南水北调东线调水区及受水区降水径流变化特征

陶佳辉，卞锦宇，敖天其，吕良华，耿雷华，王 欢

(1.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；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

2002年8月，国务院审议通过了《南水北调工程总体规划》(以下简称《总体规划》)，自此南水北调工程由规划阶段进入实施阶段。南水北调工程是实现水资源南北调配、东西互济，提高水资源与人口、经济时空匹配性的国家战略性工程。全球气候变化改变区域水循环条件[1]，使南水北调工程所涉长江和黄淮海流域来水条件发生了动态调整，改变了调水区可调水量和受水区水资源需求，从而影响调水规模和工程运行方式[2-4]。目前，学者们对南水北调工程调水区及受水区水文情势变化特征开展了一系列研究工作[5-7]。夏军等[8]基于Mann-Kendall(M-K)检验、弹性系数法和水文模拟法等方法，发现1961—2013年汉江上游流域径流呈明显下降趋势，降水及潜在蒸发变化趋势不明显；左其亭等[9]从地理学的角度，对南水北调中线调水区主要特征参数进行系统梳理，分析了水资源特征、水资源开发利用演变过程以及存在的问题；张晓松等[10]根据东线受水区1951—2012年降水资料，分析得出江苏省沂南水利分区降水呈不显著减少趋势，变化周期为27 a；方思达等[11]基于中线工程水源区与受水区历史旱涝变化特征，分析了近500 a来的旱涝遭遇特征及调水保障概率；杨鹏鹏等[12]通过Spearman、小波分析等方法，分析得出西线调水区年径流量变化趋势总体不明显，认为气候变化是流域径流量变化的主要影响因素。相关研究对南水北调工程的规划与运行提供了一定的科学依据[13-15]，但《总体规划》以2000年作为规划的现状水平年，论证可调水量和工程规模所采用的水文资料系列均截至2000年甚至更短。而长江和黄淮海四大流域降水、径流系列已延长近20 a，并且2000年以来长江和黄淮海流域降水、径流等气象水文要素已检测到一定的变异信号[16-17]。鉴于此，本文以1956—2016年为研究期，以南水北调东线工程调水区、受水区为研究范围，以1956—2000年为基准期，以2001—2016年为比较期，基于东线工程调水区、受水区长系列降水和径流资料，采用M-K趋势检验、小波分析等定量分析方法，通过比较期与基准期降水、径流序列统计特征值，分析数据延长后统计特性上的差异，阐明数据系列变化对南水北调工程水资源条件的影响，为确保南水北调东线工程科学建设和安全经济运行提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

南水北调东线工程从长江下游江都枢纽和宝应抽水站取水，基本沿京杭大运河向北输水。主要供水目标是解决调水线路沿线和山东半岛城市及工业用水，并在北方需要时，提供农业和生态环境用水。根据《南水北调东线工程规划》(2001年修订)，东线工程一期调江水量89.37亿m3，二期规模148.17亿m3(含一期规模)。东线一期工程已建成并于2013年11月正式通水。

图1为南水北调东线工程调水区与受水区范围，受水区包括淮河、海河和黄河流域的4个省25个地级城市及天津市，其中江苏省5个(扬州、淮安、宿迁、徐州、连云港)、安徽省3个(蚌埠、淮北、宿州)、山东省14个(枣庄、济宁、菏泽、泰安、济南、淄博、潍坊、青岛、聊城、德州、滨州、东营、威海、烟台)，河北省2个(衡水、沧州)；调水区为长江流域，以长江干流大通水文站(集水面积170.5万km2，占长江流域总面积的95.6%)作为分析节点，结合长江全流域研究其降水量与天然径流量；受水区针对沿线25市研究其降水量与径流量。

图1 南水北调东线工程调水区和受水区范围Fig.1 Scope of water transfer area and water receiving area of the East Route of South to North Water Transfer Project

1.2 数据资料

收集了研究区4个省25个地级城市及天津市1956—2016年逐年降水量和逐年地表径流量、长江大通水文站1956—2016年逐月天然径流量，结合全国水资源公报、长江水资源公报、黄河水资源公报、相关地市水资源公报等资料，作为本文的数据基础。

1.3 研究方法

水文气象序列趋势分析主要判断水文序列是否存在显著趋势特征以及该序列趋势是上升还是下降[18]。本文采用非参数M-K检验法[19-20]进行趋势分析，采用Morlet小波作为基函数进行小波变换分析[21]开展水文周期性研究，从而揭示南水北调东线工程调水区及受水区水文序列变化特征。

2 调水区变化特征

2.1 调水区降水

a.总体变化特征。调水区基准期多年平均年降水量为1 084.7 mm，比较期多年平均年降水量为1 069.2 mm，较基准期下降约1.4%，总体变化不明显(图2)。年降水量最大(1998年)为1 239.1 mm，最小(1978年)为922.5 mm，降水年际间有明显差异。对基准期与比较期调水区年降水量采用皮尔逊Ⅲ型曲线进行水文频率分析，结果见表1，表中Cv为变差系数，Cs为偏态系数，对水文序列进行频率分析时，一般要求序列长度大于30 a，比较期时段较短，因此仅计算了Cv值。

图2 1956—2016年调水区年降水变化Fig.2 Annual precipitation change in water transfer area from 1956 to 2016

表1 调水区水文频率分析结果Table 1 Hydrological frequency analysis results of water transfer area

b.M-K趋势分析。对调水区降水进行M-K趋势检验结果表明，经95%置信水平的统计检验，基准期降水序列统计值Z为0.73，比较期降水序列Z值为1.22，1956—2016年调水区降水序列Z值为-0.02，可见基准期、比较期、研究期3个时段调水区年降水量变化趋势均不显著。

c.小波周期分析。图3为1956—2016年调水区降水量小波变换系数实部等值线，图3中绿色部分实线为正值等值线，代表丰水期，黄色部分虚线为负值等值线，代表枯水期。由图3可见，在4 a、13 a左右的时间尺度丰枯交替变化比较明显；在13 a的周期尺度上，降水量经历了“枯-丰-枯-丰”的循环交替过程，可推测未来一个周期调水区降水量将呈上升趋势。图4为1956—2016年调水区降水量小波变换方差过程线，同样显示出在4 a、13 a左右时间尺度的极值周期较明显。综合分析可知，在30 a左右的时间尺度上调水区降水存在一定的周期变化规律，但具体时间尺度不明显，这可能是由于降水序列长度不够，限于数据原因，无法分析出具体的主周期。

图3 1956—2016年调水区降水量小波变换系数实部等值线Fig.3 Real part isoline of wavelet transform coefficient of precipitation in water transfer area from 1956 to 2016

图4 1956—2016年调水区降水量小波变换方差过程线Fig.4 Wavelet transform variance hydrograph of precipitation in water transfer area from 1956 to 2016

2.2 调水区径流

a.总体变化特征。长江大通水文站1956—2016年平均天然径流量为9 454.2亿m3。基准期年均径流量为9 501.1亿m3，比较期平均径流量为9 322.6亿m3，较基准期下降1.9%(图5)。大通站最丰年(1998年)径流量达到13 132.6亿m3，最枯年(1978年)径流量仅为7 333.5亿m3。表2为大通站水文频率分析结果，基准期平水年径流量为9 432.8m3，研究期平水年径流量为9 368.7m3。

表2 大通站水文频率分析结果Table 2 Hydrological frequency analysis results of Datong Station

图5 1956—2016年大通站天然年径流量变化Fig.5 Variation of natural annual runoff at Datong Station from 1956 to 2016

b.M-K趋势分析。对调水区径流进行M-K趋势分析结果表明，经95%置信水平的统计检验，基准期大通站年径流序列Z值为2.07，比较期径流序列Z值为0.69，研究期径流序列Z值为1.18，可见大通站基准期年径流量呈显著上升趋势，比较期年径流量呈不显著上升趋势，研究期年径流量呈一定上升趋势但不显著。

c.小波周期分析。图6为1956—2016年大通站径流量小波变换系数实部等值线，从图6可见，大通站年径流量序列主周期为28 a，次周期为12 a；28 a的周期尺度较为明显，主次周期内径流量经历了“枯-丰-枯-丰”的循环交替过程，反映了大通站径流具有明显的周期性和波动性。同时，在28 a的时间尺度上，2000—2016年长江流域经历了一段径流偏少期，降水变化周期类似，推测未来一个周期大通站将处于径流偏多期，这为东线工程一期调水提供了稳定的水源条件。图7为1956—2016年大通站径流量小波变换方差过程线，可见，在5 a、12 a、28 a左右时间尺度的极值周期较明显。最大峰值对应着28 a左右的时间尺度，说明28 a左右的周期震荡最强，为大通站年径流量的第一主周期；12 a左右时间尺度对应着第二峰值，为第二主周期；5 a左右的时间尺度为第三主周期。

图6 1956—2016年大通站径流量小波变换系数实部等值线Fig.6 Real part contour of wavelet transform coefficient of runoff at Datong Station from 1956 to 2016

图7 1956—2016年大通站径流量小波变换方差过程线Fig.7 Wavelet transform variance hydrograph of runoff at Datong Station from 1956 to 2016

3 受水区变化特征

3.1 受水区降水

a.总体变化特征。按南水北调东线工程受水区涉及的25个地级行政区计算，受水区基准期平均降水量为699.0 mm，比较期平均降水量为703.7 mm，与基准期基本持平，总体变化不明显(图8)。表3为不同时段受水区降水量水文频率分析结果，东线受水区基准期平水年降水量为691.6 mm，研究期平水年降水量为693.7 mm。根据1956—2016年受水区5个省相关地市的降水量资料，安徽省和江苏省多年平均降水量均超过800 mm，山东省、河北省和天津市多年平均降水量为500～600 mm。与基准期相比，比较期江苏省、安徽省、山东省受水区降水有一定增加，增长率分别达到3.7%、2.1%及3.7%；但比较期河北省和天津市受水区降水较基准期有所下降，两市受水区合计减少60.1 mm，相对减少率分别为5.6%和5.2%。

(a) 全部受水区

(b) 江苏受水区

(c) 安徽受水区

(d) 山东受水区

(e) 河北受水区

(f) 天津受水区图8 1956—2016年东线受水区年降水量变化Fig.8 Variation of annual precipitation in the water-receiving area of Eastern Route from 1956 to 2016

表3 不同时段受水区降水量水文频率分析结果Table 3 Hydrological frequency analysis results of precipitation in water receiving areas at different periods

b.M-K趋势分析。表4为受水区降水量M-K趋势分析结果，经95%置信水平的统计检验，基准期受水区降水量整体呈现下降趋势，其中山东省呈现显著下降趋势，其他省级行政区呈现不显著下降趋势。比较受水区各省级行政区基准期Z值大小，得到降水量下降趋势显著性由大到小排序为：山东省、河北省、江苏省、天津市和安徽省；比较期受水区年降水量整体呈现下降趋势，江苏省、河北省和天津市呈不显著上升趋势，安徽省和山东省呈不显著下降趋势；研究期受水区年降水量整体呈现下降趋势，各省市均呈现不显著下降趋势。

表4 受水区降水量M-K趋势分析结果Table 4 M-K trend analysis results of precipitation in the catchment area

c.小波周期分析。图9为受水区降水量小波转换系数实部等值线，可见，天然年降水量表现为25 a、12 a左右时间尺度的周期，在该时间尺度上，年降水量的丰枯交替变化十分明显。25 a的大周期与12 a的小周期呈现一定的嵌套关系，从25 a的大周期上看，降水量在该时间尺度上经历了3次“丰-枯”交替变化，目前东线受水区正处于年降水量偏少期。图10为1956—2016年受水区降水量小波变换方差过程线，在4 a、12 a、17 a及25 a左右时间尺度的极值周期较明显。最大峰值对应着25 a左右的时间尺度，说明25 a左右的周期震荡最强，为东线受水区天然年降水的第一主周期；17 a左右时间尺度对应着第二峰值，为第二主周期；12 a、4 a左右的时间尺度分别为第三、第四主周期。

图9 1956—2016年受水区降水量小波变换系数实部等值线Fig.9 Real part isoline of wavelet transform coefficient of precipitation in catchment area from 1956 to 2016

图10 1956—2016年受水区降水量小波变换方差过程线Fig.10 Wavelet transform variance hydrograph of precipitation in watershed area from 1956 to 2016

3.2 受水区径流

a.总体变化特征。1956—2016年受水区平均径流量为284.4亿m3。基准期年均径流量为281.5亿m3，比较期平均径流量为292.5亿m3，较基准期略有上升，上升率为3.9%，总体变化不明显(图11)。最丰年(1964年)径流量为731亿m3，最枯年(2002年)径流量为83.0亿m3，极值比为8.8。表5为受水区径流水文频率分析结果，从表5可见，受水区研究期平水年径流量为261.9m3，基准期平水年径流量为259.2m3。河北省1956—2016年多年平均径流量最小，仅为2.6亿m3，山东省和江苏省多年平均径流量均大于100亿m3，安徽省和天津市多年平均径流量均大于10亿m3。与基准期对比，比较期江苏省、安徽省受水区径流量有较大增加，增长率分别达到18.5%、10.0%，但山东省、河北省和天津市受水区天然径流量较基准期有所下降，3省市受水区合计减少10.1亿m3，相对减少率分别为5.8%、4.0%和9.6%。综合分析受水区降水与径流的均值变化情况，以山东省和天津市为例，比较期山东省降水较基准期增加3.5%，但天然径流下降5.8%；天津市降水较基准期下降5.2%，但天然径流量下降9.6%，要高于降水的下降率。分析原因可能是人类活动对下垫面产生了一定的影响，导致了以上两种情况的出现，说明人类活动在一定程度上影响了区域水资源量[22-23]。

表5 受水区径流量水文频率分析结果Table 5 Hydrological frequency analysis results of runoff in the catchment area

(a) 全部受水区

(b) 江苏受水区

(c) 山东受水区

(d) 安徽受水区

(e) 河北受水区

(f) 天津受水区图11 东线受水区1956—2016年天然径流量变化Fig.11 Variation of natural runoff in the water-receiving area of Eastern Route from 1956 to 2016

b.M-K趋势分析。表6为受水区年径流量M-K趋势分析结果，经95%置信水平统计检验，总受水区以及江苏省、安徽省和天津市受水区年径流量表现出一定下降态势但不显著，而山东省、河北省受水区年径流量下降态势较其他受水区明显，这在一定程度上说明两省受水区的水资源量呈下降趋势，反映了南水北调工程东线调水的必要性。

表6 受水区年径流量M-K趋势分析结果Table6 M-K trend analysis results of annual runoff in the catchment area

c.小波周期分析。图12为1956—2016年受水区径流量小波变换系数实部等值线，可见径流变化主周期为20 a，次周期为12 a，主次周期内径流量经历了“枯-丰-枯-丰”的循环交替过程。总体来说，在4 a、12 a、20 a左右时间尺度的丰枯交替变化特征比较明显。在20 a的周期尺度上，共经历了4次较为完整的丰枯交替过程，推测目前受水区正处于径流偏少期。图13为1956—2016年受水区径流量小波变换方差过程线，可见，在4 a、12 a、20 a左右时间尺度的极值周期较明显。最大峰值对应着20 a左右的时间尺度，说明20 a左右的周期震荡最强，为东线受水区天然年径流量的第一主周期；12 a左右时间尺度对应着第二峰值，为第二主周期；4 a左右的时间尺度为第三主周期。

图12 1956—2016年受水区径流量小波变换系数实部等值线Fig.12 Real part contour of wavelet transform coefficient of runoff in catchment area from 1956 to 2016

图13 1956—2016年受水区径流量小波变换方差过程线Fig.13 Wavelet transform variance hydrograph of runoff in catchment area from 1956 to 2016

4 结 论

a.东线调水区水资源条件较为平稳，其统计特征无显著变化。相对于基准期，比较期东线调水区降水量变化不明显，长江大通站天然径流量较基准期略有下降。以长江大通控制断面径流计算，根据《总体规划》，东线工程一、二期共调水195.23亿m3，调水量仅占大通站多年平均年径流量的2%左右。因此，可以认为长江流域天然水资源条件可稳定支撑东线工程建设运行。

b.东线受水区部分地区本地水资源严重不足的局面在2000年之后无明显变化。相对于基准期，比较期东线受水区年降水量较基准期基本无变化，天然径流量总体较基准期上升3.9%，但山东省、河北省和天津市受水区天然径流量较基准期有所下降，3省市受水区合计减少10.1亿m3，相对减少率为6.6%。