多瑙河流域水文气象要素演变及响应关系

辛昱昊，刘颖，宁忠瑞,,3,4，鞠琴,3，张晓华，王鸿杰,6

(1.河海大学 水文水资源学院,江苏 南京 210098; 2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029; 3.长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098;4.水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029；5.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003;6.河南省水文水资源局，河南 郑州 450003)

众所周知，气候变化对流域水文要素有着最为直接的驱动和影响[1-2],而流域人口的增加以及社会经济的发展则会直接或间接导致社会用水量的增加[3-4]，影响地表径流量的变化。反之，径流量的变化，如大洪水以及长期干旱事件，也会对社会安全产生威胁。由此可见，人类社会与水资源变化以及驱动水资源变化的因素之间关系密切、互馈影响。因此，研究全球气候变化条件下水资源的演变特征对人类科学开发利用水资源、促进人水和谐意义重大[5-6]。

多瑙河是欧洲的第二长河，对欧洲的历史进展影响深远，对中欧及东南欧的移民和政治经济起到了重要作用，是欧洲各国的商业通衢和贸易往来的纽带。多瑙河流域河网密布，支流遍布中欧以及东南欧大陆，流域三面环山，位于多瑙河盆地。多瑙河流域降水量总体充沛，但降水空间分布不均匀,上游降水量丰富，每年约为1 000～1 500 mm，中下游平原地区降水量较少，每年约为700～1 000 mm。多瑙河流域历史洪水主要由夏季和秋季暴雨或长期连续降雨、春季高山积雪融化及冬季冰凌所造成，极少发生全流域大洪水，绝大多数洪水为局部洪水，且全年各时段均可发生洪水。多瑙河流域实测洪水记录历史悠久，洪灾主要发生在中下游，1870—1970年共发生过洪灾62次。洪水过程会对社会经济产生极大损害。近年来的分析数据表明，气候变暖已导致流域的降水量增多，进而直接导致流域的径流量增多，极端气候条件出现概率增加[7]，而极端气候条件导致洪水频率增加，会对社会发展与人类安全造成极大危害。洪水预报的基础工作是研究流域水文气象要素的演变规律[8-10]。本文以多瑙河流域为例，对该流域1951—2010年的气温、降水量、径流量演变规律进行了研究，研究结果对流域水资源规划、洪水预报等定量研究具有重要意义。

1 流域概况与分析方法

1.1 流域概况及数据来源

气温和降水数据来源于NOAA(美国国家海洋和大气管理局)提供的1951—2010年日尺度观测数据，径流数据来源于GRDC(全球径流数据库)提供的1951—2010 年欧洲Ceatal Izmail站的日尺度和月尺度的观测数据。多瑙河发源于德国西南部,自西向东流经9个国家,是世界上干流流经国家最多的河流。文中以位于罗马尼亚境内的Ceatal Izmail站的数据为研究对象,收集了自1951年至2010年逐月的气温、降水和径流资料。图1给出了多瑙河流域欧洲所处地理位置、流域水系以及Ceatal Izmail站的地理位置。

图1 多瑙河流域水系及Ceatal Izmail站点位置示意图

多瑙河流域处于温带海洋性气候向温带大陆性气候过渡区，就全流域来说,大部分降水出现在夏季和秋初。统计结果表明,1951—2010年，流域多年平均降水量为761.12 mm,年均气温为8.84 ℃。Ceatal Izmail站测得的流域多年平均径流量为255.4 mm,年径流系数为0.34。

1.2 分析方法

采用最小二乘法线性拟合诊断水文气象要素序列变化的趋势[11-14]。通过累积距平法判断水文气象要素的丰水期以及枯水期。对于水文气象要素的周期性分析,采用小波分析法诊断序列的主、次周期[15-16]。对于序列的突变性检验则分别采用有序聚类分析法[17-18]和Mann-Kendall(M-K)突变检验法[19-20]。有序聚类分析法是通过计算不同时间节点前后序列的离差平方和，将离差平方和最小点判断为突变点。结合两种分析方法进一步确定序列突变点。M-K突变检验法具有不需要样本遵从一定的分布、不受少数异常值干扰的优点，常被用于水文气象要素诊断与预测中。

2 结果分析

2.1 水文气象要素演变趋势分析

图2给出了1951—2010年多瑙河流域年均气温、降水量和径流量的变化情况。由图2(a)—(c)可以看出：①气温呈现明显的上升趋势,线性倾向率为0.283 ℃/(10年)。最高气温出现在1994年,约为10.48 ℃；最低气温出现在1956年,约为7.23 ℃；多年平均气温约为8.84 ℃。②降水总体比较充沛,多年平均降水量为761.12 mm。降水量呈现逐年增加的趋势。降水量具有较大的年际变化特征,特别是在20世纪60、70年代及21世纪初。年降水量最大约为907.3 mm,出现在1966年；最小年降水量约为615.2 mm,出现在1953年，最大年降水量约为最小年降水量的1.475倍。21世纪初最大年降水量约为970.2 mm,出现在2010年；最小年降水量约为617.8 mm,出现在2003年，最大年降水量约为最小年降水量的1.57倍。20世纪80年代至20世纪末降水量较少且年际变化不大。多瑙河流域实测降水量序列中年降水量最大值出现在2010年，约为970.2 mm,最小值出现在1953年，约为615.2 mm。③流域径流量增加趋势不显著,多年平均径流量约为255.4 mm。径流量在20世纪60和70年代及21世纪初具有较大的年代际变化，与降水量具有较大年代际变化的时期一致。最大年径流量出现在2010年,约为366.7 mm;最小年径流量出现在1990年,约为164.1 mm。径流量丰枯分布与降水量丰枯分布基本一致。

图2 多瑙河流域气象要素及Ceatal Izmail站实测径流量过程及其累积距平过程曲线

根据图2(d)—(f)可知：①多瑙河流域气温变化可分为如下两个阶段。1951—1987年，气温累积距平曲线呈下降趋势，该时间段内气温逐渐降低，1987年达到最小值，累积距平值为-15.9 ℃；1988—2010年，气温累积距平曲线的趋势为上升，该时间段内气温逐渐上升。②降水量变化可分为6个阶段。1951—1959年，该时间段为降水量波动时期，降水量基本正常；1960—1967年，降水量累积距平曲线呈先下降后上升的趋势，降水量先逐渐减小后逐渐增加；1968—1978年，该时间段为降水量波动变化时期，降水量基本正常；1979—1982年，降水量累积距平曲线为上升趋势，降水量逐渐增加，1982年达到累积距平最大值，为249.6 mm；1983—1993年，降水量累积距平曲线呈下降趋势，降水量逐渐减小，1993年达到最小值，累积距平值为-601.3 mm；1994—2010年，降水量累积距平曲线呈升高趋势，降水量逐渐增加。③径流量变化可分为3个阶段。1951—1973年，该时间段为径流量波动变化时期，径流量基本正常；1974—1993年，径流量累积距平曲线呈先上升后下降趋势，径流量先逐渐增加后逐渐减小，1982年达到最大值，为245.3 mm；1994—2010年，该时间段内径流量无显著波动变化。

2.2 周期性分析

图3为多瑙河流域年均气温、降水量和径流量的小波周期图和小波方差图。通过图3(a)—(c)，可得到实测序列周期所处区间，结合图3(d)—(f)区间峰值，可得到水文气象要素变化的主、次周期。由图3(a)—(c)可知:在实测序列年均气温整体呈升高趋势,无明显周期性。降水量的周期分别在2～10年内、10～20年内,25～30年内，结合图3(e)知，降水量的主周期为7年,次周期为16年与29年。径流量的周期分别在0～5年内、10～20年内、25～30年内，结合图3(f)知，径流量的主周期为16年,次周期为3年与30年。

图3 多瑙河流域气温、降水量以及Ceatal Izmail站实测径流量小波周期图与小波方差图

2.3 突变性分析

图4为多瑙河流域降水量、Ceatal Izmail站实测径流量和径流系数时序离差平方和过程曲线。由图4可以看出：实测年降水量和实测年径流量的时序离差平方和均在2002年达到最小值，年降水量和年径流量时序离差平方和在1984年前较稳定，并分别在1984年和2000年出现剧烈变化，由此可以推断2002年为变异突变点。年径流系数时序离差平方和最小值和次小值分别出现在2008年和1982年，在1982年出现一个跳崖式突变，故1982年为另一变异突变点。

图4 多瑙河流域年降水量、Ceatal Izmail站实测径流量和径流系数时序离差平方和过程曲线

图5为多瑙河流域降水量、径流量以及Ceatal Izmail站实测径流量的M-K检验结果。由图5可以看出：在显著性水平α=0.05、临界值为±1.96 条件下(由M-K突变检验原理可知，若在短时间区间内频繁相交并非突变点，而是变化频繁),流域年降水量的UFk和UBk线交于1955年附近、1972年附近与1982年;径流量的突变点出现在1962年附近、1982年与2002年;径流系数突变点出现在1982年。结合有序聚类分析法和M-K突变检验分析结果综合分析，将1982年与2002年定为时间序列突变点。该分析结果与累积距平法的分析结果一致。根据上述对多瑙河流域流量过程的分析以及诊断结果,综合考虑后将实测径流序列划分为3个阶段：第一阶段为1951—1981年,第二阶段为1982—2001年,第三阶段为2002—2010年。

图5 多瑙河流域降水量、径流量以及Ceatal Izmail站实测径流量的M-K检验结果

多瑙河流域不同时段气温、降水量、径流量及其变化特征见表1。

表1 多瑙河流域不同阶段水文气象要素变化特征

由表1可知：①多瑙河流域多年平均气温为8.84 ℃，气温整体呈现上涨的趋势，第一阶段的平均气温低于多年平均气温，第二、三阶段的平均气温均高于多年平均气温，第二、三阶段气温上涨幅度分别为8.35%、15.89%；②流域多年平均降水量为761.12 mm，在第一阶段、第三阶段的平均降水量相对较丰，分别高于多年平均降水量7.63 mm、43.61 mm，第二阶段的降水量较少，与第一阶段的相比少5.09%；③多瑙河流域Ceatal Izmail站实测年均径流量在第一阶段约为258.56 mm，第二阶段呈现减少的态势，较基准期第一阶段的少9.93%，第三阶段的呈现增加的态势，较基准期的增加4.87%。多瑙河流域Ceatal Izmail站实多年平均径流量为255.4 mm，第一、三阶段的年均径流量分别高于多年平均径流量3.16 mm、15.75 mm；第二阶段的相较于多年平均径流量少22.51 mm。第一、三阶段的径流量较丰，第二阶段的径流量较枯。第一阶段、第三阶段处于径流量的丰水期，第二阶段处于径流量的枯水期。

2.4 不同阶段降水-径流响应关系

图6为多瑙河流域不同阶段降水-径流响应关系散点图。

由图6可以看出：①不同阶段的降水量和径流量均有较好的正相关关系，且相关系数均在0.6～0.8区间,多瑙河流域降水量和径流量的相关性较好；②在年降水量超过700 mm时年降水量与年径流量的相关性更好，这是由于欧洲地区降水量充沛,土壤初始含水量较高,用于填补土壤水量较少；③在不同阶段的降水量和径流量点群存在一定的差异,第一阶段、第三阶段的点群位置分布相对一致的,第二阶段的点群位置略低于第一阶段的，第一阶段、第三阶段的点群在降水量为700～850 mm时离散程度较高，第二阶段的点群在降水量为600～700 mm时离散程度较高。尽管不同阶段的点群分布位置相对集中，但各阶段的点群分布存在差异,且离散程度变化较大，说明在1951—2010年，流域的自然条件由于人类活动影响而发生变化。

图6 不同时段降水-径流响应关系

2.5 不同阶段的气温、降水量和径流量的年内分配

图7为多瑙河流域气温、降水量以及Ceatal Izmail站实测径流量在不同阶段的年内分配情况。

由图7可以得出：①不同阶段的气温整体呈现升高趋势，但年内分布情况基本一致。气温自1月份至7月份逐渐升高，夏季气温高且不同阶段的最高气温均出现在7月份，为17～22 ℃；气温自7月份至12月份逐渐降低，冬季气温低且不同阶段的最低气温均出现在1月份，为-3～-1 ℃。②不同阶段的降水量分布整体呈现夏季高、冬季低的现象。第一、二阶段的降水量年内分布1月份至3月份的逐渐减少，但减少幅度不显著，3月份至6月份的降水量增加显著，6月份至10月份的降水量减少显著，10月份至12月份的降水量先增加后减少且变化趋势不显著；第一、二阶段的降水量最小值分别出现在3月份与2月份，最大值均出现在6月份。第三阶段1月份至4月份的降水量呈现先减少后增加的变化，但变化趋势不显著，4月份至5月份的降水量出现跳跃式增加，5月份至8月份的降水量均匀增加，8月份至9月份的降水量跳跃式减少，9月份至12月份的降水量均匀减少。第一、二阶段的降水量年内分配基本一致且变化趋势相同，第三阶段与前两阶段的出现较大差异：首先，在第一、二阶段的夏季降水量逐渐减少，但第三阶段的夏季降水量逐渐增加；其次，第一、二阶段的降水量年内变化均匀，但第三阶段4月份与8月份的降水量出现跳跃式变化。③不同阶段的径流量年内分布基本一致，第二阶段的径流量较第一、三阶段的少，径流量最大值出现在4月份与5月份，径流量最小值出现在10月份。春季径流量大，这主要是受到山地冰雪和积雪融水补充的影响所致;秋季径流量小,这是由于降水量小且缺少冰雪融水补充。

图7 多瑙河流域气温、降水量以及Ceatal Izmail站实测径流量在不同阶段的年内分配情况

3 结语

1)在实测1951—2010年的水文气象数据过程中,多瑙河流域气温呈现平稳缓慢上升趋势,降水量由于全球变暖等因素的影响呈现增加趋势,径流量无明显变化趋势。降水量实测序列过程变化趋势与径流量的变化趋势基本一致。

2)多瑙河流域降水量主周期为7年,次周期为16年与29年;Ceatal Izmail站实测径流量变化主周期为16年, 次周期为3年与30年;结合M-K突变检验以及有序聚类分析法诊断出突变点主要在1982年与2002年。

3)不同阶段的降水-径流响应关系存在差异,但整体来说多瑙河流域降水-径流的相关关系较好。不同阶段的点群分布较为集中，但各阶段点群的离散程度差别较大，多瑙河流域水文气象要素一定程度上受到人类活动的影响。

4)在人类活动的影响下，极端气候事件发生频率逐渐增高，大洪水发生的可能性同时提高。这对多瑙河流域现有防洪设施的安全性是一种挑战。所以研究水文气象要素演变规律对洪水预报等具有重要意义。