鄱陽湖流域水文極值流量分析

鄱陽湖流域水文極值流量分析

1物種多樣性保護(hù)現(xiàn)在，由于氣溫上升的顯著特征，全球氣候變化加劇，區(qū)域乃至世界各國水資源的時空分布不均，導(dǎo)致端光天氣和水文事件的頻率增加。其中，最常見的是旱澇災(zāi)害。人類社會在該地區(qū)乃至世界上日益頻繁的旱災(zāi)災(zāi)害中受到的嚴(yán)重影響。人類社會對極端水環(huán)境和氣象災(zāi)害的規(guī)律和機(jī)制產(chǎn)生了重大科學(xué)問題的全球變化研究已成為當(dāng)前的大科學(xué)范疇之一。由于近些年來旱災(zāi)、洪災(zāi)、臺風(fēng)、雪災(zāi)等氣候極端事件頻發(fā),國內(nèi)外許多學(xué)者對氣候變化和人類活動的雙重影響下,江河洪水演變規(guī)律及成因做了大量有意義的研究工作。鄱陽湖是我國目前最大的淡水湖泊、是國際重要濕地,同時也是長江干流重要的調(diào)蓄性湖泊,在長江流域發(fā)揮著巨大的調(diào)蓄洪水和保護(hù)生物多樣性等特殊生態(tài)與防洪功能。鄱陽湖是我國十大生態(tài)功能保護(hù)區(qū)之一,也是世界自然基金會劃定的全球重要生態(tài)區(qū)之一?；诖?深入研究鄱陽湖入湖枯水流量的變化特征、原因及其影響,對于鄱陽湖流域淡水濕地的保護(hù)具有重要理論與現(xiàn)實意義。鄱陽湖流域面積為l6.22萬km2,贛江、撫河、信江、饒河、修河分別從南、東、西向北注入鄱陽湖,構(gòu)成山江湖為一體的核心—邊緣結(jié)構(gòu)體系(圖1)。鄱陽湖流域地形復(fù)雜,河流中上游地區(qū)主要以山地丘陵為主,而下游地區(qū)則分布著沖積淤積而成的五河尾間三角洲平原與湖濱平原以及其周圍的崗阜、階地。鄱陽湖流域地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),降水量豐富,但是季節(jié)分配不均勻。流域內(nèi)大部分地區(qū)4～6月降雨總量占年降雨總量的45%～50%,而7～9月份的降雨量小于蒸發(fā)量,干旱(伏旱、伏旱連秋旱)直接影響二季晚稻生產(chǎn)。鑒于鄱陽湖對于長江流域濕地生態(tài)保護(hù)等的特殊地位以及區(qū)域的糧食安全問題,許多學(xué)者對鄱陽湖流域的氣象、水文等方面做了大量研究,并取得了豐碩的研究成果。李世勤等對鄱陽湖2006年枯水特征及成因進(jìn)行分析,表明造成湖水位極低的主要原因是長江上游夏、秋季來水和五河秋季來水較少造成的。郭華等等對鄱陽湖流域洪峰流量、枯水流量以及鄱陽湖地區(qū)的氣候變化趨勢進(jìn)行系統(tǒng)分析,得出90年代極端降雨和冬季流量有增加趨勢的結(jié)論。已有研究主要集中在鄱陽湖流域極端事件特別是洪水事件的研究,沒有具體全面的研究枯水流量的演變特征、成因。另外,過去的研究只局限于對鄱陽湖區(qū)的干旱特征以及干旱的空間分布研究,而對整個鄱陽湖流域進(jìn)行系統(tǒng)的研究較少。同時,影響干旱發(fā)生因素很多,但過去的研究往往過多涉及氣候變化方面,而對人類活動比如土地利用類型、城市化、水利工程、森林覆蓋率等對干旱事件發(fā)生影響的研究較少。值得注意的是,日益加劇的人類活動對水文極值事件的發(fā)生正產(chǎn)生愈加不可忽視的影響。本文通過對該區(qū)域長序列水文極值的概率分析,揭示流域氣候變化和人類活動對水文極值的影響機(jī)制,并探討水文極值發(fā)生對區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的影響,對于鄱陽湖流域的抗旱、生態(tài)環(huán)境演變與濕地研究具有重要科學(xué)與現(xiàn)實意義。2枯水流量的計算本文所分析數(shù)據(jù)為鄱陽湖流域的五條主要河流的6個水文站(表1)的最小連續(xù)7日平均流量(下文通稱極值流量),極值流量是枯水流量計算中國際上廣泛應(yīng)用的指標(biāo)。水文數(shù)據(jù)均來自江西水文局,所有數(shù)據(jù)中,只有渡峰坑站有部分缺失數(shù)據(jù)(只有1988年流量數(shù)據(jù)缺失),缺失的數(shù)據(jù)是通過與相鄰虎山站水文序列建立回歸關(guān)系進(jìn)行插補(bǔ)(R2>0.8)。3學(xué)習(xí)方法3.1關(guān)于相關(guān)系數(shù)的定義本文選用韋克比分布、威布爾分布、皮爾遜III分布、對數(shù)正態(tài)分布、對數(shù)邏輯分布、廣義帕累托分布、廣義極值分布、極值分布、β分布、指數(shù)分布、銳利分布等11種分布(表2)分別擬合6個水文站的極值流量序列,并用K-SD值檢驗分布擬合優(yōu)度。利用擬合最好的概率分布函數(shù)分析6個水文站水文極值重現(xiàn)期及其對應(yīng)的流量。由AnaJustel研究的檢驗總體的分布函數(shù)是否服從某一函數(shù)Fn(x)的假設(shè)條件為:Ho:F(x)=Fn(x),H1:F(x)≠Fn(x)。如果原假設(shè)成立,那么F(x)和Fn(x)的差距就較小。當(dāng)n足夠大時,對于所有的x值,F(x)和Fn(x)之差很小這一事件發(fā)生的概率為1,即:Dn=max-∞<x<∞|F(x)-F(x)|;Ρ{limDnn→∞=0}=1(1)式中F(x)與Fn(x)分別為理論與經(jīng)驗分布函數(shù)。若Dn<Dn,a(顯著水平為α,容量為n的KS檢驗臨界值),認(rèn)為理論分布與樣本序列的經(jīng)驗分布擬合較好,無顯著差異。顯著水平α為0.05,樣本序列長度為51年的KS檢驗臨界值為0.190。11種分布函數(shù)的參數(shù)統(tǒng)一用線性矩來估計。線性矩是目前水文極值頻率分析中概率分布函數(shù)參數(shù)估計最為穩(wěn)健的方法之一,其最大特點是對水文極值序列中的極大值和極小值沒有特別敏感。3.2時間序列的自相關(guān)性研究本文采用非參數(shù)Mann-Kendall(以下簡稱M-K法)趨勢檢驗法、線性趨勢分析等研究不同水文站極值流量趨勢變化。M-K法適用范圍廣、人為性少、定量化程度高,因而得到廣泛應(yīng)用。介紹此方法的文獻(xiàn)較多,在此不再贅述。國內(nèi)外許多文獻(xiàn)研究了時間序列的自相關(guān)性對M-K檢驗結(jié)果的影響。StorchandNavarra建議在進(jìn)行M-K檢驗之前對時間序列進(jìn)行“預(yù)白化”(prewhiten)處理。對6個水文站的極值流量序列進(jìn)行自相關(guān)檢驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)所分析序列除李家渡外,其余五個水文站序列滯時為1的自相關(guān)性大,虎山和萬家埠在滯時為3的自相關(guān)性仍然很大。6個水文站的極值流量的滯后1的自相關(guān)系數(shù)大于0.1,序列在進(jìn)行M-K分析之前均需要預(yù)白化處理。4結(jié)果分析4.1各站點極值流量變化特征表3列出鄱陽湖流域6個水文控制站極值流量水文序列基本統(tǒng)計特征,其中四分位區(qū)間距(IQR,InterquantileRange)定義為樣本數(shù)據(jù)75%和25%分位數(shù)之差。如果數(shù)據(jù)中沒有奇異值,則IQR較標(biāo)準(zhǔn)差更適合描述水文序列的波動特征。表3中除李家渡外,其他站點統(tǒng)計量變化與IQR的變化具有較好的一致性,李家渡極值流量的變差系數(shù)遠(yuǎn)大于其余各站,流量多年變化較其他水文站大,外洲站極值流量波動變化最小。從變化趨勢看,李家渡極值流量有減小趨勢,其余各站極值流量增加,尤其是外洲站極值流量增加趨勢最為明顯。各水文站點極值流量變化特征有所差異,反映出各支流在降水、人類活動、地貌以及產(chǎn)匯流特征等諸多方面的差異性。1963年、1978年是全流域大旱年份,極值流量變化能很好的反映流域干旱實際發(fā)生情況。4.2水文極值分布特征運(yùn)用線性矩法估計11個分布函數(shù)的參數(shù),并用K-S法進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(表4),表5列出運(yùn)用線性矩法估計的鄱陽湖流域6個水文站極值流量的韋克比分布參數(shù)。表明11種分布函數(shù)大部分都擬合良好,韋克比分布較其他分布函數(shù)相比擬合很好的水文站點最多,因此本文選用韋克比分布為區(qū)域研究的概率分布函數(shù)。這主要是由于韋克比分布有5個參數(shù),較其他分布函數(shù)相比在描述水文極值分布特征方面靈活性更強(qiáng)。在六個水文站中有四個站水文極值韋克比分布擬合的最好,其次是皮爾遜III型分布、對數(shù)正態(tài)分布、對數(shù)邏輯分布和極值分布。我國水文統(tǒng)計中應(yīng)用最為廣泛的是P-III型分布,但該研究顯示P-III型分布的擬合效果較韋克比分布較差,顯示韋克比分布較P-III型分布在描述水文極值變化特征方面更為靈活,適應(yīng)性更強(qiáng)。另外,研究中比較了幾個概率分布函數(shù)理論分布曲線與經(jīng)驗分布曲線(圖2),由圖2可以看出,與其他分布函數(shù)相比,韋克比分布在描述水文極值統(tǒng)計特征方面,沒有表現(xiàn)出顯著的差異性,基于此,該文運(yùn)用韋克比分布函數(shù)研究鄱陽湖流域極值流量變化特征。4.3極值流量的趨勢4.3.1極值流量分析由圖3a,外洲站極值流量在1969年發(fā)生變異,1969年前后的流量都呈增加的趨勢,1998年以后增加顯著,1969年以前極值流量增加趨勢大于1969年以后(圖3b)。1969年以前平均流量是309m3/s,變差系數(shù)0.30;1969年以后平均流量是435m3/s,變差系數(shù)0.28,可以看出1969年以后極值流量比1969年以前大,而且流量的多年變化較小。圖3c、圖3d顯示梅港極值流量在1972年發(fā)生變異,1972年前后流量呈增加趨勢,1990年代以后流量增加顯著。1972年以前平均流量是38m3/s,變差系數(shù)0.46;1972年以后平均流量是64m3/s,變差系數(shù)0.53,梅港1972年以后的平均流量比以前大,但是流量變化幅度也比1972年以前大。4.3.2變差系數(shù)s圖4a,李家渡流量總體呈減少趨勢,1974年以前流量減少明顯,1974年以后流量呈增加趨勢。1974年前后的平均流量是23m3/s、10m3/s,變差系數(shù)分別是1.04、1.58,其1974年前后流量的變化幅度均是各站中最大值。其中1970年代中期到1990年代中期流量非常小(圖4b)。萬家埠站流量在1974年發(fā)生突變,其變異點前后的流量均呈增加的趨勢,在1982年以后流量增加顯著(圖4c、d)。1974年后的平均流量22m3/s大于1974年之前的13m3/s,但是1974年后流量變差系數(shù)0.31小于之前的0.47,說明1974年以后流量大并且變化幅度小。4.3.3突變前后的流量變化虎山和渡峰坑的連續(xù)最小7日平均流量均在1974年發(fā)生突變(圖5a、圖5c),突變前后流量略微呈增加趨勢(圖5b、圖5d)?；⑸秸驹?982年之后流量超過95%的置信度檢驗,增加顯著?；⑸搅髁吭?974年前后分別是12m3/s和24m3/s,其變差系數(shù)分別是0.31和0.33;渡峰坑流量在1974年前后分別是6.2m3/s和10.9m3/s,其變差系數(shù)分別是0.33和0.47。兩個站突變后的流量都大于突變前的,而且突變后的流量變化幅度更大一些。渡峰坑突變前后的流量小于虎山的流量,但是流量變化幅度大于虎山。4.4極值流量變異前后重現(xiàn)期對比根據(jù)M-K計算出各站突變年份來劃分極值流量,李家渡站在1956年發(fā)生突變,但是根據(jù)張強(qiáng)等研究長江中下游地區(qū)降雨的時空分布,得出在70年代中期降雨量和降雨強(qiáng)度顯著增加,而鄱陽湖流域地處中下游的交界處,各站計算的流量的突變年份基本與張強(qiáng)等研究的結(jié)論一致,本文中將1974年作為李家渡流量的分界年份。圖6為極值流量變異前后不同重現(xiàn)期對應(yīng)的流量值。對比流量變異前后重現(xiàn)期可以看出,外洲、梅港、虎山、渡峰坑、萬家埠在變異后重現(xiàn)期對應(yīng)的極值流量大于變異前重現(xiàn)期對應(yīng)的流量,而李家渡變異前后重現(xiàn)期對應(yīng)的流量卻恰恰相反。5年重現(xiàn)期對應(yīng)的流量在變異前后差值最大,隨著重現(xiàn)期增大,變異前后流量的差異越來越小。5不同流域的降水特征外洲、梅港、萬家埠變異前后枯水流量呈增加趨勢,虎山和渡峰坑變異前后枯水流量趨勢變化不明顯,外洲、虎山、渡峰坑和萬家埠的流量變異后大于變異前,流量的變化卻小于變異前,梅港變異后的枯水流量值和變化均大于變異前。李家渡變異前枯水流量呈減小趨勢,變異后增加趨勢,變異后的流量小且變化大。除李家渡外,其余各站變異后流量呈增加的原因是長江以南地區(qū)的冬季降雨呈增加的趨勢,而且全年的降雨量也呈增加的趨勢,尤其是1990年代增加趨勢最顯著,同時長江中下游地區(qū)極端降雨量的增加,使得流量的變化增大;20世紀(jì)60年代和70年代的平均年潛在蒸散量均較常年偏多,80年代、90年代則偏少,1980～2000年與1956～1979年兩段時期潛在蒸散量差值表明,無論年總量還是四季值,全國大部地區(qū)1980～2000年時段的潛在蒸散量都較前一時段減少。鄱陽湖流域1961～2000年饒河流域、信江流域、修河中下游地區(qū)和贛江中下游地區(qū)的降雨量呈增加趨勢;同時期流域內(nèi)的蒸發(fā)量呈減少趨勢,變異后蒸發(fā)量的減少,降雨量的增加造成上述結(jié)果的主要原因。圖4、圖6中除李家渡站在1974年以后重現(xiàn)期對應(yīng)的連續(xù)最小7日平均流量小于1974年以前重現(xiàn)期對應(yīng)的流量。撫河流域截止到2005年擁有大中型水庫12座(庫容17.18億m3)和4個灌溉渠(灌溉面積2.2萬hm2)極大的提高了撫河流域的抗旱能力。撫河流域土地資源中低丘崗地占流域面積的49.6%,平原占5.8%,由于低丘崗地和平原作為主要的農(nóng)業(yè)耕用地,流域耕地資源豐富,相應(yīng)的林業(yè)用地較少,雖然江西從80年代初江西省實行山江湖工程、退耕還林工程、長(珠)防林工程、中德造林工程以及各種人造林工程,1990年代年均人工造林面積26.3萬hm2,使江西省的森林覆蓋率迅速提高到60.05%,列全國第二位,撫河流域森林覆蓋率為五河流域最低。沿途的灌溉渠系從撫河干支流上引水用于農(nóng)業(yè)灌溉,尤其是干旱季節(jié)引用水量很多,造成下游地區(qū)來水量減少,李家渡枯水流量呈下降趨勢與沿途灌溉渠系引水有直接關(guān)系。森林可以顯著的增加枯水的流量,并且調(diào)節(jié)年際間枯水的流量,撫河流域森林覆蓋率是五河中最低的,這是導(dǎo)致?lián)岷涌菟髁康某蕼p少的趨勢的主要原因,并且河流枯水流量的變化幅度最大。在流域水庫的數(shù)量上,贛江有大中型水庫107座,撫河流域18座,信江流域35座。饒河流域17座,修河潦河流域7座,單位集水面積上擁有的水庫數(shù)量是鄱陽湖流域內(nèi)最低的。撫河流域耕地占流域面積比例很大,農(nóng)業(yè)用水一般占總用水量的一半以上,對水資源的消耗量很大。20世紀(jì)70年代后,降雨呈增加趨勢,因此70年代中期到90年代中期李家渡枯水流量持續(xù)處于低水平主要是人口、耕地增加以及森林覆蓋率低于流域平均水平造成。外洲、梅港、虎山、渡峰坑和萬家埠變異后重現(xiàn)期對應(yīng)連續(xù)最小7日平均流量大于變異前重現(xiàn)期對應(yīng)的流量。“五河”流域中森林覆蓋率最高的是饒河流域為67.8%,其次是修河流域的64.4%,贛江流域的63.6%、信江流域的54.3%以及撫河流域的53.0%。森林覆蓋率能很好的反應(yīng)流域變差系數(shù)變化,森林覆蓋率最小的撫河和信江對應(yīng)的控制站李家渡和梅港的變差系數(shù)是最大的,森林在調(diào)節(jié)枯水流量的年際變化發(fā)揮重要作用,森林覆蓋率的增加,枯水流量在多年的變化較小。贛江流域的森林覆蓋率處于中間水平,但是枯水流量的變化在“五河”中是最小,這要?dú)w功于水利設(shè)施對枯水流量的調(diào)節(jié)作用。外洲站控制的贛江流量擁有大中型