近50年赣江水位特征变化规律及其周期性分析

陈 峰，游海林

(1.江西省水利规划设计研究院，江西南昌330029；2.江西省科学院鄱阳湖研究中心，江西南昌330096)

水文时间序列是指各时刻或各时段水文值按日历时间顺序排列而成的序列，可由离散的观测值或统计值组成，也可由连续的水文过程经离散化后的取值组成[1-2]。水位是水文时间序列的重要组成部分，它是反映水体最直观的因素，其变化主要由于水体水量的增减变化引起的。一般通过描绘水位过程线来研究水位随时间的变化规律，进而揭示断面以上流域内自然地理因素对该流域水文过程的综合影响，特别是气候因素对水文过程的影响[3]：一方面，开展水位变化规律研究可直接为预防旱涝灾害、保障人民生命财产安全提供判断依据；另一方面，水文过程被认为是湿地生态系统形成与演化的重要驱动因子，因而开展水位变化研究对揭示湿地生态过程与生态格局形成具有重要意义[4-5]。

传统意义上的水文时间序列分析方法一般是建立在数理统计的随机水文学理论基础之上[6]。然而，由于现实自然界中的水文现象十分复杂，加之水文系统的非线性、时刻变化、分布不确定性的特点，传统的水文时间序列分析方法在实际应用中的局限性较为明显，以滑动平均模型为例，参数估计的复杂程度极大地限制了其精度的提高[7]。针对传统分析方法存在的不足，许多学者将具有时-频多分辨功能的小波分析技术引入到水文序列变化特性研究之中，并取得了较好的应用效果，尤其是在分析水文序列的变化趋势和周期等组成效果更加明显。米热古力·艾尼瓦尔等应用小波分析技术对比研究了博斯腾湖与伊塞克湖近50多年来水位变化特征，结果显示博斯腾湖和伊塞克湖年水位总体呈显著的下降趋势[8]。游海林等利用小波技术研究了鄱阳湖近60年水位时间序列的周期变化特征，结果表明鄱阳湖水位序列显现出不同的周期交替现象[9]。前人的研究对象大部分集中于湖泊的研究，对河道的研究相对报道较少。

赣江作为江西省最大河流、长江主要支流之一，开展其水位变化特征与周期性规律研究，揭示赣江、鄱阳湖和长江三者之间的“江河湖”关系具有指参考性作用；同时，对维护鄱阳湖水环境和水生态安全、减轻旱涝灾害威胁以及保障湖区人民生命财产安全具有重要的意义。

1 研究区概况

赣江位于长江中下游南岸，源于赣闽边界武夷山西麓，自南向北纵贯江西省全省，被誉为南昌人的“母亲河”。赣江有13条主要支流汇入，长766 km，自然落差937 m，多年平均流量2 130 m3/s。从河源至赣州为上游，称贡水；在赣州市城西纳章水后始称赣江。外洲水文站是赣江入鄱阳湖的重要控制站点，位于南昌市桃花乡外洲村，1949年10月设立，控制流域面积为80 948 km2，占鄱阳湖流域总面积的49.9%。自外洲站设立以来，有连续的水文观测资料，该站水位和径流序列对鄱阳湖水位影响较大；同时也受鄱阳湖水位顶托的影响[10]。

2 材料与方法

选取赣江外洲水文站1965年～2015年的水位时间序列数据(吴淞基面，m)作为研究对象，利用Origin8.5对赣江水位序列的年尺度、月尺度和日尺度这三种时间尺度的水位变化特征与规律进行统计分析与作图。在此基础上，采用Morlet连续复小波变化对赣江历年年均水位序列的进行周期分析，并利用surfer12.0绘制出反映年均水位序列周期性变化特征的小波系数时频图，确定年均水位序列的变化趋势和周期组成。

3 结果分析与讨论

3.1 赣江多时间尺度水位变化特征

3.1.1年尺度水位变化特征

从图1可以得知，在1965年～2015年期间，赣江年最高水位变化范围为18.45～25.60 m，多年平均值为22.69 m，其中以1982年年最高水位为最高，2011年年最高水位最低。年最低水位变化范围为11.50～17.17 m，多年平均值为15.75 m，其中以1975年年最低水位为最高，2015年年最低水位为最低。年内水位变幅为4.69～11.25 m，年内水位变幅均值为6.94 m，年内水位变幅以2010年为最高，以 1990年的年内水位变幅为最低。年际水位变幅最大值为14.10 m，为1982年的年最高水位和2015年年最低水位之差。

1965年～2015年赣江年平均水位变化为14.83～19.63 m，多年平均水位为17.92 m，其中以1998年年平均水位最高，2011年年平均水位最低。1998年由于厄尔尼诺现象肆虐，全球气候普遍出现异常，加之流域内不合理的人类活动(如采砂等)，长江流域(包括江西省)遭遇百年一遇的特大洪水，给人民生命财产安全造成严重威胁[11]，赣江是长江流域的主要支流之一，是江西省内最大河流，因此不难理解赣江1998年的年平均水位最高。2011年是鄱阳湖流域的典型干旱年份，由于气候干旱导致的降水量普遍减少，赣江流域也不例外，尽管赣江流入鄱阳湖的水量与往年相比有所下降，但是赣江仍是补给鄱阳湖水量的最大水系，因此也可以理解赣江的年最低水位发生在2011年[12]。

图1 赣江年尺度水位变化特征

3.1.2月尺度水位变化特征

从图2可以得知，赣江水位年内过程线均呈现单峰型，逐月平均水位和逐月最高水位的单峰的形状更加明显。在1965年～2015年期间，赣江逐月平均水位变化范围为 11.86～22.64 m，逐月最高水位变化范围为12.37～25.60 m，逐月最低水位变化范围为11.50～22.15 m。逐月水位变幅变化范围为0.13～7.29 m，呈现波峰的形状，波峰出现在6月份。

图2 赣江月尺度水位变化特征

表1为赣江外洲站1965年～2015年的多年月平均水位数据。可以得出，赣江多年月均水位为17.92 m，以6月份最高(19.69 m)，以1月份最低(16.52 m)，因而其最高水位出现时间相比鄱阳湖而言提前出现1～2个月，而最低水位出现时间则与鄱阳湖几乎重叠。1月～2月份和7月～9月份共计5个月的多年月均水位最大值发生在1998年，占全年比例的41.67%；有3个月(5月和10月～11月)的最大值发生在1975年，占全年的比例的25.00%；3月、4月、6月和12月份的最大值依次出现在1983年、1981年、1977年和1982年。相比多年月均水位的最大值，月均水位最小值发生的年份更加集中。其中，3月～8月份共计6个月的多年月均水位的最小值均发生在2011年，占全年比例的50.00%；1月～2月份的最小值发生在2015年；9月～11月份的最小值则发生在2013年，12月份的最小值则发生在2014年。故，可以总结出赣江多年月均水位的最大值均发生在1998年之前；而最小值均发生在2010年之后。由于赣江是补给鄱阳湖水量的最大水系，且外洲水文站是赣江入鄱阳湖的重要控制站点，赣江水位低可直接导致进入鄱阳湖的水量减少，因此本研究结果可在一定程度上反映出近些年来鄱阳湖水位出现下降的趋势，产生了“高水不高，低水过低”的现象，这种现象在2010年之后更加明显[13]。赣江流域降水量减少和不合理的人类活动(如非法采砂、过度引水灌溉等)是导致赣江水位下降的两个主要因素[14]。

表1 赣江多年月平均水位数据(1953年～2012年) m

3.1.3日尺度水位变化特征

从图3可以得知，赣江逐日平均水位变化范围为11.52～22.56 m，逐日水位最大值发生在1982年(6月20日)，最小值则发生在2015年(2月19日)。将图3中的1965年～2015年的逐日平均水位的每一年平均值(即为图3中箱型图小方框对应的水位)进行可视化，得赣江历年年均水位序列曲线及其变化趋势(见图4)。

图3 赣江日尺度水位变化特征

图4 赣江历年年均水位序列曲线

可以看出，赣江历年年均水位呈现下降趋势，尤其是在1998年～2011年期间下降速度明显加快，平均每年下降幅度达到0.37 m，比同期鄱阳湖星子水文站的下降速度高0.2 m/a[15]。

图5 赣江历年年均水位序列Morlet小波系数时频

3.2 赣江水位周期性分析

在分析赣江水位年尺度、月尺度和日尺度水位变化特征的基础上，利用Morlet小波方法进一步分析赣江水位历年年均水位序列的周期性特征。小波系数实部等值线可以用于反映水位变动在不同的多时间尺度周期变化，以及其在时间域中的分布；并在此基础上能够判断出在不同时间尺度上，赣江水位变动特征以及未来演变趋势。不同时间尺度的赣江历年年均水位变化特征，可以由不同时间尺度的小波系数反映出来。如小波系数为正数则对应赣江年均水位升高；反之，为负数则对应赣江年均水位下降；如果小波系数为零则对应着突变点，表示这个在这个点的前后赣江年均水位变化必然不同。小波系数的绝对值越大，则表明该时间尺度变化越为显著[16-17]。从图5可以看出，赣江历年年均水位存在多时间尺度特征。总体而言，17～22 a和8～14 a这两类尺度的周期变化规律较为明显。其中，在17～22 a尺度上出现了枯-丰交替的准2次震荡。这一尺度在整个分析时段表现具有较为稳定以及全域性的特征。在8～14 a尺度上，则出现了枯-丰交替的准3次震荡，该周期变化规律在1988年以前表现较为稳定。

4 结 论

本研究依据长江主要支流、鄱阳湖最大补给水系赣江水位变化特征与变化趋势，采用Morlet连续小波变化分析赣江1965年～2015年的历年年均水位变动的多时间尺度特征。研究表明，借助小波分析技术时、频局部化的特性，可以较好地应用于赣江历年年均水位序列的多时间尺度分析。分析得到的结果相对于传统的分析方法更具科学性及可行性，且能够发掘出水位时间序列中更多的隐藏信息。本研究得到的主要结论有：

(1)赣江多年月均水位的最大值均发生在1998年之前，而最小值均发生在2010年之后，流域内降水量减少和人类活动的影响是导致该现象的两个主要原因。

(2)赣江历年年均水位呈现下降趋势，且在1998年～2011年期间下降速度最为明显，与同期鄱阳湖水位下降速度较为吻合。

(3)赣江历年年均水位存在着17～22 a和8～14 a这2类尺度的周期变化特征，前者具有全域性，后者在1988年前表现较为稳定。