太湖流域降水年内分配特征与旱涝关系研究

2023-12-21王明宇李大勇

水利规划与设计 2023年12期

王明宇，李大勇

(河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098)

在全球气候变化背景下，降水对旱涝情势影响引起了学者们的高度关注[1-4]。目前主要采用SPI指数、Z指数等指标研究降水对流域旱涝程度的影响，结果表明，单点Z指数表征旱涝程度与实际情况吻合度高；区域综合Z指数考虑降水分布不均性，能相对准确地反映区域旱涝的程度；Z指数对极端旱涝等级具有更好的指示作[5-8]。近年来，太湖流域洪涝灾害发生频率、危害程度均有增加趋势，黄俊雄等、刘兆飞等及吴浩云等研究了流域不同时间尺度降水量的时空变异规律[9-11]。从现有成果看，已有研究多关注特定时段降水量的变化特征，对降水年内分布变化特征的研究仍有待深入[12]；尚需进一步揭示降水年内分布变化与旱涝灾情的相关关系；尚缺少结合降水年内分布变化特征提高流域旱涝灾情预报精度方面的研究。本文分析了太湖流域降水年内分布的不均匀和集中度特性，揭示降水年内时空分布变化规律，分析年降水量、不均匀系数、降水集中度与流域旱涝灾情的相关关系，提出基于降水集中度和不均匀系数的流域旱涝灾情等级预测的调整方式。

1 研究数据与方法

1.1 研究区域

太湖流域北抵长江，东临东海，南滨钱塘江，西以天目山、茅山等山区为界。地形呈西高东低、周边高中间低之势，地貌类型为山地、丘陵与平原，其中山地、丘陵主要分布于西部，平原分布于北部、东部和南部。气候属于典型亚热带季风气候区，降水年内分布不均，汛期多年平均降水量约占全年降水量60%以上，极易发生洪涝灾害。梅雨是导致流域洪水的主要降水形式，台风雨的高强度、集中性降水过程也会给太湖流域防洪安全造成严重威胁。

1.2 研究数据

收集流域99个雨量站1956-2013年逐日降水观测资料，对资料进行一致性、可靠性和代表性的分析处理，并对部分测站缺测的降水资料进行插补延长，作为本次研究的基础数据。流域分成10个分区，如图1所示。采用泰森多边形法推求分区逐日面降水量系列，各分区年、月、旬面降水量系列由分区日面降水数据生成。

1.3 研究方法

采用降水不均匀系数反映降水年内分配不均匀程度；采用降水集中度描述研究时段内降水的集中程度；采用降水Z指数分析流域及各分区旱涝时空变化特征，相关理论及计算方法见文献[13-16]。

2 分析与讨论

2.1 降水年内不均匀变化特征

根据表1，流域全年和汛期月尺度不均匀系数最大值分别为1.295和0.904，最小值分别为0.397和0.141，极值比分别为3.26和6.41，相应旬尺度不均匀系数最极值比分别为2.22和2.68。北部的茅山山丘区、武澄锡虞区和湖西平原区特征值较大，月尺度均值分别为0.755、0.731和0.724，旬尺度均值分别为1.181、1.144和1.125，而南部的杭嘉湖区、长苕平原区和浙西山区特征值较小，月尺度均值分别为0.635、0.637和0.635，旬尺度均值分别为0.987、0.977和0.972。对比图2与图3，全年和汛期月、旬尺度不均匀系数的空间分布较相似，表现为从北向南不均匀性减小。上述分析表明，流域月和旬尺度降水量在全年和汛期分配的不均匀性在年际之间差异较大，并且降水具有一定的空间分布差异，北部的茅山山丘区、武澄锡虞区和湖西平原降水的年内分布不均匀性较其他分区大，这与文献[12]结论相一致。

表1 全流域及各分区不同时间尺度降水不均匀系数特征值

图2 流域全年月、旬尺度下降水年内分配不均匀系数分布

图3 流域汛期月、旬尺度下降水年内分配不均匀系数分布

从表1发现，各分区全年旬尺度不均匀性系数均值约为月尺度的1.53～1.60倍，汛期旬尺度不均匀系数均值约为月尺度的1.87～2.00倍，这表明随时间尺度的缩短，不均匀系数增大；全年月尺度不均匀系数均值约为汛期月尺度均值的1.42～1.64倍，全年旬尺度不均匀系数均值约为汛期旬尺度均值的1.18～1.24倍，表明各分区不同时间尺度或同一尺度下降水不均匀系数的年际变化均不一致。

2.2 降水年内集中度变化特征

根据表2，流域全年月尺度降水集中度最大、最小值分别为0.608和0.113，极值比为5.40，旬尺度集中度最大、最小值分别为0.620和0.092，极值比为6.73；汛期月尺度集中度最大、最小值分别为0.543和0.036，旬尺度集中度最大、最小值分别为0.532和0.03；北部分区全年月尺度集中度的均值变化范围为0.309～0.349，南部分区集中度的均值变化范围为0.281～0.298；北部分区汛期月尺度集中度的均值变化范围为0.235～0.284，南部分区集中度的均值变化范围为0.189～0.234。显然，流域及各分区降水集中度均值是比较接近的，极值比差别不大，表明同一分区不同时间尺度降水集中度年际变化较为一致。由表2发现，各分区全年月尺度降水集中度均值约为汛期月尺度均值的1.21～1.51倍，全年旬尺度降水集中度均值约为汛期旬尺度均值的1.23～1.52倍，表明全年和汛期同一时间尺度降水集中度年际变化不一致。

表2 全流域及各分区不同时间尺度降水集中度特征值

对比图2与图4发现，流域降水集中度与不均匀性系数空间分布形态较为一致；全年和汛期月尺度降水集中度的空间分布较为相似，整体表现为从北向南集中度逐渐减小，表明流域各分区降水具有一定程度的空间分布差异，北部地区(湖西平原区、茅山山丘区、宜溧山丘区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区)降水较为集中，而南部地区(杭嘉湖区、浙西山区、长兴苕溪区)降水集中度较低。

图4 流域全年和汛期月尺度降水年内集中度特征分布

2.3 降水集中度、不均匀系数与流域旱涝关系分析

短时间强降水只会对流域造成局部内涝灾害，连续性强降水过程才会经常导致流域洪涝灾害的发生。太湖流域主要降雨类型为梅雨，其特点是持续时间长、面广量大、强度较均匀，梅汛期约20天左右。本文采用月尺度为研究时段，对流域年标准化降水量(年降水量与多年最大值之比)、降水集中度和不均匀系数与旱涝灾情状况的相关关系作初步分析。

从图5中发现，流域年降水量、降水集中度和不均匀性系数在1957、1962、1983、1987、1991和1999年出现较大数值，说明月降水分布不均且集中度较高，除了1962年降水集中时段为台风雨期(8月)之外，其他年份降水集中时段均为梅雨期(6-7月)，梅雨期发生集中过量降水，容易遭遇较大洪涝灾害，如1957、1991和1999年均发生典型的流域梅雨型洪水；根据历史资料调查，1962年由于台风过境，引起流域大面积降雨，造成了严重洪涝灾害。当降水集中度与不均匀系数低于多年平均值时，说明降水均匀且集中程度较低，年降水量即使偏多，也不利于发生洪涝灾害，如1977、1981、1985、1989、1990、1993、1998、2002和2012年，流域并未发生严重洪涝灾害；反之，年降水量低于多年平均值越多，发生旱灾可能性就越高，如1959、1966、1968、1972、1976、1978、1994、1997、2000、2003、2004、2005、2006、2007和2013年，其中1968、1978、1994和2003年流域均发生了较严重旱情。当降水集中度和不均匀系数高于多年平均值、年降水量低于多年平均值时，说明月降水量偏少且分布不均，则较易产生干旱灾害，如1967、1971、1979、1982、1986、1992、1995和2000年，其中1967、1971、1979、1986和1992年流域均发生了较严重旱情；反之，年降水量高于多年平均值越大，流域发生洪涝灾害可能性越高，如1956、1963、1980和1996年，流域实际发生了洪涝灾害。当降水集中度和不均匀系数较大、汛期降水量大于多年平均值及年降水量低于多年平均值时，流域容易遭遇旱涝急转，如2011年，流域发生了典型的旱涝急转。

2.4 流域旱涝灾情预测的调整方式

旱涝灾情成因非常复杂，既与降水总量有关，也与降水年内分配密切相关[17]。Z指数法广泛用于区域旱涝灾害的监测与评估，但是从其计算原理看，该公式是依据某一时段降水量序列变化来判断流域旱涝灾情程度，并未考虑某一时段降水量年内降水分配特性对旱涝灾情的影响。

采用太湖流域1956-2013年降水量序列计算降水Z指数值，将年降水量序列与Z指数值序列作相关性分析，发现两者呈现出高度线性相关，如图6所示；利用该线性回归公式反推出不同旱涝等级对应的临界降水限值，见表3。

表3 不同旱涝等级对应的太湖年降水量限值表

图6 太湖流域年降水量与Z指数值的变化及其相关关系

采用表3中年降水量限值区间逐年判断流域灾情，并与流域实际灾情进行对比，见表4。年降水量小于984mm年份为1967、1968、1971、1972、1978、1979、1988、1994和2003年，其中1967年降水量偏向于重旱级降水限值，降水集中度和不均匀系数均高于多年平均值，1972年降水量接近于偏旱级降水下限值，降水集中度和不均匀系数均为最小值。年降水量大于1342mm年份为1957、1977、1983、1987、1989、1991、1993、1999、2002和2012年，其中1977、1989、2002和2012年降水量偏向于偏涝级降水上限，降水集中度与不均匀系数均低于多年平均值，1957年降水集中度和不均匀系数远高于多年平均值。年降水量大于1308mm且小于1342mm年份为1956、1962、1985和2009年，其中1962年降水集中度和不均匀系数远高于多年平均值，1985年降水集中度和不均匀系数远低于多年平均值。年降水量大于984mm且小于1018mm年份为1976、1986和1992年，其中1986年降水集中度和不均匀系数远高于多年平均值。其他年份降水量均处于正常级降水区间范围内，其中1963、1973、1980、1996年降水量均高于多年平均值，降水集中度和不均匀系数均远低于多年平均值；2000、2004、2005和2013年降水量低于多年平均降水量较多；2011年降水量比多年平均值略低，但汛期降水量远高于多年平均值，降水集中度和不均匀系数均远高于多年平均值。

表4 太湖流域历史实际灾情与Z指数法计算灾情的对比

通过分析发现，当降水集中度和不均匀系数大于多年平均值时，表明该年降水不均匀且集中程度较高，流域灾情加重；反之，当降水集中度和不均匀系数低于多年平均值时，表明该年降水均匀且集中程度低，流域灾情有所缓解。为此，提出基于年降水量、降水集中度和不均匀系数的流域旱涝灾情预测的调整方式，如下：①当年降水量低于重旱或高于重涝降水限值时，灾情程度等级不调整；②当年降水量处于大旱或大涝降水区间时，如果年降水量偏向于重旱或重涝级别降水限值，并且降水集中度和不均匀系数高于多年平均值较多，可将灾情等级调整为重旱或重涝；当年降水量偏向于偏旱降水下限或偏涝降水上限，并且降水集中度和不均匀系数均低于多年平均值较多，可将灾情等级调整为偏旱或偏涝；③当年降水量处于偏旱或偏涝降水区间时，如果降水集中度和不均匀系数偏离多年平均值较多，则灾情等级可调整为大旱或大涝，如果降水集中度和不均匀系数低于多年平均值较多，则灾情等级可调整为正常；④当年降水量处于正常降水区间时，如果降水集中度和不均匀系数均高于多年平均值较多，则可考虑将灾情等级调整为偏涝；如果年降水量低于多年平均值较多，且降水集中度和不均匀系数偏离多年平均值不大时，则考虑调整灾情等级为偏旱；如果降水集中度与不均匀系数远高于多年平均值，则要考虑汛期和非汛期降水量的分配关系，流域可能发生了旱涝急转。