太子河流域降水及旱涝时空演变特征分析

秦国帅，刘建卫，许士国，富砚昭

(大连理工大学 水利工程学院，辽宁 大连 116024)

全球气候变暖已成为不争的事实，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告(2013)中指出，1880-2012 年间全球平均地表气温升高0.85 ℃(0.65 ～ 1.06 ℃)[1]。全球气候的变暖一方面导致干旱强度的增加和持续时间的增长，另一方面也增加了强降雨发生的频率[2]。中国第三次气候变化国家评估报告(2015)中指出，1956年以来，全国平均降水量无显著的变化趋势，全国区域性短历时暴雨强度和极端强降雨日数有增加趋势，这意味着在总量不变的情况下，水资源年际和年内分布更不均衡，更容易发生洪涝、干旱等自然灾害[3]。如2010年西南五省发生60年以来最严重干旱，2013年松花江流域发生1998年以来最大的流域性洪水过程，2016年南方地区遭遇的特大洪涝灾害。频繁发生的旱涝事件给人类社会带来极大影响，引起了国内外的广泛关注和研究。亚马逊流域的研究结果表明，受气候变化的影响，该流域百年一遇极端干旱和洪水近几十年来频繁发生[4]。对中国625个气象站点1960-2015年日降水数据的分析结果表明56.44% 站点的极端降雨强度和66.23% 站点的极端降雨频率呈现增加趋势[5]。东北地区分布有松花江、辽河等重要河流，受季风气候的影响，是旱涝灾害多发的地区。在区域降水及旱涝演替研究方面，杨晓静等利用标准化降水指数SPI分析了东北三省旱涝时空分布特征，徐一丹等基于SPI/SPEI指数对东北地区多时间尺度干旱变化特征进行了分析[6,7]。除了东北地区外，标准化降水指数因其计算简单，能够实现多时间尺度分析，在全国范围内得到广泛应用[8-10]。除此之外，吴志伟等通过定义长周期旱涝急转指数LDFAI，对长江中下游地区夏季旱涝急转现象进行研究，闪丽洁、何慧、孙小婷等分别定义或改进了旱涝急转指数，在长江中下游地区、华南地区、西南地区进行相关研究，陈灿等针对水稻灌区讨论了旱涝急转的定义，而专门针对东北地区的旱涝急转研究还未见报道[11-15]。

太子河是辽河左岸支流，是辽宁省重要河流之一，流经本溪、辽阳、鞍山等重工业城市，流域下游平原区是国家重要的商品粮基地，具有十分重要的社会经济地位。太子河流域历史上水旱灾害频发，给流域内生产、生活造成严重影响。本文利用太子河流域19个雨量站1956-2006年逐日降雨量资料，采用Mann-Kendall检验法、线性倾向法、标准化降雨指数、长周期旱涝急转指数对太子河流域降水及旱涝演变特征进行分析，为流域旱涝灾害管理提供研究基础。

1 资料与方法

1.1 流域概况与数据来源

太子河流域地处辽宁省中东部，地理位置为东经122°26′～124°53′，北纬40°29′～41°39′。太子河河长413 km，流域面积13 883 km2，主要干支流上已建成观音阁水库、葠窝水库、汤河水库、关门山水库等大中型水利枢纽工程，总库容达38.38 亿m3。太子河流域地处温带半湿润气候区，四季冷暖干湿分明，多年平均气温7.8 ℃，多年平均降水量772 mm，多年平均径流量39 亿m3，是辽河流域水资源最为丰富的地区之一。本文所用降雨数据摘自辽河流域水文年鉴，为太子河流域各雨量站实测数据。剔除个别缺测较多的站点，共选取太子河流域19个雨量站(图1) 1956-2006 年的逐日降水量资料，运用算术平均法构建该流域月、年平均降水量时间序列，对太子河流域降水及旱涝时空演变特征进行分析。由图中可以看出，雨量站均匀覆盖整个研究区域，能够较好地反映太子河流域降水特征。

图1 太子河流域概况及雨量站点分布图Fig.1 Overiew of the Taizi River basin and distribution of rainfall stations

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall(M-K)检验

M-K趋势检验法是非参数检验方法中一种，其优点在于不需要检验样本遵循特定的分布，也不会受到少数异常数值的干扰，适用于水文、气象等非正态分布的数据，计算方便，能够很好地揭示变化趋势的显著性。基于M-K 检验的时间序列突变检验方法可以用于水文系列突变点的检测与识别，其基本原理见文献[16]，本文采用M-K检验法对流域年均降水量趋势性进行分析。

1.2.2 降水距平百分率

降水距平百分率Pa是反映某一时段降水与均值之间的偏离程度，计算公式如下[17]：

(1)

1.2.3 标准化降水指数

标准化降水指数SPI是由McKee等人提出的一个用于衡量流域内旱涝程度的指数，具有计算相对简单、资料易获取以及适用于不同时间尺度的优点。SPI基于降水量的Γ分布，通过计算正态标准化后的降水累积频率得到。标准化降水指数具体计算步骤见参考文献[17]，本文分别计算太子河流域1、3、6、12个月的SPI，以反映不同时间尺度下流域内旱涝演变特征。干旱划分等级参照《气象干旱等级GB/T 20481-2017》国家标准[18]，并在此基础上增加了洪涝划分等级，具体划分标准如表1所示。

表1 基于标准化降水指数的旱涝等级划分Tab.1 Classification of grades of drought and flood for SPI

1.2.4 夏季长周期旱涝急转指数

旱涝急转是指在某一时间段内旱涝交替发生的情形，由于国内还没有统一的标准，通过引入吴志伟等定义的降水长周期旱涝急转指数LDFAI对太子河流域进行研究[19]。

太子河流域降水量主要集中在夏季(6-8月)，为了能够较好地反映太子河流域夏季长周期旱涝演变特征，选取5-8月份降水数据进行研究。根据太子河流域水文特征，定义旱涝变化尺度为两个月，夏季长周期旱涝急转指数计算公式如下：

LDFAI=(R78-R56)×(|R56|+|R78|)×1.8-|R56+R78|

(2)

式中：R78是7-8月份标准化的降水量；R56是5-6月标准化的降水量；(R78-R56)是旱涝急转强度项；(|R56|+|R78|)为旱涝强度项；1.8-|R56+R78|是权重系数，作用是增加长周期旱涝急转事件所占权重，降低全旱或全涝事件所占比重[13]。LDFAI值有正有负，反映的是旱转涝或涝转旱的过程，对其取绝对值后可以得到对应的旱涝急转强度[20]。夏季长周期旱涝急转指数在已经在长江中下游地区、淮河流域、西北地区旱涝急转研究中得到了广泛的应用，能够明确反映夏季前后时段内旱涝交替过程，其合理性已得到充分验证[21-23]。

2 结果与分析

2.1 太子河流域降水演变特征

2.1.1 时间演变特征

太子河流域年均降水量变化趋势如图2(a)所示，由图中可以看出，太子河流域多年平均降水量772 mm，具有丰、枯交替演变的特点，其中1985年降水量最大，为1 124 mm，1989年降水量最小，为553 mm，年际间波动很大。M-K检验结果表明1956年-2006年间太子河流域降水量呈非显著下降趋势(M-K值为-1.20)，平均线性变化率为-12.96 mm/(10 a)。进一步利用M-K方法检验降水序列的突变点，M-K统计值分布如图2(b)所示，太子河流域年降水量在1958、1960、1962、1964年存在突变点，之后年降水量呈现下降趋势。

图2 太子河流域1956-2006年流域年降水量演变趋势及M-K检验统计量Fig.2 Precipitation variation in the Taizi River basin and Mann-Kendall test result between 1956-2006

2.1.2 空间演变特征

太子河流域多年平均降水量及线性倾向率空间分布如图3所示。由图3(a)中可以看出，太子河流域降水量空间分布具有明显的差异，从上游向下游逐渐减少。观音阁水库以上为太子河上游，年均降水量860 mm，观音阁水库和葠窝水库之间为太子河流域中游，年均降水量为792 mm，葠窝水库以下为太子河流域下游，年均降水量为712 mm。太子河流域降水空间分布与地形有很好的一致性，流域东部地区主要为山区，植被茂盛，水汽充足，降水量较大，辽阳以西主要为平原地区，降水量较山区明显要小。由图3(b)可以看出，流域内除上游苇子峪 雨量站外，其他站点降水量均呈现减少趋势，降水量减少趋势最大的区域位于南太子河源头南孤山雨量站，线性倾向率为-41.78 mm/10 a。由于该地区是整个流域降水量最丰富的区域，降水减少对整个流域的影响更为剧烈。

图3 太子河流域多年平均降水量及线性倾向率空间分布图Fig.3 Distributions of mean precipitation and linear tendency rate in the Taizi River basin

2.2 太子河流域旱涝演变特征

2.2.1 时间变化特征

太子河流域不同时间尺度的SPI值的计算结果如图4所示，可以反映不同时间尺度下旱涝演变特征。SPI-1和SPI-3反映的是短时间内的旱涝演变特征，主要受到短时降水的影响，所以波动较为剧烈。1960年8月份的SPI-1值为2.51，达到重涝级别，1972年7月份SPI-1值降至-3.09，旱情十分严重，说明SPI-1能够很好反映短时间内旱涝严重程度。由SPI-3可以看出，1960年夏、秋季，1985年夏、秋季，1995年夏季，面临严重的洪涝灾害，1972年夏季，1979年秋季，1993年春季面临比较严重的干旱灾害，说明SPI-3在反映季节性旱涝特征方面具有明显的优势。SPI-6与SPI-12反映中长期旱涝演变特征。随着时间尺度的增加，SPI受短期降水的影响逐渐减少，旱涝变化过程逐渐趋于稳定，周期性也更加明显。由图4中可以看出，1964年、1985年、1986年、1987年和1995年达到特涝程度，2001年达到特旱程度。从长期旱涝演变趋势来看，太子河流域经历了以下几个阶段：1956-1975年间旱涝交替出现，但洪涝出现的频率要大于干旱出现的频率；1976-1984年为干旱期，干旱发生的频率较高；1985年-1996年为湿润期，洪涝发生的频率较高；1997年以来为干旱期，干旱发生的频率较高。综上所述，多时间尺度SPI综合应用可以比较全面地反映流域内旱涝演变过程。

图4 太子河流域1956-2006年不同时间尺度旱涝变化特征Fig.4 Characteristics of drought and flood changes with different time scales of the Taizi River basin during 1956-2006

2.2.2 空间分布特征

太子河流域旱涝事件发生频率空间分布如图5所示。可以看出，太子河流域偏涝的月份所占比例在29%～34%之间，偏旱月份所占的比例在27%～33%之间，说明流域内旱涝空间分布差异不大。其中偏涝和偏旱发生频率最高的区域比较一致，主要位于太子河源头区域。除此之外，太子河支流北沙河流域也是干旱发生频率较高的区域。洪涝发生频率较低的区域位于观音阁水库库区以及下游平原地区，干旱发生频率较低的区域主要位于流域中游地区和下游部分支流区域。

2.3 夏季旱涝急转特征

2.3.1 时间变化特征

图6描述了1956-2006年LDFAI指数及强度的年际变化过程。从中可以看出，LDFAI呈现正负交替变化，说明太子河流域夏季旱涝急转事件中旱转涝和涝转旱事件均有可能发生。LDFAI存在较大的年际差异，这种差异在1986年以前更加显著。除此之外，由图6(a)滑动平均曲线可以看出，长周期旱涝急转事件的演变经历了几个周期，1955-1975年间旱涝急转事件强度呈下降趋势，并且从旱转涝向涝转旱演变；1976-1985年间旱涝急转事件强度有所上升，发生两次强度较大的旱涝急转事件；1986-2006年间，旱转涝和涝转旱事件交替发生，旱涝急转强度较小且逐渐趋于稳定，2003年以后又呈现出上升的趋势。

图5 太子河流域旱涝事件发生频率空间分布图Fig.5 Frequency distributions of droughts and floods in the Taizi River Basin

图6 太子河流域旱涝急转指数及旱涝急转强度演变特征Fig.6 Variations of LDFAI and LDFAI intensity in the Taizi River Basin during 1956-2006

对太子河流域夏季旱涝急转特征进行统计，分别计算出5-6月、7-8月以及5-8月的降水量距平百分率。在此基础上选择5-8月降水距平百分率在25%以上，以及5-6月降水距平百分率和7-8月百分率之差绝对值在50%以上的年份，从中找出典型的洪涝、干旱、旱转涝及涝转旱事件各3年，分析典型年份的降水及旱涝急转特征，结果如表2所示。从中可以看出：

(1)干旱灾害严重的年份，降水量明显偏少，其中5-8月份降水量偏少30%以上，5-6月、7-8月均有可能发生较为严重的干旱事件；

(2)洪涝灾害严重的年份，5-8月份降水量偏多30%以上，特殊年份如1985年、1995年，偏多60%以上；

(3)典型旱转涝年份LDFAI为较大的正值，一般大于2，5-8月份降水距平百分率均为正值。除此之外，洪涝年份与旱转涝年份可能存在重合，如1964年和1985年，5-8月份降水距平百分率分别为43%和68%，LDFAI分别为2.30和4.89，说明洪涝年份有可能发生较强的旱涝急转事件；

表2 太子河流域典型年份旱涝与旱涝急转特征Tab.2 Features of drought, flood, and its abrupt alternation in the Taizi River basin of typical years

(4)典型涝转旱年份LDFAI为较大的负值，一般小于-2，且5-8月份的降水距平百分率均为负值，5-6月份降水距平百分率大于30%，7-8月份降水距平百分率小于15%。

综上所述，夏季偏旱年份降水量整体偏少，LDFAI的绝对值均小于1，发生旱涝急转强度较小，偏涝年份降水可能整体偏多，也可能集中在7-8月份，因此洪涝年份和旱转涝年份可能存在重合。涝转旱年份意味着7-8月份的降水量偏少，由于年内降水主要集中在7-8月份，涝转旱年份夏季降水量一般较正常年份偏少。

2.3.2 空间分布特征

为分析旱涝急转的空间分布特征，选取1985年为典型的旱转涝年份，1980年为典型的涝转旱年份，分别对各站的LDFAI进行计算，结果如图7所示。1985年夏季LDFAI均值达到了4.89，是旱转涝强度最大的年份。该年流域内LDFAI空间分布呈现出由东南向西北逐渐减小的趋势。旱转涝强度最大区域位于流域东南部山区，LDFAI值普遍大于5，旱涝急转强度最小的区域位于太子河中游偏岭及下游立山附近，LDFAI值均小于3。1980年夏季LDFAI均值为-6.63，是涝转旱强度最大的年份。该年流域内涝转旱强度最大区域位于太子河流域上游区域，LDFAI值小于-9，涝转旱强度最小的区域位于海城河和汤河流域，部分站点LDFAI接近于0，基本不存在涝转旱现象。以上分析说明典型年份流域内旱涝急转空间分布具有明显的差异性。

对各站旱涝急转事件发生频率进行统计，得到太子河流域旱涝急转事件空间分布图(图8)。由图8中可以看出，太子河流域涝转旱发生次数总体上要大于旱转涝事件发生次数，且下游发生旱涝急转的频率相对大于上游，同样具有较强的空间差异性。其中旱转涝事件发生频率较高的地区主要位于支流汤河、北沙河以及海城河流域，最高达到了10次。流域上游区域旱转涝事件发生频率较低，最低只有4次。涝转旱发生频率较高的区域主要位于太子河流域支流海城河流域，最高达到了14次。涝转旱发生频率最低的区域同样位于太子河流域上游，最小也只有4次。由于太子河流域主要水利工程都位于流域上、中游区域，当发生涝转旱事件时可以利用上游库群进行联合调度来进行缓解。然而对于旱转涝过程来说，往往历时较短，下游大型控制性水利工程较少，更容易造成较大损失，太子河流域需要注意由旱转涝事件带来的影响。

图7 太子河流域典型年夏季长周期旱涝急转指数(LDFAI) 空间分布图Fig.7 Spatial distribution of summer LDFAI of typical years in the Taizi River basin

图8 太子河流域旱涝急转事件空间分布图Fig.8 Spatial distribution of drought-flood abrupt alternations in the Taizi River basin

3 讨论与结论

(1)太子河流域降水量在年尺度上呈现出非显著下降趋势，线性倾向率为-12.96 mm/(10 a)。太子河流域降水量及线性倾向率具有明显的空间差异性。其中降水量从上游向下游呈逐渐减少趋势，上游山区降水量明显大于下游平原地区；流域内除苇子峪雨量站外其余各站降水量均呈现出减少趋势，降水量减少最为明显的区域位于南太子河源头区域，线性倾向率达-41.78 mm/(10 a)。

(2)太子河流域旱涝演变过程大致经历了4个阶段，旱涝过程交替出现，20世纪90年代以来为干旱期，干旱发生的频率较高。多时间尺度SPI综合应用可以比较全面地反映太子河流域内旱涝演变过程。太子河流域旱涝空间分布特征总体上比较一致，其中太子河流域偏涝和偏旱发生频率最高的区域主要位于太子河流域源头区域，容易带来流域性的洪涝或干旱问题。另外，除支流北沙河流域偏旱发生频率较高外，太子河中下游地区偏旱或偏涝发生频率较上游要小。

(3)太子河流域典型年份旱涝急转强度具有明显的空间差异性，典型旱转涝年份旱涝急转强度由东南向西北逐渐降低，典型涝转旱年份由上游向下游逐渐降低。太子河流域夏季旱涝急转事件中旱转涝和涝转旱事件均有可能发生，洪涝年份和旱转涝年份可能存在重合。太子河流域涝转旱事件发生频率大于旱转涝发生频率，并且旱涝急转事件主要发生在太子河流域下游区域。由于由旱转涝过程往往历时较短，下游大型控制性水利工程较少，更容易造成较大损失，太子河流域需要注意旱转涝事件带来的影响。

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