熱帶島嶼南渡江洪水歸槽影響下防洪能力分析

陳成豪，黃泓杰，李龍兵，肖才榮，邢李桃，朱麗蓉，葉長青

(1.海南省水文水資源勘測局，?？?570203；2.海南大學(xué) 環(huán)境與植物保護學(xué)院，海口 570228；3.海南大學(xué) 旅游學(xué)院，?？?570228)

0 引 言

在氣候變化和人類活動影響下，極端氣候事件頻頻發(fā)生。20世紀(jì)90年代以來，中國眾多河流幾乎年年出現(xiàn)重現(xiàn)期超20年一遇甚至50年一遇的洪水[1]。抵御洪水的侵害方面除了加強流域管理等非工程措施外，修建提防、水庫等水利工程，仍是目前對洪水進行調(diào)蓄的主要手段[2]。但防洪工程減少了滯洪容積，增加了洪水在主河槽運動的能量，從而引起下游斷面漲水過程和洪峰流量增大、水位增高，而退水過程流量減小、水位降低，這種現(xiàn)象被稱為洪水歸槽。洪水歸槽使洪水形成和變化規(guī)律發(fā)生了變異，影響了洪水發(fā)生的頻率和強度[3]。

防洪能力指在一定的經(jīng)濟、技術(shù)和社會發(fā)展條件下，通過防洪工程和非工程措施，某區(qū)域能夠經(jīng)受住多大頻率的洪水而不至于使防洪保護區(qū)發(fā)生災(zāi)害[4]。由于流量與洪水頻率之間的關(guān)系相對穩(wěn)定，防洪能力的大小常用實測河道洪峰流量對應(yīng)的洪水頻率表示。受變化環(huán)境如洪水歸槽等因素影響，流域徑流產(chǎn)生的背景一致性已經(jīng)不在，傳統(tǒng)水文頻率推求設(shè)計洪水將面臨失真風(fēng)險。因此，洪水歸槽影響下防洪能力評價的核心就是非一致洪水序列頻率計算問題。國內(nèi)對非一致性水文序列頻率計算作了很多有益的研究[5-8]，較常用的方法是基于還原/還現(xiàn)途徑。如呂忠華等[8]提出的類似還原計算的方法，將出槽洪水進行歸槽分析，使得洪水序列具有一致性。對非一致性水文序列，可建立基于時變統(tǒng)計參數(shù)進行估計洪水設(shè)計值[9]；Waylen和Woo[10]提出混合分布模型和基于條件概率的分析方法。國外非一致性洪水頻率分析方法主要有：時變矩，局部似然法，分位數(shù)回歸和混合分布模型等[11]。這些方法雖然已經(jīng)在不同的流域得以應(yīng)用并取得一定的成果，但也存在一定不足，例如時變參數(shù)估計法[9]通過線性趨勢來表征水文頻率分布的參數(shù)(均值、方差)隨時間的變化過程，但由于水文頻率分布形式的復(fù)雜性，目前推導(dǎo)考慮非線性時變趨勢的參數(shù)解析公式還比較困難。小波分析具有強大的多尺度分辨功能，能識別序列中各種尺度的頻率成分，且處理非線性、非平穩(wěn)序列的能力比較強，相對于如今國外常用的時變參數(shù)估計法更便于處理洪水歸槽引起的非一致性洪水序列[12]。然而小波分析在非一致性洪水序列的水文頻率計算方面尚沒有得到廣泛應(yīng)用。

南渡江屬放射狀的熱帶海島水系河流。河流沿著中高周低的地勢放射奔流入海，河短坡陡，難于留住降水。流域內(nèi)臺風(fēng)較頻繁，暴雨強度大，洪水來勢迅猛，暴漲暴跌，峰高、過程線尖瘦、洪量高度集中等。上游龍州河，源出海南屯昌縣黃竹嶺東南麓，南流經(jīng)南呂農(nóng)場后折向東北，進入定安縣后拐向北流，于定安縣城鎮(zhèn)西匯入南渡江，長約99 km。流域內(nèi)很少有湖泊水庫進行調(diào)蓄洪水，洪水由兩岸洪泛區(qū)進行調(diào)蓄。隨著沿岸人口的增加和經(jīng)濟的發(fā)展，兩岸防洪堤逐年興建并加高加固，致使遭遇一般洪水或較大洪水時洪泛區(qū)原有的蓄滯洪水功能逐步喪失，洪水歸槽下泄，洪峰增大。繼2008年10月發(fā)生大洪水后，2011年9月又遭遇較大洪水襲擊。短短10年左右時間，龍州河下游已遭遇2～3次近50年一遇的特大洪水災(zāi)害。本文將小波分析的多頻分辨功能用來識別非一致性洪水序列的確定性成分，對于揭示變化環(huán)境特別是水利工程影響下洪水設(shè)計值響應(yīng)規(guī)律具有重要意義。

1 研究方法

1.1 水文變異診斷系統(tǒng)

水文序列包括確定性成分和隨機性成分。確定性成分包括周期、趨勢和跳躍成分；隨機成分由不規(guī)則的振蕩和隨機影響造成。若水文序列與周期、趨勢和跳躍成分無關(guān)，則它是平穩(wěn)的時間序列，表明整個水文序列具有相同的物理成因，其統(tǒng)計規(guī)律也滿足一致性[3]。否則，水文序列就是非平穩(wěn)的，其統(tǒng)計規(guī)律是非一致的。水文變異診斷的目的就是要推測序列中存在的各種確定性成分，并從水文序列中分離出隨機性成分，從而采用非一致性序列的水文頻率計算方法得到不同時期即過去、現(xiàn)在和未來變化環(huán)境下水文序列的頻率分布，為水利工程規(guī)劃設(shè)計、施工管理提供可靠的水文依據(jù)。

在水文序列變異診斷方法上，針對不同水文序列成分的診斷方法也有所區(qū)別。趨勢推斷一般較為簡單，而跳躍推斷較為復(fù)雜，跳躍發(fā)生的時間以及跳躍的范圍可能由于檢驗方法的不同而得出不同的結(jié)論。謝平[13]提出用于水文序列變異診斷的水文變異診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要考慮了趨勢和跳躍兩種變異形式，由初步診斷、詳細(xì)診斷和綜合診斷三個部分組成，具體方法介紹詳見文獻[13]。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)檢驗方法只能進行單一變異形式的識別，不能從整體上識別與檢驗時間序列變異及其變異程度；跳躍變異中單一檢驗方法有時檢驗結(jié)果不合理、多種檢驗方法常常檢驗結(jié)果不一致的問題。本文應(yīng)用水文變異診斷系統(tǒng)進行水文序列變異診斷。

1.2 非一致性洪水序列頻率計算方法

小波分析(WLT)具有時-頻多分辨率特性，它是一種窗口大小固定但其形狀、時間窗和頻率窗都可改變的時頻局部化分析方法[13]。其特點在于能識別各種尺度的頻率成分，具有強大的多尺度分辨功能，并且時間域與頻率域上同時具有良好的局部性。因此在對非平穩(wěn)信號進行分析時具有很大的優(yōu)勢，能更精確地識別非一致時間序列中的確定性趨勢成分。WLT對信號處理的過程可參考文獻[12]。

對于非一致性洪水序列，基于謝平等[14]提出的非一致性徑流序列分解與合成法的水文頻率計算原理。采用基于小波分析的非一致性洪水頻率計算方法對洪水頻率進行分析。其計算步驟如下：

(1) 采用水文變異診斷系統(tǒng)[13]識別洪水序列是否發(fā)生變異，若沒有變異，則可以直接進行一致性的洪水頻率計算；若發(fā)生了變異，則說明洪水序列是非一致的，需要進行非一致性洪水頻率計算；

(2)對于非一致性洪水序列，采用小波分析對洪水序列的組成成分進行分析，經(jīng)有限次分解最后得到的低頻成分即是洪水序列的確定性趨勢成分，進而得到非一致性洪水序列的隨機性成分；采用非線性函數(shù)對趨勢成分進行擬合，得到非一致性洪水序列在時間域上的確定性規(guī)律；采用P-Ⅲ型頻率曲線對隨機性成分進行頻率分布擬合，得到洪水序列在頻率域上的隨機性規(guī)律；

(3)根據(jù)確定性規(guī)律預(yù)測某個具體時間的確定性成分，利用Monte Carlo法生成滿足統(tǒng)計規(guī)律的純隨機序列，將確定性成分與隨機性成分進行分布合成；

(4)采用傳統(tǒng)的一致性水文頻率計算方法推求合成序列的頻率分布，并推求過去、現(xiàn)狀和未來不同時期和不同頻率的年最大洪峰流量[3]。

2 應(yīng)用實例

2.1 年最大流量序列變異診斷

選用1956-2013年(共58年)南渡江三灘水文站實測年最大流量序列并對其進行洪水歸槽影響下的防洪能力研究。采用Hurst系數(shù)法定量表征時間序列的持續(xù)性或長程相依性，采用R/S分析方法計算Hurst系數(shù)，由最小二乘法求得h=0.553。采用水文變異診斷系統(tǒng)，對三灘站實測年最大流量序列進行檢驗。在第一信度水平α=0.05、第二信度水平β=0.01的條件下，其變異診斷結(jié)果如表1。

表1 南渡江三灘站年最大流量序列變異診斷結(jié)果

注：表格中“-”表示跳躍或趨勢不顯著。

從診斷結(jié)果可以看出(表1)：三灘站年最大流量序列的Hurst系數(shù)值h=0.553，第一Hurst 系數(shù)值置信限hα=0.660，h

2.2 年最大流量小波分解

采用db5正交小波[13]對三灘站年最大流量序列進行Matlab小波分解，得到不同尺度高頻成分d1～d5和低頻確定性成分a5，如圖1所示。

圖1 南渡江三灘站年最大流量小波分解圖

2.3 年最大流量確定性成分?jǐn)M合

根據(jù)小波分解的結(jié)果，三灘站年最大流量序列存在整體趨勢a5。令x=t-1969，根據(jù)最小二乘法，得出趨勢方程Yt,2，即：

Yt,2=0.8x2-38.1x+1 448.7

(1)

如果最大流量序列沒有趨勢變化，且保持相對一致的話，序列的均值將是經(jīng)過直線Yt,2第一點(t=π+1)的一條水平線，其方程為Yt,1，它反映了年最大流量序列變化前的趨勢情況。因此，年最大流量序列變化前后的趨勢差值Yt,2-Yt,1即為南渡江三灘站年最大流量序列的確定性成分[12]：

(2)

根據(jù)式(2)得到南渡江三灘站年最大流量序列趨勢變化如圖2。

圖2 南渡江三灘站年最大流量序列趨勢變化

2.4 年最大流量隨機成分提取

根據(jù)時間序列Xt的分解原理，隨機性成分由St=Xt-Yt，得：

(3)

將確定成分與隨機性成分提取結(jié)果列入表2。

表2 南渡江三灘站年最大流量序列成分提取結(jié)果

綜上求得三灘站年最大流量去除趨勢成分后的隨機序列(圖2)。利用基于Hurst系數(shù)的水文變異分析方法對隨機性成分進行變異診斷，取第一信度水平為α=0.05，對應(yīng)的Hurst系數(shù)置信限分別為hα=0.661，計算得Hurst系數(shù)值為H=0.505，H

2.5 年最大流量隨機性成分的頻率計算

假設(shè)隨機性成分服從P-Ⅲ分布，利用L矩估參法[15]繪制與經(jīng)驗點據(jù)擬合良好的頻率曲線和統(tǒng)計參數(shù)。對三灘站1956-2013年最大流量序列的隨機性成分St進行頻率分析，計算P-Ⅲ型頻率曲線的均值為Ex=1 231.9 m3/s，變差系數(shù)Cv=0.547 2，偏態(tài)系數(shù)Cs=1.094 4，樣本點距與曲線擬合的模型效率系數(shù)R2=98.92%，其計算結(jié)果見表3中的“過去”，頻率曲線如圖3中“過去”所示。

圖3 南渡江三灘站年最大流量頻率曲線

2.6 非一致性年最大流量序列合成計算

采用分布合成的方法，進行非一致性洪水序列的合成計算。首先采用Monte carlo法[14]隨機生成年最大流量合成樣本點據(jù)，并統(tǒng)計大于等于每一個樣本點據(jù)的次數(shù)n，然后用期望值公式計算每個樣本點據(jù)的經(jīng)驗頻率，用L矩估參法[15]對這個樣本序列進行P-Ⅲ型分布頻率曲線計算，其中南渡江年最大流量考慮現(xiàn)狀條件，即2013年條件下合成序列的均值為Ex=1 974.2 m3/s，變差系數(shù)Cv=0.609 2，Cs=1.218 4，樣本點據(jù)與頻率曲線擬合的模型效率系數(shù)為99.62%，其頻率曲線如圖3中“現(xiàn)在”所示，計算結(jié)果見表3中“現(xiàn)在”所示，如果未來4年影響年最大流量形成的趨勢條件與現(xiàn)狀相同，則未來4年條件下合成序列的均值Ex=2 025.3 m3/s，Cv=0.472 0，Cs=0.811 0，樣本點距與頻率曲線擬合的模型效率系數(shù)為R2=99.39%，其頻率曲線如圖3中“未來”所示，計算結(jié)果見表3中的“未來”。

由表3可以看出，相同頻率相同重現(xiàn)期下，南渡江三灘站最大流量呈增長的趨勢，且與過去相比，現(xiàn)狀最大流量增長較快，這是因為南渡江從20世紀(jì)90年代中后期至今開始出現(xiàn)了幾次修堤高潮，加速了洪水歸槽現(xiàn)象的產(chǎn)生。而與現(xiàn)狀相比，未來最大流量有所增長但增長速度與現(xiàn)狀基本一致，說明由歸槽引起的洪水影響程度相比現(xiàn)狀趨于穩(wěn)定?？傊谕l率同重現(xiàn)期情況下，過去、現(xiàn)狀和未來3個時期的洪水量級呈增長趨勢，南渡江堤壩的防洪能力不斷下降，直接威脅著整個流域堤壩防洪和人民生命財產(chǎn)安全，未來南渡江防洪形勢將更加嚴(yán)峻。

2.7 洪水頻率計算結(jié)果比較分析

隨機性成分的頻率計算結(jié)果可以反映過去年最大流量的條件，2013年確定性成分與隨機性成分的合成，可以反映現(xiàn)狀最大流量的形成條件，未來四年的確定性成分與隨機性成分的合成，可以反映未來狀況下年最大流量的形成條件。3個時期的頻率分布曲線如圖3所示，其計算結(jié)果見表3。

表3 南渡江三灘站年最大流量不同時期頻率計算結(jié)果

采用基于小波分析的非一致性洪水頻率計算方法對三灘站1956-2013年年最大流量資料進行水文頻率計算，其多年平均年最大流量在過去、現(xiàn)狀和未來3個時期的評價結(jié)果為：1 231.9、1 974.2、2 025.3 m3/s，說明年最大流量呈增長的趨勢，反映了未來與過去，以及現(xiàn)狀與過去的最大流量形成條件存在差異，變差系數(shù)Cv在過去、現(xiàn)狀和未來3個時期的評價結(jié)果為：0.547 2、0.609 2、0.472 0 m3/s，說明年最大流量在過去和現(xiàn)狀情況下變化幅度增大，在未來會有減小的趨勢，即多年最大洪水值之間的離散程度減弱。偏態(tài)系數(shù)Cs在過去、現(xiàn)狀和未來3個時期的評價結(jié)果為：1.094 4、1.218 4、0.811 0 m3/s，說明年最大流量在過去和現(xiàn)狀情況下偏態(tài)程度增強，在未來條件下減弱，相對均值的對稱程度先增強后減弱。

2.8 洪水歸槽對南渡江防洪能力影響分析

2.8.1 過去、現(xiàn)狀水位流量關(guān)系

南渡江上游龍州河防洪主要是依靠修筑防洪堤，防洪堤的防洪能力主要基于水位高低及其對堤防安全的威脅程度來衡量。通過構(gòu)建過去和現(xiàn)狀條件下龍州河的洪峰水位流量關(guān)系，將設(shè)計洪峰流量轉(zhuǎn)化為設(shè)計洪峰水位，并結(jié)合《海南省防洪(潮)規(guī)劃報告》，比較堤防高程與洪峰水位設(shè)計值的大小，以此評價過去和現(xiàn)狀條件下堤防的防洪能力。

2.8.2 南渡江三灘站水位流量關(guān)系

三灘站年最大流量序列在1969年發(fā)生變異，因此將水位流量關(guān)系分為兩個階段來討論，即1956-1969年為第一階段，1970-2013年為第二階段，分別反映了過去和現(xiàn)在的水位流量關(guān)系。以流量為橫坐標(biāo)，水位為縱坐標(biāo)繪制水位流量關(guān)系曲線，并用二次多項式對水位流量關(guān)系進行擬合，如圖4所示。

圖4 南渡江三灘站水位流量關(guān)系

過去條件下的水位流量關(guān)系如下所示；

y1=0.002 996x+23.61

(4)

現(xiàn)狀條件下的水位流量關(guān)系如下所示；

y2=-0.000 000 579 21x2+0.004 303x+23.25

(5)

三灘站過去狀況下的水位流量關(guān)系曲線在現(xiàn)狀水位流量關(guān)系不穩(wěn)定，二者具有一定的差異(圖4)；在相同且一般的流量條件下，現(xiàn)狀條件下的水位大多都低于過去條件。造成這種現(xiàn)象的原因在很大程度上是由于受到洪水歸槽的影響，汛期河道內(nèi)流量猛增而造成河床嚴(yán)重下切所致。

2.8.3 洪水歸槽影響下的南渡江防洪能力

堤頂高程是防洪堤設(shè)計的重要指標(biāo)，也是影響防洪能力的重要因素。堤頂高程大致包括設(shè)計洪水位和堤頂超高。

根據(jù)我國《堤防工程設(shè)計規(guī)范(GB50286-2013)》規(guī)定，堤頂超高和堤防的級別有直接的關(guān)系，包括設(shè)計波浪爬高、設(shè)計風(fēng)壅增水高度和安全加高；同時，對于1、2 級堤防，堤頂超高值不得小于1.0 m。由于資料條件的限制，本文不直接計算設(shè)計波浪爬高和設(shè)計風(fēng)壅增水高度，而是以1.0 m為底限，以0.2 m為間隔進行情景分析，從而評估安全超高取1.0～2.0 m時南渡江的防洪能力。對于超過2.0 m的安全超高，其分析過程和1.0～2.0 m類似。

2.8.4 南渡江防洪能力分析

對于基于跳躍分析的非一致性洪水頻率計算方法，可以假設(shè)其未來條件和現(xiàn)狀條件相同，即本文中得出的現(xiàn)狀條件下的頻率計算結(jié)果，可以用來分析未來條件下的設(shè)計洪水位。根據(jù)《海南省防洪(潮)規(guī)劃報告》，取南渡江上游龍舟河堤頂平均高程32 m，如果堤頂高程保持不變，可以反推設(shè)計洪水位，從而得出不同時期堤防防洪能力的評價結(jié)果(表4)。

表4 不同時期不同安全超高南渡江三灘站防洪能力評價結(jié)果

可以看出：取安全超高1.0～2.0 m時，在過去條件下，南渡江防洪堤能抵御6～10年一遇的洪水，而在現(xiàn)狀條件下，南渡江防洪堤只能抵御2～3年一遇的洪水。另外，南渡江的堤圍工程普遍存在工程標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量差，且多為土堤，存在石堤化程度低，險工險段多等問題。海南經(jīng)濟基礎(chǔ)較為薄弱，對堤防工程的投入不足。雖然從20世紀(jì)90年代中后期開始出現(xiàn)了幾次修堤高潮，但相當(dāng)部分的堤防工程未能達標(biāo)，無法抵御設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的洪潮災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著保護區(qū)內(nèi)的人民生命財產(chǎn)安全。

綜上可以得出結(jié)論，南渡江防洪堤的防洪能力有所下降，且下降的幅度比較明顯，這樣的防洪能力遠遠沒有達到防洪規(guī)劃中對于堤防防洪能力的要求。

3 結(jié) 語

針對洪水歸槽研究普遍存在著不確定性問題，本文采用水文變異診斷系統(tǒng)和基于小波分析的非一致性水文頻率的計算方法，結(jié)合南渡江三灘站1956-2013年的實測年最大流量序列，對受洪水歸槽影響的南渡江上游龍州河防洪堤的防洪能力進行分析，結(jié)論如下。

(1)南渡江三灘站實測年最大流量序列在1969年發(fā)生了跳躍的弱變異，變異影響下，現(xiàn)狀條件防洪堤的防洪能力將不足以抵抗大洪水。

(2)應(yīng)用基于小波分析的非一致性頻率計算方法對三灘站洪水序列進行頻率計算，推求出過去、現(xiàn)狀、未來3個時期的洪水頻率分布。現(xiàn)狀和未來條件下的頻率曲線均比過去條件下有較大幅度的提升，而且提升幅度隨著頻率的升高而增大，未來防洪壓力會比現(xiàn)在更大。

(3)當(dāng)安全超高在1.0～2.0 m變化時，按照堤防工程設(shè)計規(guī)范內(nèi)容，受洪水歸槽影響，三灘站洪水發(fā)生的頻率和量級發(fā)生了較大的變化，堤防的防洪能力有所降低。其堤防可以抵御的洪水標(biāo)準(zhǔn)從過去條件下的10～18年一遇，降到現(xiàn)狀條件下的3～6年一遇。

(4)本文中用于堤防防洪能力評價的堤頂超高值并非南渡江上游龍州河堤防的實際設(shè)計值，因此，會對評價的結(jié)果造成一定的影響，有待進一步搜集資料對其進行完善。

綜上所述，南渡江龍州河受到洪水歸槽 等因素的影響，防洪堤的防洪能力受到較為嚴(yán)重的影響，因此，應(yīng)當(dāng)加強對堤防的建設(shè)。本文是通過歷史資料分解得出一個拋物線式的趨勢項，該趨勢在序列內(nèi)部比較可靠，但趨勢外延應(yīng)該會產(chǎn)生一定誤差。趨勢項若用于外延今后還需進一步研究。

□

[1] 葉長青，陳曉宏，張麗娟.變化環(huán)境下武江超定量洪水門限值響應(yīng)規(guī)律及影響[J].水科學(xué)進展，2013，24(3)：392-401.

[2] 黃夏坤，郝振純，梁才貴.防洪堤對洪水的歸槽影響研究[J].中山大學(xué)學(xué)報.2008,47(2):151-156.

[3] 許 斌，謝 平，譚瑩瑩.洪水歸槽影響下西江中游防洪能力分析[J].水力發(fā)電學(xué)報.2014,33(2):65-70.

[4] 劉興華.流域防洪能力研究[D].南京：河海大學(xué),2007.

[5] 梁忠民，胡義明，王 軍. 非一致性水文頻率分析的研究進展[J].水科學(xué)進展，2011，22(6)：864-871.

[6] 胡義明，梁忠民，楊好周，等.基于趨勢分析的非一致性水文頻率分析方法研究[J]水力發(fā)電學(xué)報，2013，32(5)：21-25.

[7] 李 揚，宋松柏.高階概率權(quán)重矩在洪水頻率分析中的應(yīng)用[J]水力發(fā)電學(xué)報，2013，32(2)：14-21.

[8] 呂忠華,胥加仕,劉建業(yè).西江中下游洪水歸槽問題研究[J].人民珠江,2002,(6):37-40.

[9] Singh V P, Wang S X, Zhang L. Frequency analysis of non-identically distributed hydrologic flood data[J]. Journal of Hydrology, 2005,(307):175-195.

[10] Waylen P,Woo M K. Prediction of annual floods generated by mixed processes [J].Water Resources Research，1982，18(4)：1 283-1 286.

[11] Khaliq M N, Ouarda T B M J, Ondo J C, et al. Frequency analysis of a sequence of dependent and/or non-stationary hydro-meteorological observations:a review[J]. Journal of Hydrology, 2006(329):534-552.

[12] 謝 平，李析男，劉 宇.基于小波分析的非一致性洪水頻率計算方法[J].水力發(fā)電學(xué)報，2014,33(1):15-22.

[13] 謝 平，陳廣才，雷洪富.水文變異診斷系統(tǒng)[J]. 水力發(fā)電學(xué)報，2010,29(1):85-91.

[14] 謝 平，陳廣才，夏 軍.變化環(huán)境下非一致性年徑流序列的水文頻率計算原理[J].武漢大學(xué)學(xué)報，2005,38(6):6-15.

[15] 熊立華，郭生練.L矩在區(qū)域洪水頻率分析中的應(yīng)用[J].水力發(fā)電，2003,29(3):6-8.