漢江流域降水分布特征及其對水資源影響分析

鄭治斌

(湖北省氣象學會，湖北 武漢 430074)

漢江是長江最大的支流、南水北調中線工程的水源地[1]。在氣候變暖的背景下，降水異常變化導致流域旱澇災害頻發，對流域水資源利用、生態環境保護等產生了深刻影響，因此，深入研究漢江流域降水的分布特征及其對水資源的影響具有重要意義。目前，已有較多學者研究分析漢江流域的降水，并取得大量的成果。起永東等[2]分析了漢江流域不同量級雨量和雨日量的時空分布特征。班璇等[3]研究表明漢江流域年降水量上游和下游呈增加、中游呈減少趨勢，年平均氣溫和年蒸發量在整個流域呈上升趨勢。汪成博等[4]研究指出漢江流域極端降水集中程度較高，呈西高東低分布；極端降水集中期在7月下旬，呈東部發生早、西部遲的分布。陳燕飛等[5]分析了漢江流域降水、蒸發、徑流等水文要素的長期變化趨勢。鄭曉東等[6]分析了漢江流域降水的多時間尺度特性，以18年的主要周期最為突出，且呈偏少的趨勢。李柏山等[7]研究了漢江流域典型區域降水變化，發現年降水量整體呈不明顯下降趨勢。鄧鵬鑫等[8]診斷了漢江流域汛期降水年際波動特征及空間分布模態，發現漢江流域汛期平均降水總體趨勢變化不顯著，但年代差異上存在較強跳躍性，并伴隨有顯著的周期振蕩。汪琳等[9]研究表明漢江流域氣象干旱發生頻率總體呈上升趨勢，干旱強度中部高、東西部低。

本文在已有研究的基礎上，利用1960—2018年漢江流域96個國家氣象觀測站降水數據，分析漢江流域降水分布、降水日數變化、降水集中度和集中期等特征，探討漢江流域降水對水資源的影響，旨在為漢江流域水資源合理開發利用、南水北調中線工程管理等提供參考。

1 研究區概況

漢江流域主要涉及陜西、河南、湖北等省，總面積15.9萬km2。干流丹江口以上為上游，丹江口至鐘祥為中游，鐘祥以下為下游[10]。流域地勢西北高、東南低，北部以秦嶺、外方山和伏牛山與黃河流域為界；東北部以伏牛山和桐柏山與淮河流域為界；西南部以大巴山和荊山與嘉陵江、沮漳河流域為界；東南部為江漢平原，無明顯的天然分水界限[11]。漢江流域作為南水北調中線水源地和鄂北水資源配置工程的重要區域[12]，屬亞熱帶季風氣候區，溫和濕潤，水資源總體較豐富，但年內分配不均，且年際變化較大。漢江流域示意圖見圖1。

圖1 漢江流域示意圖

2 資料與方法

2.1 資料來源

降水資料來源于中國氣象數據網提供的漢江流域96個國家氣象站監測資料，研究時段為1960年1月1日至2018年12月31日。少數缺測數據基于臨近站點資料利用線性回歸方法進行插補。

2.2 研究方法

本文利用Mann-Kendall檢驗法(以下簡稱M-K檢驗法)[13]對漢江流域降水進行突變性及趨勢檢驗；根據張錄軍等[14]定義的降水集中度(用來衡量年、季、月或候內降水總量的時間變化程度，可以正確反映一定時期降水集中的屬性)和降水集中期(反映一年中最大降水集中發生的時段)分析降水量隨時間的分配特征[2]。

3 結果分析

3.1 降水時間分布特征

3.1.1 月變化

漢江流域年內各月降水量分布不均，變化比較大，降水多發生在5—10月，占全年降水量的75%～85%；11月至次年4月為降水較少期，僅占全年的15%～25%。流域中下游地區于6月進入降水多發期，上游地區大多于7月開始增多并持續到10月[4]。

3.1.2 季變化

1960—2018年漢江流域不同季節降水比例變化特征見圖2。統計發現，漢江流域降水季分布與月規律一致。除20世紀70年代流域下游夏季降水快速增加外，其他區域均未見有明顯的線性變化。流域上游夏季降水占比在50%以上，秋季多于春季；2000年以后，夏季降水占比有所減少，春季增加，秋季則無明顯變化。流域中游各季降水波動強于上游，夏季降水占比在60%以上；2005年以后，夏季降水占比有所減少，秋季增加，春季則保持平穩波動。流域下游夏季降水占比最高，春季次之，秋季最低[4]。

圖2 1960—2018年漢江流域不同季節降水比例變化特征

3.1.3 年變化

漢江流域降水量總體較豐沛，各地多年(1981—2010年)平均降水量為700～1800mm[15]，但年降水量在各年份的分布差異較大。年降水量在不同區域分布不均勻，空間差別較大，且不同年份分布差異較大。流域上游、下游區域年降水量整體呈顯著增加趨勢，中游整體呈減少趨勢[3，16]。利用M-K檢驗法分析漢江流域的年降水量，結果表明突變不明顯。

3.2 降水空間分布特征

3.2.1 不同量級降水空間分布

根據《降水量等級》(GB/T 28592—2012)，按小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨對漢江流域降水進行分析，可以看出，不同量級降水日和降水量分布相似，其中小雨降水日和降水量總體由流域西南部向東北部遞減。中雨降水日和降水量空間分布與小雨相似，但流域東南部也呈偏多趨勢。大雨、暴雨和大暴雨降水日、降水量偏多中心為流域西南部和東南部，但隨著降水量級增大，西南部降水偏多區域面積縮小，東南部偏多區域無明顯變化，降水日和降水量偏少中心則由東北部轉移至北部，北部、中部和西北部等地降水偏少趨勢明顯，而東北部甚至逐漸轉為偏多中心。不同量級雨強即降水強度(指單位時段內的降水量)分布無明顯變化[2]。

3.2.2 汛期(5—10月)降水空間變化

漢江流域汛期(5—10月)各地多年平均降水量空間分布見圖3。由圖3可知，漢江流域汛期(5—10月)各地多年平均降水量為384～899mm[8]，各月降水差異較大，且分布較不均勻，7—8月降水最多，5、6、10月降水量大體由西南向東北遞減，9月由西向東遞減。

圖3 漢江流域汛期(5—10月)各地多年平均降水量空間分布

3.3 降水日數變化

漢江流域平均年降水日均在100天以上，高值發生在武漢，為134天；低值發生在石泉、南陽，為100天。季節分布上，春、夏季平均降水日數最多，秋季次之，冬季最少[17]。

漢江流域春季降水日數上下游相差較大，最大降水日數為42天，最少日數為29天，降水量占全年降水量的21%～31%。夏季最大降水日數為45天，最少日數為31天，降水量占全年降水量的50%。秋季降水日數最高值為40天，最低值為26天，降水量占全年降水量的21%～29%。冬季降水日數上下游相差15天，降水量占全年降水量的6%[17]。

3.4 降水集中度和集中期

漢江流域降水集中度和集中期分布見圖4。由圖4(a)可知，漢江流域降水集中度整體上由東南向西北遞增，東南部降水集中度小，年內降水分配相對較均勻；西北部降水集中度較大，降水多集中于某一個時段。此外，流域東北部存在一個降水集中度次高值區域，降水年內分配較為集中[2]。

由圖4(b)可知，漢江流域降水集中期由東南向西北逐漸推遲，東南部出現最早，在7月以前；西北部最遲，出現在7月下旬。襄陽以東以南區域降水集中期差異較大，襄陽以西以北區域降水集中期較為同步，均在7月中下旬[2]。

圖4 漢江流域降水集中度和集中期分布

4 降水對水資源影響

4.1 氣象水文要素變化

降水分布及演變特性直接關系到漢江流域水資源合理開發與利用，并與蒸發量、徑流量等主要要素共同影響流域水資源。利用M-K檢驗法分析漢江流域主要站點降水量、蒸發量、徑流量等要素的變化(見表1)。由表1可知，漢江流域年蒸發量整體呈上升趨勢，上游年蒸發量增加趨勢顯著，其余區域變化趨勢不顯著[5]。漢江上游年蒸發量的突變年為1983年，全流域為1981年，因此可認為漢江流域年蒸發量從20世紀80年代早期開始上升，且漢江上游年蒸發量的上升滯后于全流域[3]。年徑流量上游多數地點呈不顯著減少趨勢，下游徑流量呈不顯著增加趨勢[5]。

表1 漢江流域主要站點降水量、蒸發量、徑流量M-K檢驗統計

漢江上游和漢江全流域年徑流量M-K突變檢驗見圖5。由圖5可以看出，漢江上游徑流量的UF和UB的交點分別為1990年和2012年，1990年前UF值位于0值的兩側，徑流量上下波動，無明顯趨勢；1990年之后UF值基本位于0值以下，表明徑流量呈減少趨勢。漢江全流域徑流量的UF和UB的交點有4年，特別是1991年前UF值大部分位于0值以上，表明徑流量呈增加趨勢，1991年之后UF值基本處于0值以下，表明徑流量呈減少趨勢[3]。

圖5 漢江流域年徑流量M-K突變檢驗

4.2 對水資源影響評價

一般來說，天然降水是影響流域水資源最主要、最直接的原因。漢江流域水資源主要來自降水，不同時間尺度、不同區域的降水分布差異和變化趨勢，直接影響其水資源量，特別是因降水豐枯變化較大，導致流域水資源量豐枯變化明顯，枯水時期水資源供需矛盾十分突出，進而影響流域水資源承載力。

漢江流域水資源可利用量是實現流域水資源優化配置和可持續利用的前提[18]。水資源承載力受水資源稟賦條件、經濟社會發展水平、生態環境保護水平等多因素的影響[19]。結合不同指標的屬性，從科學性、代表性、可獲得性等方面對漢江流域水資源的影響因素進行分析，構建漢江流域水資源承載力評價體系(見表2)[19]。指標極性中，正向代表其值越大水資源承載力越強，負向則代表其值越大水資源承載力越弱。

表2 漢江流域水資源承載力評價體系

研究發現，漢江流域水資源承載力取決于經濟社會、水資源、生態環境等系統，其中經濟社會的貢獻最大，占49.92%；水資源的貢獻次之，為30.53%；生態環境的貢獻為19.55%。生態環境系統聯系度常年保持在最高水平，經濟社會系統聯系度不斷上升，水資源系統聯系度具有高不穩定性[19]。

漢江流域年徑流量與年降水量成正相關關系，年降水量和年徑流量最大值發生在1983年；漢江流域蓄水變量一直為正值，表明人類活動的用水需求一直呈增加態勢，尤其是2014年底南水北調中線工程水源地的丹江口水庫開始向北方調水，2015年調水21.70億m3，2016年調水38.40億m3，2017年調水46.93億m3，2018年調水74.60億m3，使丹江口水庫下游河段徑流量極大地減少，因此，上游流域受水電站和南水北調調水的綜合影響，人類活動的貢獻率有所增加[3]。

5 結 語

本文分析了漢江流域降水時空分布、降水日數變化、降水集中度和集中期等特征，并探討了漢江流域降水對水資源的影響，對漢江流域水資源合理開發利用、南水北調中線工程管理等可提供一定的技術參考，有效地發揮漢江流域的水資源效益。隨著全球氣候變暖，漢江流域降水時空分布將相應地發生變化，應根據氣候變化繼續研究修訂漢江流域的降水分布及其變化趨勢，以實現漢江流域水資源的可持續利用，進一步提高水資源的管理水平。