近50年贛江水位特征變化規律及其周期性分析

陳 峰，游海林

(1.江西省水利規劃設計研究院，江西南昌330029；2.江西省科學院鄱陽湖研究中心，江西南昌330096)

水文時間序列是指各時刻或各時段水文值按日歷時間順序排列而成的序列，可由離散的觀測值或統計值組成，也可由連續的水文過程經離散化后的取值組成[1-2]。水位是水文時間序列的重要組成部分，它是反映水體最直觀的因素，其變化主要由于水體水量的增減變化引起的。一般通過描繪水位過程線來研究水位隨時間的變化規律，進而揭示斷面以上流域內自然地理因素對該流域水文過程的綜合影響，特別是氣候因素對水文過程的影響[3]：一方面，開展水位變化規律研究可直接為預防旱澇災害、保障人民生命財產安全提供判斷依據；另一方面，水文過程被認為是濕地生態系統形成與演化的重要驅動因子，因而開展水位變化研究對揭示濕地生態過程與生態格局形成具有重要意義[4-5]。

傳統意義上的水文時間序列分析方法一般是建立在數理統計的隨機水文學理論基礎之上[6]。然而，由于現實自然界中的水文現象十分復雜，加之水文系統的非線性、時刻變化、分布不確定性的特點，傳統的水文時間序列分析方法在實際應用中的局限性較為明顯，以滑動平均模型為例，參數估計的復雜程度極大地限制了其精度的提高[7]。針對傳統分析方法存在的不足，許多學者將具有時-頻多分辨功能的小波分析技術引入到水文序列變化特性研究之中，并取得了較好的應用效果，尤其是在分析水文序列的變化趨勢和周期等組成效果更加明顯。米熱古力·艾尼瓦爾等應用小波分析技術對比研究了博斯騰湖與伊塞克湖近50多年來水位變化特征，結果顯示博斯騰湖和伊塞克湖年水位總體呈顯著的下降趨勢[8]。游海林等利用小波技術研究了鄱陽湖近60年水位時間序列的周期變化特征，結果表明鄱陽湖水位序列顯現出不同的周期交替現象[9]。前人的研究對象大部分集中于湖泊的研究，對河道的研究相對報道較少。

贛江作為江西省最大河流、長江主要支流之一，開展其水位變化特征與周期性規律研究，揭示贛江、鄱陽湖和長江三者之間的“江河湖”關系具有指參考性作用；同時，對維護鄱陽湖水環境和水生態安全、減輕旱澇災害威脅以及保障湖區人民生命財產安全具有重要的意義。

1 研究區概況

贛江位于長江中下游南岸，源于贛閩邊界武夷山西麓，自南向北縱貫江西省全省，被譽為南昌人的“母親河”。贛江有13條主要支流匯入，長766 km，自然落差937 m，多年平均流量2 130 m3/s。從河源至贛州為上游，稱貢水；在贛州市城西納章水后始稱贛江。外洲水文站是贛江入鄱陽湖的重要控制站點，位于南昌市桃花鄉外洲村，1949年10月設立，控制流域面積為80 948 km2，占鄱陽湖流域總面積的49.9%。自外洲站設立以來，有連續的水文觀測資料，該站水位和徑流序列對鄱陽湖水位影響較大；同時也受鄱陽湖水位頂托的影響[10]。

2 材料與方法

選取贛江外洲水文站1965年～2015年的水位時間序列數據(吳淞基面，m)作為研究對象，利用Origin8.5對贛江水位序列的年尺度、月尺度和日尺度這三種時間尺度的水位變化特征與規律進行統計分析與作圖。在此基礎上，采用Morlet連續復小波變化對贛江歷年年均水位序列的進行周期分析，并利用surfer12.0繪制出反映年均水位序列周期性變化特征的小波系數時頻圖，確定年均水位序列的變化趨勢和周期組成。

3 結果分析與討論

3.1 贛江多時間尺度水位變化特征

3.1.1年尺度水位變化特征

從圖1可以得知，在1965年～2015年期間，贛江年最高水位變化范圍為18.45～25.60 m，多年平均值為22.69 m，其中以1982年年最高水位為最高，2011年年最高水位最低。年最低水位變化范圍為11.50～17.17 m，多年平均值為15.75 m，其中以1975年年最低水位為最高，2015年年最低水位為最低。年內水位變幅為4.69～11.25 m，年內水位變幅均值為6.94 m，年內水位變幅以2010年為最高，以 1990年的年內水位變幅為最低。年際水位變幅最大值為14.10 m，為1982年的年最高水位和2015年年最低水位之差。

1965年～2015年贛江年平均水位變化為14.83～19.63 m，多年平均水位為17.92 m，其中以1998年年平均水位最高，2011年年平均水位最低。1998年由于厄爾尼諾現象肆虐，全球氣候普遍出現異常，加之流域內不合理的人類活動(如采砂等)，長江流域(包括江西省)遭遇百年一遇的特大洪水，給人民生命財產安全造成嚴重威脅[11]，贛江是長江流域的主要支流之一，是江西省內最大河流，因此不難理解贛江1998年的年平均水位最高。2011年是鄱陽湖流域的典型干旱年份，由于氣候干旱導致的降水量普遍減少，贛江流域也不例外，盡管贛江流入鄱陽湖的水量與往年相比有所下降，但是贛江仍是補給鄱陽湖水量的最大水系，因此也可以理解贛江的年最低水位發生在2011年[12]。

圖1 贛江年尺度水位變化特征

3.1.2月尺度水位變化特征

從圖2可以得知，贛江水位年內過程線均呈現單峰型，逐月平均水位和逐月最高水位的單峰的形狀更加明顯。在1965年～2015年期間，贛江逐月平均水位變化范圍為 11.86～22.64 m，逐月最高水位變化范圍為12.37～25.60 m，逐月最低水位變化范圍為11.50～22.15 m。逐月水位變幅變化范圍為0.13～7.29 m，呈現波峰的形狀，波峰出現在6月份。

圖2 贛江月尺度水位變化特征

表1為贛江外洲站1965年～2015年的多年月平均水位數據。可以得出，贛江多年月均水位為17.92 m，以6月份最高(19.69 m)，以1月份最低(16.52 m)，因而其最高水位出現時間相比鄱陽湖而言提前出現1～2個月，而最低水位出現時間則與鄱陽湖幾乎重疊。1月～2月份和7月～9月份共計5個月的多年月均水位最大值發生在1998年，占全年比例的41.67%；有3個月(5月和10月～11月)的最大值發生在1975年，占全年的比例的25.00%；3月、4月、6月和12月份的最大值依次出現在1983年、1981年、1977年和1982年。相比多年月均水位的最大值，月均水位最小值發生的年份更加集中。其中，3月～8月份共計6個月的多年月均水位的最小值均發生在2011年，占全年比例的50.00%；1月～2月份的最小值發生在2015年；9月～11月份的最小值則發生在2013年，12月份的最小值則發生在2014年。故，可以總結出贛江多年月均水位的最大值均發生在1998年之前；而最小值均發生在2010年之后。由于贛江是補給鄱陽湖水量的最大水系，且外洲水文站是贛江入鄱陽湖的重要控制站點，贛江水位低可直接導致進入鄱陽湖的水量減少，因此本研究結果可在一定程度上反映出近些年來鄱陽湖水位出現下降的趨勢，產生了“高水不高，低水過低”的現象，這種現象在2010年之后更加明顯[13]。贛江流域降水量減少和不合理的人類活動(如非法采砂、過度引水灌溉等)是導致贛江水位下降的兩個主要因素[14]。

表1 贛江多年月平均水位數據(1953年～2012年) m

3.1.3日尺度水位變化特征

從圖3可以得知，贛江逐日平均水位變化范圍為11.52～22.56 m，逐日水位最大值發生在1982年(6月20日)，最小值則發生在2015年(2月19日)。將圖3中的1965年～2015年的逐日平均水位的每一年平均值(即為圖3中箱型圖小方框對應的水位)進行可視化，得贛江歷年年均水位序列曲線及其變化趨勢(見圖4)。

圖3 贛江日尺度水位變化特征

圖4 贛江歷年年均水位序列曲線

可以看出，贛江歷年年均水位呈現下降趨勢，尤其是在1998年～2011年期間下降速度明顯加快，平均每年下降幅度達到0.37 m，比同期鄱陽湖星子水文站的下降速度高0.2 m/a[15]。

圖5 贛江歷年年均水位序列Morlet小波系數時頻

3.2 贛江水位周期性分析

在分析贛江水位年尺度、月尺度和日尺度水位變化特征的基礎上，利用Morlet小波方法進一步分析贛江水位歷年年均水位序列的周期性特征。小波系數實部等值線可以用于反映水位變動在不同的多時間尺度周期變化，以及其在時間域中的分布；并在此基礎上能夠判斷出在不同時間尺度上，贛江水位變動特征以及未來演變趨勢。不同時間尺度的贛江歷年年均水位變化特征，可以由不同時間尺度的小波系數反映出來。如小波系數為正數則對應贛江年均水位升高；反之，為負數則對應贛江年均水位下降；如果小波系數為零則對應著突變點，表示這個在這個點的前后贛江年均水位變化必然不同。小波系數的絕對值越大，則表明該時間尺度變化越為顯著[16-17]。從圖5可以看出，贛江歷年年均水位存在多時間尺度特征。總體而言，17～22 a和8～14 a這兩類尺度的周期變化規律較為明顯。其中，在17～22 a尺度上出現了枯-豐交替的準2次震蕩。這一尺度在整個分析時段表現具有較為穩定以及全域性的特征。在8～14 a尺度上，則出現了枯-豐交替的準3次震蕩，該周期變化規律在1988年以前表現較為穩定。

4 結 論

本研究依據長江主要支流、鄱陽湖最大補給水系贛江水位變化特征與變化趨勢，采用Morlet連續小波變化分析贛江1965年～2015年的歷年年均水位變動的多時間尺度特征。研究表明，借助小波分析技術時、頻局部化的特性，可以較好地應用于贛江歷年年均水位序列的多時間尺度分析。分析得到的結果相對于傳統的分析方法更具科學性及可行性，且能夠發掘出水位時間序列中更多的隱藏信息。本研究得到的主要結論有：

(1)贛江多年月均水位的最大值均發生在1998年之前，而最小值均發生在2010年之后，流域內降水量減少和人類活動的影響是導致該現象的兩個主要原因。

(2)贛江歷年年均水位呈現下降趨勢，且在1998年～2011年期間下降速度最為明顯，與同期鄱陽湖水位下降速度較為吻合。

(3)贛江歷年年均水位存在著17～22 a和8～14 a這2類尺度的周期變化特征，前者具有全域性，后者在1988年前表現較為穩定。