江苏里下河腹部地区径流系数变化特征分析

孙正兰，王永东，陈 静，王 江

(1.江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200;2.江苏省水文水资源勘测局 杨州分局，江苏 杨州 225000；3.江苏省水文水资源勘测局，南京 210029)

1 研究区概况

里下河地处长江和淮河的下游，因位于京杭大运河江苏段里运河以东且地势低洼而得名。根据地形和水系不同，里下河以通榆河为界分为里下河腹部水网地区和沿海垦区两部分。西界里运河、东至通榆河、北界灌溉总渠、南至新通扬运河的里下河腹部地区，河流纵横交错，湖荡星罗棋布，四周高、中间低，犹如锅底，俗称“锅底洼”。总面积11 897 km2，河网密度约1.08 km/km2，包括扬州、泰州、盐城、淮安等8县(市、区)56个乡镇，形成独立而相对封闭的里下河腹部水系。该地区曾是江苏省淡水沼泽湿地最集中分布的区域，素有“鱼米之乡”的美称。地区位置及降水量站点分布见图1。

图1 里下河腹部地区位置及降水量站点分布Fig.1 Location of the hinterland area of Lixia River and distribution of precipitation stations

里下河腹部地区地处南北气候过渡带[1]。降水极端不均匀分布和特殊的地形特点，导致该地区大雨大涝、小雨小涝、无雨旱灾[2]。中华人民共和国成立后经过半个多世纪有效综合整治，里下河地区已建成较完整的防洪工程体系，较好地解决了困扰多年的洪涝出路的突出问题。然而多年的粗放型经济快速发展引发水资源短缺已成为新时期里下河腹部地区面临的新矛盾。

多年来，里下河腹部地区防洪排涝抗旱问题一直是众多水利工作者关注的焦点，如：甘小荣[3]、叶正伟等[4]对里下河腹部地区致洪致涝成因分析与防治对策的研究，冯旭松等[5]关于南水北调东线建成后如何优化调整里下河地区水资源配置方案，陈锡林等[6]就里下河地区引江能力的分析，陶长生等[7]对新常态下里下河地区水利治理的思考与建议等，而针对变化环境下径流系数演变规律的研究尚不多见。本文以近60 a来降水、径流资料为基础，揭示变化环境下区域水循环与生态系统特征的径流系数多年的变化特点及其演变趋势，为区域水资源综合利用和防汛抗旱等提供参考。

2 资料来源与研究方法

2.1 资 料

淮河洪水不进入里下河，里下河腹部地区的洪涝由其区域内暴雨形成。因地势低洼平坦、地形变化较小，降水观测站点分布较均匀，故以区域内泰州、兴化、建湖、阜宁等20站逐日降水量的平均值代表区域面降水量。

里下河腹部地区主要通过“上抽、中滞、下排”解决洪涝出路。“上抽”即由江都抽水站和泰州高港抽水站将腹部地区南部的涝水经新通扬运河抽出排入长江；“下排”即利用地势特点由入海港道主要经射阳河闸、黄沙港闸、新洋港闸、斗龙港闸(简称沿海4闸)将涝水自东流入黄海。干旱和生态补水时，长江水经江都东闸和高港闸自流引入里下河腹部地区。由于里下河腹部地区“锅底洼”地势特性和自然水生态与水环境质量的需要，河道常年不仅保持一定水位，同时还保证一定程度水的冲刷和流动；加之降水量分配极不均匀性导致时空上水资源不均衡，即使是丰水年，仍需引江水补给里下河腹部地区。

里下河腹部地区径流量为各排水口门总量与各引水口门总量之差。引水口门即江都东闸和高港闸。总排水量以沿海4闸排水量与江都抽水站、高港抽水站抽排涝水量之和计算。经多年统计，江都抽水站和高港抽水站抽排入长江的涝水占里下河腹部地区涝水总量的20%以上[8-9]，沿海4闸外排涝水入海的比例约为70%[10]。江都、泰州引、排水口门和沿海4闸均设有国家重要水文站。文中降水量和引、排水量等水文数据均源自《水文年鉴》淮河下游区5卷4册。

2.2 方 法

采用不均匀系数和相对变化幅度等指标分析径流系数年内、年际变化的不均匀程度[11]，由径流系数和降水量累积距平曲线明显且一致的起伏变化，分析各丰枯时期径流系数相对降水量变化的剧烈程度及演变趋势[12]。在线性回归分析大致变化趋势的基础上，运用Mann-Kendall(简称M-K)方法分析径流系数多年变化趋势的显著性[13]，在置信度为90%时，计算的统计量|Z|>临界值1.64时，为变化趋势显著，否则变化趋势不显著。

以广泛应用的M-K非参数检验方法进行突变检测，其计算结果不受序列中少数异常数据的影响。通过正反序列曲线UFK和UBK在临界线(Uα= 0.05=±1.96) 内相交，确定序列发生突变的时间，以滑动T检验对突变时间前后的序列进一步精确判别是否发生显著变化。

采用Morlet连续复小波为基函数进行小波变换[14]，由不同时间尺度上小波方差的变化，得到降水、径流系数多年时间尺度特征，确定多年演变的主、次周期，为预测未来水文情势提供依据。

3 结果与分析

径流系数为区域内同一时段径流量与降水量之比，其大小反映了区域的产水能力，表征了自然地理多种因素对降水形成径流过程和水循环程度的综合影响。严格意义上径流系数应≥0。但里下河腹部地区常年均处于水量充裕状态，其独特的区域特性使得同样强度降雨情况下，径流系数相对较高；在极干旱月、年，如水田农作物播种、生长的5、6月份，用水需求量大，排水量小于引水量，导致径流量为负值，径流系数<0。这是里下河腹部地区“锅底洼”独有的特性，径流系数<0，从数学意义上理解为工农业生产、水生态、水循环实际缺水的水量比值。

3.1 年内变化

由图2月平均径流系数变化趋势可知：降水量在夏季6—8月份最大，冬季12月份—次年2月份最小。径流系数自2月份开始明显呈减小趋势，至4—6月份为全年最小，径流系数<0。4—6月份为里下河腹部地区水田农作物播种的季节，期间较小的降水量形成的径流远远不能满足大面积水田农作物及植物生长初期巨大的用水需求，因此，4—6月份引江水量多为年内最大，期间排水量通常小于引江水量，径流量为负值。7月份降水量为全年最大，但此时农作物需水量已逐渐减小，径流量为全年最大，径流系数也急剧增大。可见，降水量年内分配滞后于里下河腹部地区春耕和农作物生长用水的需要。因8月份之后区域降水量常年偏少，8月份降水量形成的径流部分被湖泊、圩塘人为蓄留，8月份径流系数相对偏小。秋、冬季随着温度的降低，蒸发量和农作物需水量均相应减少，径流系数普遍偏大；自11月份开始径流系数>1.0，最大值出现在12月份，达1.2，即冬季较小径流量中包含前期的径流量。径流系数年内变化趋势与降水量不一致，但与里下河腹部地区明显的季节特点相一致，表明径流系数不仅受降水量影响，还与平原水网地区农作物生长期及人为活动等密切相关。

图2 月径流和月降水量变化趋势Fig.2 Monthly variation trend of runoff and precipitation

降水量与径流系数年内不均匀系数分别为0.71和0.98，表明两者年内分配极不均匀，且径流系数年内分配不均匀程度远大于降水量。

3.2 年际变化

3.2.1 趋势变化

径流系数多年平均值为0.52，最大为0.79，发生在1963年，1991年次之，为0.78；仅极干旱的1978年径流系数<0，为-0.38。年径流系数的变差系数为0.38，是降水量的1.7倍，径流系数年际变化较大。

径流系数多年线性趋势呈微弱减小趋势，而降水量呈微弱增大趋势(图3)。M-K趋势检验计算径流系数序列统计量Z=-0.17、降水量序列统计量Z=0.34，均小于置信度90%的临界值，表明径流系数多年呈不显著减小趋势、降水量呈不显著增大趋势。年径流系数与降水量变化不一致，表明年径流系数不仅受降水量影响，变化环境下自然地理等综合因素的改变对径流系数也起着明显的作用。

图3 年径流系数和年降水量变化趋势Fig.3 Yearly variation trend of runoff coefficient and precipitation

3.2.2 丰枯变化

由图4径流系数与降水量距平累积变化曲线可见：径流系数随降水量的丰枯变化而变化，但在不同时段变化剧烈程度不同，各时段相对多年平均值变化程度的比较见表1。

图4 径流系数与降水量的距平累积突变检验曲线Fig.4 Curves of anomaly accumulation and abrupt change test for runoff coefficient and precipitation

表1 各时段径流系数和降水量变化程度比较Table 1 Comparison of runoff coefficient and precipitation among different periods

由图4可知，1961—2018年径流系数与降水量经历了较明显的4次丰枯交替变化：1961—1965年和1982—1993年降水量、径流系数均处于高于多年平均值的丰水期；1966—1981年降水量、径流系数处于低于多年平均值的枯水期；1994—2002年降水量在波动中减小、径流系数处于波动平稳变化；2003—2011年降水量、径流系数均处于波动平水期；2012—2018年降水量、径流系数变化趋势相反，降水量处于波动上升、径流系数处于波动下降。

由表1可知：在丰枯各时段中，1993年前径流系数相对降水量变幅随着时间明显增大，1982—1993年变幅达到最大，1994年后径流系数相对降水量变幅呈减小趋势，这与里下河腹部地区社会经济发展进程相一致。改革开放后里下河腹部地区经济高速发展，尤其是人口的急剧增长和快速的城镇化进程使得植被面积和湖荡区域逐步减少，自然生态系统演变退化，地表截水能力和蓄水能力减弱，使得较多的降水量形成径流量，径流系数显著增大，反映了变化环境对自然生态系统水循环影响的程度达到最大。20世纪90年代中期后，尤其是本世纪以来有计划实施大面积造林、退耕还林、退田还湖等政策后，区域植被覆盖率和河湖水域面积逐步扩大，自然生态环境开始好转，整个区域水土涵养能力、蓄滞水能力增强，产流能力逐渐下降，径流系数明显减小。尤其是2012年后降水量处于丰水期，但径流系数却小于多年平均值，为1961年以来丰水期产流率最低，表明自然生态系统水循环调节平衡能力为历年来最大。

3.2.3 突变变化

由图5可以看出：径流系数和降水量的突变曲线变化趋势与3.2.2节中的图4距平累积曲线变化趋势一致。在1961—2018年径流系数随着降水量发生较明显的4次丰枯交替变化，1966年、1982年、2003年、2012年为降水量、径流系数UFK和UBK曲线的交点，即序列可能发生突变的时间点。对上述突变点两侧序列进行滑动T检验计算，给定显著水平α=0.05，降水量均未发生显著变化，径流系数在1966年和1982年发生显著突变。可见，变化环境下区域自然综合因素的改变，使降水形成径流的过程以及水循环发生相应程度的变异，径流系数的变化是气候变化和人类活动共同作用下水循环和生态系统平衡调节能力的综合反映。

图5 降水量和径流系数突变检验曲线Fig.5 Curves of abrupt change test for precipitation and runoff coefficient

3.3 相关性分析

对1961—2018年丰枯各时段平均径流系数与径流量、降水量进行Spearman和Pearson相关分析，结果如表2 。各时段径流量与降水量相关系数均在0.91以上，均为显著相关，即径流量主要由降水量决定。各丰枯时段径流系数与径流量的相关性总体大于与降水量的相关性，在2002年前径流系数与降水量的相关系数较小，为0.50～0.90；2003年后均达到0.96以上，与径流量相关性基本一致，表明2003年后区域水循环平衡调节能力得到了有效改善，自然生态系统响应性增强。

表2 各时段径流系数相关性分析Table 2 Correlation analysis of runoff coefficient in different periods

3.4 周期分析

Morlet小波分析结果表明，径流系数遵循降水量的周期变化。图6为降水量、径流系数小波方差。小波方差反映了降水、径流系数时间序列的波动能量随时间尺度(a)的分布情况。由图6可见：降水量和径流系数主、次周期基本一致，主周期均为22 a左右特征时间尺度，次周期降水量是8 a和4 a、径流系数是9 a和5 a左右特征时间尺度。以降水量为例，分析各特征时间尺度下丰枯变化特点与多年平均周期。

图6 降水量和径流系数小波方差Fig.6 Wavelet variances of precipitation and runoff coefficient

图7为降水量主周期22 a与第1次周期8 a特征时间尺度的小波实部曲线，正值表示降水量偏丰，负值表示降水量偏枯。由图7可知：在22 a左右特征时间尺度下，降水量大约经历了4个周期的丰枯交替变化，平均周期为14～15 a。在8 a左右特征时间尺度下，年降水量经历了大约10次较为显著的丰枯循环交替。根据22 a左右特征时间尺度，丰水期约从2015年开始，至2022年左右结束，根据次周期8 a左右特征时间尺度，约在2020年开始进入丰水期，至2022年左右结束。2020—2022年为主、次周期中丰水期的重合期，期间极易发生极端强降水，尤其是降水量和径流系数均较大的7月份，径流量将处于偏多态势，里下河腹部地区将面临较严峻的防汛形势。

图7 降水量22 a和8 a特征时间尺度小波实部过程线Fig.7 Wavelet real part processes of 22 a and 8 a characteristic time scale of precipitation

4 结 论

本文对1961—2018年江苏里下河腹部地区水循环和自然生态系统特征的径流系数进行了研究，其结果表明：

(1)径流系数年内、年际变化均有其独特的区域性特点。径流系数年内变化不仅与降水量年内分配和极不均匀有关，还与平原水网地区农作物生长期以及人为活动等密切相关。径流系数年际变化随着降水量丰枯而变化，其变化剧烈程度与里下河腹部地区经济社会发展、自然环境建设与生态系统保护的进程相一致。

(2)径流系数与降水量的主、次周期基本一致，主、次周期均在2020—2022年为丰水期，未来极易发生极端强降水，尤其是年降水量较集中的7月份；径流系数偏大，径流量将处于偏多态势，里下河腹部地区将面临较严峻的防汛形势。因此，积极采取切实可行的对策和措施，应对可能出现的暴雨洪涝灾害是当务之急。

(3)径流系数的变化规律对防洪除涝抗旱具有更直接的指导意义。在同样历时、降水强度等自然因素条件下，径流系数越小，产流量越小，即自然植被和生态环境的水源涵养能力与调节平衡能力增强，流域面临的防洪抗旱压力相对较小。因此，加强区域生态系统建设和自然环境保护具有极重要的现实意义和实用价值。