黃 亞,肖偉華,陳立華

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西南寧530004；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源所,北京100038)

龍灘水庫(kù)流域1959年～ 2014年氣溫、降水變化特征分析

黃 亞1,肖偉華2,陳立華1

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西南寧530004；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源所,北京100038)

運(yùn)用線性趨勢(shì)法、滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法以及Morlet連續(xù)復(fù)小波等氣象統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)龍灘水庫(kù)流域的氣溫、降水變化趨勢(shì)、突變位置、周期性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,龍灘水庫(kù)流域過去的56年間氣溫經(jīng)歷了由低溫到高溫的突變過程,氣候傾向率在0.141 ℃/10 a左右,降水呈現(xiàn)略微下降趨勢(shì),變化幅度23.6 mm/10 a左右；氣溫增幅從東北向西南方向增加,降水傾向率則從西北向東南逐漸減少；流域內(nèi)冬季的氣溫升溫幅度最為明顯,增溫幅度達(dá)0.21 ℃/10 a左右,降水傾向率則秋季最大,達(dá)-3.71 mm/10 a；龍灘水庫(kù)流域氣溫及降水的突變點(diǎn)在2001年～2002年間,第25年的變化強(qiáng)度最為劇烈,流域下一個(gè)周期將進(jìn)入枯水、高溫期。

氣候變化；氣溫；降水；龍灘水庫(kù)流域

氣候變化正在以深刻的方式影響著全球,任何區(qū)域的氣候狀態(tài)都要受大氣候背景的影響。大量研究表明,中國(guó)也經(jīng)歷著氣溫上升,降水區(qū)域變化的過程。這與全球氣候變化的趨勢(shì)是一致的[1]。氣候變化正對(duì)供水、防洪、水生態(tài)環(huán)境安全造成多方面的影響[2-4]。不同區(qū)域的氣候變化特征不盡相同,都具有各自的特殊性。目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于不同地區(qū)氣候變化下氣溫、降水的變化特征分析研究已有許多研究成果[5-9]；而關(guān)于龍灘水庫(kù)流域氣候變化特征相關(guān)研究較少,僅竇慶榮等[10]對(duì)龍灘水庫(kù)黔西南淹沒區(qū)的氣溫變化特征進(jìn)行了研究；舒興武等[11]對(duì)龍灘水庫(kù)貴州庫(kù)區(qū)局部氣候變化分析。相關(guān)研究表明,水庫(kù)流域既是氣候變化敏感區(qū)域,又是生態(tài)環(huán)境脆弱帶[12-13]。水庫(kù)作為重要的供水水源,其運(yùn)行調(diào)度在緩解水資源矛盾中發(fā)揮著舉足輕重的作用[14-15]。由于氣候變化以及人類活動(dòng)的影響日益加劇,龍灘水庫(kù)流域氣候以及水生態(tài)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了相應(yīng)的改變。本文利用氣象研究分析了流域內(nèi)氣溫、降水的變化特征,可以充分了解龍灘水庫(kù)流域內(nèi)氣候要素受全球氣候變化影響程度以及趨勢(shì),對(duì)氣候變化給水庫(kù)流域帶來的影響研究,流域生態(tài)建設(shè)和水資源的可持續(xù)利用管理有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

龍灘水庫(kù)地處中國(guó)西南部，壩址坐落于中國(guó)西南部廣西、云南和貴州的三省的交界處(見圖1),水庫(kù)是一座兼具發(fā)電、防洪、灌溉等多功能的大型水利樞紐工程,是紅水河梯級(jí)開發(fā)的龍頭水庫(kù),其流域總面積98 500 km2。流域所在水系為珠江水系干流的紅水河中上游,占紅水河流域面積的71.2%。

圖1 研究區(qū)域及氣象站點(diǎn)分布

龍灘水庫(kù)流域地處喀斯特山區(qū),屬于亞熱帶氣候區(qū),氣候溫和多雨,地勢(shì)自西北向東南傾斜,流域平均海拔高程1 450 m。流域內(nèi)各地的多年平均降雨量在760～1 860 mm之間,汛期(4月～10月)占全年水量的88.4%,多年平均月降雨量最大值出現(xiàn)在6月份,占多年平均降雨量的19%,其次是7月、8月和5月,流域內(nèi)各地區(qū)多年平均氣溫在12.3～21.3℃之間。

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用氣象資料通過中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)下載獲取,選取龍灘水庫(kù)流域內(nèi)12個(gè)氣象站(1959年～2014年)以及流域鄰近的8個(gè)氣象站(1959年～2014年)56 a的月平均氣溫及月降水?dāng)?shù)據(jù),對(duì)部分站點(diǎn)缺測(cè)數(shù)據(jù)利用ArcGIS克里金插值以及多元回歸插值進(jìn)行補(bǔ)全,構(gòu)建龍灘水庫(kù)流域1959年～2014年的月平均氣溫、月降水?dāng)?shù)據(jù)時(shí)間序列。

2.2 分析方法

本文對(duì)龍灘水庫(kù)流域氣溫和降水的季節(jié)變化、年際變化進(jìn)行了研究,季節(jié)分析時(shí),以3月～5月為春季,6月～8月為夏季,9月～11月為秋季,12月～2月為冬季進(jìn)行分析。文中采用線性趨勢(shì)分析[16]、滑動(dòng)平均[17]分析氣溫、降水時(shí)間序列的趨勢(shì)性變化；采用累計(jì)距平法[18]辨析氣溫、降水年際變化的階段性；采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[19]確定氣溫、降水序列的突變位置；采用Morlet連續(xù)復(fù)小波法[20]分析氣溫、降水多時(shí)間尺度的周期性。

3 結(jié)果與分析

3.1 年際變化趨勢(shì)分析

氣溫年際變化趨勢(shì)分析表明：龍灘水庫(kù)流域年均氣溫為16.3 ℃,最高溫度為17.3 ℃(1998年),最低溫度為15.6 ℃(1976年)；20世紀(jì)70年代起,氣溫便呈上升趨勢(shì),特別是90年代后升溫速率明顯加快,增溫速率達(dá)0.623 ℃/10 a。據(jù)線性回歸及5年滑動(dòng)平均分析,龍灘水庫(kù)流域近56年來氣溫升溫趨勢(shì)明顯,氣候傾向率在0.141 ℃/10 a左右(見圖2a),較全國(guó)近50年的氣候傾向率(0.22 ℃/10 a)[21]以及整個(gè)廣西氣溫傾向率(0.148 ℃/10 a)[22]略低；而相比全球近50年(1956年～2005年)的氣候傾向率0.13 ℃/10 a則略高。這表明流域與全球氣候變暖的趨勢(shì)一致,氣溫變幅較其他地區(qū)有一定的差異。

流域多年平均降水量為1 085.5 mm,最大值為1 331.2 mm(1965年),最低723.2 mm(2011年)。流域降水在20世紀(jì)70年代后表現(xiàn)出較強(qiáng)波動(dòng)性變化,降水量在波動(dòng)中呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。特別是進(jìn)入21世紀(jì)后,降水減少趨勢(shì)尤為明顯。這與全國(guó)平均年降水量波動(dòng)略有減少的整體趨勢(shì)相同[6],也與陳立華等[23]研究西江流域干流所得趨勢(shì)一致,降水傾向率為23.6 mm/10 a(見圖2b)。

圖2 龍灘水庫(kù)流域年氣溫及降水變化趨勢(shì)

3.2 空間分布趨勢(shì)分析

從各氣象站的氣溫變化趨勢(shì)分析,除貴陽(yáng)、興義、盤縣3個(gè)氣象站點(diǎn)呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)外,其余的17個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫都呈現(xiàn)出升溫的態(tài)勢(shì),但升溫幅度有一定的不同。其中氣溫增幅最大的是昆明氣象站,增溫幅度達(dá)到了0.404 ℃/10 a,其次是宜良和玉溪?dú)庀笳?分別達(dá)到了0.389 ℃/10 a和0.258 ℃/10 a。另外,從地理位置分布上看,溫度變化呈一定的分布規(guī)律,氣溫由西北向東南逐漸增加,而氣溫傾向率則是由東北向西南方向增加。

從各個(gè)站點(diǎn)的降水情況看,均出現(xiàn)了降水量減少的趨勢(shì)。其中,宜良、安順降水量減少趨勢(shì)尤為明顯,降水傾向率均達(dá)到了-4.0 mm/10 a；其次是沾益和盤縣,降水傾向率分別達(dá)到了-3.9 mm/10 a和-3.4 mm/10 a。從地理位置上分析,流域東部降水明顯比流域西部降水多,且降水主要集中在流域的中東部地區(qū),而降水傾向率則是在流域的中部出現(xiàn)較大的變化,且從西北向東南逐漸減少。

3.3 季節(jié)變化特征分析

在氣溫的季節(jié)變化上,龍灘水庫(kù)流域各個(gè)季節(jié)都有一定的升溫。其中,增幅最大的是冬季,達(dá)到0.21℃/10a；秋季次之,為0.16 ℃/10 a；夏季為0.11 ℃/10 a。春季增溫幅度最小,為0.09 ℃/10 a(見表1)。全國(guó)四季氣溫傾向率分別為：冬季0.39 ℃/10 a,秋季0.20 ℃/10 a,夏季0.15 ℃/10 a,春季0.28 ℃/10 a[24]?？梢?龍灘水庫(kù)流域四季溫度變化趨勢(shì)與全國(guó)四季溫度變化趨勢(shì)基本一致；但是龍灘水庫(kù)流域四季增溫速率明顯低于全國(guó)水平。

在降水的季節(jié)變化上,四季均呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢(shì),其中秋季減幅最大,為-3.71 mm/10 a；夏季次之,為-2.52 mm/10 a；春季-1.33 mm/10 a；冬季減少幅度最小,為-0.30 mm/10 a,見表1。全國(guó)四季降水傾向率分別為：秋季-4.48 mm/10 a,夏季0.39 mm/10 a,春季-2.86 mm/10 a,冬季-1.37 mm/10 a[25],表明在全球氣候變化的背景下,龍灘水庫(kù)流域四季降水量變化趨勢(shì)與全國(guó)四季降水量變化趨勢(shì)基本一致,但是在夏季減少的趨勢(shì)與全國(guó)呈現(xiàn)出的略微增加趨勢(shì)略有差異,且其他季節(jié)的減少趨勢(shì)明顯低于全國(guó)水平。流域內(nèi)降水在季節(jié)分配上發(fā)生了一定的變化,具體表現(xiàn)為暖季降水有逐漸減少的趨勢(shì),地區(qū)暖干性增強(qiáng)。

表1 龍灘水庫(kù)流域氣溫與降水量季節(jié)變化

3.4 變化趨勢(shì)突變分析

圖3 氣溫變化趨勢(shì)突變

由圖3a分析可知,1997年以前UF<0,氣溫呈現(xiàn)出不顯著的波動(dòng)降低趨勢(shì)；1997年以后UF>0,氣溫開始逐漸上升,在2001年UF與UB出現(xiàn)交點(diǎn),且交點(diǎn)在0.05顯性水平臨界值內(nèi)；在2010年后繼續(xù)呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),并且超過了顯著性水平0.05時(shí)的上限臨界值,氣溫增溫趨勢(shì)達(dá)到顯著程度。根據(jù)累積距平分析,1959年～2014年水庫(kù)流域年平均氣溫累積距平呈先下降后上升的“U”字形趨勢(shì),1959年～1985年呈現(xiàn)下降趨勢(shì),1986年～1996年維持了一個(gè)短暫的平穩(wěn)時(shí)期,1997年～2014年呈現(xiàn)上升趨勢(shì),說明流域內(nèi)氣溫經(jīng)歷了從下降到上升的過程(見圖3b)。結(jié)合兩種方法的分析結(jié)果判斷龍灘水庫(kù)流域年平均氣溫可能在2001年左右發(fā)生了由低溫到高溫的突變。

從圖4a所示,1986年以前UF>0,降水呈不顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)；1986年以后UF<0,說明降水呈波動(dòng)下降趨勢(shì),下降趨勢(shì)不明顯,隨著時(shí)間的推移,在2002年UF與UB相交,交點(diǎn)在0.05顯性水平上下臨界值內(nèi)；在2010年以后UF超過0.05顯性水平的下限臨界值,且繼續(xù)呈減少的趨勢(shì),表明降水減少的趨勢(shì)已經(jīng)達(dá)到顯著程度。累積距平分析表明,1959年～2014年龍灘水庫(kù)流域降水量經(jīng)歷了較為明顯“升→降”的變化過程(見圖4b),按照降水量年際變化過程龍灘水庫(kù)流域56 a的降水量序列可以分為如下的幾個(gè)時(shí)段(持續(xù)期5 a以上)：兩個(gè)上升段即1959年～1985年、1992年～2001年；兩個(gè)下降段即1986年～1991年、2002年～2014年,降水增長(zhǎng)趨勢(shì)持續(xù)時(shí)間明顯大于下降趨勢(shì)持續(xù)的時(shí)間,且下降主要發(fā)生在20世紀(jì)90年代以后。結(jié)合兩種方法的分析結(jié)果,判斷龍灘水庫(kù)流域降雨量在2002年左右可能發(fā)生了由多到少的突變。

3.5 變化周期性分析

由龍灘水庫(kù)流域年氣溫Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部等值線圖分析可知,流域氣溫的變化表現(xiàn)具有一定的周期性,氣溫小波系數(shù)等值線在3～7 a、9～11 a、23～26 a左右的時(shí)間尺度上較為密集,在25 a時(shí)間尺度上存在峰值,說明在25 a左右的周期震蕩最強(qiáng)。

降水量Morlet小波變換系數(shù)實(shí)線等值線圖分析表明,流域降水表現(xiàn)為不同時(shí)間長(zhǎng)度的周期性,在3～7 a、9～11 a、23～26 a左右的時(shí)間尺度上較為密集。年降水量的小波方差在3 a、10 a、25 a的時(shí)間尺度上存在峰值,其中25 a左右周期震蕩最強(qiáng),為第一主周期,第二、三周期依次約為10 a、3 a,在25 a的時(shí)間尺度上,龍灘水庫(kù)降水1959年～1968年、1972年～1985年、1993年～2002年、2006年～2014年為正相位,即豐水期,其他時(shí)段為枯水期。在25 a、10 a尺度周期上表現(xiàn)出未來一段時(shí)間降水量可能進(jìn)入一個(gè)相對(duì)較少的時(shí)期。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)龍灘水庫(kù)流域近56年來氣溫整體呈上升趨勢(shì),氣溫傾向率達(dá)到0.141 ℃/10 a,這比全國(guó)及全球變暖的趨勢(shì)要緩和很多；降水呈下降的趨勢(shì),降水傾向率達(dá)到23.6 mm/10 a,這與全國(guó)平均年降水量波動(dòng)略有減少的趨勢(shì)相同。

(2)氣溫和降水變化具有一定的空間分布規(guī)律,氣溫由西北向東南逐漸增加,傾向率則是由東北向西南方向增加；降水主要集中在流域中部,整體上東部多余西部,傾向率由中西部地區(qū)向東南以及西南方向逐漸減少,流域西南地區(qū)即云南省東北部,溫度高與流域其他區(qū)域,降水量明顯少于流域其他區(qū)域。

(3)氣溫的季節(jié)性表現(xiàn)為冬季增溫顯著,其次是秋季和夏季,春季增幅最小,各季節(jié)增溫速率低于全國(guó)平均水平；降水在秋季顯著減少,冬季減幅最小,除了夏季減少趨勢(shì)與全國(guó)呈略微增加的趨勢(shì)有一定差別以外,其他季節(jié)減少趨勢(shì)均低于全國(guó)平均水平,整個(gè)地區(qū)暖干性呈增強(qiáng)態(tài)勢(shì),夏季和秋季暖干程度高于春季和冬季。

(4)龍灘水庫(kù)流域氣溫突變時(shí)間在2001年左右,降水突變?cè)?002年左右,較氣溫突變時(shí)間稍晚；流域氣溫存在25 a的強(qiáng)顯著周期,降水也存在25 a的強(qiáng)顯著周期,同時(shí)還存在3 a、10 a的小尺度變化周期,根據(jù)周期變化情況預(yù)測(cè)未來將進(jìn)入相對(duì)的少雨高溫期,流域的暖干程度將繼續(xù)增強(qiáng),流域西南地區(qū)暖干程度尤為劇烈。

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(責(zé)任編輯 陳 萍)

國(guó)內(nèi)高程最低、內(nèi)壓最高的穿江大直徑鋼襯輸水隧洞勝利貫通

2016年12月22日，杭州市第二水源千島湖配水工程分水江穿江控制段暨施工8標(biāo)隧洞全線貫通。國(guó)內(nèi)高程最低、內(nèi)壓最高的穿江大直徑鋼襯輸水隧洞，在整個(gè)工程16個(gè)標(biāo)段中率先完成洞挖，標(biāo)志著杭州市第二水源千島湖配水工程建設(shè)取得重大進(jìn)展。

千島湖至閑林水庫(kù)輸水洞線全長(zhǎng)112.34 km，是一項(xiàng)涉及杭州市近千萬(wàn)居民福祉的重大民生工程，也是杭州市“五水共治”“保供水”的核心工程，在“兩美”浙江戰(zhàn)略部署中具有重大意義和作用。千島湖配水工程從千島湖淳安縣境內(nèi)取水，通過輸水隧洞將水引至杭州市余杭區(qū)閑林水庫(kù)，為下游原水輸水工程提供優(yōu)質(zhì)千島湖水，同時(shí)在輸水線路途中向建德市、桐廬縣及富陽(yáng)區(qū)部分區(qū)域供水。

華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)了該工程8、9、11三個(gè)標(biāo)段的總承包任務(wù)，其中8標(biāo)題包括三個(gè)施工支洞和施工工區(qū)，兩個(gè)長(zhǎng)度和高度達(dá)到20 m的地下閥室，兩段淺埋段，兩條放水豎井。其中輸水隧洞穿分水江段作為輸水線路全線施工難度最大、風(fēng)險(xiǎn)最高、技術(shù)含量最高的區(qū)段，其順利貫通對(duì)整個(gè)工程影響重大，為工程按期向杭州市民提供優(yōu)質(zhì)千島湖水奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為確保工程永久運(yùn)行安全，防止隧洞內(nèi)優(yōu)質(zhì)的千島湖水不發(fā)生滲漏，不與分水江水連通，穿江段全長(zhǎng)采用厚24 mm的鋼板襯砌，鋼管內(nèi)徑5 m，江底段鋼管底板結(jié)構(gòu)高程-50 m，由于隧洞與千島湖貫通，江底隧洞需承受最大內(nèi)水壓力高達(dá)160 m。

千島湖配水工程總承包標(biāo)段是華東院承接的首個(gè)采用鉆爆法開挖的穿江隧洞施工項(xiàng)目，也是承接的首個(gè)大型水利工程總承包項(xiàng)目，華東院聯(lián)合中鐵十八局集團(tuán)有限公司共同實(shí)施該穿江隧洞段施工。自2016年1月開始，隧洞從分水江左右岸地下檢修閥室開始往江底挺進(jìn)?？偝邪?xiàng)目部在參建各方的配合下，采用TSP物探、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水、水上鉆探、超前鉆孔取芯、超前探孔探水、鉆灌一體機(jī)超前灌漿等技術(shù)，成功解決了江底隧洞涌水、涌泥等世界級(jí)難題，勝利實(shí)現(xiàn)穿江隧洞貫通。

(華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院)

Analysis of Temperature and Precipitation Characteristics in Longtan Reservoir Basin during 1959-2014

HUANG Ya1, XIAO Weihua2, CHEN Lihua1

(1. College of Architecture and Civil Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China;2. Water Resources Department, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

The changing trends, mutation positions and periodicity of atmospheric temperature and precipitation in Longtan Reservoir Basin are analyzed by using meteorological methods of statistical analysis such as linear trend method, sliding average method, mutation test method of Mann-Kendall and continuous complex wavelet of Morlet. The results show that: (a) in past 56 years, the atmospheric temperature of basin had experienced a mutation process from low to high with a tendency rate of nearly 0.141℃/10 a, while the precipitation showed a slight downward trend with a variation range of nearly 23.6 mm/10 a; (b) the atmospheric temperature tendency rate increases gradually from northeast to southwest, while the precipitation tendency rate decreases gradually from northwest to southeast; (c) the rising extent of atmospheric temperature in winter is the most obvious, and the increase range of temperature is about 0.21 ℃/10 a, while the precipitation tendency rate in autumn is the largest, reaching -3.71 mm/10 a; and (d) the atmospheric temperature and precipitation in Longtan Reservoir Basin had a mutation point around in 2001-2002 and the shock at the 25thyear is the strongest, so the following cycle of river basin would enter the period with water depletion and high temperature．

climate change; temperature; precipitation; Longtan Reservoir Basin

2016-04-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51669003)；廣西水利廳科技項(xiàng)目(201402)

黃亞(1990—),男,四川內(nèi)江人,博士研究生,研究方向?yàn)樗膶W(xué)及水資源．

P467

A

0559-9342(2017)02-0018-05