新安江流域降水、徑流演變特征分析

潘婭英, 駱月珍， 王亞男, 張 青, 朱占云

(浙江省氣象服務(wù)中心, 杭州 310017)

氣候變化和人類的活動(dòng)是影響河川徑流變化的最主要的兩大因素，由于氣候因素會(huì)造成降水的改變，從而影響地表、地下水資源的多寡，進(jìn)而引起徑流量的豐枯變化。同時(shí)人類活動(dòng)也會(huì)通過(guò)改變下墊面而影響河川的產(chǎn)匯流機(jī)制，徑流量也隨之改變。

目前，在水文和氣象專業(yè)的很多學(xué)者對(duì)降水和徑流的變化都做了較多的有意義的研究，比如孫洋洋[1]、潘彬[2]、張建興[3]等對(duì)黃河上、中、下游的徑流變化特征做了研究，得出黃河各段的徑流量均有明顯減少的趨勢(shì)，且減少趨勢(shì)顯著。宋小燕等[4]認(rèn)為松花江的徑流在100年時(shí)間尺度上并未表現(xiàn)出顯著的增加或減小的趨勢(shì)，但徑流量的年際變化具有明顯的階段性特征。潘扎榮等[5]的分析表明淮河干流徑流量總體表現(xiàn)出遞減的變化趨勢(shì)。郭愛(ài)軍[6]、劉偉[7]、古麗孜巴·艾尼瓦爾[8]等利用小波分析、Copula函數(shù)等方法探討了涇河、清水河等流域徑流量的周期特征以及與徑流、降水的演變規(guī)律。從已有的研究來(lái)看，徑流量的變化與降雨的關(guān)系非常密切。

本文選取新安江流域近57 a的徑流和降水資料，診斷分析降雨、徑流的關(guān)系特征，該研究成果有助于新安江流域合理進(jìn)行水資源的優(yōu)化開(kāi)發(fā)和高效利用，對(duì)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的保障均有重要的實(shí)際意義。

1 研究區(qū)概況

新安江發(fā)源于安徽省休寧縣與江西省交界處的五股尖山，東入浙江省西部，經(jīng)淳安至建德與蘭江匯合后為錢(qián)塘江干流桐江段、富春江段，東北流入錢(qián)塘江，是錢(qián)塘江正源。干流長(zhǎng)373 km，流域面積11 720 km2。全區(qū)面積大，地貌類型多樣，平原、崗地、丘陵和山地俱全，各個(gè)副區(qū)間差異顯著。新安江流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，冬夏季風(fēng)交替明顯，由于季風(fēng)強(qiáng)度出現(xiàn)的時(shí)間年際變化較大，流域內(nèi)易出現(xiàn)旱、澇、高溫、低溫等自然災(zāi)害。

新安江流域內(nèi)的新安江水庫(kù)建立于20世紀(jì)50年代，裝機(jī)容量達(dá)216.26億m3，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。流域范圍117.64°—119.34°E，29.19°—30.23°N，控制流域面積10 480 km2，占新安江流域面積的89.4%。是一座以發(fā)電為主，兼防洪、旅游、飲用水源、養(yǎng)殖以及工農(nóng)業(yè)用水等諸多功能為一體的大型水庫(kù)。

2 資料和方法

2.1 資 料

本文選用新安江水庫(kù)1960—2016年共57 a的實(shí)測(cè)入庫(kù)流量資料以及流域內(nèi)4個(gè)氣象站點(diǎn)資料和10個(gè)水文站的降雨資料作為分析資料。流域面雨量通過(guò)各站點(diǎn)的降雨資料經(jīng)泰森多邊形法計(jì)算得到。為降雨和徑流比較方便，將入庫(kù)流量換算成徑流深，單位為mm。

2.2 分析方法

采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法分析降雨、徑流序列的突變檢驗(yàn)分析。Mann-Kendall檢驗(yàn)是提取序列變化趨勢(shì)的有效工具，被廣泛應(yīng)用于氣候和水文序列的分析[9-10]。該方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計(jì)算也比較簡(jiǎn)便。

另外，利用小波分析法討論降雨、徑流的周期變化特征。小波分析是比較成熟的數(shù)學(xué)分析方法，廣泛地應(yīng)用于大氣、水文等領(lǐng)域，取得了顯著成果[11]。采用Morlet小波可以得到Morlet小波系數(shù)實(shí)部的時(shí)頻結(jié)構(gòu)圖和小波方差，由此可確定序列的主要周期。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨、徑流年際變化特征分析

新安江流域1960—2016年降雨、徑流變化過(guò)程如圖1所示：(1) 降雨、徑流的年際分配不均勻，但兩者演變趨勢(shì)具有一致性，均呈現(xiàn)波動(dòng)增多的趨勢(shì)，其中降水增多趨勢(shì)略微大于徑流。(2) 降雨、徑流的極大值、極小值均同期出現(xiàn)，分別是在1999年和1978年。其中，1999年新安江流域面雨量達(dá)2 410 mm，徑流1 715.94 mm，為歷年極大值。1978年新安江流域面雨量?jī)H1 040 mm，徑流478 mm，為歷年極小值。

圖1 新安江流域降雨、徑流年際變化

3.2 降雨、徑流年內(nèi)特征分析

新安江流域年內(nèi)各月的降雨、徑流如圖2所示，新安江流域降雨各月分配極不均勻，從1月起逐漸增加，至6月達(dá)最大值319.6 mm，該月雨量占年總雨量的18.9%。7月起雨量迅速減小，至12月為全年最小值僅49.6，該月雨量占年總雨量的2.9%。新安江流域4—7月為年內(nèi)降雨最為集中的時(shí)段，該時(shí)段總雨量達(dá)931.2 mm，占全年總雨量的55%。

新安江流域徑流量從1月起逐漸增加，至6月達(dá)最大值216.2 mm，該月徑流占年徑流的21.7%。7月起徑流量迅速減小，至12月達(dá)全年最小值21.3 mm，該月徑流量?jī)H占年徑流量的2.1%。新安江流域4—7月是一年中徑流量較為集中的時(shí)段，該時(shí)段的徑流量627.2 mm,占年總徑流量的63.1%。

因此，新安江流域降雨和徑流的年內(nèi)的月際分配具有相似特征，均呈一致的單峰型變化。4—5月新安江流域處于春季，天氣系統(tǒng)活躍，易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水及春季連陰雨天氣，降水量較冬季明顯增加，徑流也明顯增大。6—7月上中旬該流域處于雨量最大、最集中的梅汛期，易出現(xiàn)連續(xù)性陰雨天氣和暴雨天氣，徑流迅速增大。7月中下旬—9月份新安江流域進(jìn)入臺(tái)風(fēng)干旱期，當(dāng)有臺(tái)風(fēng)影響的時(shí)段，該流域容易形成臺(tái)風(fēng)降水，多以過(guò)程性降水為主；當(dāng)沒(méi)有臺(tái)風(fēng)影響時(shí)該流域均為高溫干旱天氣，降水多為午后雷陣雨為主，雨量迅速減小，徑流也迅速減小。10月—翌年3月是新安江流域的秋冬季節(jié)，降水明顯減小，為一年之中雨量最少的時(shí)段，徑流亦如此。4—7月是新安江流域降雨、徑流是一年中最大、最為集中的時(shí)段，也是該流域洪水災(zāi)害多發(fā)時(shí)期。

圖2 新安江流域降雨、徑流月際變化

3.3 降雨、徑流的突變性分析

采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法分別對(duì)新安江流域降雨、徑流序列突變檢驗(yàn)分析(圖3)，在顯著性水平0.05，臨界值為±1.96的條件下，1960—1968年UF基本小于0，且在臨界值之內(nèi)，說(shuō)明降雨(圖3A)持續(xù)偏少，且有緩慢上升的趨勢(shì)，但變化不顯著。1969—1988年UF值大于0，且與UB交替上下，并小于臨界值，說(shuō)明趨勢(shì)不顯著。1989—2002年，這兩段時(shí)間UF值呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明降雨明顯增多。2003—2012年UF呈減少趨勢(shì)，說(shuō)明降水量明顯減少。2013年后UF值又上升，說(shuō)明降水量增加。在1960—2016年的UF和UB曲線相交于1972年、1978年、1979年、1980年、1984年、1988年、2002年、2009年、2012年，結(jié)合UF，UB曲線的變化，可知新安江流域年雨量變化在1971年、1988年、2003年、2009年有4個(gè)明顯的突變時(shí)間點(diǎn)，其中1971年、1988年、2009年是降雨由少轉(zhuǎn)多的突變年份，2003年是降雨由多轉(zhuǎn)少的突變年份。

如圖3B所示，1960—1968年UF基本小于0，且在臨界值之內(nèi)，說(shuō)明該時(shí)段處于徑流偏少的枯水期，但有緩慢上升的趨勢(shì)。1969—1978年、1980—2002年，這兩段時(shí)間UF值先波動(dòng)后上升，總體來(lái)看徑流處于豐水期。2003—2009年UF呈減少的趨勢(shì)，說(shuō)明徑流量逐漸減小的枯水期中。2010—2016年，UF值又上升，說(shuō)明徑流量呈上升趨勢(shì)，由枯轉(zhuǎn)豐。在1960—2016年的UF和UB曲線相交于1972年、1978年、1979年、2003年、2009年，結(jié)合UF，UB曲線的變化，可知新安江流域年徑流變化在1971年、2003年、2009年是3個(gè)發(fā)生突變的時(shí)間點(diǎn)，其中1971年、2009年的年徑流由枯轉(zhuǎn)豐，2003年的年徑流由豐轉(zhuǎn)枯。可見(jiàn)，新安江流域徑流與降雨的突變異常時(shí)間基本吻合，徑流變化受降雨的影響顯著。

圖3 新安江流域降雨、徑流突變檢驗(yàn)

3.4 降雨、徑流的周期分析

采用Morlet小波對(duì)新安江流域年降雨、徑流進(jìn)行小波變換分析，小波實(shí)系數(shù)等值線圖反映了降雨、徑流包含的周期與振幅大小。如圖4所示，降雨、徑流偏多，小波實(shí)系數(shù)為正值用實(shí)線表示；反之，降雨、徑流偏少，小波實(shí)系數(shù)等值線用虛線表示。根據(jù)1960—2016年新安江流域的年降雨量、徑流的年際變化均存在著2～3 a，5～8 a，10～20 a的多重時(shí)間尺度上的周期。新安流域年降雨量具有10～20 a尺度的周期振蕩規(guī)律，共經(jīng)歷了3次枯—豐循環(huán)交替過(guò)程。5～8 a的周期變化主要發(fā)生在20世紀(jì)70—80年代以及2008年以后，先后共經(jīng)歷了4次枯—豐循環(huán)交替過(guò)程。2～3 a的周期變化主要發(fā)生在1985年之前，以及1990—2005年，共經(jīng)歷了9個(gè)豐—枯循環(huán)交替變化過(guò)程。目前正處于大、小周期中的豐水年周期里。

新安江年降雨、徑流序列的小波方差分析反映了其波動(dòng)能量隨著時(shí)間尺度的變化情況，以及小波變換系數(shù)在不同周期內(nèi)方差貢獻(xiàn)的相對(duì)極大值，據(jù)此，可以準(zhǔn)確判斷出降雨、徑流變化過(guò)程中存在的主周期。新安江的年降雨、徑流序列的周期振蕩一致，第1主周期均為17 a，第2，3周期分別是7 a，3 a，可見(jiàn)，新安江流域徑流的振蕩周期是由降雨的振蕩周期引起的。

圖4 新安江流域降雨、徑流小波分析實(shí)系數(shù)和小波方差

3.5 降雨、徑流的相關(guān)分析

計(jì)算新安江流域年降雨、年徑流序列的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.962 4，月降雨、月徑流序列的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.951 3，新安江流域的徑流變化與同期降雨高度相關(guān)。結(jié)合徑流與降雨的時(shí)間序列變化、突變和周期等特征分析可知，新安江流域的徑流與降雨變化有著極其吻合的同步變化特征，新安江流域?qū)儆谟晁a(bǔ)給型河流，降雨是影響該流域徑流最主要的因子。

將月降雨與月徑流建立降雨徑流的擬合分析，降雨與徑流以線性形式擬合最好，回歸方程如下：

Y=0.776X-26.672

(1)

式中：X為降雨量(mm)；Y為月徑流(mm)，該回歸方程的擬合優(yōu)度即判定系數(shù)R2為0.905，說(shuō)明該線性擬合模型的效果顯著。

由此可以利用新安江流域月降雨量的預(yù)測(cè)來(lái)判斷月徑流量的豐枯變化，以2016年1—12月的月雨量作為試報(bào)變量，用該回歸方程可計(jì)算出同期月徑流的預(yù)測(cè)值(圖5)，除7月份的絕對(duì)誤差達(dá)27.6 mm，其余11個(gè)月的絕對(duì)誤差均在10 mm以內(nèi)；相對(duì)誤差均20%以內(nèi)；預(yù)測(cè)值與實(shí)況值較為一致。

在業(yè)務(wù)應(yīng)用過(guò)程中，新安江流域特別需要有月尺度上的徑流預(yù)測(cè)來(lái)作為生產(chǎn)和調(diào)度的決策依據(jù)，對(duì)于流域徑流長(zhǎng)期預(yù)報(bào)可以利用氣象部門(mén)的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)中的流域月雨量預(yù)報(bào)，并通過(guò)該線性回歸模型對(duì)流域月徑流量做出較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。因此該線性回歸模型在新安江流域長(zhǎng)期徑流量的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖5 月徑流分月預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)對(duì)比

4 結(jié) 論

(1) 新安江流域降雨、徑流的年際分配不均勻，但兩者演變趨勢(shì)具有一致性，均呈現(xiàn)波動(dòng)增多的趨勢(shì)。兩序列的月際分配均呈一致的單峰型變化，春夏季的4—7月是該流域降雨和徑流最為集中的時(shí)段，也是同期洪水災(zāi)害最為多發(fā)的時(shí)段。

(2) 新安江流域徑流與降雨的突變異常時(shí)間基本吻合，徑流變化受降雨的影響顯著。新安江流域年雨量序列有4個(gè)明顯的突變年份，其中1971年、1988年、2009年是降雨明顯增多的突變年份，2003年是徑流明顯減小的突變年份。徑流量序列有3個(gè)發(fā)生突變的年份，其中1971年、2009年的年徑流由枯轉(zhuǎn)豐，2003年的年徑流由豐轉(zhuǎn)枯。

(3) 新安江的年降雨、徑流序列的周期振蕩一致，第1主周期均為17 a，第2，3周期分別是7 a，3 a。目前正處于不同周期中的豐水年中。新安江流域徑流的振蕩周期是由降雨的振蕩周期引起的。

(4) 新安江流域的徑流與降雨變化有著極其吻合的同步變化特征，新安江流域?qū)儆谟晁a(bǔ)給型河流，降雨是影響該流域徑流最主要的因子。

(5) 新安江流域降雨與徑流高度相關(guān)。利用這兩組序列建立線性回歸模型效果較好，在流域長(zhǎng)期徑流量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中有一定的應(yīng)用價(jià)值。