奚立平, 蔡文慶, 吳海鷹
(1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽 合肥 231603; 2.無為縣氣象局, 安徽 蕪湖 238300)
降水規(guī)律是地區(qū)水資源特性的主要因子之一,在降水規(guī)律的研究方面,學(xué)者們做了大量工作[1-7],如邢萬秋等[1]分析了淮河流域1957-2008年降雨集中度的時(shí)空變化規(guī)律,任國(guó)玉等[2]綜合分析海河流域 1956 年以來、1880 年以來和 1736年以來降水量變化的主要特征,胡建橋等[7]研究了蘭州市近65年來降水周期變化規(guī)律,但國(guó)內(nèi)偏重于長(zhǎng)期規(guī)律的研究,短期規(guī)律研究較少[8-9],對(duì)同一地區(qū)長(zhǎng)、短期結(jié)合的多時(shí)間尺度研究,以及將降水規(guī)律結(jié)合防洪策略研究較少,加之地理和氣候差異,各地降水規(guī)律存在差異性,因此長(zhǎng)、短期結(jié)合的多時(shí)間尺度研究地區(qū)降水規(guī)律,全面弄清地區(qū)降水特點(diǎn),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行防洪策略研究,具有重要意義。
無為縣位于皖江北岸,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),洪澇災(zāi)害頻發(fā),2016年的特大洪水,造成種植業(yè)受災(zāi)面積68 400 hm2,僅農(nóng)業(yè)受災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失就超過20×108元。無為縣的汛期洪水主要由夏季降水形成的,因此,研究無為縣夏季降水長(zhǎng)、短期結(jié)合的多時(shí)間尺度規(guī)律及特點(diǎn),對(duì)防汛抗旱、水資源開發(fā)利用、農(nóng)作物生產(chǎn)等具有積極意義[10-15]。本文利用無為縣1957-2016年的夏季降水資料,采用Morlet小波分析、時(shí)間序列分析等方法,從夏季的年際、年內(nèi)的月、旬、候、日、白天、夜間、小時(shí)等長(zhǎng)、短期結(jié)合的多時(shí)間尺度,揭示無為縣夏季降水規(guī)律和特點(diǎn),并據(jù)此提出防洪策略建議。
無為縣地處安徽省中南部,北依巢湖,南臨長(zhǎng)江,總面積2 433 km2。無為縣地勢(shì)西北高、東南低,西北主要是低山丘陵,中部是低崗平畈,東部則是圩區(qū)。無為縣河流眾多,水網(wǎng)密布,塘壩、水庫星羅棋布,臨長(zhǎng)江水岸長(zhǎng)達(dá)113 km,東北側(cè)的裕溪河長(zhǎng)約50 km,西河長(zhǎng)達(dá)72.7 km穿境而過。如圖1所示。
降水資料來源于無為縣氣象站,時(shí)間段為1957-2016年。2006年無為縣氣象站自動(dòng)站運(yùn)行后才開始觀測(cè)小時(shí)降水量,因此小時(shí)降水量采用2007-2016年的降水觀測(cè)資料。
利用Matlab2015、Spss23和Surfer8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),利用Morlet小波分析、時(shí)間序列分析,研究夏季降水量的年際、年內(nèi)的月、旬、候、日、白天、夜間、小時(shí)等長(zhǎng)、短期結(jié)合的多時(shí)間尺度變化規(guī)律和特點(diǎn),并建立降水量預(yù)測(cè)模型,預(yù)測(cè)未來5年夏季降水量,據(jù)此提出無為縣防洪策略建議。
圖1 無為縣地理位置
1957-2016年無為縣四季平均降水量占年平均降水量的百分比如圖2所示。由圖2可看出,無為縣降水四季分布極不均勻,夏季(6、7和8月)降水最為集中,占年平均降水量的42.4%,而無為縣屬于長(zhǎng)江流域,主汛期為6-8月,顯然汛期洪水主要由夏季降水形成的,因此研究無為縣夏季降水規(guī)律及特征,對(duì)于做好防洪搶險(xiǎn)工作具有較好的促進(jìn)作用。
圖2 1957-2016年無為縣四季平均降水量占
利用Matlab2015和Surfer8.0軟件,對(duì)無為縣1957-2016年夏季降水量進(jìn)行Morlet小波分析。
圖3為無為縣1957-2016年夏季降水量Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部等值線圖,反映了實(shí)部在平面上的變化強(qiáng)弱。圖3中實(shí)線、虛線分別對(duì)應(yīng)降水量的偏多、偏少狀態(tài)。由圖3可知,夏季降水量在10、13、23年3類時(shí)間尺度上,呈現(xiàn)偏多、偏少相交替的周期變化[7],降水波動(dòng)能量變化特性的能量聚集中心,在10年尺度上其坐標(biāo)主要有:(1960,10)、(1963,10)、(1966,9)、(1970,8)、(1973,9)、(1976,9)、(1978,10)、(1998,10)、(2002,9)、(2004,9)、(2007,10)、(2010,10)、(2014,11);在13年尺度上主要有:(1977,13)、(1982,13)、(1987,13)、(1996,13)、(2000,13)、(2004,13);在23年尺度上主要有:(1985,23)、(1992,23)、(2000,23)、(2008,23)。其中,10年尺度的周期性波動(dòng)具有全域性,13年尺度的周期性波動(dòng)在1975-2007年較為顯著,23年尺度的周期性波動(dòng)從1985-2016較為顯著。
圖3 1957-2016年無為縣夏季降水量Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部等值線
圖4為1957-2016年無為縣夏季降水量變化小波方差圖,反映了信號(hào)波動(dòng)能量在時(shí)間尺度分布上的強(qiáng)弱,據(jù)此可以識(shí)別時(shí)間信號(hào)序列的主周期。由圖4可以看出,夏季降水量小波方差存在5個(gè)峰值,因而周期性變化由強(qiáng)到弱,分別對(duì)應(yīng)于第1、2、3、4、5主周期,其時(shí)間尺度分別是10、13、23、6、4年。另外,從圖3可知第4主周期(6年尺度)的周期性波動(dòng)僅在1981-2000年較為顯著,其余年份相對(duì)較弱;第5主周期(4年尺度)的周期性波動(dòng)微弱。
圖4 1957-2016年無為縣夏季降水量變化小波方差
圖5為1957-2016年無為縣夏季降水量變化主周期小波系數(shù)實(shí)部過程線。由圖5可知,夏季降水量在10年時(shí)間尺度上,經(jīng)歷了9次偏多-偏少的交替變化,2016年處于偏多階段的高位;在13年時(shí)間尺度上,經(jīng)歷7次偏多-偏少交替變化,2016年也是處于偏多階段的高位;在23年時(shí)間尺度上,經(jīng)歷4次偏多-偏少交替變化,2016年處于偏多階段的高位,但上升趨勢(shì)変緩。預(yù)計(jì)2016年后夏季降水量還將處于偏多階段并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間,但即將進(jìn)入下降的階段。
圖5 1957-2016年無為縣夏季降水量變化主周期小波系數(shù)實(shí)部過程線
3.2.1 夏季月降水量變化規(guī)律及特點(diǎn) 圖6為無為縣1957-2016年夏季各月平均降水量。由圖6可知,無為縣夏季降水主要集中在6月和7月,占夏季平均降水量的74.3%,夏季最大月平均降水量是6月為189.9 mm,最小月平均降水量是8月為130.8 mm,夏季最大月平均降水量是最小月平均降水量的近1.5倍。
圖6 無為縣1957-2016年夏季各月平均降水量
3.2.2 夏季旬降水量變化規(guī)律及特點(diǎn) 圖7為無為縣1957-2016年夏季旬平均降水量。由圖7可以看出,夏季旬平均降水量從6月上旬開始增加,到6月下旬達(dá)到峰值后逐漸減少,6月下旬和7月上旬平均降水量相對(duì)較大,占夏季平均降水量的34.5%。
3.2.3 夏季候降水量變化規(guī)律及特點(diǎn) 圖8為無為縣1957-2016年夏季候平均降水量。由圖8可知,夏季候(5d)平均降水量從6月第1候開始增加,到6月第6候達(dá)到峰值后逐漸減少,6月第6候和7月第1候平均降水量相對(duì)較大,占夏季平均降水量的20.3%。
圖7 無為縣1957-2016年夏季旬平均降水量
圖8 無為縣1957-2016年夏季候平均降水量
3.2.4 夏季日降水量變化規(guī)律及特點(diǎn) 圖9為無為縣1957-2016年夏季日平均降水量。由圖9(a)~9(c)可以看出,夏季6月日平均降水量呈逐漸增加的趨勢(shì),6月29日達(dá)到峰值;7月日平均降水量在7月4日達(dá)到峰值后,呈逐漸減少的趨勢(shì);8月日平均降水量比6月和7月要少,并且日平均降水量變化不大,降水相對(duì)較均勻。
3.2.5 夏季白天、夜間降水量變化規(guī)律及特點(diǎn) 從總體來看,夏季白天平均降水量占日平均降水量的55.1%,多于夜間的44.9%,降水頻數(shù)也是白天多于夜間。從分月來看,6月白天平均降水量多于夜間,降水頻數(shù)恰好相反,但白天和夜間的平均降水量和降水頻數(shù)差別不大。7月和8月白天平均降水量多于夜間,降水頻數(shù)也是如此,并且白天和夜間的平均降水量和降水頻數(shù)差別相對(duì)較大,尤其是8月這種差別非常明顯。如圖10所示。
3.2.6 夏季小時(shí)降水量變化規(guī)律及特點(diǎn) 夏季6月的小時(shí)平均降水量、小時(shí)平均降水頻數(shù)的集中度主要在6-7時(shí),如圖11(a)、(b)所示;7月小時(shí)平均降水量、小時(shí)平均降水頻數(shù)的集中度在5-6時(shí)和15-18時(shí),如圖11(c)、(d)所示;8月小時(shí)平均降水量、小時(shí)平均降水頻數(shù)的集中度在17-18時(shí)和20-21時(shí),如圖11(e)、(f)所示。這就說明,自6月至8月,小時(shí)平均降水量、小時(shí)平均降水頻數(shù)的集中度從上午向下午、夜間推移。
圖9 無為縣1957-2016年夏季日平均降水量
6-1:6月白天; 6-2:6月夜間; 其余類推
圖11為無為縣2007-2016年夏季小時(shí)平均降水量和降水頻數(shù)。從小時(shí)平均降水量(圖11(a)、11(c)和11(e))來看,7月最多,6月次之,8月最少;而小時(shí)平均降水頻數(shù)(圖11(b)、11(d)和11(f)),則是6月最大,7月次之,8月最小,因此7月的小時(shí)平均降水量和小時(shí)降水強(qiáng)度在夏季的3個(gè)月中是最大的。而無為縣1957-2016年降水資料卻反映出夏季最大月平均降水量是6月(見圖6),由此可知,無為縣夏季降水集中度從6月向7月推移。
圖11 無為縣2007-2016年夏季小時(shí)平均降水量和降水頻數(shù)
對(duì)無為縣1957-2016年夏季降水序列進(jìn)行一階差分處理,消除其逐年增加的趨勢(shì)性,得到平穩(wěn)序列[16]。
構(gòu)建AR(7)模型,經(jīng)t檢驗(yàn),自回歸系數(shù)的伴隨概率均小于0.05(見表1),顯著非零,有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,表2所列的楊-博克斯統(tǒng)計(jì)量的顯著性大于0.05,圖12反映的殘差序列為白噪聲序列,另外,采用AR (7)擬合的模型不存在離群值,說明模型的擬合度較好。
表1 AR(7)模型參數(shù)
對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行模擬,用擬合值與夏季降水量一階差分后的序列值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖13所示。
圖12 無為縣夏季降水量一階差分后AR(7)自相關(guān)系數(shù)與偏自相關(guān)系數(shù)
利用建立的AR(7)模型對(duì)未來的值進(jìn)行預(yù)測(cè),分別得到2017-2021年的預(yù)測(cè)值(見表3),可以看出從2017年至2021年夏季降水量總體呈下降的趨勢(shì),除2020年的夏季降水量略少于多年平均降水量508.4mm,其余4年的汛期降水量均超過夏季多年平均降水量。
表2 AR(7)模型統(tǒng)計(jì)量
圖13 無為縣夏季降水量一階差分后采用AR(7)模型擬合值與實(shí)測(cè)值對(duì)比
表3無為縣2017-2021年夏季降水量的預(yù)測(cè)值
mm
(1)夏季降水量年際變化規(guī)律和特點(diǎn):夏季降水量Morlet小波分析表明,無為縣1957-2016年夏季降水量存在豐枯交替的多周期變化規(guī)律,其第一、二、三主周期對(duì)應(yīng)于10、13、23 a,從10、13 a時(shí)間尺度上來看,2016年處于偏多階段的高位;從23a時(shí)間尺度來看,2016年處于偏多階段的高位,但上升趨勢(shì)變緩。預(yù)計(jì)2016年后夏季降水量還將處于偏多階段并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間,但隨后將進(jìn)入下降的階段。
(2)夏季降水量月際變化規(guī)律及特點(diǎn):無為縣1957-2016年降水資料反映,無為縣夏季降水主要集中在6月份和7月份,占夏季平均降水量的74.3%,其中6月份的平均降水量在夏季的3個(gè)月中是最大值。
(3)夏季降水量月內(nèi)變化規(guī)律及特點(diǎn):無為縣1957-2016年降水資料反映,夏季日平均降水量從6月1日起逐漸增加,至7月4日達(dá)到峰值后逐漸減少,8月的日平均降水量比6月和7月要少,且相對(duì)較均勻。其中,6月下旬和7月上旬平均降水量相對(duì)較大,占夏季平均降水量的34.5%。特別是6月的第6候和7月的第1候平均降水量相對(duì)較大,占夏季平均降水量的20.3%。
(4)夏季降水量日內(nèi)變化規(guī)律及特點(diǎn):無為縣1957-2016年降水資料反映,夏季6月、7月和8月白天平均降水量多于夜間,其中8月這種差別非常明顯。近10年(2007-2016年)資料表明,自6月至8月,小時(shí)平均降水量、小時(shí)平均降水頻數(shù)的集中度從上午向下午、夜間推移,6月的小時(shí)平均降水量、小時(shí)平均降水頻數(shù)的集中度主要在6-7時(shí),7月的集中度在5-6時(shí)和15-18時(shí),8月的集中度在17-18時(shí)和20-21時(shí)。其中,7月的小時(shí)平均降水量和小時(shí)降水強(qiáng)度在夏季的3個(gè)月中是最大的,也反映近10年無為縣夏季降水的集中度從6月向7月推移。
(5)2017-2021年夏季降水量的預(yù)測(cè)表明,從2017年至2021年夏季降水量預(yù)測(cè)值分別為:656.64、621.24、593.75、505.96、576.81 mm,總體呈下降趨勢(shì),除2020年的夏季降水量略少于多年平均降水量508.4 mm,其余4年的夏季降水量均超過夏季多年平均降水量,反映了未來5年無為縣夏季降水量雖然處于下降階段,但是仍處于偏多階段。
上述小波分析和時(shí)間序列分析預(yù)測(cè)反映了未來5年無為縣夏季降水量雖然總體呈下降趨勢(shì),但仍處于偏多階段,存在一定的防洪壓力,為此,根據(jù)無為縣夏季降水規(guī)律及特點(diǎn),提出如下建議。
(1)清淤蓄水。由上面降水規(guī)律及特點(diǎn)分析可知,無為縣汛期洪水主要由夏季降水形成的,并且集中度高,因此應(yīng)充分考慮西北高、東南低的地貌特征,將降水就地?cái)r蓄,能有效減輕防洪壓力。對(duì)于縣域北部至西南的低山丘陵區(qū),自然地質(zhì)環(huán)境脆弱,應(yīng)鞏固退耕還林成果,涵養(yǎng)水源,部分裸巖,土壤流失嚴(yán)重的區(qū)域,修筑水土保持工程,防止水土流失,并推進(jìn)小水庫的除險(xiǎn)加固及改擴(kuò)建,提高蓄水能力。縣境中部的低崗平畈區(qū),大力開展水土保持工作,提高植被覆蓋率,增強(qiáng)對(duì)降水的截留作用,并減緩匯流速度,延長(zhǎng)匯流時(shí)間,起到調(diào)節(jié)徑流作用??h境東部低圩平原區(qū),水網(wǎng)發(fā)達(dá),如泥漢、陡溝、湯溝等鄉(xiāng)鎮(zhèn)河網(wǎng)密度超過90 km/km2,近年由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展及建設(shè),占用了一些河道,還有些河道被人為分割,另外,河道及當(dāng)家塘淤積嚴(yán)重,河道槽蓄量及當(dāng)家塘容量減少嚴(yán)重,以致一下雨就滿,不下雨就干,因此,應(yīng)打通分割的河道,恢復(fù)水系的完整性,清淤擴(kuò)挖河道和當(dāng)家塘,并在低洼地新開挖當(dāng)家塘,增加河道槽蓄量及當(dāng)家塘容量,使來水及降水能蓄得住。
(2)預(yù)報(bào)排水。無為縣固定排灌泵站640座,縣境東部地區(qū)上下九連圩、練塘圩、三閘圩等666.7 hm2以上的圩口的排澇能力已大幅度提高,由于無為縣降水主要集中在6月下旬和7月上旬,此時(shí)需要外排洪水,而長(zhǎng)江往往也處于高水位,致使外排洪水困難,因此,應(yīng)增設(shè)氣象水文監(jiān)測(cè)設(shè)施,加強(qiáng)雨情、水情的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào),做到提前調(diào)度、提前排水、預(yù)降水位。
(3)堤防擋水。無為縣河網(wǎng)密布,圩口眾多,裕溪河及支流西河是貫穿縣境的主干河流,縣境內(nèi)河堤長(zhǎng)近900 km,目前,官圩、上下九連圩防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)50年一遇,2016年汛后,裕溪河治理工程全面開工,工程實(shí)施后,裕溪河、西河干流城鎮(zhèn)及重要園區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)將達(dá)到50年一遇,666.7 hm2以上大圩、重要圩口的防洪標(biāo)準(zhǔn)將達(dá)到20年一遇以上,將顯著提高防洪安全保障能力,大大減輕防洪壓力,但一些重要的支流及眾多666.7 hm2以下的圩口防洪標(biāo)準(zhǔn)仍然偏低,即便是防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)50年一遇上下九連圩,在2016年汛期洪水仍超過保證水位1 m多,因此,必須根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況繼續(xù)逐步提高堤防防洪標(biāo)準(zhǔn),特別是與國(guó)家一級(jí)堤防無為大堤成圈的練塘圩、東西二十四聯(lián)圩、上九連圩、下九聯(lián)圩等內(nèi)河圩堤,以及沿西河、裕溪河部分堤防,這些堤防是無為大堤后方的安全屏障,若潰決將直接從無為大堤背水面威脅其安全,必須予以高度重視。西河最大的支流永安河,流域總耕地面積近16 666.7 hm2,流域內(nèi)666.7 hm2以上大圩有6個(gè),永安河流域上游山丘區(qū)面積較大,坡度陡,匯流時(shí)間短,往往洪峰流量大,而永安河干流河道斷面狹窄,堤防低矮單薄,防洪標(biāo)準(zhǔn)一般不超過20年一遇,兩岸圩區(qū)地勢(shì)低洼,在上游山洪及西河洪水的威脅下,洪澇災(zāi)害頻發(fā),必須逐步加高加固堤防。另外,縣境內(nèi)200~666.7 hm2的圩口,許多圩堤基礎(chǔ)差,防洪抗災(zāi)能力弱,應(yīng)逐步加大投入,加高加固圩堤,提高其防洪標(biāo)準(zhǔn)。
(4)風(fēng)險(xiǎn)管水。無為縣共有大小圩口210個(gè),面積70 666.7 hm2。建國(guó)以來遭受的10次較大洪水,均有圩口潰破,其中2003年大水,中小圩口先后潰破85個(gè),全是200 hm2以下的圩口,其中66.7 hm2以上圩口潰破12個(gè),66.7 hm2以下圩口潰破73個(gè)。主要是由于無為縣降水在6月下旬和7月上旬集中度大,特別是近10年7月份小時(shí)降雨強(qiáng)度大,洪水位上漲速度快,再疊加長(zhǎng)江高水位,境內(nèi)洪水外排困難,高水位持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),以及中小圩口圩堤防洪標(biāo)準(zhǔn)低等原因所致。因此,想要通過控制洪水確保安全是不切實(shí)際的,必須轉(zhuǎn)變治水理念,從控制洪水轉(zhuǎn)向洪水風(fēng)險(xiǎn)管理??蓮?個(gè)方面著手:一是開展洪水風(fēng)險(xiǎn)分析,繪制全縣洪水風(fēng)險(xiǎn)圖,一方面可規(guī)范開發(fā)行為,另一方面據(jù)此合理制訂防洪預(yù)案,針對(duì)不同等級(jí)洪水,統(tǒng)籌調(diào)度,對(duì)200 hm2以下圩口采取相應(yīng)的取舍方案,指導(dǎo)避洪行動(dòng),確保總體利益最大化;二是加強(qiáng)圩區(qū)人民群眾防洪災(zāi)的宣傳教育,提高圩區(qū)人民群眾的洪水風(fēng)險(xiǎn)意識(shí),使其能積極參與防災(zāi)減災(zāi)工作,特別是需要從圩區(qū)轉(zhuǎn)移時(shí)能聽從指揮,能熟記預(yù)警信號(hào)、轉(zhuǎn)移路線、安置地點(diǎn)等,做到行動(dòng)統(tǒng)一、有序、安全;三是建立健全預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng),及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)警,為防汛搶險(xiǎn)提供科學(xué)的決策依據(jù),為防汛抗洪贏得主動(dòng);四是規(guī)劃、落實(shí)好預(yù)警方式、撤退路線、交通工具、救生器材、安置地點(diǎn)和醫(yī)療救助等工作,加強(qiáng)遷安基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),特別是撤退道路、安置點(diǎn)的建設(shè)與維護(hù)。
(5)擇時(shí)防水。在汛前、汛期應(yīng)根據(jù)降水規(guī)律及特點(diǎn),踩準(zhǔn)時(shí)間節(jié)點(diǎn),合理安排相應(yīng)工作,就會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。無為縣降水量從主汛期6月中旬起逐漸增加,至下旬達(dá)到峰值,持續(xù)到7月份上旬,然后逐漸下降,至7月中旬后顯著減少。因此,5月前必須完成預(yù)案準(zhǔn)備,5月至6月上旬,進(jìn)一步督查、完善相關(guān)準(zhǔn)備工作,充分做好各項(xiàng)防汛準(zhǔn)備工作,做到有備無患;6月中旬至7月中旬是防汛搶險(xiǎn)的關(guān)鍵階段,各種險(xiǎn)情都有可能出現(xiàn),險(xiǎn)情的發(fā)展變化一般是從無到有,由小變大,由漸變到突變,及時(shí)快速發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情,就可將險(xiǎn)情消滅于萌發(fā)階段,做到治早、治小,這樣既能保證工程安全又能節(jié)約搶險(xiǎn)費(fèi)用,因此巡堤查險(xiǎn)尤為重要,除了正常的巡查外,對(duì)6月份的6:00-7:00時(shí)、7月份的5:00-6:00時(shí)和15:00-18:00時(shí)等降水集中的時(shí)段加強(qiáng)洪水防治;7月下旬以后,降水顯著減少,并趨于均勻,可封堵圩堤決口,加強(qiáng)圩區(qū)排水,組織生產(chǎn)自救,爭(zhēng)取趕在立秋前補(bǔ)種農(nóng)作物,相應(yīng)提高產(chǎn)量,彌補(bǔ)洪災(zāi)損失。