淮河流域地表水資源量變化及降水驅動效應分析

錢名開 徐勝 梁樹獻 劉開磊

（淮河水利委員會水文局（信息中心），蚌埠 233001）

0 引言

淮河流域位于我國南北氣候過渡帶，極端氣候事件發生的概率高，降水變率大、旱澇并重、大旱大澇、旱澇交替現象突出，未來極端事件的發生頻率還有增加趨勢，迫切需要加強研究，制定應對方案[1-2]。淮河流域水資源嚴重短缺，年人均水資源占有量不到500 m3，僅為全國人均的1/5[3]。降水強度的變化及極端降水事件的發生將影響到可用水資源、洪澇事件、農業生產及生活習慣等[4]，翟媛[5]、Woolhiser[6]等的研究表明不同地區、不同降水強度模式對產流量的影響巨大，而產流量的多少又決定了洪水的水量和地表水資源的多寡。在全球變暖背景下，淮河流域氣候將趨于暖濕，但年徑流量將可能以減少趨勢為主[7]。因此，隨著流域社會經將進入快速發展期，水資源短缺的問題將更加突出。同時，由于淮河流域地處東亞季風氣候區，在梅雨季節和臺風影響期間，強降水事件多發，這些強降水使流域面臨洪澇威脅的同時，也帶來了豐沛的水資源，研究分析淮河流域降雨徑流關系以及不同降水強度和地表水資源的關系，對于適度承擔風險、兼顧防洪安全和洪水資源利用具有重要意義。由于特殊的地形地貌、水利工程調度應用規則及后期降水信息不確定性等因素影響，水利部門的傳統是將風險降至最低，防洪安全第一。在這種情況下，每年丟棄許多寶貴的水資源在所難免。如統計分析2000—2016年17年洪澤湖三河閘棄水和江都抽水站北調里運河水量發現：在主汛期6月21日—8月20日洪澤湖三河閘年均棄水量達到86.19 億m3，而南水北調東線起點站江都站同期引水量為7.09 億m3，棄水遠多于引水。理論上講，棄水應該能夠補充引水量的需求。上述問題實質上也就是洪水資源的利用問題，要利用好洪水資源，關鍵是要精準預報和優化調度。精準預報就是對每一個水文預報單元，水文部門要根據雨水情現狀和預報降水做出較為準確的水文預報，管理部門據此進行優化調度，實現洪水資源利用的最大化。2019年第11號臺風“利奇馬”影響淮河流域期間，水利部門依據水文氣象耦合預報調度蘇北駱馬湖洪水，前期提前預泄洪水、中期合理調度洪水、后期及時蓄水就是水文氣象耦合預報調度應用成功的典型個例。開展氣象水文耦合預報應用研究，尤其是強降水的耦合預報應用研究，可為了解區域性的地表水資源主要影響因子，減輕洪澇災害，適度利用洪水資源提供重要的支撐信息。

1 數據來源

全國第三次水資源調查評價淮河流域相關工作和計算成果，主要包括1956—2016年流域939個雨量站雨量，二級水資源分區面雨量、徑流深、地表水資源量等資料（地表水資源量是指河流、湖泊、冰川等地表水體中由當地降水形成的、可以逐年更新的動態水量。一般在考慮農業、工業等用水消耗以及洪水棄水等因素，對實測徑流量還原計算得到）；1956—2019年臺風（本文將各等級熱帶氣旋統稱為臺風）路徑及臺風影響淮河流域期間的降水資料，1956—2016年淮河流域每年入梅與出梅時間、梅雨量及2000—2016年部分南水北調東線工程調水量等數據。

2 降水時空分布

2.1 降水分布概況

淮河流域近60年來（1956—2016年）年均降雨878 mm，相應水量2365 億m3。在水資源二級分區中，淮河下游區降水量最大，為1022 mm，沂沭泗河區最小，為785 mm，各二級分區之間的降水量差異顯著，空間變異大。淮河流域年均降水量等值線與水資源二級分區見圖1，淮河區各二級水資源分區不同時期的降水量比較情況見表1。淮河流域年降水量變幅為600～1600 mm，總體呈現由南向北遞減趨勢。大于1600 mm的高值區主要位于南部大別山區，最大雨量點為花屋站（1715.2 mm）。

圖1 淮河流域年均（1956—2016年）降水量（mm）等值線（紅線）與水資源二級分區（綠線）圖Fig. 1 Annual average rainfall (1956—2016)contour line (red line) and secondary water resource division (green line) of Huaihe River Basin

表1 淮河區各二級水資源分區不同時期降水量（單位：mm）Table 1 Precipitation in different periods of secondary water resources division in Huaihe River region (unit: mm)

淮河流域降水年際變化劇烈，呈現最大與最小年份降水量比值（即極值比）、年降水量變差系數均較大，年際間豐枯變化頻繁等特點。根據代表站統計結果，淮河流域年降水量極值比最大的雨量站點為河南省永城閘站（資料系列1931—2016年），極值比達7.1。流域極值比總體表現出南部小于北部、山區小于平原、淮北平原小于濱海平原等特點。

2.2 降水變化趨勢

2.2.1 年代際變化

從淮河流域不同年代年均降水量柱狀圖（圖2）可以看出：淮河流域降水總體趨勢為20世紀50年代后半期、60年代偏豐，70、80和90年代偏枯，進入21世紀后降水略有增加，前10年為偏豐狀態， 2011—2016年降水偏枯。

圖2 淮河流域不同年代年均降水量柱狀圖Fig. 2 Histogram of annual average precipitation in different years in Huaihe River Basin

2.2.2 多年變化

經MK方法檢驗，1956—2016年降水量序列未發生突變（圖3）。流域降水量總體呈不明顯 下降趨勢，降幅約為1.59 億m3/a，折合降水量變幅為-0.59 mm/a；其中淮河上游區降水量減小幅度為0.46 億m3/a，相應降水量的變幅為-1.49 mm/a。

圖3 淮河流域降水量多年變化趨勢圖Fig. 3 Annual change trend of rainfall in Huaihe River Basin

3 地表水資源時空演變

3.1 總體特點

淮河流域地表水資源量主要由降水補給，呈現汛期徑流集中，季間徑流變化較大和最大、最小月徑流相差懸殊等特點。1956—2016年多年平均地表水資源量606.26 億m3，相應徑流深225 mm，2003年地表水資源量最大，為1384.82 億m3，1978年最小，為178.56 億m3，極值比達7.76。其中淮河水系為464.41 億m3，2003年最大，為1068.86 億m3，1978年最小，為105.13 億m3；沂沭泗水系為141.85 億m3，2003年最大，為315.96 億m3。流域不同區域不同頻率年徑流量詳見表2。在地區分布上，多年平均天然徑流深呈現南部大于北部、山區大于平原和沿海大于內陸的特點（圖略）。

表2 淮河流域1956—2016年分區水資源量特征分析表Table 2 Characteristics of water resources in different areas in the Huaihe River Basin from 1956 to 2016

3.2 趨勢分析

經MK方法檢驗，淮河流域地表水資源量1956—2016年序列未發生突變。從流域地表水資源量變化趨勢（圖4）及流域二級分區地表水資源量變化趨勢統計表（表3）分析，流域地表水資源量總體呈現下降的趨勢，減小幅度為0.90 億m3/a，只有淮河中游區、下游區略呈現遞增趨勢。

圖4 淮河流域地表水資源量變化趨勢圖Fig. 4 Change trend of surface water resources in Huaihe River Basin

表3 淮河流域水資源二級分區地表水資源量變化趨勢統計表Table 3 Statistical table of the change trend of surface water resources in the secondary water resources division in Huaihe River Basin

4 水資源與降水

4.1 降水徑流關系

一個流域的徑流量可以反映該地區水資源的豐歉程度。對不同年代各分區降雨徑流關系進行分析對比（圖5），可以看出1956—2000年、2001—2016年兩個時期，淮河流域降水徑流關系擬合程度均較好，降水徑流關系未發生顯著改變。

圖5 淮河流域不同年代不同區域降雨徑流關系對比圖Fig. 5 Comparison of precipitation-runoff relationship in different division of Huaihe River Basin in different years

4.2 徑流量與降水強度

不同降水強度分布對徑流量影響較大，如淮河上游1967和1968年兩個澇年的降水量分別為1178和1172 mm，兩年僅差6 mm，但徑流量分別為109.5 億m3和159.1 億m3，兩者相差達49.6 億m3，主要是因為1967年6、7、8、9月降水相對均勻，而1968年強降水主要集中在7月，降水量達479 mm（比常年同期偏多133%），導致王家壩站出現有記錄以來最大洪水。淮河上游1966和2001年兩個旱年的降水量分別為560、569 mm，而徑流量分別為23.4 億m3、 35.0 億m3，兩年的降水量接近，徑流量差11.6 億m3，這是因為1966年降水相對集中在7月，而1966年各月降水量均較少。

為揭示不同強度降水對年徑流量的影響，本文以淮河上游區為例，將降水強度分為10 mm以下、10～20 mm、20～30 mm、30～40 mm、40～50 mm、50 mm以上6個量級，以歷年不同量級日降水量累計值作為回歸因子，采用逐步回歸分析方法（回歸方程見式（1）），計算得出淮河上游年徑流量，并統計出不同量級降水量因子對年徑流量貢獻權重（表4）。

表4 淮河上游不同降水量級計算年徑流量權重系數表Table 4 Weight coefficient of annual runoff calculated by different precipitation levels in the upper reaches of the Huaihe River

由表4可以看出：淮河上游日降水量＜10 mm的年累計降水量均值為290 mm，占全年降水量的29.7%，年徑流量的計算權重（回歸系數占比）僅為11.5%，占比最小；降水量級30～40 mm的年累計降水量均值為106 mm，占年降水量的10.9%，徑流量占比最大（25.4%）；降水量級40～50 mm、＞50 mm分別占年降水量均值的7.0%和11.0%，年徑流量占比分別為17.8%和17.2%。說明降水強度越大，對年徑流量的貢獻越大。

5 水資源與影響天氣系統

5.1 水資源與梅雨

依據《梅雨監測指標》[8]，統計分析的淮河流域平均入梅日期為6月19日，出梅日期為7月14日，梅雨日數為25 d，梅雨量為218 mm。流域歷年地表水資源量與梅雨量相關系數為0.60，說明梅雨量與地表水資源量有較好的正相關關系。流域歷年地表水資源量與梅雨量對應關系如圖6。

圖6 流域歷年地表水資源量與梅雨量關系Fig. 6 Relationship between surface water resources and mould rains in the basin over the years

流域地表水資源量最大的前10個年份，水資源量均值為1009 億m3，比常年均值偏多66.5%，相應年份的梅雨量均值為309 mm，比歷年梅雨量偏多42%，其中有5個年份排在梅雨量前10的年份之中，僅1964年梅雨期短（6月23日入梅、7月1日出梅）、梅雨量少（49 mm），但該年4、5、9、10月降水量分別為186、119、120和107 mm，比常年同期分別偏多220%、58%、155%、205%。流域地表水資源量最少的10個年份，水資源量均值為290 億m3，比常年均值偏少52%，這10年中，有7年排在梅雨量最小的10個年份之中，其中有3年為空梅（1978、1994、2001年），其余7年梅雨量均偏少，梅雨量均值為120 mm，比歷年梅雨量偏少45%。

流域梅雨量最多的10個年份，梅雨量均值為393 mm，比多年均值偏多80%，相應年地表水資源量均值為856 億m3，比多年均值偏多41%。其中有5個年份排在水資源量最多的10年中，只有1968年梅雨量比常年偏多34%，但年降水量僅為775 mm，地表水資源量為475.8 億m3，偏少21%。流域梅雨量最少或空梅的10個年份，除空梅外的6個年份梅雨量均值為66 mm，比多年均值偏少70%，相應年地表水資源量均值為374億m3，比多年均值偏少38%，其中有6個年份排在水資源量最少的10個年份之中。

為直觀揭示梅雨量與年徑流量關系，根據公式（1）擬合的淮河上游梅雨期徑流量均值為32.4 億m3，占其年徑流量（101 億m3）的32%。圖7為淮河上游年天然徑流量與梅雨期擬合徑流量對比，可看出淮河上游年徑流量與梅雨期擬合徑流量一致性較好，相關系數為0.82，年徑流量最大的10個年份，梅雨期擬合徑流量比多年均值偏多123%，年徑流量比多年均值偏多78%；年徑流量最小的10個年份，梅雨期擬合徑流量比多年均值偏少70%，年徑流量也比多年均值偏少49%。

5.2 水資源與臺風

據統計[9]，1956—2019年64年中共有113個臺風（熱帶風暴統稱臺風）影響淮河流域降水，約占西太平洋和南海所有生成臺風的6.6%，真正誘發淮河流域產生較大洪澇災害的只有2個（分別是“7412”和“7503”號臺風），僅占影響流域降水臺風的1.8%。

臺風降水能給淮河流域帶來較豐沛的水資源并緩解旱情。經統計[10-11]，平均每個影響流域臺風帶來的平均降水約24 mm，其中淮河水系24 mm，沂沭泗河水系25 mm，最大降水區間為里下河區（39 mm），其次為新沂河區（38 mm），最小降水區間為南四湖區的14 mm（為進一步細化分析，本節將水資源分區沂沭泗河區分成南四湖區、沂沭河區和新沂河區（圖略））。圖8是1956—2019年各年7—9月總降水與臺風降水序列對比圖，從圖中可以看出，臺風降水較多的年份，7—9月降水相對偏多，7—9月淮河易受副熱帶高壓控制，高溫少雨，臺風降水可適時補充水資源的不足。

以2019年第11號臺風“利奇馬”為例，進一步分析臺風與流域水資源和洪澇關系如下：2019年6—7月淮河流域出現了嚴重干旱，沂沭泗降水比常年同期偏少37%。8月10—11日“利奇馬”給沂沭泗水系帶來142 mm降水，解除了持續多日的旱情。受臺風影響，沂沭泗水系沂河、沭河相繼發生2019年第1號洪水，但通過氣象水文耦合預報和工程調度，在暴雨到來時提前預泄駱馬湖洪水，保障了防洪安全，并在適當時機關閉嶂山閘，截留尾部洪水資源，期間還調度10.15億m3洪水到旱情嚴重的淮河水系，取得了可觀經濟和社會效益。通過氣象水文耦合預報和科學調度，不但可有效減輕強降水帶來的危害，還能化危害為效益。

圖8 1956—2019年各年7—9月總降水與臺風降水序列對比Fig. 8 Comparison of total precipitation and typhoon precipitation in July-September of 1956—2019

6 結論與建議

1）根據淮河流域1956—2016年降水、地表水資源量等資料分析，淮河流域多年平均降水878 mm、徑流深225 mm；從多年變化趨勢上看，流域降水量、徑流量總體呈不明顯降低趨勢，其中降水量的變幅為-1.59 億m3/a，地表水資源量的變幅為-0.90 億m3/a。

2）降水強度是影響徑流豐枯的重要因子，淮河上游區的分析表明：日降水量＜10 mm占年降水量的29.7%，產生徑流僅占全年的11.5%，占比最少。日降水量為30～40 mm的降水量占年降水量的10.9%，產生徑流占全年的25.4%，占比最大。日降水量為10～20 mm、20～30 mm、40～50 mm、50 mm以上產生的徑流量分別占全年的13.6%、14.4%、17.8%和17.2%。

3）淮河流域年地表水資源量與梅雨量有較好的正相關關系。地表水資源明顯偏多的年份，梅雨量也明顯偏多，反之梅雨量則明顯偏少或為空梅。

4）臺風對淮河流域的降水影響總體上利大于弊，臺風降水對緩解流域旱情、補充水資源有重要作用，帶來嚴重洪澇災害的概率不大。

5）加強淮河流域地表水資源量變化分析，發展氣象水文耦合預報技術并應用于工程調度，可有效地減輕強降水帶來洪澇威脅，并為洪水資源利用提供有效的決策支持信息。