郭慶冰，劉文飛，李 鳳，李慧明

(1.南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099；2.江西省水文局，江西 南昌 330003)

樂(lè)安河流域水文氣象要素變化特征分析

郭慶冰1，劉文飛1，李 鳳1，李慧明2

(1.南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099；2.江西省水文局，江西 南昌 330003)

水文；氣象；趨勢(shì)分析；樂(lè)安河流域

根據(jù)樂(lè)安河流域1954—2013年水文、氣象資料，采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法Mann-Kendall和Spearman秩相關(guān)檢驗(yàn)對(duì)其降水、氣溫、暴雨、干旱和徑流變化進(jìn)行趨勢(shì)分析。結(jié)果表明：樂(lè)安河流域降水總體呈弱減少趨勢(shì)，其中春、秋、冬季降水量呈減少趨勢(shì)，夏季降水量呈增加趨勢(shì)；平均氣溫呈極顯著增加趨勢(shì)；全年干旱時(shí)間呈上升趨勢(shì)，除了20世紀(jì)60年代其他時(shí)期整體上表現(xiàn)為秋冬旱出現(xiàn)頻率高于夏旱；流域徑流變化與年降水量總體變化趨勢(shì)基本吻合。以上結(jié)果說(shuō)明，該流域季節(jié)性干旱和洪澇災(zāi)害有進(jìn)一步加劇的風(fēng)險(xiǎn)，需要采取措施應(yīng)對(duì)全球氣候變化對(duì)區(qū)域水資源的影響。

鄱陽(yáng)湖是我國(guó)五大淡水湖之一，近年來(lái)其枯水期水位連創(chuàng)新低，低水位持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)、旱澇災(zāi)害頻發(fā)等引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[1-6]。研究表明，洪澇、干旱等極端氣候事件頻發(fā)，與氣候變化對(duì)流域水資源時(shí)空分布的影響有著密切的關(guān)系[7-11]，科學(xué)評(píng)估氣候變化動(dòng)態(tài)對(duì)制訂科學(xué)的流域管理計(jì)劃有重要意義。樂(lè)安河是匯入鄱陽(yáng)湖的主要河流之一，其水量變化將直接影響鄱陽(yáng)湖的水量平衡[12-14]，但關(guān)于水文氣象要素對(duì)水資源影響的研究成果鮮有報(bào)道。在鄱陽(yáng)湖流域研究的大背景下，在長(zhǎng)序列的水文、氣象數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法Mann-kendall和Spearman秩相關(guān)檢驗(yàn)分析了樂(lè)安河流域降水、氣溫、暴雨、干旱和徑流等年(季、月)變化趨勢(shì)，希望能為保護(hù)鄱陽(yáng)湖水資源和維護(hù)江西省乃至長(zhǎng)江中下游生態(tài)安全提供參考資料。

1 研究區(qū)概況

樂(lè)安河屬饒河支流，位于28°55′41″～29°1′21″N、116°29′35″～117°48′24″E，海拔12～57 m，發(fā)源于江西省婺源縣芙蓉嶺，流經(jīng)婺源、德興、樂(lè)平、萬(wàn)年、波陽(yáng)等縣，與昌江之水合流稱饒河，西注鄱陽(yáng)湖，全長(zhǎng)279 km，流域總面積9 616 km2[15]。該流域位于中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，日照充足，無(wú)霜期長(zhǎng)，年降水量1 786.7 mm，年平均無(wú)霜期246～304 d，年平均日照時(shí)數(shù)1 760～2 105 h，雨季(4—6月)降水量約占全年降水量的46%，年蒸發(fā)量為1 342.7 mm，年平均氣溫17.5℃，多年平均徑流深約1 115 mm。流域地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，土地利用類型以林地為主，占流域總面積的70.025%，其次是耕地(23.006%)、草地(3.247%)、城鄉(xiāng)工礦居民用地(2.054%)、水域(1.673%)和未利用地(0.004%)。

2 資料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用的水文數(shù)據(jù)來(lái)自江西省水文局，利用虎山水文站1954—2013年逐日流量計(jì)算得到年(月)平均流量數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)(1954—2013年)來(lái)自江西省氣象局和中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，以波陽(yáng)、德興、景德鎮(zhèn)3站數(shù)據(jù)為主。由于流域地勢(shì)平坦，空間變異相對(duì)較小，因此流域溫度和降水量采用各站點(diǎn)加權(quán)平均值計(jì)算得到[16-17]。

2.2 研究方法

暴雨數(shù)據(jù)采用日降水量(中國(guó)氣象局規(guī)定24 h降水量超過(guò)50 mm為暴雨)統(tǒng)計(jì)出每年暴雨次數(shù)及暴雨強(qiáng)度，并分別計(jì)算出5、10、20、50、100年一遇暴雨量；根據(jù)《氣象干旱等級(jí)》規(guī)定，連續(xù)無(wú)降雨時(shí)間超過(guò)夏季16～25 d、秋冬季31～50 d即為干旱天氣，據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)歷史上出現(xiàn)的干旱持續(xù)時(shí)間。

趨勢(shì)檢驗(yàn)是根據(jù)時(shí)間的變化，對(duì)流域水文氣象序列趨勢(shì)性變化進(jìn)行分析，研究檢驗(yàn)?zāi)骋粫r(shí)期內(nèi)某地區(qū)水文、氣象數(shù)據(jù)可能存在的趨勢(shì)變化情況，如果發(fā)現(xiàn)了顯著的趨勢(shì)變化，則可進(jìn)一步分析影響因素。本研究采用Mann-Kendall法和Spearman秩相關(guān)檢驗(yàn)[18-20]分析樂(lè)安河流域1954—2013年氣象和水文數(shù)據(jù)的年(季、月)變化趨勢(shì)。應(yīng)用 SPSS 17.0等軟件，進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水變化趨勢(shì)分析

3.1.1 降水年際變化特征

圖1為樂(lè)安河流域降水量年際變化。由圖1知，該流域降水量年際變化大，如1954年降水量高達(dá)2 595.8 mm，但1978年僅為1 186.6 mm，相差1 409.2 mm；比較典型的階段，1954—1960年降水量呈顯著減少趨勢(shì)，1964—1974年降水量圍繞多年平均值變化不大，20世紀(jì)90年代降水量較多，21世紀(jì)初又出現(xiàn)減少趨勢(shì)。根據(jù)水文頻率曲線，頻率≤5%對(duì)應(yīng)年份降水量極為豐富，包括1954年(2 595.8 mm)、1993年(2 420.1 mm)、1998年(2 449.0 mm)、1999年(2 426.1 mm)、2010年(2 444.9 mm)；頻率≤95%對(duì)應(yīng)年份降水量貧乏，包括1963年(1 231.0 mm)、1978年(1 186.6 mm)。分析可知，20世紀(jì)90年代降水量豐富，共出現(xiàn)3次降水量極為豐富的年份，其中1998年樂(lè)安河流域年降水量達(dá)到了僅次于1954年的歷史第二高值；而20世紀(jì)60年代、70年代各出現(xiàn)一次降水量極為匱乏的年份。

圖1 樂(lè)安河流域降水量年際變化

3.1.2 降水季(月)變化特征

樂(lè)安河流域月平均降水量見(jiàn)圖2。1954—2013年樂(lè)安河流域年平均降水量為1 786.9 mm，其中4—6月份降水量為826.3 mm，占全年降水量的46%；9—12月份降水較少，為258.6 mm，僅占全年降水量的14%。根據(jù)1954年以來(lái)月降水量數(shù)據(jù)，月正向、負(fù)向降水變化趨勢(shì)Mann-kendall檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明：該流域春、秋、冬季降水量呈減少趨勢(shì)(春、秋、冬季相關(guān)系數(shù)為-0.155、-0.010、-0.072)，夏季則呈增加趨勢(shì)(夏季相關(guān)系數(shù)為0.050)，但均未達(dá)到統(tǒng)計(jì)上的顯著水平；2、4、5、9月份均呈下降趨勢(shì)，其中5月份呈顯著負(fù)趨勢(shì)(P<0.05)，其他月份呈上升趨勢(shì)。

圖2 樂(lè)安河流域月平均降水量

表1 樂(lè)安河流域月降水變化趨勢(shì)Mann-kendall檢驗(yàn)結(jié)果

3.1.3 暴雨、干旱年際變化特征分析

根據(jù)對(duì)暴雨數(shù)據(jù)(24 h降水量)的統(tǒng)計(jì)，樂(lè)安河流域6月份暴雨次數(shù)最多、強(qiáng)度最大，6、7月份連續(xù)暴雨次數(shù)最多、時(shí)間最長(zhǎng)。樂(lè)安河流域5年一遇暴雨量為98.4 mm，10年一遇112 mm、20年一遇125.0 mm、50年一遇139 mm、100年一遇150 mm；5、10、20年一遇暴雨量在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)次數(shù)最多、80年代出現(xiàn)次數(shù)最少；50年一遇暴雨量在20世紀(jì)60、80年代各出現(xiàn)1次，90年代出現(xiàn)4次，21世紀(jì)初出現(xiàn)多達(dá)6次；100年一遇暴雨歷史上總共出現(xiàn)過(guò)7次，而近10年就集中了4次，這與全球氣候變暖加劇、洪澇災(zāi)害頻發(fā)密切相關(guān)。此外，暴雨發(fā)生次數(shù)年際分布不均勻(表2)，其中20世紀(jì)60年代出現(xiàn)次數(shù)最少(59次)，90年代出現(xiàn)次數(shù)最多(111次)，總體上呈增加的趨勢(shì)，尤其是1990年之后暴雨強(qiáng)度和暴雨頻率都顯著增加。

對(duì)1954—2013年干旱分布進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，樂(lè)安河流域秋冬旱出現(xiàn)頻率整體高于夏旱，在20世紀(jì)60年代出現(xiàn)突變情況，夏旱時(shí)間高達(dá)221 d，而秋冬旱僅有35 d(表2)。流域干旱情況有所加重，尤其是2003、2004年和2007年干旱時(shí)間分別達(dá)到56、81、57 d，與此對(duì)應(yīng)的是近20年來(lái)暴雨出現(xiàn)頻率明顯加大，這說(shuō)明近年來(lái)極端氣候出現(xiàn)頻率增加。

表2 樂(lè)安河流域夏旱、秋冬旱、暴雨分布統(tǒng)計(jì)

3.2 氣溫變化趨勢(shì)分析

對(duì)樂(lè)安河流域氣溫變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖3、4。樂(lè)安河流域年平均氣溫為17.5 ℃，其中7月份溫度最高(29 ℃)，1月份溫度最低(5.2 ℃)。1954—2013年該流域氣溫總體呈極顯著上升趨勢(shì)(P<0.01)，上升速率為0.25 ℃/10 a。

圖3 樂(lè)安河流域月平均氣溫

圖4 樂(lè)安河流域年平均氣溫變化及5年滑動(dòng)平均

3.3 徑流變化趨勢(shì)分析

受人類活動(dòng)及氣候變化的影響，樂(lè)安河流域徑流量發(fā)生了明顯變化，采取Mann-kendall法和滑動(dòng)平均法對(duì)1954—2013年數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，采用徑流深來(lái)定義徑流的變化情況。由Mann-kendall檢驗(yàn)知，1954—1963年徑流量呈減少趨勢(shì)，1963年徑流深為最小(489.4 mm)，1978—1995年徑流量呈顯著上升趨勢(shì)，1998年發(fā)生特大洪水，該流域年徑流深曾高達(dá)2 297.7 mm，2000年以后徑流深持續(xù)減小，尤其是2003、2004、2007年連續(xù)枯水年，年徑流深明顯減小(詳見(jiàn)圖5)。同時(shí)，徑流量變化趨勢(shì)大體上與降水量趨勢(shì)吻合，表明徑流量與降水量密切相關(guān)。

圖5 樂(lè)安河流域徑流深年際變化

4 結(jié)論與討論

(1)1954—2013年樂(lè)安河流域降水總體呈弱減少趨勢(shì)，其中春、秋、冬季降水量呈減少趨勢(shì)，夏季降水量呈增加趨勢(shì)。流域降水量年際變化大，降水主要集中在4—6月，且暴雨強(qiáng)度和暴雨頻率都顯著增加，這與任玉玉等[21]提出的江西省近50年極端降水事件強(qiáng)度、頻率呈上升趨勢(shì)，尤其暴雨和極端強(qiáng)降水強(qiáng)度和時(shí)間增加明顯的結(jié)論相似。

(2)1954—2013年樂(lè)安河流域年平均氣溫總體呈極顯著上升趨勢(shì)，全年干旱時(shí)間也呈上升趨勢(shì)。除了20世紀(jì)60年代，整體上表現(xiàn)為秋冬旱出現(xiàn)頻率高于夏旱。尤其是近10年來(lái)干旱情況日益加劇，如2003、2004和2007年都出現(xiàn)歷史上的極端干旱天氣，降水量較多年平均值偏少40%以上[22-23]。此外，近10年樂(lè)安河流域夏季存在明顯的旱澇并存、交替現(xiàn)象，針對(duì)流域出現(xiàn)的這種不穩(wěn)定的水文情勢(shì)，應(yīng)該積極采取措施，提高防御干旱、洪澇災(zāi)害的能力。

(3) 樂(lè)安河流域徑流變化與年降水量總體變化趨勢(shì)基本吻合，其中1978—1995年徑流量均呈顯著上升趨勢(shì)，這可能與該期降雨量明顯增加和土地利用發(fā)生較大改變有關(guān)。

[1] Shankman D,Davis L,Leeuw J.River management,land use change,and future flood risk in China’s Poyang Lake region[J].International Journal of River Basin Management,2009,7(4):423-431.

[2] Shankman D,Keim B D,Song J.Flood frequency in China’s Poyang Lake region:trends and teleconnections[J].International Journal of Climatology,2006,26(9):1255-1266.

[3] Guo H,Hu Q,Jiang T.Annual and seasonal streamflow responses to climate and land-cover changes in the Poyang Lake basin, China[J].Journal of Hydrology，2008,355(1-4):106-122.

[4] 簡(jiǎn)虹,駱云中,謝德體.基于Man-Kendall法和小波分析的降水變化特征研究——以重慶市沙坪壩區(qū)為例[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,36(4)：217-222.

[5] 胡振鵬,林玉茹.氣候變化對(duì)鄱陽(yáng)湖流域干旱災(zāi)害影響及其對(duì)策[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2012,21(7):897-904.

[6] 閔屾,嚴(yán)蜜,劉健.鄱陽(yáng)湖流域干旱氣候特征研究[J].湖泊科學(xué),2013,25(1):65-72.

[7] 羅蔚,張翔,鄧志民,等.近50年鄱陽(yáng)湖流域入湖總水量變化與旱澇急轉(zhuǎn)規(guī)律分析[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)報(bào), 2013,21(5):845-855.

[8] Zhang Q,Xu C Y,Yang T,et al.Spatial assessment of hydrologic alteration across the Pearl River Delta,China,and possible underlying causes[J].Hydrological Processes,2009,23(11):1565-1574.

[9] Richard R,Heim Jr.A review of twentieth-century drought Indices used in the united States[J].American Meteorological Society,2002,83(8):1149-1165.

[10] Fatichi S,Caporali E.A comprehensive analysis of changes in precipitation regime in Tuscany[J].International Journal of Climatology,2009,29(13):1883-1893.

[11] Tao Fulu,Yokozawa Masayuki, Hayashi Yousay, et al.Future climate change, the agricultural water cycle,and agricul tural production in China[J].Agriculture, Ecosystems and Environment,2002,95(1):203-215.

[12] 萬(wàn)金寶,閆偉偉,謝婷.鄱陽(yáng)湖流域樂(lè)安河重金屬污染水平[J].湖泊科學(xué),2007,19(4):421-427.

[13] 高海鷹,莊霞,張奇.鄱陽(yáng)湖樂(lè)安江流域非點(diǎn)源氮污染時(shí)空變化特征分析[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2011,20(5):597-602.

[14] 簡(jiǎn)敏菲,徐鵬飛,熊建秋,等.樂(lè)安河-鄱陽(yáng)湖段濕地表土重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)及水生植物群落多樣性評(píng)價(jià)[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2013,29 (4):415-421.

[15] 王曉鴻,鄢幫有,吳國(guó)琛.山江湖工程[M].北京:科學(xué)出版社,2006:31.

[16] 李建國(guó),毛節(jié)泰,李成才,等.使用全球定位系統(tǒng)遙感水汽分布原理和中國(guó)東部地區(qū)加權(quán)“平均溫度”的回歸分析[J].氣象學(xué)報(bào),1999,57(3):283-292.

[17] 劉焱雄,陳永奇,劉經(jīng)南.利用地面氣象觀測(cè)資料確定對(duì)流層加權(quán)平均溫度[J].武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào),2000,25(5):400-403.

[18] Mann H B.Non-parametric test against trend[J].Econometrica,1945,13:245-259.

[19] Kendall M G.Rank Correlation Measures[M].London:Charles Griffin,1975:202 .

[20] Yue S,Pilon P,Cavadias G.Power of the Mann-Kendall and Spearman’s rho tests for detecting monotonic trends in hydrological series[J].Journal of Hydrology,2002,259(1):254-271.

[21] 任玉玉,任國(guó)玉.1960～2008年江西省極端降水變化趨勢(shì)[J].氣候與環(huán)境研究,2010,15(4):462-469.

[22] 甘小艷,劉成林,黃小敏.鄱陽(yáng)湖干旱分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(24):14676-14678.

[23] 郭華,蘇布達(dá),王艷君,等.鄱陽(yáng)湖流域1955—2002年徑流系數(shù)變化趨勢(shì)及其與氣候因子的關(guān)系[J].湖泊科學(xué), 2007,19(2):163-169.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

江西省水利廳科技項(xiàng)目(KT201316)；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20142BAB214006)；南昌工程學(xué)院2014年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(省級(jí))

P462

A

1000-0941(2015)08-0060-04

郭慶冰(1991—)，男，江西萍鄉(xiāng)市人，碩士研究生，主要從事水土保持方面的研究；通信作者李鳳(1963—)，女，江西進(jìn)賢縣人，教授，學(xué)士，主要從事水土保持教學(xué)與研究工作。

2015-05-01