第二松花江流域暴雨洪水演變規(guī)律分析

李成林，廖衛(wèi)紅，張?zhí)O蘋,3，薛志春，黃曉敏

(1. 西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；4.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430072)

第二松花江流域是我國(guó)重要的老工業(yè)基地和糧食主產(chǎn)區(qū)，也是洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生的地區(qū)[1]。該流域的洪水主要由暴雨形成，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展、人口不斷增多，導(dǎo)致河道基礎(chǔ)信息、土地利用等流域下墊面狀況發(fā)生了劇烈變化，且流域內(nèi)還修建了大量水利工程，對(duì)暴雨產(chǎn)生的洪水過程也帶來了顯著影響[2-4]。隨著旱澇災(zāi)害發(fā)生的頻次明顯加大，已嚴(yán)重威脅到流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全[5,6]。因此，開展第二松花江流域暴雨洪水變化特征規(guī)律的研究，為流域防洪度汛和工程防洪利用提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。李峰平[7]利用Mann-Kendall等方法對(duì)松花江流域水文氣象要素變化特征進(jìn)行分析，并通過徑流對(duì)降水和蒸散發(fā)的敏感性方法定量地評(píng)估了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)流域水文水資源的影響；王彥君等[8]用線性趨勢(shì)分析、累積距平等方法，對(duì)松花江流域內(nèi)4個(gè)不同區(qū)段1955～2010年徑流量序列進(jìn)行分析，揭示了徑流量在各區(qū)段呈現(xiàn)不同的規(guī)律并定量估算了不同階段降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響程度；于德萬等[9]根據(jù)第二松花江洪水峰型、洪量和峰現(xiàn)時(shí)間等實(shí)際數(shù)據(jù)研究了洪水成因及特征，并提出了相應(yīng)防洪對(duì)策。

本文以第二松花江豐滿以上流域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過該流域詳實(shí)的水文資料，對(duì)歷史暴雨、歷史洪水的特點(diǎn)及暴雨洪水相關(guān)關(guān)系趨勢(shì)分析，定性說明了暴雨洪水的演變規(guī)律，對(duì)流域未來進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)具有重要參考價(jià)值。

1 流域概況

第二松花江流域位于吉林省中南部地區(qū)，分布在東經(jīng)125°18′～128°45′和41°40′～44°05′，該流域集水面積為42 960 km2。第二松花江由二道江和頭道江匯流而成[10]。二道江為主源，發(fā)源于長(zhǎng)白山天池，海拔達(dá)2 691 m。第二松花江豐滿以上流域圖如圖1所示，其河系呈葉狀，主要支流有輝發(fā)河、飲馬河、拉法河等。該流域下游與飲馬河交匯，進(jìn)入平原區(qū)，河床開闊，而后又與三岔河匯嫩江后進(jìn)入松花江。該流域位于東亞大陸邊緣，屬寒溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)。降水量年內(nèi)分布不均，且流域降水量南北差異大，南部降水量可比中部高達(dá)200～300 mm。流域地勢(shì)變化顯著，高程自東南河向西北遞減，因而上下游溫差也較大，平均氣溫由東南向西北呈增加趨勢(shì)。流域內(nèi)現(xiàn)有大中型水庫10余座，大型水庫包括海龍、白山、紅石和豐滿，小型水庫、塘壩等有上千座。土地利用方面，河源地區(qū)有部分原始森林；紅石、白山水庫以上區(qū)域森林植被較好，以次生林為主；輝發(fā)河和拉法河流域耕地較多。

圖1 第二松花江豐滿以上流域水系圖Fig.1 Map of upstream part to Fengman Reservoir in Second Songhua River basin

2 暴雨和洪水特征

2.1 暴雨特征分析

第二松花江流域暴雨、大暴雨的發(fā)生較為普遍，強(qiáng)降雨造成洪水暴發(fā)，由于流域的地形地貌及前期連續(xù)降雨使地面濕潤(rùn)，為該流域的洪水暴發(fā)創(chuàng)造了有利條件，使得雨水迅速匯集形成暴雨洪水。

2.1.1 暴雨特點(diǎn)

暴雨是第二松花江流域的主要災(zāi)害性天氣過程之一，往往是引起洪澇災(zāi)害的直接原因[11]，影響嚴(yán)重的暴雨會(huì)給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來重大損失。由于流域地形變化較大，從上游至下游，地形依次為山地、淺山區(qū)和丘陵平原區(qū)，因此對(duì)于流域不同區(qū)段形成大暴雨的成因也是不同的，主要成因包括臺(tái)風(fēng)、冷鋒、低壓和氣旋[12]。

第二松花江豐滿以上流域的暴雨多發(fā)生在7月至8月下旬，且大范圍暴雨只出現(xiàn)在7、8月，區(qū)域性和大范圍大暴雨、特大暴雨出現(xiàn)較少，只出現(xiàn)在6-9月。據(jù)統(tǒng)計(jì)6-9月發(fā)生暴雨次數(shù)占全年總數(shù)的90%以上。歷史上各級(jí)各類暴雨均以7月份最多，說明夏季是豐滿以上流域全年中降水量最多、最集中的時(shí)期。

2.1.2 暴雨年際變化

為了解暴雨趨勢(shì)特征，對(duì)1956-2010共55年的暴雨日數(shù)進(jìn)行區(qū)域趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)分析，暴雨日數(shù)[13]為測(cè)站平均每年日雨量大于等于50 mm的累積降雨日數(shù)，通過趨勢(shì)分析得到年暴雨日數(shù)距平分布。從圖2年暴雨日數(shù)距平分布來看，豐滿以上流域地區(qū)暴雨的年分布差異較大，55年來總體呈上升趨勢(shì)，上升趨勢(shì)為0.018 8 d/a。且流域年暴雨日數(shù)變化可明顯分為幾個(gè)階段：其中，1966-1979年基本上都是負(fù)距平，1980-2006年以正距平為主，2007年以后均為負(fù)距平。因此，暴雨的年際變化特征為：1966-1979年之間暴雨較少，1980-2006年暴雨進(jìn)入一個(gè)比常年偏多且逐漸增多的階段，2007年之后年暴雨日數(shù)有減少的趨勢(shì)。在20世紀(jì)60年代正距平與負(fù)距平基本上是持平的，可認(rèn)為在這段時(shí)間中總暴雨日數(shù)與常年值相當(dāng)。

圖2 暴雨各年發(fā)生次數(shù)距平分布圖Fig. 2 Anomaly distribution of annual occurrence times of storm

2.2 洪水特征分析

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，第二松花江流域降水年內(nèi)集中、年際變化大，是洪災(zāi)多發(fā)地區(qū)，洪災(zāi)發(fā)生頻次在全國(guó)七大江河中位于前列。資料統(tǒng)計(jì)表明，近百年松花江流域出現(xiàn)了4個(gè)較為明顯的旱澇周期，旱澇變化趨勢(shì)與降雨和年徑流豐枯變化趨勢(shì)基本相應(yīng)。且從地域來看，洪水災(zāi)害對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響最大的主要集中在中、下游地區(qū)，包括松嫩平原、三江平原及多座中心城市，這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)密集，人口集中，是我國(guó)重要的工業(yè)基地和糧食產(chǎn)業(yè)基地。因此了解洪災(zāi)特點(diǎn)，對(duì)洪災(zāi)做出預(yù)測(cè)，對(duì)于科學(xué)指導(dǎo)流域防洪調(diào)度及減少流域經(jīng)濟(jì)損失具有重大意義[14,15]。以下將從時(shí)間空間上對(duì)洪水特征進(jìn)行展開分析。

2.2.1 洪水發(fā)生時(shí)間及過程

豐滿以上流域的洪水由暴雨形成，暴雨的大小和走向決定了洪水的量級(jí)和過程形態(tài)[16]。大洪水一般發(fā)生在6-9月，尤以7、8月為多，且量級(jí)較大。豐滿實(shí)測(cè)前9位大洪水均發(fā)生在7、8月份，其中7月份2場(chǎng)，8月份7場(chǎng)。豐滿入庫最大日流量為16 700 m3/s(2010年7月29日)，其次為15 800 m3/s(1995年7月30日)，而發(fā)生在6、9月份洪水的量級(jí)均不算太大，實(shí)測(cè)的豐滿最大日流量都在5 100 m3/s以下，白山、豐滿洪水發(fā)生情況詳見表1。

表1 白山及豐滿洪水發(fā)生情況統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of flood occurrence in Baishan and Fengman reservoir

白山、豐滿水庫的洪水過程多樣，既有單峰型，也有雙峰及多峰洪水發(fā)生。如1953、1957、1960年洪水為單峰型洪水。單峰型洪水過程一般都是陡漲陡落，一次洪水總歷時(shí)7～11 d左右。白山洪水漲水歷時(shí)1～ 2 d，洪峰持續(xù)時(shí)間3h左右；豐滿洪水漲水歷時(shí)2～ 3 d，洪峰持續(xù)時(shí)間12 h左右，落水歷時(shí)5～8 d。由于不同天氣系統(tǒng)組合影響，本流域大暴雨有短時(shí)期內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)的情況，因而在15 d內(nèi)雙峰型洪水也時(shí)常發(fā)生，從豐滿水庫實(shí)測(cè)前9位洪水看，有5場(chǎng)洪水為雙峰型，分別為1951、1964、1975、1991、1995年洪水。其中1964、1995年洪水為主峰在前型，1951、1991、1975年洪水為主峰在后型，雙峰洪水總歷時(shí)一般14～19 d，兩峰相隔6～8 d。白山、豐滿水庫雙峰洪水特征統(tǒng)計(jì)分別見表2、表3。

表2 白山雙峰洪水特征表Tab.2 Flood characteristics of Baishan reserviordouble peak

從表2、3可以看出：白山水庫雙峰型洪水的次峰流量1995年特別突出，大約相當(dāng)于20年一遇洪水；其他雙峰型洪水的次峰流量均在3 500 m3/s以下，僅相當(dāng)于洪峰均值的水平；而豐滿水庫雙峰型洪水的次峰流量量級(jí)都不突出，最大的1991年次峰也僅相當(dāng)于10年一遇洪水。

表3 豐滿雙峰洪水特征表Tab.3 Flood characteristics of Fengman reserviordouble peak

注：表中流量為最大日值。

2.2.2 不同時(shí)段洪水洪量組成

豐滿水庫的洪水是由白山以上和白山～豐滿區(qū)間洪水組合而成。對(duì)1951、1953、1957、1960等9年的洪水年份在不同時(shí)段(3、7、11、15 d)豐滿、白山及白山～豐滿區(qū)間的洪量以及各區(qū)洪量占豐滿水庫的比例。由資料可知，三個(gè)分區(qū)的洪量整體趨勢(shì)隨洪水年份的遞增而增加，其中，白山洪量與白山～豐滿區(qū)間洪量分別對(duì)豐滿洪量比例分布具體見圖3。

從圖3可以看出：從3 d洪量到15 d洪量以白山～豐滿區(qū)間為主的洪水居多，如1951、1953、1964、1986、1991年洪水，白山～豐滿區(qū)間洪量占豐滿水庫的59.6%～76.1%，均大于區(qū)間面積比55.3%，白山以上僅占豐滿水庫的23.9%～40.4%；以白山以上來水為主的上游型洪水較少，如1960年洪水，白山以上洪量占豐滿水庫的53.9%～59.2%左右，大于白山面積比44.7%；1995年洪水比較特殊，7 d以內(nèi)白山～豐滿區(qū)間略大，白山以上7 d洪量占豐滿水庫的40%(小于面積比)，而15 d洪量的第二場(chǎng)洪水則主要來自白山以上，白山以上占豐滿水庫的比例高達(dá)65.7%(大于面積比)。因而導(dǎo)致白山1995年11、15 d洪量的量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他年份。

圖3 豐滿水庫大水年不同時(shí)段洪量組成比例圖Fig.3 The proportion of flood composition in different periods of the flood year

綜上可知，第二松花江豐滿以上流域的洪水多由暴雨形成，且洪量主要集中在白山～豐滿區(qū)間，其中包括了五道口以上流域的降水總和，為進(jìn)一步了解該流域洪水形成過程，就暴雨和洪水關(guān)系展開深入研究。

3 暴雨洪水關(guān)系分析

洪水形成的過程有許多因素的影響，起初經(jīng)常由氣象水文因素，如降雨、蒸發(fā)、特殊氣候等影響[17,18]，在第二松花江豐滿以上流域中暴雨是形成洪水的一個(gè)重要因素。但隨著社會(huì)的發(fā)展，人類活動(dòng)頻繁，對(duì)流域下墊面產(chǎn)生很大程度的改變，進(jìn)而影響著洪水過程的發(fā)展。因此，在研究暴雨洪水關(guān)系中，人類活動(dòng)的影響不可忽視。

3.1 Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法(下簡(jiǎn)稱M-K檢驗(yàn))[19,20]是世界氣象組織推薦的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，該檢驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間序列分析不需要樣本服從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，計(jì)算比較簡(jiǎn)單，適合水文、氣象等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)分析。

對(duì)于任意時(shí)間序列Y=(Y1,Y2,…,Yn)，先確定所有對(duì)偶值(Yk,Yj,j>k)中Yk

(1)

其中

式中：當(dāng)n大于10時(shí)，Z近似服從保準(zhǔn)正態(tài)分布；Var(τ)為方差；n為序列長(zhǎng)度；t為時(shí)間序列。

原假設(shè)為該序列無趨勢(shì)，采用雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)，在給定的置信水平α下，在生態(tài)分布表中查得臨界值Zα/2，若|Z|≤Zα/2，則原假設(shè)成立，說明時(shí)間序列無明顯變化趨勢(shì)；且當(dāng)Z>0時(shí)無明顯上升趨勢(shì)，Z<0時(shí)無明顯下降趨勢(shì)。反之，原假設(shè)不成立。

3.2 洪峰和徑流變化分析

根據(jù)已有的1956-2006年的雨量站資料和水文站資料，通過M-K檢驗(yàn)方法，對(duì)豐滿水庫55年的入庫洪量和年降雨量進(jìn)行趨勢(shì)分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 豐滿以上流域1956-2006年各站平均年降雨及年徑流趨勢(shì)變化圖Fig.4 Average annual rainfall and annual runoff trend of each station in upstream part to Fengman reservoir in 1956-2006

由趨勢(shì)性分析可知，1956-2006年徑流kendall檢驗(yàn)結(jié)果為-2.08，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且豐滿年徑流下降斜率大于各站平均總降雨，因此徑流下降趨勢(shì)比降雨更為明顯，可認(rèn)為除氣候因素外，人類活動(dòng)對(duì)徑流有一定的影響。

同樣的，利用M-K檢驗(yàn)方法對(duì)豐滿水庫1956-2006年入庫洪峰趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5，可知，洪峰也有一定下降趨勢(shì)，可以認(rèn)為人類活動(dòng)和水利工程建設(shè)對(duì)徑流和洪水影響明顯，人類取用水導(dǎo)致徑流減小，大量水利工程特別是中小水利工程對(duì)洪水的削峰和攔蓄具有明顯的效果。

圖5 豐滿水庫1956-2006年入庫洪峰趨勢(shì)變化圖Fig.5 Trend of flood peak in Fengman reservoir in 1956-2006

還可進(jìn)一步分析得知，豐滿水庫歷史上發(fā)生大于12 000 m3/s洪水有1856、1909、1953、1957、1960年，而1953、1957、1960年相距很近并且是逐漸減小可視為在同一周期內(nèi)。而1856、1909、1953年各相距50年，1960年以后尚未出現(xiàn)大于12 000 m3/s的洪水，故可以認(rèn)為尚存在50年的中周期。1953年實(shí)測(cè)洪水為1956年以來最大洪水，分析為100年一遇，即有100年的大周期。由1937-1990年實(shí)測(cè)資料分析，存在約4年的小周期，1937-1990年54年中出現(xiàn)12個(gè)過程期，其中相隔4年的有7個(gè)，占58%，出現(xiàn)7年的2個(gè)，5、3、2年的各一個(gè)。出現(xiàn)大于均值洪水的機(jī)遇，連續(xù)出現(xiàn)兩年的有4次，連續(xù)出現(xiàn)3年的有2次，不連續(xù)只出現(xiàn)1年的有7次，連續(xù)出現(xiàn)最長(zhǎng)年的為4年，只有1次。即在25年超均值洪水中不連續(xù)和連續(xù)2年的占25年的58%，其機(jī)遇為77%，在連續(xù)2年中，第一年小第二年大的機(jī)遇占75%。

3.3 場(chǎng)次洪水趨勢(shì)分析

為更好的研究暴雨和洪水的相關(guān)關(guān)系，將豐滿以上流域分為3個(gè)單元分區(qū)進(jìn)行相關(guān)分析，選取3個(gè)主要水文站，包括豐滿水文站、白山水文站和五道溝水文站作為分區(qū)節(jié)點(diǎn)，則3個(gè)分區(qū)為豐滿—白山—五道溝區(qū)間、五道溝以上、白山以上，根據(jù)1953-2010年歷史洪水資料對(duì)3個(gè)分區(qū)的場(chǎng)次洪水次降雨量和次洪量趨勢(shì)分別進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 豐滿-白山-五道溝區(qū)間場(chǎng)次洪水次降雨量和次洪量趨勢(shì)分析Fig.6 Trend Analysis of sub-rainfall and sub-flood volume in Fengman-Baishan-Wudaogou reservoirinterval

由圖6的豐滿-白山-五道溝區(qū)間場(chǎng)次洪水次降雨量和次洪量趨勢(shì)圖可知，次降雨量的kendall檢驗(yàn)結(jié)果為1.56，次洪量的kendall檢驗(yàn)結(jié)果為1.18，兩者均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明確。因趨勢(shì)線斜率相近，可知場(chǎng)次洪水次降雨量和次洪量變化趨勢(shì)較為同步。

圖7 五道溝以上流域場(chǎng)次洪水次降雨量和次洪量趨勢(shì)分析Fig.7 Trend Analysis of sub-rainfall and sub-flood volume in upstream part to Wudaogou reservoirinterval

由圖7的五道溝以上流域場(chǎng)次洪水次降雨量和次洪量趨勢(shì)圖可知，次降雨量的kendall檢驗(yàn)結(jié)果為0.41，次洪量的kendall檢驗(yàn)結(jié)果為0.26，兩者均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但因趨勢(shì)線斜率相差近2倍，可知五道溝以上流域場(chǎng)次洪水次洪量比次降雨量變化趨勢(shì)小較多，這與該區(qū)興建水利工程數(shù)量較多有關(guān)，導(dǎo)致對(duì)洪量的影響較大。

圖8 白山以上流域場(chǎng)次洪水次降雨量和次洪量趨勢(shì)分析Fig.8 Trend Analysis of sub-rainfall and sub-flood volume in upstream part to Baishan reservoirinterval

同理，可知白山以上流域的場(chǎng)次洪水次降雨和次洪量趨勢(shì)情況，次降雨量和次洪量的kendall檢驗(yàn)結(jié)果分別為0.99和0.80，兩者均為上升的趨勢(shì)，與豐滿-白山-五道溝區(qū)間狀況類似，次降雨量和次洪量變化趨勢(shì)較為同步，受水利工程影響不大。

綜上可知，3個(gè)分區(qū)場(chǎng)次洪水次降雨量和次洪量都有增大趨勢(shì)，但趨勢(shì)都不明確。水利工程等人類活動(dòng)在影響下墊面條件的同時(shí)，也改變了流域的產(chǎn)匯流規(guī)律，其中五道溝以上流域洪量變化趨勢(shì)比降雨量變化趨勢(shì)小較多，這與該區(qū)水利工程建設(shè)對(duì)洪量影響較大有關(guān)，其次是豐滿-白山-五道溝區(qū)間，白山以上流域由于受水利工程影響不大，因此次降雨量和次洪量趨勢(shì)較為同步。

4 結(jié) 語

根據(jù)收集的第二松花江流域相關(guān)的水文資料，對(duì)流域的歷史暴雨、歷史洪水變化特征及變化趨勢(shì)進(jìn)行深入分析，受下墊面條件變化的影響，使得暴雨洪水兩者關(guān)系也發(fā)生一系列改變。通過對(duì)流域降雨洪量洪峰等水文要素的分析，初步可得出以下結(jié)論：

(1)在1956-2010年中，歷史暴雨量有先減小后增大之后回落的趨勢(shì)，但該55年中暴雨發(fā)生整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

(2)在1953-2010年中，歷史洪水多發(fā)生在7、8月份，且不同時(shí)段的洪量分布中以白山～豐滿區(qū)間為主的洪水居多。

(3)由豐滿流域次降雨量和次洪趨勢(shì)變化可知，次洪和暴雨呈同步上升的趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明確。

(4)白山以上流域和豐滿～白山～五道溝區(qū)間的次降雨量和次洪量變化趨勢(shì)較為同步，受水利工程影響不大；而五道溝以上流域的次洪上升趨勢(shì)比次降雨量變化幅度小較多，這與該流域興建中小型水利工程數(shù)量很多有關(guān)，同時(shí)也是人類活動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)果。

本文通過第二松花江流域?qū)Ρ┯旰樗厔?shì)分析，只能定性的說明興建水利工程等人類活動(dòng)對(duì)流域洪水演變過程有一定的影響，且對(duì)于不同區(qū)域以及不同量級(jí)的暴雨洪水的影響程度是不同的，為此，今后應(yīng)該繼續(xù)對(duì)洪水變化進(jìn)行深入研究，定量分析。并且面對(duì)未來人類活動(dòng)和洪水災(zāi)害互相制約、互相影響，如何描述和衡量這種影響，正確合理運(yùn)用工程措施和非工程措施，避免對(duì)洪水的盲目處理帶來的反噬效應(yīng)是未來流域防洪的方向和重點(diǎn)。

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