Scientia Geographica Sinica  2014 , 34 (11): 1391-1398 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.011.1391

Orginal Article

东江流域近50年旱涝时空演变特征

何艳虎, 陈晓宏, 林凯荣, 吴孝情

中山大学水资源与环境研究中心 华南地区水循环和水安全广东普通高校重点实验室, 广东 广州 510275

Characteristic of the Spatio-temporal Distribution of Droughts and Floods in the Dongjiang Basin in Recent 50 Years

HE Yan-hu, CHEN Xiao-hong, LIN Kai-rong, WU Xiao-qing

Center for water resources and environment, SunYat-sen University, Key Laboratory of Water cycle and water security in Southern China of Guangdong Higher Education Institutes, SunYat-sen University, Guangzhou,Guangdong 510275,China

中图分类号:  P3386

文献标识码:  A

文章编号:  1000-0690(2014)11-1391-08

收稿日期: 2013-09-6

修回日期:  2013-11-12

网络出版日期:  2014-11-10

版权声明:  2014 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献,在以下情况下可以自由使用:学术研究、学术交流、科研教学等,但不允许用于商业目的.

基金资助:  国家自然科学基金国际合作重大和重点项目(51210013)、国家科技支撑计划(2012BAC21B0103)、水利部公益项目(201201094,201301002-02)、广东省水利科技创新项目(2011-11,2009-39)广东省科技厅项目(2010B050300010)、广州市珠江科技新星专项(2011J2200051)资助

作者简介:

作者简介:何艳虎(1986-),男,河南息县人,博士研究生,主要从事水文与水资源方面的研究。E-mail:heyanhu456@163.com

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摘要

基于东江流域57个站点1957~2010年逐月降雨数据,对比分析SPI和Z指数两种方法在流域旱涝等级划分中的应用,揭示流域近50 a来旱涝时空分布特征及其变化趋势。结果表明:① SPI和Z指数两种方法计算旱涝指标所得结果差异度较小,均能较好地反映流域历史实际旱涝状况,Z指数对极端旱涝等级具有更好的指示作用;② 近50 a来,流域各年代旱涝交替明显,偏涝和重涝多于偏旱和重旱;③ 流域汛期、非汛期和全年旱涝分布形态在空间上有较好的一致性;④ 近50 a来,流域总体上呈“北旱南涝”的旱涝变化趋势空间格局。

关键词: 东江流域 ; SPI ; Z指数 ; 旱涝

Abstract

Based on monthly precipitation data of 57 stations in the Dongjiang Basin in 1957-2010, comparative analysis of application of the classification of droughts and floods by SPI and Z index methods was did and spatial and temporal distribution characteristics of droughts and floods of the basin in recent 50 years in and its change trend were analyzed. The result showed that: 1) The result for the index of droughts and floods by the SPI method was close to that of the Z index method, which can reflect the actual state of droughts and floods in the basin under three time scales: the flood, non-flood season and the whole year. The Z index method was better when it comes to the extreme droughts grade. 2) Alternating droughts and floods for each decade was obvious in the past 50 years. Floods and extreme floods were more than droughts and extreme droughts. 3) Spatial distribution patterns of droughts and floods in flood, non-flood season and the whole year were consistent and trends of droughts and floods in the south and north were opposite. The spatial distribution of droughts and floods in non-flood season was similar to that of the whole year. 4) On the whole, the Dongjiang Basin had a trend of floods in the south and droughts in the north in the future.

Keywords: the Dongjiang Basin ; SPI ; Z-index ; droughts and floods

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何艳虎, 陈晓宏, 林凯荣, 吴孝情. 东江流域近50年旱涝时空演变特征[J]. , 2014, 34(11): 1391-1398 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.011.1391

HE Yan-hu, CHEN Xiao-hong, LIN Kai-rong, WU Xiao-qing. Characteristic of the Spatio-temporal Distribution of Droughts and Floods in the Dongjiang Basin in Recent 50 Years[J]. Scientia Geographica Sinica, 2014, 34(11): 1391-1398 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.011.1391

变化环境下区域水资源短缺、水污染和水旱灾害是当前水资源领域研究热点问题。鉴于水资源对国家和地区经济社会发展的战略性和基础性地位,近年来气候变化对区域水资源尤其是旱涝等自然灾害的影响已引起国内外学者和相关部门的高度重视[1~5]。包括SPI 和Z指数在内的诸多旱涝指标常被用于区域旱涝灾害的监测和预估,并取得了较好的成果[6,7]。一些学者从大气环流角度,分析了夏季风年代际变化与区域旱涝典型时空分布的响应关系[8,9],试图发掘出引起区域旱涝时空变化的物理成因。东江流域地处亚热带,水土资源丰富,是广东省主要粮产区之一,且承担着向香港供水的重任,具有重要的战略地位。但在气候变化和人类活动共同影响下,流域汛期和非汛期洪灾、涝灾或旱灾等自然灾害频发[10],往往造成较为严重的人民生命及财产损失。以往研究多集中于东江流域土地利用及气候变化的水文水资源效应、变化环境下流域水环境及水生态响应和流域水资源开发利用等方面[11,12],关于流域旱涝时空分布的研究则相对较少。此类研究对理解气候变化对区域经济社会发展尤其是农业生产、上游生态环境保护和下游重要城市供水的影响具有重要的科学与现实意义。张强[13]等运用Copula函数对东江流域水文干旱概率分布特征进行了研究,考虑了干旱持续时间和强度,对极端干旱事件进行了描述。而在当前气候变化和人类活动日益加剧的背景下,流域的旱涝程度及其分布格局发生了怎样变化?旱涝时空分布有何特征?流域旱涝变化趋势如何?有必要对其进行分析,以便深入认识变化环境下华南湿润区旱涝时空演化规律。国内外关于旱涝指标从气象学角度作了大量研究,包括一系列用于计算定量反映旱涝发生程度的旱涝指标的方法选择、单站和区域旱涝指标的确定等,能较好地为区域旱涝时空分布和强度演化规律识别提供参考[14,15]。关于旱涝指标的研究已取得了较为丰富的成果,帕默尔干旱指数(PDSI)、Z指数和标准化降水指数(SPI,量符号全文用SSPI)等相继被提出[15,16],但以往研究多是采用单一方法计算旱涝指标值,缺少几种方法计算结果的对比分析,使得结果缺乏说服力,也难以深刻认识各种方法的特点与适用性;在进行区域旱涝指标计算时,未能很好地考虑不同旱涝等级在旱涝程度上所占权重;在进行旱涝分析时,较少结合区域历史旱涝统计状况,使得旱涝等级及其预估存在较大不确定性。

基于此,本文以东江流域为例,利用已有的月降水观测数据,对比分析在中国运用较为广泛的标准化降水指数和Z指数两种方法在中国南方湿润地区旱涝时空分布特征识别中的应用,采用ArcGIS空间分析技术和经验正交函数(EOF),并结合流域历史旱涝灾害概况,从不同的时间尺度(汛期、非汛期和全年),试图全面客观地分析气候变化和人类活动背景下流域旱涝时空分布特征及其变化趋势,为当地水资源可持续利用和旱涝监测预警等提供决策依据,在认识变化环境下中国南方湿润区旱涝时空分布规律及其对区域经济社会发展影响方面具有一定科学意义。

1 研究区概况

东江流域位于珠江三角洲的东北端,地区范围在22°38′~25°14′N、113°52′~115°52′E。平均气温为20~22℃,气温年内差别不大;整个地势北高南低[17]图1)。多年平均降雨量在1 500~2 400 mm之间,降雨时空分布不均(图2),是河源、惠州、东莞、广州、深圳以及香港3 000余万人口的重要水源地。尤其是对港供水的特殊性,东江供水安全具有重大政治经济意义。截止到2009年,耕地、园地、林地和城镇建设用地4种土地利用类型面积占流域总面积的94.83%[18]

图1   东江流域

Fig.1   Sketch map of the Dongjiang Basin

图2   东江流域年均降雨量空间分布

Fig.2   Spatial distribution of precipitation of the Dongjiang Basin

2 数据与方法

2.1 数 据

考虑数据时间序列的一致性,本文采用广东省水文局提供的东江流域57个雨量站点(见图1)1957~2010年的逐月降雨数据,少量站点逐月降雨量缺失资料采用邻站资料插补延长,并对所用站点的实测数据进行了均一性检验。

2.2 研究方法

Z指数。该方法能较好地表征旱涝空间分布格局[14,15,19]。 将某一时段降水量的概率密度函数转换为以Z为变量的标准正态分布,其转换式为[16]

Zi=6Cs(Cs2βi+113-6Cs+Cs6(1)

式中, Cs为偏态系数, βi为标准变量,均可由降水序列计算而得。

依据式(1)计算该地区各站历年各时段Z 指数,再根据表1划分的旱涝等级算出该地区历年各时段各级的站数,地区历年各时段的旱涝指标可由下式算得:

I=n1+n2+n3n, L=n5+n6+n7n(2)

式中,I、L分别为流域雨涝指标和干旱指标, n1n2n3n5n6n7分别为流域内Z指数为1、2、3、5、6、7级的站数,n为流域内总站数。

标准化降水指数(Standardized Precipitation Index, SPI,本文量符号为SSPI)。该方法采用Γ分布概率来描述降水量的变化,然后再经正态标准化求得SPI值,对旱涝变化反映敏感,能够消除降水的时空分布差异,有效地衡量各个时段的旱涝状况,且计算简单,稳定性好。由McKee[20]等在评估美国科罗拉多干旱状况时提出,详细计算步骤可见参考文献[15]。

3 结果与分析

依据流域57个站点1957~2010年逐月降雨量,分别采用SPI和Z指数法,计算各站点汛期(4~9月)、非汛期(10月至次年3月)及全年SPI和Z指数值,并据表1进行旱涝等级划分。

为表征流域旱涝发生程度,鉴于本文所采用站点的个数及其在流域的相对均匀分布,能较好地反映流域旱涝分布状况(见图1),根据单站旱涝等级划分结果,统计并比较各旱涝等级下的站点个数与流域总站点个数的比例,并据此分析流域

表1   Z指数和SSPI的旱涝等级划分[5]

Table 1   Classification for Z-index and SSPI[5]

等 级Z指数标准化降水指数SSPI类型
1Z>1.645SSPI>2极涝
21.037<Z≤1.6451.5<SSPI≤2大涝
30.842<Z≤1.0371<SSPI≤1.5偏涝
4-0.842≤Z≤0.842-1<SSPI≤1接近正常
5-1.037≤Z<-0.842-1.5<SSPI-1偏旱
6-1.645≤Z<-1.037-2<SSPI-1.5大旱
7Z<-1.645SSPI-2极旱

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实际旱涝状况。限于篇幅,两种方法对流域近50 a各旱涝等级下的站点个数与流域总站点个数的比例结果不再赘述。

用两种方法所得某一旱涝等级下的站点个数与流域总站点个数的比例之差作为该旱涝等级下SPI和Z指数在东江流域旱涝等级划分应用中的差异度。结果表明,分别用SPI和Z指数两种方法得到的流域汛期近50 a来7个旱涝等级下,各等级所属站点与总站点的比例相差不大。两种方法在流域不同时段(汛期、非汛期和全年)同一旱涝等级和同一时段不同旱涝等级的划分均存在一定差异度。就不同时段来看,汛期和全年各旱涝等级差异度相似,但均小于非汛期;就某一旱涝等级来看,极涝、极旱、大涝和大旱等级差异度小于接近正常、偏涝和偏旱等级。这可能与各旱涝等级发生频率有关,极端旱涝等级发生次数相较于其余旱涝等级少,差异度也小。总体看来,SPI和Z指数两种方法在东江流域旱涝等级划分中差异度较小,计算结果具有极好的一致性。

两种方法统计表明,就全年而论,除重旱有5 a外,东江流域偏旱、偏涝和重涝均有7 a,这与流域历史旱涝实际情况基本相符[21],说明两种方法在东江流域旱涝指标划分中,较为客观地反映了流域近50 a来旱涝分布状况。流域持续的春夏秋冬连旱与强厄尔尼诺事件有关[22],大气环流的异常则是形成旱涝的主要原因[23]。近50 a来,东江流域旱涝交替明显,偏涝和重涝多于偏旱和重旱。20世纪50年代末60年代初涝多于旱, 60年代前期旱涝交替,中后期至70年代初属偏旱型,重旱和偏旱分别有1和2 a;70年代前期则为偏涝型,有2 a为重涝;整个80年代流域旱涝等级为基本正常;90年代旱涝交替,以偏涝居多;21世纪头两年偏涝,之后连续3 a偏旱,旱涝交替明显,以干旱年居多。可见东江流域旱涝交替较为复杂,由涝转旱或者由旱转涝十分普遍,这是符合流域实际情况的[21]。流域这种旱涝交替的状况也说明了在大旱之后必须注意防涝,大涝之后必须注意防旱。

特别是在汛期和全年两个时段,Z指数方法在极涝和大涝等级的划定上较SPI有好的指示作用。为表明不同时段内,SPI和Z指数两种方法在重涝、重旱等极端旱涝等级划分上的差异,表2~4分别给出了研究区在汛期重涝、全年重涝和非汛期重旱的年份内,57个站点中分别属于7个旱涝等级的站点所占的比例。表内各年份是在1957~2010年众多年份中,依据SPI和Z指数两种方法对各站点不同时段内旱涝等级的划分结果而挑选出来的。可以看出,汛期重涝发生的年份多于全年重涝和非汛期重旱,且汛期重涝年和全年重涝年有6 a重叠,说明在重涝年份,汛期和全年在极端旱涝等级划分上具有较好的一致性。总体上看,同一年极涝(等级1)和大涝(等级2)下,汛期和全年两个时段Z指数算得站点数多于SPI,这在极端旱涝年份表现得尤为明显(表2表3);非汛期,Z指数方法在极旱(等级6)和大旱(等级7)的划定上也较SPI效果明显(表4),因此,相较于SPI,Z指数方法在极端旱涝等级的划分上有更好的指示作用。这是由于Z指数在计算过程中涉及到偏态系数、标准变量等参数(式1),即较好地考虑了降雨的时空分布,对极端降水,偏态系数越大,Z指数分析效果越好,也越能反映极端旱涝程度。

各站点近50 a来全年除接近正常外出现频率最高的旱涝等级进行IDW(inverse distance weighted)空间插值(图3),不难发现,近50 a来,东江流域偏旱和大旱主要集中于下游、上游三溪口、上坪和新丰江石角、连平一带;偏涝呈明显的带状分布,主要集中在中游和下游的平山、安墩和热水一带,大涝在上游和中游呈零星分布。流域下游和新丰江石角、连平一带位于年均降雨量低值区,且变差系数较小(图4),多年降雨量相对较小,属于气象偏旱型。而偏涝和偏旱地区土地利用类型以耕地和林地为主[18],农作物的生长量大,如遇到旱涝灾害,损失产量也较大,从此意义上讲,旱涝灾害的频繁发生将对该地区农业生产造成重要影响,也直接关系到流域上游生态保护安全问题。下游偏涝地区为城镇聚集区,地势低平,人口密度大,遇涝时地面流量加大,破坏力也较大,容易诱发城区内涝问题。相反,在极端干旱年份,由于东江流域下游河口区为河流与海洋的交汇地区,同时受河流和海洋的双重作用,上游来水的减少,将会引起河口咸潮上溯,影响历时增加,对流域和香港生产和生活供水将构成威胁。

表2   汛期重涝年份各旱涝等级站点比例对比(%)

Table 2   Comparison of station ratio in extreme flood years in flood season (%)

份 (年)SSPIZ指数
12345671234567
19578.91638380008.9164036000
19596.5133741002.26.5133741002.2
19618.51326512.1006.41723512.100
19732444265.60003339225.6000
19753.6132458001.8119.1205801.80
19933.281136490004.9162851000
19979.842031390009.8252639000
20018.111138412.7008.11435412.700
200613.936361400025313311000
20088.332817470008.3368.347000

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表3   全年重涝年份各旱涝等级站点比例对比(%)

Table 3   Comparison of station ratio in extreme floods year in the whole year (%)

年份 (年)SSPIZ指数
12345671234567
195791639360009164629000
195921730462027153341202
197341741390007154731000
19751524243520016272530200
19831841202100025392115000
19971018333820010213434200
20061937192500033282811000

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表4   非汛期重旱年份各旱涝等级站点比例对比(%)

Table 4   Comparison of station ratio in extreme drought years in non-flood season (%)

年份 (年)SSPIZ指数
12345671234567
196300067256.32.100073194.20
19711.9005015311.91.9005917201.9
19770003241207.10004323258.9
19840002242288.300042231817
20030003139282.800050191911
20040004431222.80005625118.3

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图3   东江流域变差系数空间分布

Fig.3   Spatial distribution of variation coefficient precipitation of the Dongjiang Basin

图4   东江流域旱涝等级空间分布

Fig.4   Spatial distribution of grades for droughts and floods of the Dongjiang Basin

东江流域地处华南湿润区,受东亚夏季风影响显著[24],降雨时空分布不均匀,加之地形地貌的影响,旱涝在空间分布上也表现出一定的复杂性,因此,为定量描述流域近50 a旱涝空间分布特征,对各站点汛期、非汛期和全年3个时段的Z指数进行EOF分析(图5)。由于Z指数方法能较好地反映流域历史旱涝发生状况,基于Z指数方法所得的流域近50 a各站点汛期、非汛期和全年旱涝等级,对其进行M-K趋势检验,并对M值进行IDW空间插值,负值代表趋于干旱,正值表示为湿润趋势,以表征流域未来旱涝等级的时空变化特征(图6)。

汛期流域前3个特征向量占总方差的80.2%,显示东江流域最常见的旱涝空间分布型。第一特征向量场占总方差的66.8%,是东江流域旱涝空间分布的主要形态,为一致的正值分布,高值区位于中上游的瓦溪、星丰一带,低值区集中在南部的三洲田、西部的岳城、长沙和北部的上坪一带。这反映了流域受东亚大尺度水汽循环影响[25],旱涝空间分布具有总体一致的变化趋势;第二特征向量场占总方差的9.5%,流域北部和南部具有相反的变化特征,负值中心位于北部的忠信、大湖和连平一带,正值中心在南部的蓝塘、岭下和平山一带,表明了南北相反的旱涝变化趋势;第三特征向量场占总方差的4%,东北部与西南部呈反向变化特征,反映了流域汛期旱涝空间分布还存在东北和西南差异型。可以看到,非汛期和全年第一特征向量场分别占总方差的66.7%和64.8%,可代表各自时段旱涝空间分布的主要形态,且分量均为正值,表明东江流域非汛期和全年旱涝分布在空间上有较好的一致性。非汛期和全年第一特征向量空间分布十分相似,表明非汛期旱涝变化趋势对全年旱涝空间分布形态有着重要影响。非汛期和全年第二、三特征向量所代表的空间变化特征也反映流域南北相反的旱涝空间分布形态。

图5   东江流域汛期、非汛期和全年EOF前3个特征向量场空间分布

Fig.5   The first three eigenvectors spatial distributions of EOF in flood, non-flood season and the whole year

图6   东江流域旱涝趋势空间分布

Fig.6   Spatial distribution of trends of droughts and floods of the Dongjiang Basin

图6表明:1957~2010年间,东江流域汛期在下游、中游新坑、瓦溪至黄村、上游上坪、和新丰江连平、岳城至长坪存在湿润变化趋势带,其余地区尤其是上游三溪口存在干旱变化趋势带,带状分布较为明显;非汛期旱涝变化趋势带较汛期复杂,下游除惠阳、岭下和平山,新丰江长坪、岳城至长沙,中游大水和大阁一带存在湿润趋势,主要是因为流域汛期受年际变化较小的夏季环流型控制,汛期降水量占全年降水量比例较非汛期稳定,且降水空间分布具有较好的连续性。全年与汛期旱涝变化趋势格局较为相似,在下游和新丰江存在湿润趋势带,但分布较汛期零散。总体上流域上中游存在干旱趋势带,呈现出“北旱南涝”的旱涝变化趋势空间格局。针对流域旱涝变化趋势对流域尤其是上游农业生产和生态环境保护的直接影响,应加强三大水库联合调度,充分发挥三大水库蓄丰补枯的调节作用,同时增强上游农村水利基础设施的抗旱涝能力[26],确保生产和生态用水。

4 结论与讨论

基于东江流域57个站点1957~2010年逐月降雨数据,分别采用SPI和Z指数两种方法计算流域旱涝等级并进行对比,较为全面地分析了流域近50 a旱涝时空演变特征,得出以下几个主要结论:

1) 用SPI和Z指数分别计算东江流域汛期、非汛期和全年3个时段的旱涝指标值,两种方法所得流域旱涝等级差异度较小,均能较好地反映流域历史旱涝状况,Z指数在极涝和极旱等极端旱涝等级的划分上较SPI有更好的指示作用。

2) 近50 a来,东江流域各年代旱涝交替频繁,总体看来,偏涝和重涝多于偏旱和重旱。汛期、非汛期和全年旱涝分布在空间上有较好的一致性,非汛期旱涝变化趋势对全年旱涝空间分布形态有重要影响,流域也存在南北相反的旱涝空间分布形态。

3) 东江流域近50 a来偏旱和大旱主要集中于下游和新丰江石角、连平一带,偏涝呈明显的带状分布,大涝在上游和中游呈零星分布。全年流域在下游和新丰江存在由干旱向湿润转变的趋势带,上中游存在由湿润向干旱转变的趋势带,总体上流域呈现出“北旱南涝”的旱涝变化趋势空间格局。

本文对东江流域旱涝的时空演变特征作了初步分析,对变化环境下以该地区为典型的华南湿润地区旱涝发生规律有了初步认识,但受限于资料,仅仅从降水角度分析旱涝变化情况,事实上流域实际受灾和成灾情况还受到地理位置、下垫面及人类活动如种植结构的调整和灌溉技艺的改进等因素的影响,因此,有关流域旱涝发生机理和旱涝实际影响程度的有效评估有待进一步研究。

The authors have declared that no competing interests exist.


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