无为县夏季降水多时间尺度规律研究

奚立平， 蔡文庆， 吴海鹰

(1.安徽水利水电职业技术学院， 安徽 合肥 231603； 2.无为县气象局， 安徽 芜湖 238300)

1 研究背景

降水规律是地区水资源特性的主要因子之一，在降水规律的研究方面，学者们做了大量工作[1-7]，如邢万秋等[1]分析了淮河流域1957-2008年降雨集中度的时空变化规律，任国玉等[2]综合分析海河流域 1956 年以来、1880 年以来和 1736年以来降水量变化的主要特征，胡建桥等[7]研究了兰州市近65年来降水周期变化规律，但国内偏重于长期规律的研究，短期规律研究较少[8-9]，对同一地区长、短期结合的多时间尺度研究，以及将降水规律结合防洪策略研究较少，加之地理和气候差异，各地降水规律存在差异性，因此长、短期结合的多时间尺度研究地区降水规律，全面弄清地区降水特点，在此基础上进行防洪策略研究，具有重要意义。

无为县位于皖江北岸，属亚热带季风气候区，洪涝灾害频发，2016年的特大洪水，造成种植业受灾面积68 400 hm2，仅农业受灾经济损失就超过20×108元。无为县的汛期洪水主要由夏季降水形成的，因此，研究无为县夏季降水长、短期结合的多时间尺度规律及特点，对防汛抗旱、水资源开发利用、农作物生产等具有积极意义[10-15]。本文利用无为县1957-2016年的夏季降水资料，采用Morlet小波分析、时间序列分析等方法，从夏季的年际、年内的月、旬、候、日、白天、夜间、小时等长、短期结合的多时间尺度，揭示无为县夏季降水规律和特点，并据此提出防洪策略建议。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

无为县地处安徽省中南部，北依巢湖，南临长江，总面积2 433 km2。无为县地势西北高、东南低，西北主要是低山丘陵，中部是低岗平畈，东部则是圩区。无为县河流众多，水网密布，塘坝、水库星罗棋布，临长江水岸长达113 km，东北侧的裕溪河长约50 km，西河长达72.7 km穿境而过。如图1所示。

2.2 数据来源

降水资料来源于无为县气象站，时间段为1957-2016年。2006年无为县气象站自动站运行后才开始观测小时降水量，因此小时降水量采用2007-2016年的降水观测资料。

2.3 研究方法

利用Matlab2015、Spss23和Surfer8.0进行数据统计，利用Morlet小波分析、时间序列分析，研究夏季降水量的年际、年内的月、旬、候、日、白天、夜间、小时等长、短期结合的多时间尺度变化规律和特点，并建立降水量预测模型，预测未来5年夏季降水量，据此提出无为县防洪策略建议。

图1 无为县地理位置

3 结果与分析

1957-2016年无为县四季平均降水量占年平均降水量的百分比如图2所示。由图2可看出，无为县降水四季分布极不均匀，夏季(6、7和8月)降水最为集中，占年平均降水量的42.4%，而无为县属于长江流域，主汛期为6-8月，显然汛期洪水主要由夏季降水形成的，因此研究无为县夏季降水规律及特征，对于做好防洪抢险工作具有较好的促进作用。

图2 1957-2016年无为县四季平均降水量占

3.1 夏季降水量年际变化规律和特点

利用Matlab2015和Surfer8.0软件，对无为县1957-2016年夏季降水量进行Morlet小波分析。

图3为无为县1957-2016年夏季降水量Morlet小波变换系数实部等值线图，反映了实部在平面上的变化强弱。图3中实线、虚线分别对应降水量的偏多、偏少状态。由图3可知，夏季降水量在10、13、23年3类时间尺度上，呈现偏多、偏少相交替的周期变化[7]，降水波动能量变化特性的能量聚集中心，在10年尺度上其坐标主要有：(1960,10)、(1963,10)、(1966,9)、(1970,8)、(1973,9)、(1976,9)、(1978,10)、(1998,10)、(2002,9)、(2004,9)、(2007,10)、(2010,10)、(2014,11)；在13年尺度上主要有：(1977,13)、(1982,13)、(1987,13)、(1996,13)、(2000,13)、(2004,13)；在23年尺度上主要有：(1985,23)、(1992,23)、(2000,23)、(2008,23)。其中，10年尺度的周期性波动具有全域性，13年尺度的周期性波动在1975-2007年较为显著，23年尺度的周期性波动从1985-2016较为显著。

图3 1957-2016年无为县夏季降水量Morlet小波变换系数实部等值线

图4为1957-2016年无为县夏季降水量变化小波方差图，反映了信号波动能量在时间尺度分布上的强弱，据此可以识别时间信号序列的主周期。由图4可以看出，夏季降水量小波方差存在5个峰值，因而周期性变化由强到弱，分别对应于第1、2、3、4、5主周期，其时间尺度分别是10、13、23、6、4年。另外，从图3可知第4主周期(6年尺度)的周期性波动仅在1981-2000年较为显著，其余年份相对较弱；第5主周期(4年尺度)的周期性波动微弱。

图4 1957-2016年无为县夏季降水量变化小波方差

图5为1957-2016年无为县夏季降水量变化主周期小波系数实部过程线。由图5可知，夏季降水量在10年时间尺度上，经历了9次偏多-偏少的交替变化，2016年处于偏多阶段的高位；在13年时间尺度上，经历7次偏多-偏少交替变化，2016年也是处于偏多阶段的高位；在23年时间尺度上，经历4次偏多-偏少交替变化，2016年处于偏多阶段的高位，但上升趋势変缓。预计2016年后夏季降水量还将处于偏多阶段并持续较长时间，但即将进入下降的阶段。

图5 1957-2016年无为县夏季降水量变化主周期小波系数实部过程线

3.2 夏季降水量年内变化规律和特点

3.2.1 夏季月降水量变化规律及特点 图6为无为县1957-2016年夏季各月平均降水量。由图6可知，无为县夏季降水主要集中在6月和7月，占夏季平均降水量的74.3%，夏季最大月平均降水量是6月为189.9 mm，最小月平均降水量是8月为130.8 mm，夏季最大月平均降水量是最小月平均降水量的近1.5倍。

图6 无为县1957-2016年夏季各月平均降水量

3.2.2 夏季旬降水量变化规律及特点 图7为无为县1957-2016年夏季旬平均降水量。由图7可以看出，夏季旬平均降水量从6月上旬开始增加，到6月下旬达到峰值后逐渐减少，6月下旬和7月上旬平均降水量相对较大，占夏季平均降水量的34.5%。

3.2.3 夏季候降水量变化规律及特点 图8为无为县1957-2016年夏季候平均降水量。由图8可知，夏季候(5d)平均降水量从6月第1候开始增加，到6月第6候达到峰值后逐渐减少，6月第6候和7月第1候平均降水量相对较大，占夏季平均降水量的20.3%。

图7 无为县1957-2016年夏季旬平均降水量

图8 无为县1957-2016年夏季候平均降水量

3.2.4 夏季日降水量变化规律及特点 图9为无为县1957-2016年夏季日平均降水量。由图9(a)～9(c)可以看出，夏季6月日平均降水量呈逐渐增加的趋势，6月29日达到峰值；7月日平均降水量在7月4日达到峰值后，呈逐渐减少的趋势；8月日平均降水量比6月和7月要少，并且日平均降水量变化不大，降水相对较均匀。

3.2.5 夏季白天、夜间降水量变化规律及特点 从总体来看，夏季白天平均降水量占日平均降水量的55.1%，多于夜间的44.9%，降水频数也是白天多于夜间。从分月来看，6月白天平均降水量多于夜间，降水频数恰好相反，但白天和夜间的平均降水量和降水频数差别不大。7月和8月白天平均降水量多于夜间，降水频数也是如此，并且白天和夜间的平均降水量和降水频数差别相对较大，尤其是8月这种差别非常明显。如图10所示。

3.2.6 夏季小时降水量变化规律及特点 夏季6月的小时平均降水量、小时平均降水频数的集中度主要在6-7时，如图11(a)、(b)所示；7月小时平均降水量、小时平均降水频数的集中度在5-6时和15-18时，如图11(c)、(d)所示；8月小时平均降水量、小时平均降水频数的集中度在17-18时和20-21时，如图11(e)、(f)所示。这就说明，自6月至8月，小时平均降水量、小时平均降水频数的集中度从上午向下午、夜间推移。

图9 无为县1957-2016年夏季日平均降水量

6-1：6月白天； 6-2：6月夜间； 其余类推

图11为无为县2007-2016年夏季小时平均降水量和降水频数。从小时平均降水量(图11(a)、11(c)和11(e))来看，7月最多，6月次之，8月最少；而小时平均降水频数(图11(b)、11(d)和11(f))，则是6月最大，7月次之，8月最小，因此7月的小时平均降水量和小时降水强度在夏季的3个月中是最大的。而无为县1957-2016年降水资料却反映出夏季最大月平均降水量是6月(见图6)，由此可知，无为县夏季降水集中度从6月向7月推移。

图11 无为县2007-2016年夏季小时平均降水量和降水频数

3.3 夏季降水量未来5年预测

对无为县1957-2016年夏季降水序列进行一阶差分处理，消除其逐年增加的趋势性，得到平稳序列[16]。

构建AR(7)模型，经t检验，自回归系数的伴随概率均小于0.05(见表1)，显著非零，有统计学意义，表2所列的杨-博克斯统计量的显著性大于0.05，图12反映的残差序列为白噪声序列，另外，采用AR (7)拟合的模型不存在离群值，说明模型的拟合度较好。

表1 AR(7)模型参数

对时间序列进行模拟，用拟合值与夏季降水量一阶差分后的序列值进行对比，结果如图13所示。

图12 无为县夏季降水量一阶差分后AR(7)自相关系数与偏自相关系数

利用建立的AR(7)模型对未来的值进行预测，分别得到2017-2021年的预测值(见表3)，可以看出从2017年至2021年夏季降水量总体呈下降的趋势，除2020年的夏季降水量略少于多年平均降水量508.4mm，其余4年的汛期降水量均超过夏季多年平均降水量。

表2 AR(7)模型统计量

图13 无为县夏季降水量一阶差分后采用AR(7)模型拟合值与实测值对比

表3无为县2017-2021年夏季降水量的预测值

mm

4 结 论

(1)夏季降水量年际变化规律和特点：夏季降水量Morlet小波分析表明，无为县1957-2016年夏季降水量存在丰枯交替的多周期变化规律，其第一、二、三主周期对应于10、13、23 a，从10、13 a时间尺度上来看，2016年处于偏多阶段的高位；从23a时间尺度来看，2016年处于偏多阶段的高位，但上升趋势变缓。预计2016年后夏季降水量还将处于偏多阶段并持续较长时间，但随后将进入下降的阶段。

(2)夏季降水量月际变化规律及特点：无为县1957-2016年降水资料反映，无为县夏季降水主要集中在6月份和7月份，占夏季平均降水量的74.3%，其中6月份的平均降水量在夏季的3个月中是最大值。

(3)夏季降水量月内变化规律及特点：无为县1957-2016年降水资料反映，夏季日平均降水量从6月1日起逐渐增加，至7月4日达到峰值后逐渐减少，8月的日平均降水量比6月和7月要少，且相对较均匀。其中，6月下旬和7月上旬平均降水量相对较大，占夏季平均降水量的34.5%。特别是6月的第6候和7月的第1候平均降水量相对较大，占夏季平均降水量的20.3%。

(4)夏季降水量日内变化规律及特点：无为县1957-2016年降水资料反映，夏季6月、7月和8月白天平均降水量多于夜间，其中8月这种差别非常明显。近10年(2007-2016年)资料表明，自6月至8月，小时平均降水量、小时平均降水频数的集中度从上午向下午、夜间推移，6月的小时平均降水量、小时平均降水频数的集中度主要在6-7时，7月的集中度在5-6时和15-18时，8月的集中度在17-18时和20-21时。其中，7月的小时平均降水量和小时降水强度在夏季的3个月中是最大的，也反映近10年无为县夏季降水的集中度从6月向7月推移。

(5)2017-2021年夏季降水量的预测表明，从2017年至2021年夏季降水量预测值分别为：656.64、621.24、593.75、505.96、576.81 mm，总体呈下降趋势，除2020年的夏季降水量略少于多年平均降水量508.4 mm，其余4年的夏季降水量均超过夏季多年平均降水量，反映了未来5年无为县夏季降水量虽然处于下降阶段，但是仍处于偏多阶段。

5 建 议

上述小波分析和时间序列分析预测反映了未来5年无为县夏季降水量虽然总体呈下降趋势，但仍处于偏多阶段，存在一定的防洪压力，为此，根据无为县夏季降水规律及特点，提出如下建议。

(1)清淤蓄水。由上面降水规律及特点分析可知，无为县汛期洪水主要由夏季降水形成的，并且集中度高，因此应充分考虑西北高、东南低的地貌特征，将降水就地拦蓄，能有效减轻防洪压力。对于县域北部至西南的低山丘陵区，自然地质环境脆弱，应巩固退耕还林成果，涵养水源，部分裸岩，土壤流失严重的区域，修筑水土保持工程，防止水土流失，并推进小水库的除险加固及改扩建，提高蓄水能力。县境中部的低岗平畈区，大力开展水土保持工作，提高植被覆盖率，增强对降水的截留作用，并减缓汇流速度，延长汇流时间，起到调节径流作用。县境东部低圩平原区，水网发达，如泥汉、陡沟、汤沟等乡镇河网密度超过90 km/km2，近年由于经济发展及建设，占用了一些河道，还有些河道被人为分割，另外，河道及当家塘淤积严重，河道槽蓄量及当家塘容量减少严重，以致一下雨就满，不下雨就干，因此，应打通分割的河道，恢复水系的完整性，清淤扩挖河道和当家塘，并在低洼地新开挖当家塘，增加河道槽蓄量及当家塘容量，使来水及降水能蓄得住。

(2)预报排水。无为县固定排灌泵站640座，县境东部地区上下九连圩、练塘圩、三闸圩等666.7 hm2以上的圩口的排涝能力已大幅度提高，由于无为县降水主要集中在6月下旬和7月上旬，此时需要外排洪水，而长江往往也处于高水位，致使外排洪水困难，因此，应增设气象水文监测设施，加强雨情、水情的监测和预报，做到提前调度、提前排水、预降水位。

(3)堤防挡水。无为县河网密布，圩口众多，裕溪河及支流西河是贯穿县境的主干河流，县境内河堤长近900 km，目前，官圩、上下九连圩防洪标准达50年一遇，2016年汛后，裕溪河治理工程全面开工，工程实施后，裕溪河、西河干流城镇及重要园区防洪标准将达到50年一遇，666.7 hm2以上大圩、重要圩口的防洪标准将达到20年一遇以上，将显著提高防洪安全保障能力，大大减轻防洪压力，但一些重要的支流及众多666.7 hm2以下的圩口防洪标准仍然偏低，即便是防洪标准达50年一遇上下九连圩，在2016年汛期洪水仍超过保证水位1 m多，因此，必须根据社会经济发展情况继续逐步提高堤防防洪标准，特别是与国家一级堤防无为大堤成圈的练塘圩、东西二十四联圩、上九连圩、下九联圩等内河圩堤，以及沿西河、裕溪河部分堤防，这些堤防是无为大堤后方的安全屏障，若溃决将直接从无为大堤背水面威胁其安全，必须予以高度重视。西河最大的支流永安河，流域总耕地面积近16 666.7 hm2，流域内666.7 hm2以上大圩有6个，永安河流域上游山丘区面积较大，坡度陡，汇流时间短，往往洪峰流量大，而永安河干流河道断面狭窄，堤防低矮单薄，防洪标准一般不超过20年一遇，两岸圩区地势低洼，在上游山洪及西河洪水的威胁下，洪涝灾害频发，必须逐步加高加固堤防。另外，县境内200～666.7 hm2的圩口，许多圩堤基础差，防洪抗灾能力弱，应逐步加大投入，加高加固圩堤，提高其防洪标准。

(4)风险管水。无为县共有大小圩口210个，面积70 666.7 hm2。建国以来遭受的10次较大洪水，均有圩口溃破，其中2003年大水，中小圩口先后溃破85个，全是200 hm2以下的圩口，其中66.7 hm2以上圩口溃破12个，66.7 hm2以下圩口溃破73个。主要是由于无为县降水在6月下旬和7月上旬集中度大，特别是近10年7月份小时降雨强度大，洪水位上涨速度快，再叠加长江高水位，境内洪水外排困难，高水位持续时间长，以及中小圩口圩堤防洪标准低等原因所致。因此，想要通过控制洪水确保安全是不切实际的，必须转变治水理念，从控制洪水转向洪水风险管理。可从4个方面着手：一是开展洪水风险分析，绘制全县洪水风险图，一方面可规范开发行为，另一方面据此合理制订防洪预案，针对不同等级洪水，统筹调度，对200 hm2以下圩口采取相应的取舍方案，指导避洪行动，确保总体利益最大化；二是加强圩区人民群众防洪灾的宣传教育，提高圩区人民群众的洪水风险意识，使其能积极参与防灾减灾工作，特别是需要从圩区转移时能听从指挥，能熟记预警信号、转移路线、安置地点等，做到行动统一、有序、安全；三是建立健全预报预警系统，及时准确预报预警，为防汛抢险提供科学的决策依据，为防汛抗洪赢得主动；四是规划、落实好预警方式、撤退路线、交通工具、救生器材、安置地点和医疗救助等工作，加强迁安基础设施建设，特别是撤退道路、安置点的建设与维护。

(5)择时防水。在汛前、汛期应根据降水规律及特点，踩准时间节点，合理安排相应工作，就会达到事半功倍的效果。无为县降水量从主汛期6月中旬起逐渐增加，至下旬达到峰值，持续到7月份上旬，然后逐渐下降，至7月中旬后显著减少。因此，5月前必须完成预案准备，5月至6月上旬，进一步督查、完善相关准备工作，充分做好各项防汛准备工作，做到有备无患；6月中旬至7月中旬是防汛抢险的关键阶段，各种险情都有可能出现，险情的发展变化一般是从无到有，由小变大，由渐变到突变，及时快速发现险情，就可将险情消灭于萌发阶段，做到治早、治小，这样既能保证工程安全又能节约抢险费用，因此巡堤查险尤为重要，除了正常的巡查外，对6月份的6：00-7：00时、7月份的5：00-6：00时和15：00-18：00时等降水集中的时段加强洪水防治；7月下旬以后，降水显著减少，并趋于均匀，可封堵圩堤决口，加强圩区排水，组织生产自救，争取赶在立秋前补种农作物，相应提高产量，弥补洪灾损失。