长江流域降水量和径流量长期变化趋势检验

第37卷第9期2006年9月

　　文章编号:1001-4179(2006)09-0063-05

人　民　长　江

Yangtze　RiverVol.37,No.9

Sep.,　2006

长江流域降水量和径流量长期变化趋势检验

许继军

1,3

　杨大文　雷志栋　李　羽中　彭　静

1122

(1.清华大学水利系,北京100084;　2.中国水利水电科学研究院,北京100044;　3.长江水利委员会长江科

学院,湖北武汉430010)

摘要:采用TFPW-MK(Mann-Kendalltestwithtrend-freepre-whitening)世纪50年代以来长江流域154个气象站降水量和26。:①流域年降水总量整体变化趋势不显著,90年代期间降水量分布存在一定的变异,(洞庭湖和鄱阳湖水系),(,在降水的年内时间分布上也存在着趋于集中的态势,。②流域内各主要支流径流量变化趋势与其降水,,而秋季长江上游和汉江地区径流量则呈减少趋势,。关　键　词:降水量;径流量;趋势;检验法;长江流域中图分类号:P332　　　文献标识码:A

掌握流域内降水和径流的变化趋势,对于实现人水和谐发

展理念十分重要。本文将依据气象站点的降水观测资料,采用TFPW-MK趋势检验方法来分析上半世纪流域内降水量的变化趋势,尤其是20世纪90年代的降水时空分布特征。另外,还比照了同期干支流径流量的变化趋势。

1　概述

普遍认为,气候变暖将导致全球水循环加快,降水增加而加大河川径流[1]。一方面,全球变暖可能会引起局部气候异常波动,而出现极端的灾害性天气,引发严重的洪涝、干旱等自然灾害。IPCC报告曾指出已观测到的数据足以表明全球变暖导致若干区域降水量增加,大降水或极值降水事件的增加更为显著[2]。另一方面,全球变暖也增大了水资源系统对气候变化的脆弱性显现,如降水的时空分布较过去发生变异,可能会加剧水资源供需之间的矛盾。即使是多雨区,虽然降水总量增加,但增加形成的更多径流是以洪水的形式出现,可利用的水资源量反而减少。

受季风气候影响,长江流域降水时空分布本身就很不均匀,年际变化大且年降水量的年内分配很集中,这也是该流域洪涝灾害频发的主要原因之一。目前,长江流域已成为我国经济发展的重要地区,但也是洪水、泥石流等自然灾害的高脆弱性地区,每年因暴雨洪水引发的自然灾害损失巨大。倘若降水在时空分布上较过去发生异常变化,很可能会打破现有的河道径流与防洪减灾体系之间的平衡关系,从而导致出现意想不到的重大灾害。姜彤、施雅风等认为,在全球气候变暖的趋势及区域社会经济发展等因素的共同影响下,未来长江流域发生超大洪水的可能性增大

[3,14]

2　数据

降水量数据为分布在长江流域内的154个国家气象站的日降水量观测值,时间自20世纪50年代开始截止2000年底,因建站时间早晚等其它因素,各站数据的有效序列长度不尽相同,最长的有50a,最短的23a。

流量数据为位于干流和主要支流出口处的共26个主要控制性水文站1950～2000年期间的日径流量观测值。各水文站数据的序列长度也不尽相同,见表1。

3　方法

采用Mann-Kendall检验方法[6](简称MK检验法),对径流量序列和降水量序列变化趋势的显著性进行检验,该方法描述如下。

设一平稳序列为Xt(t=1,…,n,n为序列长度),MK检验法统计量S定义如下:

n-1

n

j

。但也有人认为,全球气候变暖不一定会导

致长江流域洪灾增加[4,5]。

S=

i=1j=i+1

sgn(x∑∑

-xi)(1)

收稿日期:2006-01-10;修回日期:2006-07-20

收稿日期:国家自然科学基金重大资助项目(30490231);清华大学“百名人才引进计划”基金资助项目

作者简介:许继军,男,清华大学水利系,博士研究生;长江水利委员会长江科学院水资源研究所,高级工程师。

64

1

)=　　这里sgn(θ

0-1

　　　人　民　长　江

θ>0　if　　　　

θ=0　if　　　　

θ<

0　if　　　　

2006年

(2)

检验。否则认为序列是自相关的,因此需要采取预置白(Pre-whitening)方法移掉序列中的自相关项(AR(1))。则残余下来的序列Y′t(白噪声)应该是独立的序列。

Y′t=Yt-r1 Yt-1

当n≥10,则统计量S近似服从正态分布,其均值和方差分别为:

E(S)=0,V(S)=n(n+1)(2n+5)Π18

(7)

　　(4)将趋势项Tt和残余项Y′t结合起来,重新组合成一新的

(3)

序列:

Y″′t=Yt+Tt

　　则正态分布的检验统计量ZMK可以用下式计算:

V(S)

ZMK=

V(S)径流序列Π年

1956～20001953～20001954～20001950～20001950～20001955～20001954～20001950～20001954～200019521950～1950～20001952～2000

(8)

　　　S>0

(4)

　　该序列将不再受自相关性的影响,可以应用MK方法来检验此重组序列中趋势的显著性。

0　　　　　　S=0

　　　S<0

4　降水量变化趋势

4.1　1950～2000年序列的变化趋势

采用TFPW-MK对1950～2000年降水量序列的变化趋势进行了显著性检验,显著水平a取0.1。结果显示该期间长江:

(1)。

,见图1。其(如鄱阳湖和洞

表1　长江流域干支流26个主要水文站

水文站石鼓

雅江沪宁屏山高场李家湾朱沱武胜罗渡溪小河坝北碚寸滩武隆

所在水系金沙江雅砻江雅砻江金沙江岷江沱江上游干流嘉陵江渠江涪江嘉陵江上游干流乌江

水文站万县宜昌湘潭桃江桃源石门城陵矶螺山武汉关大通

所在水系上游干流上游干流湘江资水沅水澧水汉江汉江中游干流下游干流

径流序列Π年1953～20001950～20001953～20001953～20001953～20001953～～～20001956～20001973～20001950～20001951～2000

(如雅砻江、金沙江中游);而显著减少的16。

　　如果ZMK>Z(1-aΠ2),拒绝无趋势的假设,即认为在显著水平a下,序列Xt中存在有向上或向下的趋势;否则接受序列Xt无趋势的假设。Z(1-aΠ2时标准正态分布的值。2)是概率超过aΠ非参数的MK检验法已经广泛地应用于评估水文序列中趋势项的显著性[7]。VonStorch(1995)曾指出,在使用MK方法时,若序列中存在正向的自相关性,则序列的趋势显著性将会被放大,使得原本趋势不显著的序列被认为趋势显著,为此提出在应用MK方法前,对序列进行预置白处理(Pre-Whitening),以削除序列中的自相关成分[8]。Douglas等(2000)指出,预置白处理可能会减弱MK方法对趋势显著性的察觉能力[9]。Yue(2002)进一步证明,对于一个存在趋势项和一阶自相关项的AR(1)序列,预置白处理会去掉部分趋势成份,而接受无趋势的无效假设,使得原本趋势显著的序列被认为趋势不显著[10]。为此Yue(2002,

[11～13]

2003),对预置白处理做了进一步的改进,提出了TFPW

图1　长江流域年降水量和径流量变化趋势

(2)从各季节降水量的变化来看:总的趋势是冬季和夏季

(Trend-freepre-whitening)-MK检验法,这里对该方法的步骤

作简要描述,有关该方法的验证请参看Yue的有关文献。

(1)首先将原序列Xt分别除以样本数据的均值E(Xt),这样得到1组新的样本数据Xt,该样本数据的均值等于1,且保持了原样本数据的特性。采用Theil(1950)和Sen(1968)提出的方法计算新样本数据的坡度β:

β=Median(

x-x)　　Π　　l<jj-l

(5)

　　(2)假定序列Xt中的趋势项Tt是线性的,则采用下式去掉样本数据中的趋势项,形成不含趋势项的序列Yt:

Yt=Xt-Tt=Xt-β t

降水量增加,而春季和秋季降水量减少。在冬季,降水量呈显著增加的21个站点主要分布在鄱阳湖和洞庭湖、金沙江及雅砻江,见图2(a)。在春季,降水量呈显著减少的38个站点集中在长江流域中部地区,包括洞庭湖水系、乌江水系、三峡区间和岷江中游,而降水量呈显著增加的20个站点主要集中在金沙江水系,见图2(b)。在夏季,降水量呈显著增加的41个站点集中在长江流域中下游地区,见图2(c)。在秋季,降水量呈减少趋势的21个站点主要集中在长江流域中西部地区,包括四川盆地及周边和汉江上游,见图2(d)。

(3)从各月的降水量变化来看:存在显著增加趋势的月份主要是1、6月和7月,其中1月和7月份呈显著增加的站点主要集中在长江流域中南部和东部,见图3(a)和3(c);降水量存在显著减少趋势的月份是4、5月和10月,其中在4月份呈显著减少的站点主要集中长江流域中部和东部,见图3(b),10月份则集中在四川盆地及周边,见图3(d)。

(4)从日最大降水量来看,流域内有18个站点呈显著增加,其它站点的趋势不明显或呈减少趋势,见图4。从每年的暴雨(日降雨量大于50mm)天数来看,流域内有27个站点增加趋势显著,位于洞庭湖、鄱阳湖、清江、三峡区间、金沙江等地区,见图5。

(6)

　　(

3)计算序列Yt的一阶自相关系数r1,如果r1值较小,可认为序列Yt是独立的,可以直接应用MK方法对原序列Xt进行

第9期许继军等:长江流域降水量和径流量长期变化趋势检验65

量反而减少,尤其是在秋季流域大多数站点的降水量均呈减少趋势见图3(c)。

(3)四川盆地年降水总量减少,但在川东以及临近的三峡

地区夏季降水量却明显增加

。

图2　长江流域各季节降水量和径流量变化趋势

4.2　1991～2000年序列与1961～1990年序列对比

20世纪是全球变暖时期,其中在90年代升温最为明显,如1998年是中国,也是全球近100多年来最暖的一年,这年中国气

温距平达1.38℃;这个时期也是降水量显著增加的时期,是导致90年代长江流域大洪水频发的直接原因[14]。这里将90年代降水量的平均值与之前的3个年代做了一个简单的对比分析。按公式P=

- P—

图3　长江流域月降水量和径流量变化趋势

5　干支流径流量变化趋势

受资料限制,仅对26个水文站的变化趋势进行了显著性检

验,各水文站的年、季节和月变化趋势分别见图1、图2和图3。

-Q同样按照公式Q=×100%比较分析了20—

Q1961-1990

×100%来计算,当P>5%时

P1961-1990

认为降水量增加明显,当P<-5%时则认为减少明显。比较后发现,20世纪90年代的降水量相对而言存在以下几个明显特征:

(1)20世纪90年代长江全流域年降水量总体上增加,尤其

世纪90年代径流量的变化特点,见图6,当Q>10%时认为径流量增加明显,反之Q<-10%时则认为减少明显。

总的来看,各水文站的变化趋势与所控制的流域范围内的降水量变化趋势基本一致。但也有不尽相同的,例如汉江流域,年降水量变化趋势不显著,但年径流量减少趋势显著,这可能与

是在中下游地区,以及金沙江流域,但在四川盆地和汉江上游的降水量却减少,见图3(a)。

(2)增加的降水量主要发生在夏季见图3(b),春、秋季降水

66　　　人　民　长　江2006年

汉江流域水库蓄水等因素有关;还有洞庭湖水系的沅江、湘江和

资水,秋季降水量减少,但径流量却呈增加趋势,这也可能与该地区夏季降雨量增加及水库防洪运作等因素有关

。

位于干流的大通、汉口(武汉关)、宜昌、寸滩、朱沱和屏山水文站的年径流量变化趋势并不显著。但值得注意的有两点:①乌江子流域和长江中下游地区夏季径流量增加趋势显著,尤其是在7月份,图7(a)为下游干流大通水文站7月份径流量的变化趋势,图7(b)则为洞庭湖资水桃源站的变化趋势;②长江上游嘉陵江以及岷沱江和汉江的秋季径流量减少趋势显著,图7(c)、图7(d)分别为嘉陵江北碚站和岷江高场站10月份径流量的变化趋势

。

图4　

日最大降水量变化趋势

图5　

年暴雨天数变化趋势

图7　部分水文站月流量变化趋势

6　结语

通过对20世纪50年代以来的长江流域降水量和径流量的

变化趋势分析,有以下认识:

(1)长江流域年降水量总体变化趋势不显著,但各季节和月份的降水量存在的增加或减少趋势显著。尤其是在20世纪90年代,流域年降水量增加,但空间分布上很不均匀,不仅出现了降水显著增加的集中区(洞庭湖和鄱阳湖水系),而且还出现降水显著减少的集中区(四川盆地和汉江上游)。另外,在时间分布上也存在趋于集中的态势,表现在:增加的降水量主要发生在夏季和冬季,尤以7月份的洞庭湖和鄱阳湖等长江中下游地区降水量增加趋势最为显著;而春、秋季降水量反而呈减少趋势。

(2)长江流域干支流各水文站的径流量变化趋势与所控制的流域范围内的降水量变化趋势基本一致,但局部地区受水库蓄水等因素的影响而呈现不一致的变化趋势。总的来看,长江中下游地区和乌江子流域夏季径流量增加趋势显著,而长江上游四川盆地和汉江子流域秋季径流量减少趋势显著。

(3)长江流域降水量在时空分布上存在这种趋于集中的态势,可能会给长江流域带来一些不利影响,需谨慎对待。例如,

图6　1991～2000年系列与1961～1990年系列的比较

第9期许继军等:长江流域降水量和径流量长期变化趋势检验67

春季和秋季降水量减少的地区,出现春旱或秋旱的可能性会增加;而夏季降水量增加的洞庭湖和鄱阳湖等长江中下游地区,出现洪涝灾害的可能性加大。从水资源的利用角度而言,降水集中在夏季只会形成更多无法利用的洪水,而秋季降水量减少使得原本可方便利用的水资源减少。以三峡水库为例,10月份长江上游四川盆地降水量和径流量的减少,一定程度上可能会影响到水库在该月开始的汛后蓄水。

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(编辑:刘毅)

(上接第28页)

境受到限制,居民生活难以改善,生态环境不断恶化,与全面建

设小康社会的目标不相适应。可见,人与洪水的矛盾在分蓄洪区内显得尤为突出。根据长江中下游防洪状况,考虑三峡工程等大型水利枢纽建成后长江中下游防洪形势的变化,规划中提出对现有分蓄洪区进行合理分类,恰当定位,并对各类分蓄洪区提出不同的建设思路,以尽量舒缓分蓄洪区内人与洪水的矛盾,做到人与洪水协调共处。

根据分蓄洪区总体布局,按照分蓄洪区的启用机率和重要性,规划中提出将长江中下游分蓄洪区分为重点、一般和规划保留3类。重点分蓄洪区为现状条件下使用机率较大(一般在20a一遇以下)的分蓄洪区;一般分蓄洪区为三峡工程建成后为防御1954年洪水,除重要分蓄洪区外,还需启用的分蓄洪区;规划保留分蓄洪区为三峡工程建成后为防御超标准洪水或特大洪水需要使用的分蓄洪区。

规划中提出对于重点和一般分蓄洪区,既要保证分蓄洪的需要,也要使区内居民有生存和适当发展的环境。一般应结合村镇改造建设,采取将分蓄洪区内居民迁移到安全区(或安全地区)、安全台定居的模式。各分蓄洪区根据自身的资源、环境特点、分蓄洪的机率,调整产业结构,发展经济,实现经济社会的可持续发展。重点分蓄洪区因使用较频繁,应限制经济发展规模,避免人口入迁和新增重要资产进入该区。一般分蓄洪区使用机率比重点分蓄洪区小,可适当放宽经济发展的限制。

荆江分洪区使用机率较小,但遇类似1860、1870年这样的特大洪水,荆江分洪区仍是主要的防洪工程措施。规划放宽对荆江分洪区经济发展的限制,其安全建设以转移道路、通信预警设施建设为主,有条件时适当扩大主要安全区的范围。

规划保留分蓄洪区在三峡工程建成后运用机率较少,规划中提出作为遇超标准洪水时的分蓄洪区,因此除不能发展一旦分蓄洪给环境造成严重污染的企业外,可基本不限制其发展,分蓄洪区安全建设结合地区经济社会发展需要,以建设安全转移道路、通讯预警系统为主。

3.5　更加重视防洪非工程措施

防洪非工程措施是长江综合防洪体系的重要组成部分,工程措施与非工程措施相结合,是长江防洪工作的长期方针。近几年的防汛实践,充分反映了非工程措施的重要性,特别是管理,没有管理,没有相应的政策法规,工程措施就不能发挥应有的效益。规划中提出了防洪非工程措施的建设意见,也是协调人水关系的具体体现。

非工程措施涉及立法、政策、行政管理、经济、技术等各方面,包括分蓄洪区的管理运用、补偿、河道管理、洪水保险、洪水预报和预警系统、防御特大洪水方案等内容,它是一种遵循自然、适应自然、减少洪灾损失的有效办法。

4　结语

本文阐述了人水协调的治江新理念在长江流域防洪规划中的运用情况,按规划提出的防洪减灾方案,为了协调人与洪水的关系,近期应加强3个方面的建设:①尽快建成一批重点蓄滞洪区,如城陵矶附近100亿m3蓄滞洪区,以应对大洪水出现的局面;②开展长江连江支堤和重要支流、洞庭湖、鄱阳湖区堤防的建设;③加强洪水风险管理、约束不合理的人类活动,科学管理洪水。

(编辑:徐诗银)