贛江上游章水流域1955-2015年降雨量時(shí)空變化

王永文, 劉惠英

(南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院, 南昌 330099)

江西氣候溫和，雨量豐沛，河流水系發(fā)達(dá)。正確處理人與自然，人與水的關(guān)系，充分考慮水資源和水環(huán)境的承載能力，注重“在保護(hù)中開(kāi)發(fā)，在開(kāi)發(fā)中保護(hù)”，是江西在發(fā)展中面臨的重要機(jī)遇和挑戰(zhàn)[1]。在全球氣候變暖的大背景下，各地的降水等氣候要素發(fā)生了顯著的變化。近幾十年來(lái)，因旱澇災(zāi)害而導(dǎo)致的損失和影響也越來(lái)越嚴(yán)重[2]。水多、水少、水渾日益成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，而且其持續(xù)累積會(huì)使土地資源退化、水資源耗竭、生態(tài)環(huán)境受到破壞，制約可持續(xù)發(fā)展[2-3]。相對(duì)于全球氣溫的持續(xù)升高，降水量的變化和分布有極大的不確定性，各地變化特征迥異[4-7]。研究區(qū)域降水的變化，能更準(zhǔn)確地揭示氣候變化對(duì)區(qū)域降水的影響[3-4]。了解不同尺度下降雨量的時(shí)空變化，對(duì)理解區(qū)域水文循環(huán)、研究氣候變化和防治洪旱災(zāi)害等具有重要意義[1]。

贛江為江西省第一大河，主河道全長(zhǎng)823 km，是江西的黃金水道，也是全國(guó)水運(yùn)主通道之一。贛江流域面積8.35萬(wàn)km2，是鄱陽(yáng)湖流域的最大支流，占鄱陽(yáng)湖流域面積的51%。贛州市以上稱為上游，匯流面積為3.47萬(wàn)km2，由章水和貢水在八鏡臺(tái)匯流而成，是江西省水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。流域常出現(xiàn)歷時(shí)長(zhǎng)、籠罩面廣的降水過(guò)程；每年4—6月暴雨形成的洪水較為集中，而7—9月又常出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)型暴雨，加之贛江上游典型的扇形水系，使得匯流迅速、集中，更易形成洪災(zāi)[1-2,8]。因此，對(duì)贛江上游降雨變化特征進(jìn)行研究，對(duì)了解丘陵區(qū)降水的歷史演變規(guī)律、揭示區(qū)域氣候變化具有重要意義。為進(jìn)一步探討長(zhǎng)江流域水文氣候變化特征及演變規(guī)律奠定基礎(chǔ)，為長(zhǎng)江流域水資源綜合開(kāi)發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 流域概況

章水是贛江上游左岸一級(jí)支流，古名豫章水、溢漿水、章江，發(fā)源于大庾嶺北麓的江西省崇義縣聶都鄉(xiāng)夾州村。流域西接洞庭湖水系，南鄰桃江和珠江流域的北江水系，北靠遂川江，東入贛江。源頭至大余縣城為上游段，河段長(zhǎng)97 km。大余縣城至南康市區(qū)為中游段，河段長(zhǎng)65 km。南康市區(qū)至河口為下游段，河段長(zhǎng)73 km。流域河流密布，共有支流500余條，其中面積大于200 km2一級(jí)支流有4條。章水的主干道長(zhǎng)222 km，在南康市三江口以上分為兩支(圖1)。左支為上猶江流域，其河道長(zhǎng)約193 km，發(fā)源于贛湘交界的山脈之中，右支為章江流域，其集水面積為2 824 km2，河長(zhǎng)177 km。左右兩支在三江口合為章水，在贛州市八鏡臺(tái)與貢水匯合形成贛江[1-2,8]。流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨量充沛，氣候較為溫和，光照充足，年平均氣溫為16.3～19.5℃，四季比較分明，多年平均水面蒸發(fā)量1 060 mm。年內(nèi)春雨和梅雨較為明顯，夏季和秋季晴熱干燥，而冬季陰冷干燥，霜凍期較短。流域多暴雨，大多數(shù)暴雨覆蓋全流域，形成流域性洪水[1-2]。

圖1 章水流域雨量站點(diǎn)分布

流域內(nèi)有區(qū)域代表站壩上水文站，該站目前現(xiàn)存完整的連續(xù)觀測(cè)日降雨量始于1953年。測(cè)站位于贛州市水南鎮(zhèn)臘長(zhǎng)村(114°57′E，25°49′N(xiāo))(圖1)。集水面積7 657 km2，占章水流域面積99.4%，屬國(guó)家基本水文站網(wǎng)。自1956年開(kāi)始進(jìn)行泥沙監(jiān)測(cè)，是贛江上游支流中泥沙監(jiān)測(cè)歷史最長(zhǎng)的站點(diǎn)之一，具有相當(dāng)重要的典型性和代表性。

2 資料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用1955—2015年降雨數(shù)據(jù)來(lái)自江西省水文局編撰的水文年鑒。雨量資料包括22個(gè)雨量站的逐日實(shí)測(cè)雨量。對(duì)原始降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，組成以3—8月為豐水期、9—2月為枯水期、3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月及翌年1—2月為冬季的降水序列，分別對(duì)其平均值、最大值、最小值、變差系數(shù)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到流域面雨量特征量。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 面雨量 流域面雨量的計(jì)算用泰森多邊形法在ArcGIS 9.1平臺(tái)下計(jì)算。由于壩上站建站時(shí)間早于其他雨量站，為了得到與之相同時(shí)間序列的降水?dāng)?shù)據(jù)，本文采用多元線性回歸法利用壩上站及周?chē)不拯c(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)插補(bǔ)其余雨量站點(diǎn)缺失時(shí)段的歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算流域面雨量。

2.2.2 趨勢(shì)分析方法 趨勢(shì)分析采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和線性回歸兩種方法。線性回歸是一種最簡(jiǎn)單、易行的方法，文中用時(shí)間對(duì)雨量線性回歸的直線斜率b表示降雨量年際變化速率。Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法適用于類(lèi)型變量和順序變量，是世界氣象組織推薦的并在現(xiàn)實(shí)中已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法。被廣泛應(yīng)用于水文和氣象要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化[9-10]。計(jì)算過(guò)程如下：

通過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量Z值，將|Z|和給定的置信水平α得到Z1-α比較：(1) 若|Z|>Z1-α，則否定原假設(shè)，說(shuō)明時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯上升、下降趨勢(shì)。(2) 若|Z|≤Z1-α，則原假設(shè)成立，說(shuō)明時(shí)間序列無(wú)明顯變化趨勢(shì)。且當(dāng)Z>0時(shí)無(wú)明顯上升趨勢(shì)，Z<0時(shí)無(wú)明顯下降趨勢(shì)[6,9-10]。

2.2.3 Sen′s斜率估計(jì) 對(duì)于時(shí)間序列(x1,x2,…，xn)，通過(guò)計(jì)算傾斜度指標(biāo)β，得到單調(diào)趨勢(shì)度量因子。通過(guò)下式計(jì)算得到：

(1)

Median是中位數(shù)函數(shù)。β>0表示趨勢(shì)上升，即變量隨時(shí)間增大；β<0表示趨勢(shì)下降，變量隨時(shí)間下降[11]。

2.2.4 突變分析 用Pettitt對(duì)序列進(jìn)行突變檢測(cè)。Pettitt檢驗(yàn)原假設(shè)認(rèn)為突變點(diǎn)沒(méi)有明顯的顯著性，即突變點(diǎn)不存在，若降雨量突變點(diǎn)統(tǒng)計(jì)值處于上下信度線之間，接受原假設(shè)；備擇假設(shè)認(rèn)為突變點(diǎn)顯著，即存在突變點(diǎn)，若年降雨量突變點(diǎn)統(tǒng)計(jì)值處于上下信度線外側(cè)，接受備擇假設(shè)，認(rèn)為該點(diǎn)是各要素的突變點(diǎn)。具體計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[12-14]。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域面雨量基本特征

章水流域的亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候使得春季雨水頗豐,夏季炎熱雨量集中,秋季多陰雨，冬季多雨，多年降雨特征見(jiàn)圖2。流域多年平均面雨量為1 599.76 mm，降雨年際變化較大，在1955—2015年最大和最小年降雨量比值達(dá)2.39(圖3)；降雨年內(nèi)分布呈雙峰型：6月和8月，其中6月降雨最多，為244.57 mm，降雨的42.32%集中在4—6月，71.42%集中在3—8月，春季和夏季分別占了全年的37.32%，34.10%。

秋季降雨變化劇烈且降雨變幅很大，變差系數(shù)為0.92，最大降雨和最小降雨相差近百倍(圖3)；冬季變差系數(shù)次之，為0.80，春夏兩季降雨變差系數(shù)相對(duì)較小。最大月降水出現(xiàn)在6月，占全年降水量15.29%，最小降水量出現(xiàn)在12月，占全年降水量的3.11%。全流域幾乎所有站點(diǎn)10月和12月降雨量的變差系數(shù)均超過(guò)了1，表明秋冬兩季降雨量變化劇烈。上述特征均表明該流域是一個(gè)旱、澇災(zāi)害頻發(fā)的區(qū)域。

3.2 流域面雨量年代際特征

表1給出了流域60多年來(lái)面雨量變化的年代特征。總體看來(lái)，面雨量呈現(xiàn)先減再增后減的一種波動(dòng)性。20世紀(jì)50年代為降雨最多的時(shí)段，達(dá)到了1 725.75 mm/a，年、春、夏、秋各段模比系數(shù)均超過(guò)了1。其次為1991—2000年時(shí)段，降雨量達(dá)到了1 696.10 mm/a，除了秋季，其余時(shí)段的模比均也超過(guò)了1。而1961—1970年為整個(gè)研究時(shí)間內(nèi)降雨最少的時(shí)期，作為降雨最多季的春季，模比值僅為0.88，冬季的模比值也僅為0.88。表明流域在20世紀(jì)70年代發(fā)生了較為嚴(yán)重的干旱，尤其以冬旱和春旱最為明顯。同時(shí)發(fā)現(xiàn)模比最小值0.77發(fā)生在20世紀(jì)90年代的秋季，雖然該時(shí)段降雨總量較多，降雨在年內(nèi)分布比較異常，秋旱是較為嚴(yán)重的。通過(guò)以上分析可知，章水流域降雨量雖然豐沛，但是年內(nèi)分布不均，季節(jié)性干旱時(shí)候發(fā)生。

圖2 章水流域1955-2015年面雨量年際變化

圖3 章水流域1955-2015年降雨年內(nèi)變化特征

從各時(shí)段的模比值還可發(fā)現(xiàn)，春、夏、秋三季模比變化不大，但冬季變化最大，最小為0.78，最大為1.17，是所有模比值中的近極值。此結(jié)果和前文多年平均冬季降雨的變差系數(shù)最大是一致的。

3.3 流域年雨量變化趨勢(shì)

對(duì)1955—2015年章水流域年雨量序列，分別采用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)、Sen′s斜率估計(jì)和線性回歸3種方法計(jì)算流域各時(shí)段的統(tǒng)計(jì)值Z，β，b，并取95%置信度進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明(表2),3種方法均表明章水流域年降水量呈微弱增加趨勢(shì)，降水量多年平均減少幅度為0.17～0.52 mm/a，但都沒(méi)有通過(guò)顯著性水平檢驗(yàn)。即流域年降雨雖然總體趨勢(shì)在減少，但是并不顯著。

表1 章水流域1955-2015年面雨量年代變化特征

注：模比值=年段均值/多年均值。

不管是線性回歸還是5 a滑動(dòng)平均，年降雨量都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這和M-K趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)值的結(jié)果一致(圖4A)。從5 a滑動(dòng)平均圖上發(fā)現(xiàn)，降雨量有幾次明顯的上升過(guò)程：1966—1969年、1976—1982年、1999—2002年；下降過(guò)程：1956—1959年、1969—1976年、1987—1993年、2002—2006年；其中1967—1971年的5 a平均降雨量最大，為1 286.35 mm，1997—2001年5 a平均降雨量最少，為969.31 mm。流域年降水量總體減少趨勢(shì)下，變化呈波動(dòng)性，表現(xiàn)為一些年份增加，一些年份減小。

表2 章水流域面雨量趨勢(shì)分析方法統(tǒng)計(jì)參數(shù)

注：下劃線表示變化顯著(α=0.05)。

3.4 季降雨趨勢(shì)變化

根據(jù)流域氣候特征進(jìn)行四季劃分后，用M-K檢驗(yàn)法得出的流域季降水量的統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表2。春、夏和秋三季降雨略有增加，以冬季的增加最為明顯。但秋季的降雨減小趨勢(shì)顯著，3種方法的檢驗(yàn)結(jié)果都可以得到驗(yàn)證。

(1) 春季降水量呈增加趨勢(shì)，降水量增加幅度為0.65 mm/a。春季平均降水量為597.11 mm，最大春季降水935.36 mm，最小降水為334.15 mm。對(duì)于5 a滑動(dòng)平均值來(lái)說(shuō)，1963—1967年的春季平均降水量最小(333.19 mm)，1980—1984年的春季平均降水量最大(761.0 mm)。

(2) 夏季降水量呈增加態(tài)勢(shì)。線形趨勢(shì)和值都在0.60 mm/a，Sen′s斜率估計(jì)值0.19 mm/a。5 a滑動(dòng)平均圖顯示1993—1997年是夏季降雨最多的5年，1987—1991年是夏季降雨最小的5年。1992—1996年是一個(gè)降雨明顯增加的時(shí)段，而1980—1991年是降雨明顯減小時(shí)段。

(3) 秋季降水在四季中下降趨勢(shì)最明顯，減少速率為1.94 mm/a，從20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始至今21世紀(jì)初降水量一直呈下降趨勢(shì)，并且20世紀(jì)90年代的下降最為明顯。從1991—2010年降雨低于多年秋季均值。

(4) 冬季降水量增加幅度為0.88 mm/a，冬季降雨量年際變化大，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始增加較為明顯。M-K檢驗(yàn)、線形趨勢(shì)分析和Sen′s斜率估計(jì)值3種方法得到了相同的變化趨勢(shì)。

3.5 雨量變化的空間分布

3.5.1 空間趨勢(shì) 對(duì)流域內(nèi)所有站點(diǎn)，按照春、夏、秋、冬和全年分別進(jìn)行M-K趨勢(shì)變化檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。結(jié)果表明22個(gè)站點(diǎn)中，從全年角度來(lái)看，僅有3個(gè)站點(diǎn)具有較顯著的變化(α=0.10)，和前面流域面雨量的趨勢(shì)變化一致。從年內(nèi)來(lái)看，春季僅有3個(gè)站點(diǎn)和夏季僅有2站點(diǎn)具有顯著的變化趨勢(shì)，其余絕大多數(shù)站點(diǎn)均無(wú)顯著變化；但在秋季有16個(gè)站點(diǎn)有顯著的減少趨勢(shì)，其中有7個(gè)站點(diǎn)的顯著性超過(guò)0.05，同時(shí)，有10個(gè)站點(diǎn)在冬季具有顯著的增加趨勢(shì)(α=0.10)，其中3個(gè)站點(diǎn)的顯著性超過(guò)了0.05。以上分析表明，雖然從全年來(lái)看，整個(gè)流域無(wú)顯著的變化趨勢(shì)，但流域的部分地區(qū)在冬季降雨減少趨勢(shì)明顯，在冬季降雨增加趨勢(shì)明顯，減少的區(qū)域主要集中在章水流域的上游，江西和湖南接壤地區(qū)。

3.5.2 空間突變 通過(guò)Pettitt檢測(cè)流域所有站點(diǎn)的年降雨總量和春夏秋冬四季的突變情況(圖5)，僅吉村和紫陽(yáng)站年降雨量發(fā)生了顯著突變，發(fā)生時(shí)間分別為1991年和1993年，其余20站點(diǎn)均無(wú)突變，和面雨量檢測(cè)結(jié)果一致。

從年內(nèi)來(lái)看：紫陽(yáng)站春季降水量在1993年發(fā)生了突變，從1956年開(kāi)始一直到1981年春季降雨處于上升趨勢(shì)，從1982年開(kāi)始至今又逐步下降；夏季降水量在1991—1993年共有5個(gè)站發(fā)生突變，集中在流域的海拔較高的上游地區(qū)，降雨量呈現(xiàn)先下降后上升的變化特征；秋季降水量有7個(gè)站點(diǎn)檢測(cè)出突變，發(fā)生時(shí)間分散，20世紀(jì)70—90年代都有分布。發(fā)生區(qū)域集中在章水流域的上游和下游地區(qū)；冬季突變發(fā)生在5個(gè)站點(diǎn)，也集中在流域的上游地區(qū)。

圖4 章水流域年均、春季、夏季、秋季和冬季降水趨勢(shì)分析

圖5 流域M-K趨勢(shì)Z值和Pettitt突變時(shí)間(α=0.10)空間分布

4 結(jié) 論

(1) 60年來(lái)流域年均降雨量為1 599.76 mm，流域降雨以0.66 mm/a減少。年降水的37.32%集中在春季，冬季只占13.05%，變差系數(shù)以秋季最高達(dá)0.92，冬、夏、春季依次減小。年降水總量和春、夏、冬三季降雨量均呈增加趨勢(shì)，但變化不顯著；只有秋季降雨呈減小趨勢(shì)。

(2) 在年代際變化中，年和四季降雨在60 a內(nèi)都呈現(xiàn)減—增—減的趨勢(shì)，但是年、夏季和冬季的峰值在1991—2000年，春季和秋季的峰值在1981—1990年。從空間上來(lái)看，流域面降雨在上、中游有顯著的變化趨勢(shì)：秋季減少，冬季增加；流域降雨在全年和四季均沒(méi)有突變發(fā)生；但就單個(gè)站點(diǎn)而言，突變?cè)谀陜?nèi)有分散發(fā)生，春季和夏季較多。

(3) 年降雨量和各季降雨量變化雖不顯著，但多年變差系數(shù)較大，降雨年內(nèi)分布不均，呈雙峰型分布，有明顯的“兩峰一谷”存在。流域在7—9月用水高峰時(shí)段可利用水資源量相對(duì)減少，加劇供水用水矛盾，導(dǎo)致該流域旱、澇災(zāi)害發(fā)生機(jī)率增大，給流域內(nèi)的水利工程的調(diào)度和企業(yè)用水增加了難度。合理配置流域水資源，實(shí)施科學(xué)水量調(diào)度的在空間和時(shí)間分布，提高水資源利用率，是解決流域用水的根本方法。