汉江流域降水分布特征及其对水资源影响分析

郑治斌

(湖北省气象学会，湖北 武汉 430074)

汉江是长江最大的支流、南水北调中线工程的水源地[1]。在气候变暖的背景下，降水异常变化导致流域旱涝灾害频发，对流域水资源利用、生态环境保护等产生了深刻影响，因此，深入研究汉江流域降水的分布特征及其对水资源的影响具有重要意义。目前，已有较多学者研究分析汉江流域的降水，并取得大量的成果。起永东等[2]分析了汉江流域不同量级雨量和雨日量的时空分布特征。班璇等[3]研究表明汉江流域年降水量上游和下游呈增加、中游呈减少趋势，年平均气温和年蒸发量在整个流域呈上升趋势。汪成博等[4]研究指出汉江流域极端降水集中程度较高，呈西高东低分布；极端降水集中期在7月下旬，呈东部发生早、西部迟的分布。陈燕飞等[5]分析了汉江流域降水、蒸发、径流等水文要素的长期变化趋势。郑晓东等[6]分析了汉江流域降水的多时间尺度特性，以18年的主要周期最为突出，且呈偏少的趋势。李柏山等[7]研究了汉江流域典型区域降水变化，发现年降水量整体呈不明显下降趋势。邓鹏鑫等[8]诊断了汉江流域汛期降水年际波动特征及空间分布模态，发现汉江流域汛期平均降水总体趋势变化不显著，但年代差异上存在较强跳跃性，并伴随有显著的周期振荡。汪琳等[9]研究表明汉江流域气象干旱发生频率总体呈上升趋势，干旱强度中部高、东西部低。

本文在已有研究的基础上，利用1960—2018年汉江流域96个国家气象观测站降水数据，分析汉江流域降水分布、降水日数变化、降水集中度和集中期等特征，探讨汉江流域降水对水资源的影响，旨在为汉江流域水资源合理开发利用、南水北调中线工程管理等提供参考。

1 研究区概况

汉江流域主要涉及陕西、河南、湖北等省，总面积15.9万km2。干流丹江口以上为上游，丹江口至钟祥为中游，钟祥以下为下游[10]。流域地势西北高、东南低，北部以秦岭、外方山和伏牛山与黄河流域为界；东北部以伏牛山和桐柏山与淮河流域为界；西南部以大巴山和荆山与嘉陵江、沮漳河流域为界；东南部为江汉平原，无明显的天然分水界限[11]。汉江流域作为南水北调中线水源地和鄂北水资源配置工程的重要区域[12]，属亚热带季风气候区，温和湿润，水资源总体较丰富，但年内分配不均，且年际变化较大。汉江流域示意图见图1。

图1 汉江流域示意图

2 资料与方法

2.1 资料来源

降水资料来源于中国气象数据网提供的汉江流域96个国家气象站监测资料，研究时段为1960年1月1日至2018年12月31日。少数缺测数据基于临近站点资料利用线性回归方法进行插补。

2.2 研究方法

本文利用Mann-Kendall检验法(以下简称M-K检验法)[13]对汉江流域降水进行突变性及趋势检验；根据张录军等[14]定义的降水集中度(用来衡量年、季、月或候内降水总量的时间变化程度，可以正确反映一定时期降水集中的属性)和降水集中期(反映一年中最大降水集中发生的时段)分析降水量随时间的分配特征[2]。

3 结果分析

3.1 降水时间分布特征

3.1.1 月变化

汉江流域年内各月降水量分布不均，变化比较大，降水多发生在5—10月，占全年降水量的75%～85%；11月至次年4月为降水较少期，仅占全年的15%～25%。流域中下游地区于6月进入降水多发期，上游地区大多于7月开始增多并持续到10月[4]。

3.1.2 季变化

1960—2018年汉江流域不同季节降水比例变化特征见图2。统计发现，汉江流域降水季分布与月规律一致。除20世纪70年代流域下游夏季降水快速增加外，其他区域均未见有明显的线性变化。流域上游夏季降水占比在50%以上，秋季多于春季；2000年以后，夏季降水占比有所减少，春季增加，秋季则无明显变化。流域中游各季降水波动强于上游，夏季降水占比在60%以上；2005年以后，夏季降水占比有所减少，秋季增加，春季则保持平稳波动。流域下游夏季降水占比最高，春季次之，秋季最低[4]。

图2 1960—2018年汉江流域不同季节降水比例变化特征

3.1.3 年变化

汉江流域降水量总体较丰沛，各地多年(1981—2010年)平均降水量为700～1800mm[15]，但年降水量在各年份的分布差异较大。年降水量在不同区域分布不均匀，空间差别较大，且不同年份分布差异较大。流域上游、下游区域年降水量整体呈显著增加趋势，中游整体呈减少趋势[3，16]。利用M-K检验法分析汉江流域的年降水量，结果表明突变不明显。

3.2 降水空间分布特征

3.2.1 不同量级降水空间分布

根据《降水量等级》(GB/T 28592—2012)，按小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨对汉江流域降水进行分析，可以看出，不同量级降水日和降水量分布相似，其中小雨降水日和降水量总体由流域西南部向东北部递减。中雨降水日和降水量空间分布与小雨相似，但流域东南部也呈偏多趋势。大雨、暴雨和大暴雨降水日、降水量偏多中心为流域西南部和东南部，但随着降水量级增大，西南部降水偏多区域面积缩小，东南部偏多区域无明显变化，降水日和降水量偏少中心则由东北部转移至北部，北部、中部和西北部等地降水偏少趋势明显，而东北部甚至逐渐转为偏多中心。不同量级雨强即降水强度(指单位时段内的降水量)分布无明显变化[2]。

3.2.2 汛期(5—10月)降水空间变化

汉江流域汛期(5—10月)各地多年平均降水量空间分布见图3。由图3可知，汉江流域汛期(5—10月)各地多年平均降水量为384～899mm[8]，各月降水差异较大，且分布较不均匀，7—8月降水最多，5、6、10月降水量大体由西南向东北递减，9月由西向东递减。

图3 汉江流域汛期(5—10月)各地多年平均降水量空间分布

3.3 降水日数变化

汉江流域平均年降水日均在100天以上，高值发生在武汉，为134天；低值发生在石泉、南阳，为100天。季节分布上，春、夏季平均降水日数最多，秋季次之，冬季最少[17]。

汉江流域春季降水日数上下游相差较大，最大降水日数为42天，最少日数为29天，降水量占全年降水量的21%～31%。夏季最大降水日数为45天，最少日数为31天，降水量占全年降水量的50%。秋季降水日数最高值为40天，最低值为26天，降水量占全年降水量的21%～29%。冬季降水日数上下游相差15天，降水量占全年降水量的6%[17]。

3.4 降水集中度和集中期

汉江流域降水集中度和集中期分布见图4。由图4(a)可知，汉江流域降水集中度整体上由东南向西北递增，东南部降水集中度小，年内降水分配相对较均匀；西北部降水集中度较大，降水多集中于某一个时段。此外，流域东北部存在一个降水集中度次高值区域，降水年内分配较为集中[2]。

由图4(b)可知，汉江流域降水集中期由东南向西北逐渐推迟，东南部出现最早，在7月以前；西北部最迟，出现在7月下旬。襄阳以东以南区域降水集中期差异较大，襄阳以西以北区域降水集中期较为同步，均在7月中下旬[2]。

图4 汉江流域降水集中度和集中期分布

4 降水对水资源影响

4.1 气象水文要素变化

降水分布及演变特性直接关系到汉江流域水资源合理开发与利用，并与蒸发量、径流量等主要要素共同影响流域水资源。利用M-K检验法分析汉江流域主要站点降水量、蒸发量、径流量等要素的变化(见表1)。由表1可知，汉江流域年蒸发量整体呈上升趋势，上游年蒸发量增加趋势显著，其余区域变化趋势不显著[5]。汉江上游年蒸发量的突变年为1983年，全流域为1981年，因此可认为汉江流域年蒸发量从20世纪80年代早期开始上升，且汉江上游年蒸发量的上升滞后于全流域[3]。年径流量上游多数地点呈不显著减少趋势，下游径流量呈不显著增加趋势[5]。

表1 汉江流域主要站点降水量、蒸发量、径流量M-K检验统计

汉江上游和汉江全流域年径流量M-K突变检验见图5。由图5可以看出，汉江上游径流量的UF和UB的交点分别为1990年和2012年，1990年前UF值位于0值的两侧，径流量上下波动，无明显趋势；1990年之后UF值基本位于0值以下，表明径流量呈减少趋势。汉江全流域径流量的UF和UB的交点有4年，特别是1991年前UF值大部分位于0值以上，表明径流量呈增加趋势，1991年之后UF值基本处于0值以下，表明径流量呈减少趋势[3]。

图5 汉江流域年径流量M-K突变检验

4.2 对水资源影响评价

一般来说，天然降水是影响流域水资源最主要、最直接的原因。汉江流域水资源主要来自降水，不同时间尺度、不同区域的降水分布差异和变化趋势，直接影响其水资源量，特别是因降水丰枯变化较大，导致流域水资源量丰枯变化明显，枯水时期水资源供需矛盾十分突出，进而影响流域水资源承载力。

汉江流域水资源可利用量是实现流域水资源优化配置和可持续利用的前提[18]。水资源承载力受水资源禀赋条件、经济社会发展水平、生态环境保护水平等多因素的影响[19]。结合不同指标的属性，从科学性、代表性、可获得性等方面对汉江流域水资源的影响因素进行分析，构建汉江流域水资源承载力评价体系(见表2)[19]。指标极性中，正向代表其值越大水资源承载力越强，负向则代表其值越大水资源承载力越弱。

表2 汉江流域水资源承载力评价体系

研究发现，汉江流域水资源承载力取决于经济社会、水资源、生态环境等系统，其中经济社会的贡献最大，占49.92%；水资源的贡献次之，为30.53%；生态环境的贡献为19.55%。生态环境系统联系度常年保持在最高水平，经济社会系统联系度不断上升，水资源系统联系度具有高不稳定性[19]。

汉江流域年径流量与年降水量成正相关关系，年降水量和年径流量最大值发生在1983年；汉江流域蓄水变量一直为正值，表明人类活动的用水需求一直呈增加态势，尤其是2014年底南水北调中线工程水源地的丹江口水库开始向北方调水，2015年调水21.70亿m3，2016年调水38.40亿m3，2017年调水46.93亿m3，2018年调水74.60亿m3，使丹江口水库下游河段径流量极大地减少，因此，上游流域受水电站和南水北调调水的综合影响，人类活动的贡献率有所增加[3]。

5 结 语

本文分析了汉江流域降水时空分布、降水日数变化、降水集中度和集中期等特征，并探讨了汉江流域降水对水资源的影响，对汉江流域水资源合理开发利用、南水北调中线工程管理等可提供一定的技术参考，有效地发挥汉江流域的水资源效益。随着全球气候变暖，汉江流域降水时空分布将相应地发生变化，应根据气候变化继续研究修订汉江流域的降水分布及其变化趋势，以实现汉江流域水资源的可持续利用，进一步提高水资源的管理水平。