羅 爽，尤迎華，何玉秀，童 建，陶娜麒，劉 濤

（1.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210033；2.江蘇省水旱災(zāi)害防御調(diào)度指揮中心，江蘇 南京 210029；3.江蘇省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，江蘇 南京 210041）

1 概述

城市地區(qū)是自然環(huán)境與人類活動(dòng)相互影響及交互作用最強(qiáng)烈的區(qū)域。城市地區(qū)水文過程變化不僅受氣候變化、地形要素的影響，更受人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用類型及河湖水系改變等對(duì)陸地作用機(jī)制的調(diào)節(jié)［1-2］。首先，城鎮(zhèn)化引起降水的顯著變化，具體表現(xiàn)為城鎮(zhèn)化進(jìn)程快速推進(jìn)，人類活動(dòng)改變下墊面的糙率，增加空氣中的凝結(jié)核，使得城市中心形成特殊的局地氣候模式，產(chǎn)生“雨島效應(yīng)”［3］。其次，在平原河網(wǎng)地區(qū)，河道水位則具有洪水指示和災(zāi)情預(yù)警的社會(huì)實(shí)際意義，而城鎮(zhèn)化進(jìn)程引起的下墊面變化對(duì)水位有一定的影響［4-5］。另外，感潮河段的河道水位會(huì)受到自上而下的河道徑流和自下而上外江（海）潮汐頂托的雙重影響［6］?？紤]到洪水過程的突發(fā)性和多變性，平原河網(wǎng)地區(qū)水動(dòng)力變化過程的研究將更為復(fù)雜。因此，開展城市化地區(qū)降水、水位等水文氣象要素演變趨勢(shì)檢驗(yàn)和變化特征分析的研究十分重要，有利于探究人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域水文過程的影響以及揭示區(qū)域面臨的洪澇風(fēng)險(xiǎn)［7-9］。

太湖流域的平原河網(wǎng)地區(qū)為經(jīng)濟(jì)十分發(fā)達(dá)的高度城鎮(zhèn)化地區(qū)，下墊面變化使得地區(qū)的水文要素受到影響而顯著改變。本研究選擇太湖流域的武澄錫虞區(qū)和陽(yáng)澄淀泖區(qū)2個(gè)水利片區(qū)，包括了常州市、無錫市和蘇州市的大部分轄區(qū)，且均為長(zhǎng)三角典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，河湖交錯(cuò)、水網(wǎng)密布，通過分析城鎮(zhèn)化背景下太湖平原河網(wǎng)地區(qū)近50年來的降水、水位和潮位等水文要素的變化趨勢(shì)，為地區(qū)的防洪減災(zāi)和水資源及水環(huán)境管理提供一定參考。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

水文要素?cái)?shù)據(jù)來源于水文年鑒的1971—2020年逐日統(tǒng)計(jì)資料，降水和水位數(shù)據(jù)選擇常州、無錫、蘇州、陳墅、青旸、常熟、瓜涇口、平望、湘城等共9個(gè)氣象水文站的記錄，潮位數(shù)據(jù)選擇定波閘、張家港閘、望虞閘、瀏河閘等共計(jì)4個(gè)潮位站的記錄。

2.2 研究方法

本文采用較為常用的基于最小二乘法的線性回歸擬合方法和非參數(shù)Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法（簡(jiǎn)稱M-K方法）對(duì)水文要素時(shí)間序列進(jìn)行趨勢(shì)分析。M-K方法對(duì)變量分布具有很強(qiáng)的適用性并能定量反映變化趨勢(shì)的顯著性［10］，通過斜率表示時(shí)間序列的所有記錄組合的中值，正值則表示增長(zhǎng)趨勢(shì)，值的大小代表趨勢(shì)明顯與否，反之亦然。若通過置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)，則分別對(duì)應(yīng)顯著性置信水平為0.1、0.05、0.01。

3 結(jié)果與分析

利用常州、無錫、蘇州、陳墅、青旸、常熟、瓜涇口、平望、湘城等氣象水文站的逐日降水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立起太湖平原河網(wǎng)地區(qū)1971—2020年期間年際降水、水位和潮位變化時(shí)間序列。使用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)方法對(duì)各序列數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果如表1所示。同時(shí)，利用最小二乘法進(jìn)行線性擬合所得結(jié)果如圖1所示。

3.1 降水變化特征

由表1可知，各站1971—2020年期間降水量均呈上升趨勢(shì)，常熟站的年降水量變化率最大，達(dá)到6.5 mm/a，同時(shí)其汛期降水量變化率也是最大的，達(dá)到4.4 mm/a。各站的年、季降水量變化顯著性存在差異，除常州、青旸和平望站外，其他站點(diǎn)的年降水量變化是顯著的，而常熟站、瓜涇口汛期和非汛期降水量均通過了0.1的顯著性水平檢驗(yàn)。由圖1可知，除平望站外，其他站點(diǎn)年降水量的線性回歸趨勢(shì)斜率都不小于4.0 mm/a，其中無錫、陳墅、常熟、瓜涇口、湘城年降水量的遞增趨勢(shì)均通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。常州、無錫、陳墅、青旸、常熟及瓜涇口都表現(xiàn)出汛期降水量增量占年降水量總增量較大比例的態(tài)勢(shì)，如常州站汛期線性斜率為3.4 mm/a，非汛期僅為0.6 mm/a。非汛期降水量變化幅度較小，但也整體呈上升趨勢(shì)。盡管M-K方法和線性趨勢(shì)方法分析結(jié)果有略微差別，但總體而言各站點(diǎn)降水量年際漲幅均在3 mm/a以上，汛期和非汛期降水量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

表1 太湖平原河網(wǎng)地區(qū)M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 潮位變化特征

1971—2020年太湖平原河網(wǎng)地區(qū)的定波閘、張家港閘、望虞閘、瀏河閘潮位均值時(shí)間變化序列如圖1所示，可知年均潮位、汛期潮位、非汛期潮位均呈較為明顯的上升趨勢(shì)，并且均通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。4個(gè)潮位站年均潮位每10 a變化速率分別為0.16 m、0.17 m、0.20 m、0.17 m，汛期潮位每10 a變化速率分別為0.13 m、0.13 m、0.17 m、0.15 m，非汛期潮位每10 a變化速率分別為0.19 m、0.21 m、0.22 m、0.19 m?？傮w而言，望虞閘上升趨勢(shì)最顯著且年、季潮位漲幅最大，而各站年均潮位10 a漲幅均在0.15 m以上。

圖1 各代表站潮位時(shí)間變化序列

3.3 水位變化特征

太湖平原河網(wǎng)地區(qū)各代表站水位均呈上升趨勢(shì)，不論是年均水位還是汛期或非汛期平均水位，其變化都通過了置信度為0.01的顯著性檢驗(yàn)，上升趨勢(shì)明顯。從年均水位變化趨勢(shì)來看，變化幅度較大的有無錫、陳墅、青旸及常熟站，4站每10 a的變化速率分別約為0.15 m、0.17 m、0.15 m、0.13 m，其他站點(diǎn)為0.10 m左右。對(duì)于汛期水位而言，整體上各站點(diǎn)增速小于非汛期，其中增速較大的仍是無錫、陳墅、青旸及常熟站，而汛期與非汛期增速相比差異較大的有陳墅、常熟及湘城站。

3.4 降水、潮位、水位空間變化特征

根據(jù)各代表雨量站、水位站及潮位站對(duì)應(yīng)的年降水量、年均水位和年均潮位的變化趨勢(shì)空間分布結(jié)果可知，全部站點(diǎn)年降水量變化呈增加趨勢(shì)，超一半站點(diǎn)呈顯著增加趨勢(shì)。城市站點(diǎn)中僅無錫站通過了置信度為0.05的顯著性檢驗(yàn)，降水量增速最大的是位于陽(yáng)澄淀泖區(qū)的常熟站，超過6.5 mm/a，最小的則為常州站?？傮w來看，以蘇州市為主體的陽(yáng)澄淀泖區(qū)年降水增速大于以常州市和無錫市為主體的武澄錫虞區(qū)。相比于降水，水位、潮位上升趨勢(shì)則更為明顯，沒有較大的空間差異，全部站點(diǎn)均呈顯著增加趨勢(shì)。其中，年均水位增速最大的為陳墅站，達(dá)每10 a 0.17 m，除常州和蘇州外其他站點(diǎn)水位增速都在每10 a 0.10 m以上。與此同時(shí)，4個(gè)潮位站的年均潮位增長(zhǎng)趨勢(shì)都是十分顯著的，增長(zhǎng)速度較為一致。從降水、水位、潮位的變化趨勢(shì)來看，地區(qū)面臨降雨型洪水和河道型洪水隱患增強(qiáng)，且外江潮位對(duì)其河流水的頂托作用帶來的區(qū)域防洪壓力也逐漸增強(qiáng)。

4 結(jié)語

根據(jù)研究結(jié)果可知，1971—2020年期間太湖平原河網(wǎng)地區(qū)年降水、水位及潮位均呈上升趨勢(shì)。各站點(diǎn)年降水量年際漲幅均在3 mm/a以上，各時(shí)期降水量均呈上升趨勢(shì)，除平望站外，其他站點(diǎn)年降水量的線性斜率都不小于4.0 mm/a。年均、非汛期與汛期平均潮位都呈顯著上升趨勢(shì)（置信度為0.01），年均潮位變化幅度在每10 a 0.15 m以上。各站點(diǎn)年均、汛期與非汛期平均水位也呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，年均水位增加幅度約每10 a 0.1 m。在空間分布特征上，陽(yáng)澄淀泖區(qū)年降水增速大于武澄錫虞區(qū)，而武澄錫虞區(qū)年均水位增速大于陽(yáng)澄淀泖區(qū)?？傮w而言，降水、水位和潮位呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，區(qū)域面臨的洪澇風(fēng)險(xiǎn)加劇。

長(zhǎng)江三角洲城市群當(dāng)中，太湖流域的平原河網(wǎng)地區(qū)作為規(guī)模較大、城鎮(zhèn)化程度較高的典型區(qū)域，在經(jīng)歷了幾十年的快速發(fā)展之后，城市陸地面物理屬性、產(chǎn)匯流環(huán)境、能量收支不可避免地發(fā)生了重大改變，這對(duì)地區(qū)的氣溫、降水、水位等氣象水文要素之間的響應(yīng)關(guān)系產(chǎn)生重要影響。一方面，在城鎮(zhèn)化的作用下，天然的水循環(huán)過程受到人類活動(dòng)的影響，區(qū)域水文氣象要素呈現(xiàn)顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其是蘇州、無錫、常州這些高度城市化地區(qū)的降水和水位由于“雨島效應(yīng)”的增強(qiáng)而顯著上升。另一方面，沿江沿海城市是受海平面上升、臨江（海）潮位上漲、河道型洪水及極端降水相互作用最為劇烈的區(qū)域之一，因此潮位的變化也變得尤為明顯，而優(yōu)越的地理位置帶來人口和經(jīng)濟(jì)集聚效應(yīng)致使承災(zāi)體暴露性和危險(xiǎn)性與日俱增，洪澇風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)不斷增加，為此需進(jìn)一步深入開展新形勢(shì)下洪澇防御研究工作。