黃建剛, 劉惠英

(南昌工程學院 水利與生態(tài)工程學院, 南昌330099)

降水是水文循環(huán)中的一個最基本的環(huán)節(jié)，降水量的變化和分布具有極大的不確定性，其對工農業(yè)生產、水利開發(fā)、江河防洪和工程管理等有著重大影響。20世紀以來，全球氣候變暖，持續(xù)的溫室效應，使全球水文循環(huán)發(fā)生了重大的變化，導致干旱、洪澇、臺風、霜凍等極端災害頻發(fā)，對社會經濟發(fā)展和人民生活等影響極大[1]。近幾十年，我國社會經濟發(fā)展迅速，水多、水少、水渾、水臟的問題日益成為社會關注的重點，一直嚴重困擾著我國民生、制約著國家的可持續(xù)發(fā)展。水安全問題已成為我國未來相當長時期內所面臨的巨大挑戰(zhàn)[2-3]。

江西省地處南嶺以北、長江中下游南岸，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，是我國多雨的省區(qū)之一，水資源豐富。擁有我國第一大淡水湖鄱陽湖，自古有“襟三江而帶五湖”之稱，匯集贛江、撫河、信江、饒河、修河五大水系。贛江，入鄱陽湖的五大河之一，贛江流域的降水變化對鄱陽湖的流域起著舉足輕重的作用。貢水流域是贛江的發(fā)源地之一、贛江主源，水資源和水能豐富、農業(yè)發(fā)達，流域內有石壁坑水庫(中型)、團結水庫(大二型)等水利工程[4]。對流域降雨特性、暴雨時空特征進行分析，剖析流域降雨量和暴雨量的時空分布、各季變化等，將為解決流域“綠水青山就是金山銀山”問題提供參考依據(jù)，合理高效利用水利資源提高地方經濟產值，助力農業(yè)生產，以及防洪抗旱意義重大。

1 研究區(qū)概況

贛江作為江西省的母親河，發(fā)源于江西省石城縣橫江鎮(zhèn)贛江源村石寮崠，自南向北流經贛州、吉安、宜春、南昌、九江5市，控制面積達82 809 km2，其中江西省內占81 527 km2，為總流域面積的98.45%[5]。按照河谷地形和河道特征劃分為上、中、下游三段。贛州市以上為上游，流向為自東向西；中游為贛州市到新干市，新干以下為下游，中下游的總體流向為自南向北。

貢水，贛江東源、正源，贛江的一級支流，介于東經115°16′40″—116°38′03″，北緯25°02′16″—27°30°13″(圖1)。發(fā)源于石城橫江鎮(zhèn)，在瑞金城區(qū)與黃沙河(亦發(fā)源于石城)交匯，稱綿水，與發(fā)源于尋烏的湘水、安遠的濂江、寧都的梅江匯流，并在贛縣江口鎮(zhèn)接納平江(源于興國)，繼而在茅店納桃江(源于全南，流經龍南、信豐)，流入贛州市章貢區(qū)，于八境臺與章水交匯，章貢合渠即為贛。流域面積16 231 km2，主河道長約278 km，落差大于1 300 m。地形多變，流域中有盆地、丘陵和綿延的山地，流域地貌總體屬低山丘陵地貌，地質結構復雜，總體地勢是東南、南部高，西北部海拔相對較低，中部較為隆起。貢水流域屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，四季分明[6-7]。域內年均氣溫為19.2℃。年均降水量為1 647.38 mm。

圖1 貢水流域

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文所選用的1957—2016年日降雨數(shù)據(jù)來自長江水利委員會編撰的水文年鑒。雨量資料包括33個雨量站的逐日實測雨量(表1)。對原始降水數(shù)據(jù)進行處理，以3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月及次年1—2月為冬季的降水序列，分別對其平均值、最大值、最小值、變差系數(shù)等進行統(tǒng)計分析，得到流域面雨量特征量。

2.2 研究方法

2.2.1 面雨量 考慮到序列的一致性，取各站點1957—2016年的逐日降水量數(shù)據(jù)，整理轉化為月、季、年雨量，個別年份數(shù)據(jù)有所缺失，采用臨近站點進行插值，以保證序列的完整性。

由于各站點分布均勻，為方便計算，選取算術平均法計算流域面雨量。變差系數(shù)CV用于衡量系列的相對離散程度。極值比Km反映了變化幅度的大小。

表1 貢水流域各雨量站基本信息

2.2.2 Sen′s斜率估計

對于時間序列Xn={x1，x2，…，xn}，計算基于序列秩次的趨勢估β：

(1)

Median函數(shù)為中值函數(shù)，當β>0時，代表時間序列呈現(xiàn)上升趨勢，當β<0時代表時間序列呈下降趨勢[8]。

2.2.3 Mann-Kendall和線性回歸 線性回歸是一種最簡單、易行的反映序列趨勢的方法，運用線性回歸斜率b值表征序列的趨勢變化。Mann-Kendall 趨勢檢驗法被廣泛應用于研究水文和氣象要素時間序列的趨勢變化，適用于類型變量和順序變量，是世界氣象組織推薦的并在現(xiàn)實中已廣泛使用的非參數(shù)檢驗方法。計算過程如下：

(2)

其中:

(3)

(4)

式中：xk-xi為要進行檢驗的隨機變量；n為所選數(shù)據(jù)序列的長度。

(5)

當Z>0時時間序列呈上升趨勢，Z<0時下降趨勢。通過計算統(tǒng)計量Z值，將Z與給定的置信水平α=0.05得到的Z1-α/2=1.96比較：(1) 若|Z|>Z1-α/2，說明時間序列數(shù)據(jù)存在顯著上升或者下降趨勢。(2) 若|Z|≤Z1-α/2，說明時間序列無顯著變化趨勢[9-10]。

2.2.4 突變分析方法 (1) 累積距平曲線法是一種常用的、直觀的判斷曲線變化趨勢的方法[11]，具有定量化程度高、確定性好的特點[12]，在水文研究上有著廣泛應用。

對于序列x，其某一時刻t的就累計距平表示為：

(6)

(2) Pettitt突變檢驗不僅能夠判斷突變點的位置及數(shù)量，而且能夠準確判斷這些突變點是否在統(tǒng)計意義上顯著[13]。

定義統(tǒng)計量Uk.N：

(7)

若k時刻滿足M(k)=max|Uk.N|，則k點處發(fā)生突變。

同時計算統(tǒng)計量：

(8)

如果p≤0.05，則認為檢測出的突變點在統(tǒng)計意義上是顯著的[14]。

2.2.5 周期分析方法 小波分析很好地克服了傳統(tǒng)譜分析方法的缺點，在水文學中得到了廣泛應用，且得到了較好的結果[15]。本文采用Morlet小波研究流域內降雨量序列的特征尺度和周期性。利用Matlab軟件實現(xiàn)Morlet連續(xù)復小波變換，計算小波系數(shù)及其方差，并繪制小波系數(shù)等值線和方差圖。小波系數(shù)等值線圖中的實線代表小波系數(shù)為正，降雨偏多，虛線代表負數(shù)，為降雨偏少，系數(shù)為零則對應著突變點[16]。

3 結果與分析

3.1 流域降雨量的基本特征

貢水流域屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，雨量充沛，四季分明。流域的多年平均降雨達1 647.38 mm，最大為2016年(2 379.40 mm)，最小為2003年(1 099.64 mm)(表2)。在1957—2016年，總體年際變化較為穩(wěn)定，變差系數(shù)僅為0.17。春季降雨最多，占全年降雨的40.15%；夏季暴雨集中，降雨占全年的33.04%；秋、冬兩季降雨量較少，僅占全年降雨量的13.41%和13.40%。降雨量越少，變差系數(shù)越大。春、夏兩季變差系數(shù)分別為0.23，0.25，而秋、冬季變差系數(shù)分別為0.46，0.42。與降雨量相反，降雨極值比在冬季最大，春季最小。

表2 流域面降雨變化特征

降雨年內分配不均，降雨呈雙峰型(圖2)，其中降雨最大月出現(xiàn)在5月、6月，多年平均月降雨量約為267 mm，5月、6月累計降雨占全年降雨量的32%；流域內的4—9月為汛期，汛期累計降雨占全年的68.96%；降雨最少的月份為12月，月平均降雨量僅為49.65 mm，占全年的3.00%。流域降雨特征決定了流域春、夏多洪澇，秋、冬易遭旱災的特點。

圖2 貢水流域多年月降雨平均

3.2 雨量變化趨勢及周期

對1957—2016年貢水流域年、季雨量序列，分別采用M-K趨勢檢驗、Sen′s斜率估計和線性回歸對流域各時段的降雨趨勢進行計算，并取95%置信度進行顯著性檢驗(表3)。結果表明：貢水流域在近60 a內的年際及春、夏、冬季降雨量總體呈上升趨勢，但上升趨勢不顯著，未通過顯著性檢驗，秋季的降雨量呈下降趨勢。如按此趨勢，該流域未來夏澇秋旱的問題將更為嚴重，應予以重視。

小波系數(shù)等值線圖反映了降雨量序列不同時間尺度的周期變化及其時間分布，從而推斷不同時間尺度下降雨量的變化趨勢；小波方差圖反映了能量隨時間尺度的分布，可以確定一個時間序列受到各種尺度擾動相對強度，對應峰值處的尺度稱為序列的主要時間尺度，用以反映時間序列的主要周期[17]。以貢水流域1957—2016年數(shù)據(jù)為基礎，繪制貢水流域年、季小波系數(shù)等值線圖和小波方差圖(圖3)。

表3 貢水流域面降雨量變化趨勢

從年際來看，在年降雨量小波系數(shù)等值線圖中存在2類尺度的周期變化，在30～35 a時間尺度上，經歷“多—少—多”震蕩；在10～15 a時間尺度上表現(xiàn)為明顯的7次“多—少”循環(huán)交替。在小波方差圖中存在2個明顯的峰值，其最高峰對應著32 a的時間尺度，表示32 a左右的周期震蕩最強，為第一主周期；另一峰值對應的14 a時間尺度，為第二主周期。

從季節(jié)來看，各季的周期各不相同。春季降雨量存在2類時間尺度的周期變化，在30～35 a時間尺度上具有3次“多—少”周期震蕩；在10～20 a出現(xiàn)7次“多—少”循環(huán)交替；在小波方差圖中呈現(xiàn)3處峰值，分別對應32，20，14 a的時間尺度，其中32 a為春季降雨量變化的第一主周期，20 a次之，14 a為第三主周期。夏季降雨量在小波系數(shù)等值線圖和方差圖中變現(xiàn)與年降雨量一致。秋季降雨量的變化最為復雜，存在4類時間尺度的周期變化，分別為30～35，18～22，10～15，3～5 a，其分別對應的“多—少”周期震蕩為4次、5次、9次、22次，34 a，11 a，20 a，3 a分別為第一、二、三、四主周期。冬季小波系數(shù)等值線圖上存在3類時間尺度，在30～35 a時間尺度上出現(xiàn)3次“多—少”周期震蕩，在15～20 a上存在少—多循環(huán)交替6次，在3～5 a上具有20次“多—少”周期震蕩；方差圖上呈現(xiàn)3處峰值，按峰值大小排序，對應時間尺度為34，18，4 a，分別為第一主周期、第二主周期、第三主周期。

綜合可得，貢水流域春季、夏季降雨和年降雨變化趨勢具有較大相似性，不同時間尺度的周期特征之間有不同程度的吻合，說明春、夏季降雨較大程度地控制著年降雨過程，與前文所提春夏兩季降雨占全年比重大的結論吻合。

3.3 降雨量突變分析

從年內來看，對比Pettitt法和累積距平法的檢驗結果(圖4)，春季、夏季、秋季分別在1927年、1991年、1987年發(fā)生了降雨量增加突變，并且夏季的突變點通過了α=0.05的顯著性檢驗；秋季及年際降雨量在1991年發(fā)生減少突變；

分析可得，在近60 a間貢水流域在60年代降雨量在年、春、秋、冬都呈現(xiàn)下降趨勢，調查發(fā)現(xiàn)在該年代發(fā)生了兩次重大干旱災害，分別為1963年和1967年。在2010年后降雨量在不同時間指標上，都呈現(xiàn)增加勢態(tài)。流域年、季降水量總體表現(xiàn)為增加趨勢，變化呈波動性。

3.4 流域雨量的空間分布

為了研究雨量在不同站點的空間分布，對全流域33個雨量站進行M-K趨勢檢驗(圖5)。

從全年來看，僅有7個站點呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢，站點降雨趨勢總體與前文的流域平均面雨量變化的趨勢保持一致。

從年內各季來看，春、夏、秋、冬四季各站的雨量變化趨勢總體上是符合各季流域平均面雨量變化趨勢的，即上升、上升、下降、上升；春季呈現(xiàn)較顯著(α=0.1)變化的有1站，夏季6站，秋季5站，冬季1站，其中夏季有1站(木蘭)呈現(xiàn)顯著(α=0.05)變化趨勢。

圖5可知，春夏兩季的各站間的點降雨量差距大，極值差分別為170.49 mm，191.47 mm，秋冬兩季的各站差距較小，極值差分別為52.99 mm，56.10 mm。除秋、冬季外，空間上，降雨量總體分布特征為自東向西減少，自北向南減少。

結合各站趨勢統(tǒng)計和等雨量圖分析季節(jié)降雨量分布特征如下：

春季：春季各區(qū)總體處于上升趨勢，降雨量最多的區(qū)域為梅江、琴江和綿江流域，其中以琴江和綿江流域上游等地降雨量尤為偏多。

夏季：夏季各區(qū)降雨趨勢依舊為上升趨勢，但是降雨量相對春季偏少，降雨量最大地區(qū)開始出現(xiàn)往北移動的趨勢，降雨量最多區(qū)域為在梅江流域，琴江上游地區(qū)降雨量的上升趨勢顯著。

秋季：秋季各區(qū)降雨分布自東向西增多，降水大致呈現(xiàn)出下降趨勢，部分呈微弱上升，主要集中在梅江、琴江流域等北部地區(qū)，而濂水、湘水流域等南部地區(qū)呈顯著下降趨勢。

冬季：冬季各區(qū)的降雨量分布較為均勻，中部地區(qū)相對偏多，降雨趨勢總體呈現(xiàn)為緩慢上升，與秋季不同。

圖3 貢水流域年、季平均降雨量

圖4 Pettitt檢驗、累積距平成果

從年內各月來看，其變化趨勢各有不同，將各站各月的M-K趨勢檢驗的結果繪圖，見圖6。1月、3月、9月、12月的貢水流域總體呈現(xiàn)上升趨勢，流域內各站的上升趨勢較為均勻，出現(xiàn)下降趨勢的主要集中在濂水、湘水、貢水干流區(qū)等流域較南部區(qū)域；7月、8月、11月的流域內上升趨勢分布不均勻，從東北向西南遞減，其中8月份的降水顯著上升，具有顯著性上升趨勢的站點達到9站，主要分布在梅江、琴江流域；2月、5月流域內降水趨勢分布較為均勻，沒有表現(xiàn)出較大的地區(qū)流域差異；4月、6月、10月流域總體呈下降趨勢，在空間分布上從東北向西南降水減小趨勢越來越明顯，尤其以10月份為甚，具有顯著性下降的站點達到7處，且這些站點基本分布在濂水和湘水等流域。

圖5 各站春、夏、秋、冬、年M-K檢驗Z值和等雨量

3.5 貢水流域暴雨時空特征分析

本文暴雨泛指日降水量≥50 mm的降水過程，主要從時間和空間上研究暴雨的分布特性。

時間上，全年暴雨呈雙峰狀，與流域多年月降雨量線型走勢大致相同(圖7)。

暴雨發(fā)生頻率與暴雨量分布基本統(tǒng)一，暴雨集中發(fā)生在每年的5月、6月，其暴雨量占到全年暴雨量的48.42%，發(fā)生暴雨的頻率達到47.28%；1月、2月、12月暴雨量幾乎為零，發(fā)生頻率僅為4.15%，見圖8。

為了更好的表現(xiàn)暴雨的空間分布特征，以貢水流域內的子流域進行面暴雨計算(圖9)。暴雨多年均值最大為琴江流域的383.41 mm，最小為湘水流域的306.94 mm，結合流域內子流域的分布圖，可以發(fā)現(xiàn)暴雨年均值自北向南、自東向西遞減，與3.4節(jié)中流域雨量空間分布結論一致。

暴雨中心定義為每次暴雨發(fā)生時暴雨量最大值出現(xiàn)的點，以各雨量站點為單位進行點暴雨計算。為了保證研究結果的科學性，規(guī)避原始數(shù)據(jù)缺失帶來的影響，選取1970—1995年資料完整的33個雨量站，統(tǒng)計每個站點在26 a間成為暴雨中心的次數(shù)(表4)。

從表中可以看出在1970—1995年，窯邦、龍頭、固村、筠門嶺、肖田、清溪成為暴雨中心的次數(shù)≥60次。然龍頭、筠門嶺、清溪分屬于濂水、湘水流域，為暴雨量及降雨量較小的流域，尤其是龍頭地區(qū)，降雨量為全流域最少，說明該地區(qū)降雨以短時強暴雨為主，極易爆發(fā)山洪；其他站點暴雨中心出現(xiàn)頻次與暴雨量及降雨量分布吻合，是洪澇災害發(fā)生的高頻地區(qū)。

圖6 貢水流域各月M-K趨勢

圖7 月降雨量與月暴雨量分布

圖8 多年月暴雨特征分布

4 結 論

(1) 年降雨量總體呈不顯著增加，在1991年發(fā)生增加突變，并以每年1.39 mm趨勢上升，第一主周期為32 a左右，第二主周期在14 a左右。四季變化趨勢分別為上升、上升、下降、上升。研究降雨歷史波動規(guī)律和變化趨勢，將為貢水農業(yè)生產，水資源合理利用提供技術參考。

(2) 從時間上來看，貢水流域年內降雨和暴雨均呈雙峰型，集中于5月、6月，7月、8月的降雨量呈現(xiàn)顯著增加趨勢，且夏季降雨量在1991年發(fā)生顯著性增加突變，極易與來自長江上游的洪水相遇，形成峰高、量大、主峰靠后的極具危險性的大洪水。10月降雨量呈現(xiàn)顯著減少趨勢，將加重秋季干旱的程度。

圖9 貢水子流域多年平均暴雨量

表4 各站點暴雨中心出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計

站名暴雨中心出現(xiàn)次數(shù)站名暴雨中心出現(xiàn)次數(shù)站名暴雨中心出現(xiàn)次數(shù)站名暴雨中心出現(xiàn)次數(shù)湖洋17珠蘭31肖田77洋地40瑞金13江頭45璜陂26固村81新中36龍頭97東山壩25長勝28筠門嶺79羊信江36寧都26青塘17清溪60龍布29木蘭26窯邦127周田22葫蘆閣19豐山25汾坑16右水23西江17石城25于都21麻州23寬田21屏山23祁祿山22 峽山(二)23

注：下劃線表示暴雨次數(shù)≥60次。

(3) 從空間上來看，貢水流降雨量在年、春、夏時間尺度上表現(xiàn)出自東向西、自北向南遞減的規(guī)律。降水趨勢在梅江、琴江、綿江流域具有上升趨勢，濂水和湘水等南部地區(qū)具有下降趨勢。暴雨中心出現(xiàn)概率高的地點為窯邦、龍頭、固村、筠門嶺、肖田、清溪，其中龍頭、筠門嶺和清溪的降雨以短時強暴雨為主，結合當?shù)氐匦?，極易爆發(fā)山洪；其他暴雨中心與流域降雨趨勢一致，是洪澇災害頻發(fā)區(qū)域。

致謝：感謝南昌工程學院桂發(fā)亮博士提出的寶貴意見