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，由于氣候因素會造成降水的改變，從而影響地表、地下水資源的多寡，進而引起徑流量的豐枯變化。同時人類活動也會通過改變下墊面而影響河川的產(chǎn)匯流機制，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，且減少趨勢顯著。宋小燕等[4]認為松花江的徑流在100年時間尺度上并未表現(xiàn)出顯著的增加或減小的趨勢，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。郭愛軍[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行水資源的優(yōu)化開發(fā)和高效利用，對區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全的保障均有重要的實際意義。

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塘江干流桐江段、富春江段，東北流入錢塘江，是錢塘江正源。干流長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)強度出現(xiàn)的時間年際變化較大，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)的新安江水庫建立于20世紀50年代，裝機容量達216.26億m3，為多年調(diào)節(jié)水庫。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。

2 資料和方法

2.1 資 料

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

2.2 分析方法

采用Mann-Kendall檢驗法分析降雨、徑流序列的突變檢驗分析。Mann-Kendall檢驗是提取序列變化趨勢的有效工具，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)計檢驗方法，其優(yōu)點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，計算也比較簡便。

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)實部的時頻結(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，但兩者演變趨勢具有一致性，均呈現(xiàn)波動增多的趨勢，其中降水增多趨勢略微大于徑流。(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僅1 040 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)降雨最為集中的時段，該時段總雨量達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月達全年最小值21.3 mm，該月徑流量僅占年徑流量的2.1%。新安江流域4—7月是一年中徑流量較為集中的時段，該時段的徑流量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)短時強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月份新安江流域進入臺風(fēng)干旱期，當有臺風(fēng)影響的時段，該流域容易形成臺風(fēng)降水，多以過程性降水為主；當沒有臺風(fēng)影響時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、最為集中的時段，也是該流域洪水災(zāi)害多發(fā)時期。

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檢驗法分別對新安江流域降雨、徑流序列突變檢驗分析(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)，說明降雨(圖3A)持續(xù)偏少，且有緩慢上升的趨勢，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，說明趨勢不顯著。1989—2002年，這兩段時間UF值呈上升趨勢，說明降雨明顯增多。2003—2012年UF呈減少趨勢，說明降水量明顯減少。2013年后UF值又上升，說明降水量增加。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個明顯的突變時間點，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)，說明該時段處于徑流偏少的枯水期，但有緩慢上升的趨勢。1969—1978年、1980—2002年，這兩段時間UF值先波動后上升，總體來看徑流處于豐水期。2003—2009年UF呈減少的趨勢，說明徑流量逐漸減小的枯水期中。2010—2016年，UF值又上升，說明徑流量呈上升趨勢，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個發(fā)生突變的時間點，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，新安江流域徑流與降雨的突變異常時間基本吻合，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

3.4 降雨、徑流的周期分析

采用Morlet小波對新安江流域年降雨、徑流進行小波變換分析，小波實系數(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，小波實系數(shù)為正值用實線表示；反之，降雨、徑流偏少，小波實系數(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)交替過程。5～8 a的周期變化主要發(fā)生在20世紀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個豐—枯循環(huán)交替變化過程。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能量隨著時間尺度的變化情況，以及小波變換系數(shù)在不同周期內(nèi)方差貢獻的相對極大值，據(jù)此，可以準確判斷出降雨、徑流變化過程中存在的主周期。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，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、徑流小波分析實系數(shù)和小波方差

3.5 降雨、徑流的相關(guān)分析

計算新安江流域年降雨、年徑流序列的相關(guān)系數(shù)達0.962 4，月降雨、月徑流序列的相關(guān)系數(shù)達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)測來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變量，用該回歸方程可計算出同期月徑流的預(yù)測值(圖5)，除7月份的絕對誤差達27.6 mm，其余11個月的絕對誤差均在10 mm以內(nèi)；相對誤差均20%以內(nèi)；預(yù)測值與實況值較為一致。

在業(yè)務(wù)應(yīng)用過程中，新安江流域特別需要有月尺度上的徑流預(yù)測來作為生產(chǎn)和調(diào)度的決策依據(jù)，對于流域徑流長期預(yù)報可以利用氣象部門的長期預(yù)報中的流域月雨量預(yù)報，并通過該線性回歸模型對流域月徑流量做出較準確的預(yù)測。因此該線性回歸模型在新安江流域長期徑流量的預(yù)報業(yè)務(wù)中有一定的應(yīng)用價值。

圖5 月徑流分月預(yù)測與實測對比

4 結(jié) 論

(1) 新安江流域降雨、徑流的年際分配不均勻，但兩者演變趨勢具有一致性，均呈現(xiàn)波動增多的趨勢。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段，也是同期洪水災(zāi)害最為多發(fā)的時段。

(2) 新安江流域徑流與降雨的突變異常時間基本吻合，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，在流域長期徑流量預(yù)報業(yè)務(wù)中有一定的應(yīng)用價值。