劃》，東線工程一、二期共調(diào)水195.23億m3，調(diào)水量?jī)H占大通站多年平均年徑流量的2%左右。因此，可以認(rèn)為長(zhǎng)江流域天然水資源條件可穩(wěn)定支撐東線工程建設(shè)運(yùn)行。

b.東線受水區(qū)部分地區(qū)本地水資源嚴(yán)重不足的局面在2000年之后無(wú)明顯變化。相對(duì)于基準(zhǔn)期，比較期東線受水區(qū)年降水量較基準(zhǔn)期基本無(wú)變化，天然徑流量總體較基準(zhǔn)期上升3.9%，但山東省、河北省和天津市受水區(qū)天然徑流量較基準(zhǔn)期有所下降，3省市受水區(qū)合計(jì)減少10.1億m3，相對(duì)減少率為6.6%。