武汉市水资源旱涝变化及其急转情况历史演变分析研究

侯雨坤，耿 川

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430071）

0 引言

随着武汉市等长江流域沿岸重点城市加大对水环境治理的投入，长江流域城市防洪防旱体系完善的需求愈发明显。其中，针对如江夏区七湖两港湖泊形态及生态治理工程中乾湖以及杨蒋湖等水面面积小，汇水来源少的湖泊，丰水期的降水以及枯水期的蒸发均会对湖泊水位造成明显影响。不仅如此，不考虑急转情况的针对洪涝来临后的大规模排洪排涝以及干旱期间的大量蓄水都将对旱涝急转后带来的气候突变带来错误引导。因此，旱涝的交替变化应对将成为区域的影响将在沿长江等大江大河防洪体系健全后的焦点研究应用，所以需要对旱涝历史演变进行充分分析。

武汉市作为长江中游中心城市之一，对其的旱涝变化早已开展相应研究。杜忠建［1］通过对武汉市黄陂区境内的姚家集、长轩蛉、前川、滠口水文站及黄陂气象台1950-2002年逐日降水资料，采用单站逐日统计方法，揭示了武汉市黄陂区不同季节旱涝灾害时空分布特征。刘志文等［2］经过研究发现，武汉因所处的地理位置和地理环境比较特殊，是旱涝交替，为自然灾害的多发地带，并通过实测资料对武汉市历史旱灾和洪涝的成因分析，找到其地理因素及人为因素。刘志文等［3］通过对武汉市旱灾和洪涝的成因分析，找出影响旱灾和洪涝的主要影响因素包括水文、气象、地形地貌等自然因素以及管理、工程等经济社会因素，为防御旱灾和洪涝自然灾害提供科学依据。朱香英［4］的研究发现湖泊面积锐减是造成了武汉市历年遭受特大洪涝灾害的原因之一。

作为量化旱涝事件强度的工具，旱涝指数基于降水量、蒸散发量等因素分析，将旱涝程度量化为便于分析的数值，使之成为研究气象旱涝的基础指标，也是客观评价区域旱涝情况的关键标准［5］。其中，气象旱涝指数以其输入数据精简、表达结果准确的特点被广为应用。不同于传统以月、年等大尺度为评判单元的时段旱涝情况分析，旱涝异常事件以短时间突发的极端气象情况为基础［6-11］，分析在旱涝事件持续过程中发生的气候状况突变，研究中常称这类事件为旱涝急转［12］，如旱情后突发长期暴雨，或涝季后长期放晴。由于此类事件由于突发性强，且也易破坏原有的防旱（涝）预案，因此往往比传统长旱或长涝带来更为严重的气候威胁。

由于武汉市旱涝变化较为频繁，因此需充分考虑其对城市的影响。以往对武汉市的旱涝研究多主要集中在武汉市旱涝事件的成因及影响，并无对武汉市历史旱涝及其急转事件强度的具体分析［1-4，13-15］。因此，本研究在以往研究的基础上，本研究分析58年来武汉市历史降水蒸发变化情况。通过计算旱涝急转指数，筛选旱涝急转事件，并分析旱涝急转变化规律，为武汉市防洪排涝以及枯水期保水方案提供科学依据，更好地实现洪水期防洪排涝、枯水期水体水位保持，也为城市农业应对旱涝急转事件提供科学支撑。

1 武汉市历史气象要素变化分析

1.1 数据来源

本研究数据采用国家气象科学数据中心（data.cma.cn）中国地面气候资料日值数据集（V3.0）1961-2018年共计58年逐日降水、蒸发数据。数据包含站点降水、蒸发数据，其中武汉气象数据采用武汉市气象站（编号为57494）实测历史降水蒸发数据。径流数据采用中游干流区（汉口（武汉关））1974-2008年日径流资料。

1.2 历史降水蒸发变化趋势分析方法简述

为了分析降水蒸发年际变化，采用线性回归以及Mann-Kendall趋势检验法［16］对年、月尺度降水蒸发趋势进行分析。

其中，Mann-Kendall 趋势检验法的计算统计变量Z大于0时意味该序列具有上升趋势，小于0 证明序列为下降趋势。通常在95%置信区间下，当|Z|＞1.96时则认为趋势存在明显性。

由图1可知，武汉市历史降水呈现不显著上升趋势，但可看到明显的年际波动。其中，武汉市近58年日均降水3.44 mm（折合年降水1 255.6 mm），降水较为丰沛。1983年日降水均值达到5.19 mm（折合年降水1 894.35 mm），2016年日均降水达到4.99 mm（折合年降水1 826.34 mm），均产生较大夏季洪涝事件，1966年降水最小，为2.00 mm（折合年降水730 mm），年级最大最小值差距超过2.5 倍。而历史蒸发呈现不显著下降趋势，平均年蒸发为2.79 mm（折合年蒸发1 018.35 mm）。但相较于降水，年蒸发总量较低，且年际波动较为稳定，变化趋势也较降水更不显著，本研究所的趋势与以往研究基本相似［14］。

图1 武汉市1961-2018年历年日降水、蒸发年际均值图（MK降水=1.31，MK蒸发=-0.22）Fig.1 Annual mean of daily precipitation and evaporation in Wuhan during 1961-2018（MKPrecipitation=1.31，MKEvaporation=-0.22）

为了不同月份带来的丰枯季降水变化，图2～4 列举了自1961年以来每十年的逐月降水蒸发均值以及差值（由于资料缘故，近十年采用2011-2018 共8年数据进行替代）。从表1 和2可以看出，近6 个年代的逐月降水蒸发并未呈现出明显的变化趋势，均为不规则波动。从表3 可以看出，武汉市8-12月易出现潜在蒸散发大于降水的情况，但由于降水多集中于某一个时间点形成径流，实际蒸发往往不能在逐日均达到潜在蒸散发量值。因此，丰水期往往不存在河道断流或湖泊水位下降的问题。但在枯水期（主要为10-12月），考虑到中小河湖沿岸汇水区域往往被人为阻断，汇水面积往往接近实际水域蒸散发面积，从统计结果来看可能存在河道断流，湖泊水位逐渐下降的情况，需要重点关注，但这一下降趋势通常不超过1 mm/d。这也证明，通过禁止百姓排水捕鱼、控制灌溉需水的方式，结合汛期末期的合理蓄水，可以保障枯水期水体水位保持。如人类活动带来的水位下降过于明显，也可通过合理的补水措施确保河道生态流量以及河湖生态水位。

图2 武汉市分年代日降水均值Fig.2 Average daily precipitation by decade in Wuhan

图3 武汉市分年代日蒸发均值Fig.3 Average daily evaporation by decade in Wuhan

图4 武汉市分年代日降水蒸发均值差值统计Fig.4 Average daily Mean difference of precipitation and evaporation by decade in Wuhan

2 武汉市旱涝及其急转事件事件量化分析

2.1 旱涝程度量化方法及分析

旱涝事件作为气象灾害事件，在中国造成了长期、大面积的破坏与影响。随着全球气候变暖，气象极端事件发生将更为频繁，需要采取更为精细的监测方法。为了将旱涝事件定位至某个日尺度时间段，从而使旱涝急转可以量化为一系列以日为基础单元的连续事件，而非以往研究中给定某个月或其他尺度的旱涝情况。本文采用标准化加权平均降水指数（Standard Weighted Average Precipitation，SWAP）作为量化旱涝急转事件的基础指标，并采用游程理论提取指标，得到武汉市连续干旱与洪涝事件，判断其旱涝急转程度，分析其变化情况。

2.1.1 标准化加权平均降水指数（SWAP）

为量化某一日在历史同期的旱涝程度，Lu［17］提出了通过前期降水进行加权累积的SWAP（Standard Weighted Average Precipitation）这一气象旱涝指标。该指标是基于加权平均降水WAP（Weighted Average Precipitation）通过Gamma 函数标准化而得来［18］。具体计算方法可详见参考论文［19］。

根据正态化后的SWAP值，将旱涝强度分为9 个等级，分别为：特涝（SWAP≥2.0）；重涝（1.5≤SWAP＜2.0）；中涝（1.0≤SWAP＜1.5）；轻涝（0.5≤SWAP＜1.0）；正常（-0.5＜SWAP＜0.5）；轻旱（-1.0＜SWAP≤-0.5）；中旱（-1.5＜SWAP≤-1.0）；重旱（-2.0＜SWAP≤-1.5）；特旱（SWAP≤-2.0）。

2.1.2 SWAP指数可靠性验证

为确认SWAP的可靠性，本次采用较为成熟的水文旱涝中的标准化径流指数（Standard Runoff Index，SRI）指标计算方法［20，21］，以日尺度径流值推算当日旱涝程度的水文旱涝指标进行与SWAP进行同期验证。受资料限制，本次采用中游区间日流量，同时采用中游区间对应区间日降水平均值进行SWAP计算并开展结果比较。

图5 展现了长江中上游流域代表性站点月均SWAP与SRI历史变化情况。可以看出，月际旱涝值呈现明显的周期性，但年际间波动具有少许差异。同时，两个区域的历史SWAP与SRI呈现相似的变化过程，这证明了气象旱涝与水文旱涝具有较强的相关性。而二者的差异既有可能是降水径流转化机制并不是线性相关，也有可能强人类活动带来的水资源变化所致。因此，结果证明SWAP可以用于后续的旱涝及其急转分析工作。

图5 SWAP与SRI结果比较（以长江中游区间（宜昌至湖口）为例）Fig.5 Comparison of SWAP and SRI simulation（taking the middle reaches of the Yangtze River（From Yichang to Hukou）as example）

2.2 日尺度气象旱涝急转异常事件分析

2.2.1 基于游程理论的旱涝事件提取方法介绍

基于日尺度SWAP，将旱涝事件定位于某个日时间段，采用游程理论对旱涝及其急转事件进行提取。根据游程理论，识别单一旱涝事件时，首先选定标准量R0作为截取水平，当旱涝指标在一个或多个时段内连续小于R0时，干旱事件发生；与此相对应，选定作为R1作为截取水平，当旱涝指标在一个或多个时段内连续大于R1时，洪涝事件发生。取干旱事件发生判断值R1为-0.5（轻旱判定值），当SWAP连续7 天小于R1时，定义为一次干旱事件发生。在事件过程中，当SWAP值连续3 天大于0（非旱判断值）时，认为本次干旱事件结束，持续时间即为事件结束日期与起始日期的差值，平均强度即为事件SWAP均值。洪涝事件与干旱事件截取思路一致，但指标为相反数。由于本次研究主要为在旱涝事件提取的基础上寻求旱涝急转过程，如R1绝对值过大则难以形成合理数量的旱涝急转事件。因此，在单独的旱涝事件提取时，使用者可根据实际情况调整R1水平以及持续时间，以控制合理的旱涝事件数量。游程理论可由图6示意。

图6 游程理论示意图Fig.6 Schematic diagram of run theory

而如果同时发生一件干旱事件以及洪涝事件，且二者起始及结束时间间隔小于3 d 时，定义干旱和洪涝事件为旱涝急转事件。干旱事件发生于洪涝事件前则为旱转涝事件、反之则为涝转旱事件。本研究将通过旱涝急转时间的总体长度和急转峰值变化筛选和分析武汉市历史旱涝事件的强度及变化情况，了解武汉市在长江流域的相对旱涝程度。

2.2.2 单一旱涝事件提取效果分析

为评价SWAP指数对于旱涝事件的筛选结果是否与历史是实际情况相匹配，本文以武汉气象站1961-2018年逐日降水作为输入数据，计算SWAP指数并进行旱涝事件筛选分析。考虑到年际事件变化波动规律性弱，本次统计每十年旱涝事件的年均次数，平均单次事件持续时间以及事件SWAP均值，如表1所示。可以看出，旱涝事件各指标除年均干旱次数有轻微减弱趋势外，其他参数均无明显趋势，较为稳定。其中，单次洪涝事件的平均强度绝对值略高于干旱事件，而平均持续时间则略低于干旱事件，其中武汉市干旱事件历时通常长于洪涝事件也与以往研究相符合［22］。这可能由于洪涝事件下往往由短历时强暴雨引起，事件内极值较大，且降水停止后洪涝事件亦很快停止。

表1 武汉市旱涝事件提取年代平均成果Tab.1 Average results of historical observed drought and flood events in Wuhan

同时，为证明旱涝事件提取的可靠性，本次寻找历史灾情记载对筛选事件进行佐证［23-26］，选取10 个典型干旱及洪涝事件，以评判筛选方法合理性。其中干旱事件参照数据完全基于历史记录，而洪涝事件分析则在相关历史记录的基础上结合事件内降水量同时进行比对。由表2 可知，通过游程理论筛选得到的武汉站干旱洪涝事件均与同期历史记载吻合较为良好。同时可以看出，干旱事件往往出现于春秋两季。且由于干旱事件往往是由前期较长时段的累积形成，所以通常在短历时下，干旱事件强度较大，而由于长历时中往往会产生零星降水，虽然仍为连续事件干旱，但干旱强度由于这些降水而得以缓和，因此往往平均强度稍低。而洪涝灾害相比干旱在SWAP数值上的表现更为剧烈，且强涝事件多集中于夏季，但最大日降水、强度与持续时间并没有产生较大关联。以1982年与1998年洪涝比较为例，虽然1982年洪涝事件最大日降水为事件中最大值，且历时较长，但相较于仅持续一个月的98 洪涝灾害比平均SWAP 值明显较小。从历史记录来看，98 洪水明显带来了更大的灾害影响，这与平均SWAP 分析较为吻合。结果证明，基于SWAP 指数的游程理论筛选方法能捕捉降水的变化情况，可以精确筛选历史干旱洪涝事件，也可对事件进行合理量化。

表2 基于SWAP值的武汉市历史旱涝事件筛选分析Tab.2 Analysis of the screened historical drought and flood events by SWAP method in Wuhan

2.2.3 旱涝急转事件提取效果分析

采用游程理论提取旱涝急转事件，年代结果如表3所示。其中，为了准确展现旱涝变化的强度，平均强度值采用逐日SWAP绝对值进行求均。从表中可以看出，涝转旱事件的年均次数明显多于旱转涝事件，但平均持续时间较旱转涝事件短，但两类事件持续时间均大多不超过2个月。这主要可能由于旱转涝事件往往仅发生于春夏交界、汛期来临之时，且单次事件发生往往代表较长的暴雨过程。而涝转旱事件往往发生于夏秋交界以及秋冬两季，易产生小强度小历时的涝转旱事件。因此，针对武汉市，夏季旱转涝事件的预防重要性应高于涝转旱事件。

表3 基于SWAP值的武汉市历史旱涝急转事件筛选分析Tab.3 Analysis of the screened historical abrupt change of flood/drought by SWAP method in Wuhan

同时，为了具体分析单次旱涝急转事件过程，在通过游程筛选武汉市典型旱涝急转事件的同时，选取长江上、下游代表站点重庆、南京气象站作为气候类似的比较站点，分析涝转旱、旱转涝事件中强度SWAP值的变化过程。图7 展现了3 个站历史最强点涝转旱事件过程。从事件来看，事件通常发生于丰水期与枯水期的交界。武汉涝转旱持续时间为4 个月，且其中洪涝事件持续时间更长，干旱时间持续较短，仅持续一个月左右。经分析，得出武汉市历史气候事件中洪涝以后的干旱对社会经济威胁较小，涝转旱事件相较于重庆及南京更多为发生强涝后的短暂干旱，但仍建议在汛期末尾应及时利用武汉市绵密的水系以及已建成的海绵城市体系对水资源进行合理蓄存，以预防可能发生的极端干旱事件。

图7 历史时期重庆、武汉、南京最大涝转旱事件过程Fig.7 The process of the greatest historical abrupt change from flood to drought in Chongqing，Wuhan and Nanjing

但相较于涝转旱事件，图8 显示出由于干旱事件持续时间较短，三站最强旱转涝事件均仅持续2个月。其中，武汉站旱涝急转事件最为均匀，干旱与洪涝强度类似，而重庆与南京均为强干旱事件后发生中等洪涝事件。然而，产生的降水事件往往较为极端，产生较大涝水。因此，即使夏初存在较大的干旱实践，建议武汉市仍不应轻易降低对旱涝急转事件的警惕，考虑到近年来武汉市洪涝事件频发，应充分准备防范工作，以应对可能到来的极端洪涝。

图8 历史时期重庆、武汉、南京最大旱转涝事件过程Fig.8 The process of the greatest historical abrupt change from drought to flood in Chongqing，Wuhan and Nanjing

3 结 语

本研究通过历史实测气象数据，结合水文统计方法、逐日干旱计算方法以及游程理论，对气象站点进行干旱洪涝事件提取，并重点分析武汉市历史气候演变以及旱涝急转变化情况。本研究将为武汉市乃至长江流域防旱涝及其急转的整体预案提供一定技术依据。具体研究结论如下：

（1）武汉市降水呈现不显著上升趋势，但年际变幅较大；蒸发呈现不显著下降趋势，年际变幅较小，洪涝风险存在潜在上升可能。

（2）本研究所提出的旱涝急转事件提取方法准确重现了武汉市历史旱涝事件日变化情况，弥补了武汉市旱涝及其急转事件分析的不足，为旱涝事件定量分析提供理论方案依据，也为防控旱涝及其急转事件相关预案提供理论依据。

（3）经分析，旱转涝事件多集中于夏季，涝转旱事件多集中于秋冬季节，历史时期的持续时间通常不超过2个月，但短期强度较大，需重点关注强干旱后社会对急转后的涝水所采取的应对措施。为此，建议武汉市应重点针对夏季进行旱涝急转事件预防。针对涝转旱事件，应在洪涝事件即将结束时妥善利用城市水网及海绵城市体系对水资源进行适当蓄存；而针对旱转涝事件，尤其在汛期内应时刻警惕可能突发的极端洪涝，保证防洪排涝体系可随时运转。

（4）本研究提出了一种可以量化旱涝变化及其急转演变的方法，其精度较依赖于对地方水文气象资料的长度和准确性。而当在气象水文资料匮乏的地区，可考虑采用通过卫星观测气象产品等大尺度遥感降水模拟成果结合统计降尺度的方式对区域历史系列气象资料进行模拟延长［27］，也可利用临近有资料地区的旱涝急转频次、强度、历时等参数进行分布拟合，通过研究地区及有资料地区的水文参数差异进行适当缩放，从而估算研究地区的旱涝急转参数及其不确定性区间［28］，从而推进旱涝及其急转事件的无资料地区分析工作。□