鄱阳湖流域水分盈亏时空变化特征分析

涂 安 国1，2，李 英1，聂 小 飞1，莫 明 浩1

(1.江西省水土保持科学研究院 江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029； 2.河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098)

摘要：根据1960～2014年鄱阳湖流域13个气象站点的气象资料，采用FAO推荐的Penman-Monteith法、Mann-Kendall趋势检验法和相关分析法，研究鄱阳湖流域水分盈亏量时空分布变化趋势及其与气象因子的关系。研究结果表明：鄱阳湖流域近55 a来水分盈亏量多年平均盈余为565.88 mm，空间上呈由西北向东北和由西南向东北逐渐递增的趋势；水分盈亏量年内分布呈秋季亏缺，其他季节盈余，水分盈余量表现为春季>夏季>冬季>秋季；在研究时段内流域各地水分盈余量均呈增加趋势，但各季节水分盈余量变化存在一定的差异性，其中春季和秋季呈减少趋势，但趋势不明显，而夏季和冬季均呈显著的增加趋势(p<>

关 键 词：潜在蒸发量； 水分盈亏; 时空变化； 鄱阳湖流域

全球气候变暖对我国不同区域的降水和水文循环过程产生了不同程度的影响，其中旱涝灾害发生频率加快是其中的重要表现之一[1-3]。水分盈亏量为降水和蒸发的共同作用，能够反映地区水量收支平衡，是气候学上决定区域干旱与湿润的重要指标。由水分盈亏量衍生的标准化降水蒸散指数[4]，在区域干旱监测评估、干旱时空变化特征分析中得到广泛的应用[5-7]。许多学者对我国部分流域和地区近几十年来的水分盈亏量的变化特征和原因已有了较深入的研究[8-10]，但在气候变暖背景下，各流域水分盈亏量的变化趋势及成因，需要有针对性的进一步深入研究和分析。

鄱阳湖流域多年平均降水量为1 632 mm，降雨丰沛，但降水时空分布不均，具有明显的季节性和地域性，不仅洪涝灾害频繁出现，干旱灾害也较严重。近年来，不少学者对鄱阳湖流域干旱的气候特征进行研究，揭示了气候变化对流域内干旱变化的影响。樊任华等[11]和洪兴骏等[12]基于标准化降水指数，分析了江西夏季干旱时空分布特征。陈永勤等基于Copula函数分析了鄱阳湖流域水文干旱频率[13]。闵骞等根据水文实测蒸发总量与降水总量的比值定义干旱指数，并结合历史记载资料，分析了鄱阳湖区近1 000 a来干旱的气候演变特征[14]。孙鹏等基于马尔科夫链模型研究了鄱阳湖流域水文气象干旱[15]。由此可知，以往的研究工作中多选用降水量或蒸发量作为衡量流域干旱的指标，而干旱是降雨与蒸发共同作用的结果，因此需要选择合理的综合干旱指标来研究鄱阳湖流域的干旱变化特征。本次研究基于鄱阳湖流域内气象台站观测数据和Penman-Monteith公式计算的潜在蒸散量，分析了流域水分盈亏量的时空格局及其变化趋势，旨在为认识该地区干旱发生机理提供理论依据。

1 数据与方法

1.1 数据资料

本文气象台站观测数据来自中国气象数据网(http://data./site/index.html)，选用鄱阳湖流域内13个气象站(图1)1960～2014年的逐日最高气温、日平均气温、日最低气温、日平均相对湿度、水汽压、日照时数、日平均风速及日降雨量等气象资料，分别计算出各气象站的日潜在蒸散量，然后进行月、季、年潜在蒸散量和降雨量的统计。季节的划分采用气象季节，即3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月至次年2月为冬季。

图1 研究区域及气象站点分布示意

1.2 计算方法

(1) 水分盈亏量计算方法。水分盈亏量为降水量和潜在蒸散量的差值，即

K=P-ET0

(1)

式中,K为水分盈亏量，mm；P为降水量，mm；ET0为潜在蒸散量，mm。ET0采用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算，即

(2)

式中，ET0为潜在蒸散量，mm/d；Rn为净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量密度，MJ/(m2·d)；T为平均气温，°C；u2为2 m高处风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；Δ为饱和水汽压斜率，kPa/℃；γ为温度计常数，kPa/℃。

当水分盈亏量K>0 时，水分有盈余，表示气候湿润；当K=0时，表示水分收支平衡；当K<>K值大小反映水分盈亏和气候的干湿程度。

(2) Mann-Kendall趋势分析。Mann-Kendall检验秩次相关系数Z通过下式计算

(3)

式中，统计量S为正态分布，其均值为0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。其S计算如下式

(4)

其中，

(5)

Mann-Kendall秩次相关系数Z与标准临界值进行比较，当|Z|≥1.64和|Z|≥2.32时，分别表示测定序列通过了信度为95%和99%的显著性检验；当Z为正表示增加或上升的趋势，为负时表示减少或下降趋势。

2 结果分析

2.1 水分盈亏量时空分布特征

2.1.1 空间分布特征

以各站点多年平均水分盈亏量为参数，利用ArcGIS10.1的IDW法插值，得出鄱阳湖流域各季节1960～2014年平均水分盈亏量空间分布图(图2)。从图2中可以看出，春季鄱阳湖流域各地水分盈亏状态均为盈余状态，其中广昌站盈余量为469.86 mm，为最大值；遂川站盈余量为221.66 mm，为最小值。夏季除赣州水分亏缺62.90 mm外，其他各地均为盈余状态，其中景德镇站盈余为220.53 mm，为最大值。秋季修水、遂川和宜春等地区为盈余状态，其中遂川盈余量为24.98 mm，为最大值；其他各地均为亏缺状态，其中鄱阳县亏缺量为77.87 mm，为亏缺最大值。冬季整个流域水分盈亏状态均为盈余，其中贵溪站为最大值，遂川站为最小值。总体来说，各地水分盈余量四季变化都呈现: 春季>夏季>冬季>秋季。鄱阳湖流域全年水分盈余量有2个比较明显的极值中心：第一个是以贵溪站为代表的779.61 mm高值中心，位于流域东北方向；第2个是以赣县站为代表的290.53 mm低值中心，位于流域西南方向。可见鄱阳湖流域水分盈亏量的空间分布整体呈现为由西南向东北，以及由西北向东北梯次递增的趋势。这与鄱阳湖流域降水大致从东北向西南递减[16]，而蒸发强度自西北向东南递减相吻合。同时，该空间部分特征也与流域气象干旱特征

图2 1960～2014 年鄱阳湖流域四季水分盈亏量空间分布

分布基本一致[12]。年水分盈亏空间分布较为不均，各站点间变异系数大于0.55，最大与最小的极差大于1 328 mm。

2.1.2 时间分布特征

鄱阳湖流域各月平均水分盈亏量存在显著的差异(见图3)，7～10月呈亏缺状态，其中9月亏缺量最大；其他月份均呈盈余状态，且1～6月水分盈余量呈逐月增加趋势，6月盈余量为全年最大。7～10月出现水分亏缺，是由于该时期为鄱阳湖流域的旱季，降雨量少，气温高且日照数长，蒸发强烈。1～6月水分盈余量逐月增加，这是由于该时期流域由冬季进入春季，降雨量呈逐月增加，多阴雨天气且气候湿润，气温相对较低，蒸发量较少。流域各月间差异极大，各站点各月间变异系数均达1.91以上，最大值与最小值的极差达541.08～1 030.40 mm。

图3 鄱阳湖流域各月水分盈亏量

1960～2014年鄱阳湖流域水分盈亏量多年平均为盈余565.88 mm，其中春季为379.00 mm，夏季为129.074 mm，秋季为-31.75 mm，冬季为88.89 mm。由此可知，除秋季为亏缺外，其他季节均为盈余，其中春季盈亏量最大，各区域水分盈亏量呈显著的年内季节分布特征。

2.2 水分盈亏量变化趋势分析

从表1可以看出，鄱阳湖流域各地1960～2014年水分盈亏量均呈增加趋势，其中吉安、贵溪、景德镇、南昌和樟树增加趋势较为显著(p<>p<>

表1 鄱阳湖流域1960～2014年各站点水分盈亏量

Mann-Kendall检验结果

站点春季夏季秋季冬季全年修水-1．390．77-0．353．02∗∗0．50赣州-0．35-0．13-1．151．91∗0．23吉安0．161．710．642．64∗∗1．93∗广昌-0．410．61-0．412．29∗0．54贵溪0．441．88∗0．231．71∗1．83∗景德镇-0．552．63∗∗0．282．99∗∗1．90∗南昌-0．541．83∗0．542．73∗∗1．87∗南城-0．362．12∗-0．041．96∗1．07鄱阳-0．930．650．582．19∗0．76遂川-1．251．05-1．342．18∗0．02宜春-1．021．71∗-0．251．99∗1．16玉山-1．041．21-0．111．841．02樟树-0．392．12∗1．342．74∗∗2．42∗∗全流域-0．452．09∗-0．092．60∗∗1．48

注：*表示在 5%的水平上显著变化；**表示在1%的水平上显著变化。

水分盈亏量累积距平曲线(图 4)表明，鄱阳湖流域近55 a年水分盈亏量变化可分为如下几个时段(持续期5 a以上)： 1962～1972年、1984～1991年、2002～2009年3个持续下降段；1979～1983年、1992～2002年2个上升段。这表明20世纪60年代水分盈余量偏低，90年代水分盈余量偏高。季节的水分亏损量变化与年水分亏损量变化略有不同，夏季和冬季的水分盈余量变化与年水分亏损量变化基本一致，但春季和秋季的水分盈余量分别在60年代和70年代之后持续增加，至90年代之后又持续减少。

2.3 水分盈亏变化影响因素分析

为探讨鄱阳湖流域水分盈亏量变化的原因，研究分析了水分盈亏量与降雨量、日照时数、相对湿度、水汽压、平均风速、平均气温、日最低气温、日最高气温之间的相关性。从水分盈亏量与气象要素的相关系数(表2)可见，水分盈亏量与最高气温、日照时数呈负相关，上述因素增加有利于潜在蒸散量的增大，从而导致水分盈余量减少；与水汽压、降水量呈正相关，它们增加有利于水分盈余量增加。风速、相对湿度、平均气温的变化对水分盈亏量的影响具有不确定性，其作用是使盈亏量增加还是减少因季节而异。不同气象因子对四季水分盈亏量的影响程度不同，对春季水分亏损量影响较大的是降水、日照时数和气温，夏季是降水、日照时数、气温、相对湿度和风速，秋季是降水、日照数、相对湿度和日最高气温，冬季是平均降水、风速、水汽压和日最高气温，全年是降水、日照时数、水汽压和日最高气温。降水量、日照时数、日最高气温相关系数都通过95%以上显著性检验，表明水分盈亏量与降水量、日照时数、最高气温3个气象要素存在比较密切的联系。

图4 鄱阳湖年水分盈亏量累积距平曲线

表2 鄱阳湖流域水分盈亏量与气象因子相关性分析

季节降水量日照时数风速相对湿度水汽压平均气温日最低气温日最高气温春0．994∗∗-0．713∗∗0．1210．1180．151-0．385∗∗-0．141-0．523∗∗夏0．989∗∗-0．806∗∗-0．456∗∗0．473∗∗0．311∗-0．594∗∗-0．273∗-0．719∗∗秋0．993∗∗-0．780∗∗-0．1350．603∗∗0．462∗∗-0．2140．177-0．575∗∗冬0．994∗∗-0．773∗∗-0．196-0．0030．420∗∗0．0420．394∗∗-0．336∗全年0．992∗∗-0．731∗∗-0．2320．1330．618∗∗-0．110．236-0．404∗∗

注：**表示在1%水平(双侧)上显著相关； *表示在5%水平(双侧)上显著相关。

降水量在夏季和冬季均呈显著的增加趋势(p<>p<>

3 讨 论

鄱阳湖流域近55 a来，水分盈亏状态全年平均为盈余状态，尤其是春季，其水分状态全部为盈余，但秋季呈明显的亏缺状态，水分亏缺年比例达65.45%(见图1)。这主要是由于鄱阳湖流域年降水量丰沛，但降雨年内分配极不均匀，年际变化较为明显。鄱阳湖流域7～10月蒸发量大于降水量，特别是7～8月蒸发量大于降水量的一倍以上，所以若4～6月流域降水量少于平均年同期量的20%以上，则累积效应使秋旱发生[17]。尽管春季水分盈亏状态为盈余，但由于冬季整体盈余量不大，且水分亏缺年比例为14.55%，因此，当冬季降水偏少时，秋旱可持续到来年的初春，形成严重的春旱。如2011年，尽管冬春季水分盈亏基本平衡，但鄱阳湖流域仍发生严重的春夏干旱。同时，这也反映出水分盈亏量若直接用于表征区域干旱状况具有缺陷性，这是由于该指标没有考虑原始土壤含水状态及降雨产流状况。鄱阳湖流域产流系数为0.47～0.71[18]，而产生的径流量不能直接进入土壤缓解旱情。由表4可知，短时间尺度的水分盈亏量值与土壤水分有密切联系。同时，鄱阳湖流域水分盈亏量的空间分布特征与流域气象干旱特征分布基本一致[13]。因而，水分盈亏量可间接反映鄱阳湖流域所面临的农业干旱问题。因此，应对鄱阳湖流域的干旱问题，对地表水资源的合理利用尤为重要，水分盈亏量可以作为流域干旱发生评价的一个重要指标。

表3 鄱阳湖流域1960～2014年各气象因子

Mann-Kendall检验结果

站点降水量日照时数平均风速平均相对湿度水汽压平均气温日最低气温日最高气温春季-0．550．00-7．52∗∗-3．82∗∗0．3493．28∗∗3．59∗∗3．05∗∗夏季1．84∗-4．72∗∗-4．89∗∗-0．48-0．0941．66∗3．89∗∗0．44秋季-0．58-1．55-6．69∗∗-1．47-0．0872．69∗∗2．66∗∗2．09∗冬季2．56∗∗-2．08∗-7．09∗∗-1．451．3142．45∗∗3．41∗∗1．12全年1．13-3．98∗∗-7．83∗∗-1．630．3994．37∗∗5．42∗∗2．51∗∗

注：*表示在 5%的水平上显著变化；**表示在1%的水平上显著变化。

表4 2010～2013年月水分盈亏量与不同深度土壤相对湿度的相关性分析

站点10cm20cm50cm站点10cm20cm50cm南昌站0．620∗∗0．616∗∗0．586∗∗吉安站0．552∗∗0．519∗∗0．435∗∗

注：**表示在1%水平(双侧)上显著相关，土壤相对湿度数据源于中国气象数据网。

鄱阳湖流域水分盈余量夏季和冬季呈显著的增加趋势，而春季和秋季呈较明显的减少趋势。这表明鄱阳湖流域的气象干旱具有明显的季节性特征，春季和秋季具有较为明显的干旱化趋势。这和洪兴骏[12]采用标准化降水指数研究的结果一致，这也说明水分盈亏量在一定程度上可以表征流域干旱变化特征。夏季、冬季水分亏损量增加，将会提高鄱阳湖流域洪涝灾害发生的风险，洪涝和干旱灾害将更加集中和频发。

4 结 论

(1) 近55 a来，鄱阳湖流域水分盈亏量多年平均为盈余565.88 mm，空间分布整体呈由西南向东北、由西北向东北梯次递增的趋势。年内水分盈亏量分布呈秋季亏缺，其他季节盈余，盈余量总体表现为春季>夏季>冬季>秋季。因此，鄱阳湖流域水分盈亏量空间、时间分布均具有很强的不均匀性。

(2) 近55 a来，鄱阳湖流域各地水分盈亏量均呈增加趋势，其中吉安、贵溪、景德镇、南昌和樟树增加趋势较为显著(p<>p<>

(3) 鄱阳湖流域水分盈亏量与降雨、日照时数和日最高气温关系密切，流域年水分盈余量的增加是由于夏季和冬季降水量的增加、日照数和风速的减少。

(4)水分盈亏量可以作为鄱阳湖流域干旱发生评价的一个参考指标。

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(编辑：刘 媛)

Spatial and temporal variations of water budget in Poyang Lake watershed

TU Anguo1,2, LI Ying1, NIE Xiaofei1, MO Minghao1

(1.Jiangxi Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Prevention, Jiangxi Institute of Soil and Water Conservation, Nanchang 330029, China； 2.College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract：Based on the meteorological data of 13 stations in Poyang lake watershed from 1960 to 2014, the spatial and temporal variation characteristics of seasonal and annual water budget and its influential meteorological factors were analyzed with Penman-Monteith equation recommended by FAO, Mann-Kendall statistical method and correlational analysis method. The results show that the annual average water surplus is 565.88 mm, which shows a gradually increasing distribution from southwest to northeast and northwest to northeast; in the annual scale, the water budget is deficit in autumn and surplus in other seasons, especially, the seasonal water surplus value showing a descending order of spring, summer, winter, and autumn. The water surplus quantity increases in the watershed throughout the study period, however, the seasonal water surpluses have some differences. In particular, water surplus displays a slight downward trend in spring and autumn and there is a significantly upward trend in summer and winter (p< 0.05).="">The relationship between water budget and rainfall, sunshine hours, daily maximum temperature are very close. The increasing cause of annual water surplus is the increase of summer and winter rainfall and the decrease of sunshine hours and wind speed.

Key words：potential evaporation; water budget; spatial and temporal variation; Poyang Lake watershed

收稿日期：2016-10-26

基金项目：水利部公益性行业项目(201401051)；江西省重点科技成果转移转化计划项目(20161BBI90041)

作者简介：涂安国，男，工程师，博士，主要从事流域生态环境研究工作。E-mail:[e-mail]

文章编号：1001-4179(2017)15-0035-05

中图法分类号：P

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.15.008