皖北地区水文要素演变规律分析
Analysis on the Dynamic Evolution Law of Hydrological Elements in Northern Anhui

作者: 邵庆辉 , 刘启蒙 * , 吴家峰 :安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南; 刘 瑜 :安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽 淮南;

关键词: 水文要素演变皖北地区降水量Evolvement of Hydrological Elements Northern Anhui Amount of Precipitation

摘要: 进入21世纪以来,随着全球气候变暖,各区域的降水特征也随之发生了不同的变化响应。在此背景拿下,深入研究区域气候变化的特征和机制,进而预测其未来降水变化趋势,是全球及区域气候变化的重要研究内容。利用皖北地区年的逐日降水量资料,采用线性回归法、累计距平法等分析了近降水趋势及变化特征。相关研究结果表明,皖北地区夏季和冬季降水有显著的增加趋势,春季、秋季和年均降水量的变化趋势不明显,全区年均降水量有显著减小趋势,但是局部暴雨大雨天数较之前有所增加。皖北地区降水天数减少,强降水略有增加,降水有集中化趋势,其中上个世纪90年代中期以后,降水趋势明显,不确定性因素增加,导致旱涝灾害发生可能性增加,会对当地农业生产带来不利影响。

Abstract: Since the 21st century, with the global climate warming, the regional characteristics of precipita-tion with different changes have taken place in the response. In this background, in-depth study of the characteristics of regional climate change and mechanism, and then predict the future trend of precipitation change, which is an important content of global and regional climate change. Using the daily precipitation data of northern Anhui, using the linear regression method, the cumulative anomaly method etc. to analyze the trend of recent precipitation and its change characteristics, and the related research results showed that the precipitation in summer and winter in northern Anhui had a significant increasing trend, while the change trend of spring, autumn and annual average precipitation was not obvious, and the annual average precipitation in the whole region had a significant decreasing trend, but the number of days of local heavy rain increased compared with that before. In northern Anhui, the precipitation days decreased, the heavy precipitation increased slightly, and the precipitation had a centralized trend. After the mid-1990s, the precipitation trend was obvious, and the uncertainty factors increased, which led to the increase of the possibility of drought and flood disasters, which would bring adverse effects on the local agricultural production.

1. 引言

安徽省地跨长江、淮河两大流域,南北跨度大,降水天数和强度均有明显差异。一段时间以来,我国水文相关研究工作者已经对相关内容开展了大量的研究,取得了丰硕的成果。其中较为重要的有,王珂清等 [1] 从季节相关尺度较全面细致的分析了淮河流域近半个世纪降水量的变化趋势;荣艳淑等 [2] 则探讨了淮河流域影响年蒸发量变化的影响因素;潘扎荣等 [3] 运用了较全面的分析方法对淮河流域年际变化的阶段性、趋势性进行分析;李家年 [4] 等对安徽省淮北地区的降水、蒸发合径流进行过统计综述;姬宏 [5] 等对淮北平原地下水资源演变情况进行过研究;王振龙 [6] 等开发出淮北平原总式“四水”转化模型,在径流过程的拟合上表现较好。该地区处在比较特殊的地理位置和拥有气候多变的条件,使得该地区水资源供给和需求矛盾特别明显。本研究拟以该区为研究区,分析水文要素的演化特征。研究成果可以作为该研究区进行地下水资源开发利用的依据,对较全面了解皖北地区历史时期水循环演变规律、达到水资源高效利用、蓄控减排、地下水安全开采及预测未来气候变化趋势具有一定的参考意义。

2. 研究区概况

皖北地区(图1)一般包括淮河沿岸和淮河以北的区域(东经114˚55'~118˚10',北纬32˚25'~34˚35')。东与江苏接壤,西与河南毗邻,北望山东,南接皖中、皖南及广袤的南方地区。主要包括宿州、蚌埠、阜阳、淮北、淮南、亳州六个省辖市,35个县区(具体见下表1)。研究区面积3.93万平方公里,总面积为64,154 km2,国土面积约占安徽省的30%。人口约为3713.9万人,约占安徽省总人口的53%。该研究区降水较多,日照时间较长,蒸发强度比较大 [7]。

Figure 1. The division map of northern Anhui

图1. 皖北地区划分图

Table 1. Details of the location of the study area

表1. 研究区位置划分详情表

3. 研究方法与数据处理

3.1. 研究方法

1) Mann-Kendall检验法。它是一种类似于斯皮尔曼相关系数的非参数统计检验 [8] [9],可以检验时间序列的趋势。其优点是检测能力强,不需要遵循一定的分布,也不会受到少数离散表现异常的数值的干扰 [10] [11] [12]。对该系列趋势变化的分析是非常有帮助的,其表达形式为 [13]:

τ = { 4 P / [ N ( N 1 ) ] } 1

V a r ( τ ) = 2 ( 2 N + 5 ) / [ 9 N ( N 1 ) ]

U = τ / V a r ( τ )

上面公式中,其中τ为秩统计量;P为该时间序列对偶观测值中Xi < Xj出现次数;N为该时间序列长度;U为秩次相关系数,若U大于零则表示该序列呈上升趋势,若U小于零则表示该序列呈下降趋势,若|U|大于等于数值1.96,则表示该序列通过了置信度95%显著性趋势检验。

2) 空间插值法。通常有反距离权重插值法、克里格插值法和光滑薄面样条插值法 [14] [15]。该方法通过对相邻区域的每个单位值进行平均计算得到单位值,更适用于样本点较多且分布均匀的情况。该方法不仅可以生成预测的表面,还可以给出预测结果的精度或确定性度量。本文采用反距离权重插值法寻找皖北地区的降水质心,优点可以帮助因气象站点稀疏和分布不均造成的弊端,能从客观上反映要素在地区内的空间分布情况。

3.2. 数据来源及处理

该研究区的数据来自中国气象数据共享服务网(NMIC),利用1957~2013年皖北地区21个气象站的逐日降水资料数据和1960~2006年6个水文站的逐日径流资料数据(见表2表3),将部分缺失资料用相邻观测资料数据插值。利用空间插值方法将站点数据扩展到全区域,计算皖北地区年平均降水量。

Table 2. Overview of hydrological stations in northern Anhui

表2. 皖北地区水文站点概况

Table 3. The detailed table of weather stations

表3. 气象站点详情表

3.3. 研究区年均降水量变化情况

图2为皖北地区年平均降水量拟合曲线、图3为皖北地区年平均降水量距平变化曲线。对1957~2013年皖北平原地区年平均降水量统计分析表明,皖北地区年平均降水量约为972 mm,2003年年平均降水量最大值为1515 mm,1978年年平均降水量最小值约为620 mm,其中多雨年份和少雨年份之间有很大的区别 [16]。由图2中的线性趋势走向可以得出,皖北地区1957~2013年的年均降水量整体表现下降曲线趋势,但下降曲线趋势不是很明显。三次样条插值结果表明,1957~2013年皖北平原地区的年均降水量呈现出“增大–减小–增大–减小”的趋势,其中在2007年的时候有个明显的下降趋势。总体在不断波动中略有下降,降水年际变化差异较大,降水量分布自南向北减少;南部降水量处于增加状态,北部降水量则逐年减少 [17]。

Figure 2. Analysis of changes in average annual precipitation

图2. 年均降水量变化情况分析

Figure 3. Analysis of precipitation anomaly changes

图3. 降水量距平变化情况分析

4. 结语

通过深入了解皖北平原地区历史水循环演变规律及对研究现状做了总结之后,可知1957~2013年皖北平原地区年降水量没有明显的增减趋势;可以预测未来气候变化趋势,进一步影响地区气候生态及地表形态,了解降水时空变化特征和规律;说明了研究皖北平原地区水文要素时空演变规律的意义和目的,对水文要素时空演变的研究复杂且系统的,必须用用全面的、联系的、发展观点看待问题;为农业生产和水资源高效利用提供理论支持,为预测未来降水变化趋势提供参考;另外,为皖北平原地区煤炭安全开采提供合理的水害防治措施。

基金项目

安徽省自然科学基金项目(1908085ME145);安徽理工大学研究生创新基金项目(2021CX2009)。

NOTES

*通讯作者。

文章引用: 邵庆辉 , 刘启蒙 , 刘 瑜 , 吴家峰 (2021) 皖北地区水文要素演变规律分析。 地球科学前沿, 11, 965-970. doi: 10.12677/AG.2021.117092

参考文献

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