大渡河中下游洪水過程時空演變規(guī)律研究

羅 瑋，陳 媛，衛(wèi)孟茹，聞 昕

(1.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，成都 610041；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

引言

洪水是流域水資源時空分布不均、地表徑流突增的直接表現(xiàn)，也是給人類社會帶來損失最大的自然災(zāi)害之一[1]。近百年來，氣候變化背景下，水文循環(huán)演變與極端氣候事件引起的洪水相關(guān)問題受到廣泛關(guān)注，特別是降雨量和降雨強度的異變、高強度人類活動引起的下墊面條件改變等，都導(dǎo)致流域洪水過程的形成機制產(chǎn)生變化，洪水過程要素時間序列的統(tǒng)計特征不再符合一致性要求[2-3]。

大渡河是長江上游岷江水系的最大支流，具有徑流量大，水能資源豐富的特點，為我國十三大水電基地之一。受氣候變化及大規(guī)模水利水電設(shè)施建設(shè)等人類活動影響，河川徑流時空變化特征發(fā)生較大改變，大批學(xué)者圍繞流域徑流、洪水特征變化開展了廣泛研究。羅玉等[4]分析了長江源區(qū)夏季徑流量變化，得出近60年長江源區(qū)夏季平均流量呈增加趨勢；代曉穎等[5]采用累積距平等方法對長江下游秦淮河流域徑流變化及其影響原因進行分析，得出1987～2015年流域年徑流呈增加趨勢，并在2001年左右發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變；肖紫薇等[6]對長江流域上、中、下游6個控制站點日徑流資料進行分析，得出從50年代到21世紀(jì)初期不均勻性大體上呈減小趨勢；趙軍凱等[7]利用Mann-Kendall統(tǒng)計分析等方法，對宜昌站幾十年來徑流量年際和年內(nèi)變化分析，發(fā)現(xiàn)汛期宜昌站徑流顯著減少；王繼竹等[8]統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)宜昌站中小洪水出現(xiàn)時間呈現(xiàn)最早洪水出現(xiàn)時間提前而最晚洪水時間推遲的特點；肖玲芳等[9]采用累計濾波器法等方法，自1993年徑流多年呈遞減趨勢，遞減趨勢顯著；李景保等[10]以徑流量為指標(biāo)對長江中游五站實測數(shù)據(jù)進行分析，得出荊南三口徑流總體上呈下降趨勢。

大渡河沙坪站作為大渡河干流中下游的咽喉，研究其洪水變化過程對流域防洪管理具有重要意義。陳媛[11]對大渡河流域徑流變化規(guī)律進行定量識別與定量分析，得出研究時段內(nèi)年徑流呈現(xiàn)減小趨勢的結(jié)論。程珂等[12]對大渡河流域徑流變化及其原因進行分析，研究表明大渡河流域年徑流變化主要受降雨變化影響。熊燦林等[13]選取丹巴斷面、瀑布溝對面、沙坪斷面作為流域上、中、下游控制性斷面，并分別選取對應(yīng)斷面資料對大渡河流域徑流年內(nèi)變化進行分析，結(jié)果表明流域上中游來水整體呈增加趨勢，下游受瀑布溝水庫調(diào)蓄作用，枯期呈增加趨勢，汛期呈減少趨勢。

洪水變化過程規(guī)律通常選擇不同指標(biāo)和從不同角度描述洪水變化特征，利用統(tǒng)計學(xué)方法對指標(biāo)序列進行檢測和分析，研究洪水過程時空演變規(guī)律。目前相關(guān)學(xué)者在徑流要素屬性上，通常以洪峰流量單一指標(biāo)變化的研究為主，缺少多指標(biāo)、多角度的洪水過程時空演變規(guī)律研究，不能全面反映洪水過程的變化特點。盧珊等[14]通過針對不同等級降水量、降水日數(shù)及降水強度開展趨勢、突變分析，更加全面地描述了陜西省氣候變化特征。為此，本文從洪峰、洪量、峰現(xiàn)時間三個方面建立洪水過程評價指標(biāo)，并從突變、趨勢、周期三個方面討論大渡河流域沙坪站洪水過程要素變化的非一致性，確定流域洪水過程時空演變程度，為流域防洪調(diào)度和未來管理提供更為科學(xué)的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域與資料

沙坪水文站位于大渡河流域中游，上距瀑布溝水電站壩址約69km，是瀑布溝水庫下游唯一的1座水文站，其流量常作為龔嘴水電站入庫控制站流量。本文基于沙坪站1937～2019年共計83年日徑流資料對流域洪水過程變化進行分析。

2 研究方法

針對洪水過程要素時間序列趨勢檢測，采用線性回歸、滑動平均、小波分解[15-16]對相應(yīng)指標(biāo)時間序列進行趨勢分析，并采用Mann-Kendall趨勢檢驗[17]對趨勢變化的顯著性進行分析；針對洪水過程要素時間序列突變檢測，利用Mann-Kendall突變檢驗[18-19]，初步確定待檢測時間序列的突變年份，然后采用不同步長的滑動T檢驗[20]，對初步確定的突變年份顯著性水平進一步驗證；針對洪水過程要素時間序列周期分析，基于Morlet小波變換[21-22]獲得相應(yīng)洪水過程要素時間序列的小波變化系數(shù)，通過繪制小波系數(shù)實部等值線圖、小波系數(shù)模等值線圖以及小波方差圖，尋找洪水過程要素時間序列中存在的多時間尺度，并進行周期分析。

3 結(jié)果分析

本文從洪峰流量、洪量、峰現(xiàn)時間三個方面提出5個流域洪水過程關(guān)鍵控制要素，全面反映流域典型洪水過程的整體變化。洪水過程評價指標(biāo)如表1所示：

表1 洪水過程評價指標(biāo)

在此基礎(chǔ)上，本文從趨勢、突變、周期三個方面，對沙坪站的洪水變化過程中的關(guān)鍵控制要素進行非一致性分析。

3.1 趨勢分析

采用線性回歸、滑動平均、小波分解以及MK趨勢檢驗對沙坪站1937～2019年洪峰流量變化趨勢進行分析，結(jié)果見圖1和圖2。

由圖1線性擬合數(shù)據(jù)可知，沙坪站年洪峰流量的年際變化比較明顯，整體較顯著下降的趨勢，傾斜率約為-15.47。10年滑動平均曲線顯示，近83年間洪峰流量波動整體比較平緩，10a滑動平均洪峰流量最大值是1946～1955年的6500m3/s，最小值是2007～2016年的4500m3/s，相差約2000m3/s，表明年際差異較明顯。多年平均洪峰流量為5249.46m3/s。研究時段內(nèi)最大洪峰流量發(fā)生于1949年，為8500m3/s，1978年以前線性擬合結(jié)果高于多年平均洪峰流量，之后低于多年平均水平，最小洪峰流量發(fā)生于2016年，為3239m3/s。20世紀(jì)50年代的年洪峰流量較大，年際間差異較明顯，最大年份洪峰流量是最小年份洪峰流量的2.63倍。

由圖2可知，年最大洪峰流量在1952年經(jīng)歷陡漲之后，在1970～2019年間變化較為平緩。根據(jù)MK趨勢檢驗，對沙坪站1937～2019年最大洪峰流量序列進行趨勢顯著性分析，計算得到MK趨勢檢驗值為U=-3.2917，|U|>Uα/2(顯著性水平α=0.05)，表明沙坪站洪峰流量在1937～2019年間整體呈顯著下降趨勢，與線性擬合結(jié)果基本一致。這與氣候變化與人類活動的綜合影響密切相關(guān)，近年來流域變暖趨勢明顯，日氣溫呈微弱上升趨勢，整體雨量略有下降，下降幅度為-0.794mm/a；而流域范圍內(nèi)四川地區(qū)居民人口增長率基本維持在3%左右，工業(yè)發(fā)展快速，居民及工業(yè)取水用水增加，導(dǎo)致地表徑流減少，洪峰流量呈下降趨勢[23-25]。

3.2 突變分析

根據(jù)MK突變檢驗與滑動T檢驗(步長分別為n=5，7，10，13)確定不同指標(biāo)時間序列的突變年份，首先由MK檢驗UF與UB曲線在兩條臨界水平線α=0.05之間的交點初步確定突變年份，然后由不同步長的滑動T檢驗，進一步驗證MK檢驗突變年份的合理性與顯著性。以洪峰流量為例，繪制沙坪站的洪峰流量指標(biāo)的MK突變檢驗統(tǒng)計量曲線與不同步長的t檢驗統(tǒng)計量曲線。沙坪站MK突變檢驗統(tǒng)計量曲線見圖3，步長n=5，7，10，13的洪峰流量滑動T檢驗統(tǒng)計量曲線見圖4。

基于MK突變檢驗可知，沙坪站1937～2019年洪峰流量序列UF曲線呈不規(guī)則的波動變化，1955～1970年呈下降趨勢，但未超出顯著性水平α=0.05的置信區(qū)間(-1.96)，表明這個年份沙坪站洪峰流量雖有下降趨勢，但下降并不明顯。在置信區(qū)間內(nèi)UF與UB兩條曲線在兩條顯著性水平線之間相交于1966年，由此初步確定突變年份，同時根據(jù)滑動平均T檢驗中步長分別為5，7，10，13的T統(tǒng)計量曲線，確定沙坪站洪峰流量的突變年份為1966年，該年份不僅是MK突變檢驗UF與UB的交點，同時也通過了步長n=5，7，10，13的T統(tǒng)計量檢驗。

3.3 周期分析

根據(jù)Morlet小波對沙坪站83年洪峰流量的周期性進行分析。其中，采用Morlet小波系數(shù)模等值線圖反映上述兩種時間序列不同時間尺度周期變化所對應(yīng)的能量密度在時間域中的分布，利用方差圖反映上述時間序列的波動能量隨時間尺度的分布情況。時間序列Morlet小波系數(shù)實部等值線圖、小波系數(shù)模等值線圖、小波方差圖如圖5所示。由圖5可知，年洪峰流量表現(xiàn)出不同周期交替變換現(xiàn)象，沙坪站洪峰流量在1937～2019共87年間存在4個明顯的特征時間尺度，分別是3a，9a，14a，24a。其中14a左右的特征時間尺度貫穿整個研究時段，表現(xiàn)相對穩(wěn)定，具有全域性。同時，24a左右的特征時間尺度對應(yīng)的小波系數(shù)模最大，因此周期性最強，14a次之。沙坪站洪峰流量存在4個較為明顯的峰值，分別為24a，14a，9a，3a。其中24a對應(yīng)最大峰值，說明周期性最強，進一步驗證在1937～2019年，沙坪站洪峰流量變化的第一主周期為24a，第二、三周期分別為14a、9a。

表2 沙坪站洪水過程評價指標(biāo)變化情況表

4 結(jié)論

本文從洪峰、洪量、峰現(xiàn)時間三個方面提出5個流域洪水過程關(guān)鍵控制要素，全面反映大渡河流域典型洪水過程的整體變化特征。在此基礎(chǔ)上，從趨勢、突變、周期三個方面，對洪水過程關(guān)鍵控制要素進行了非一致性分析，主要研究結(jié)論如下：

(1)沙坪站年洪峰流量呈較顯著下降趨勢，最大洪峰流量發(fā)生于1949年，最小洪峰流量發(fā)生于2016年；洪峰流量的突變年份為1966年；沙坪站洪峰流量變化的第一主周期為24a，14a與9a分別為第二、三主周期。

(2)沙坪站年內(nèi)連續(xù)3日、5日、7日的最大洪量均存在下降趨勢，且下降趨勢較為顯著；沙坪站3、5、7日洪量指標(biāo)突變時間均發(fā)生于20世紀(jì)50～60年代發(fā)生突變；沙坪站5日、7日洪量的第一、二主周期均為20a、14a，第二主周期與洪峰流量周期情況一致，3日洪量的第一主周期亦與洪量第二主周期保持一致，第二、三主周期分別為22a、8a。

(3)沙坪站洪峰峰現(xiàn)時間有提前趨勢，在1937～2019的83年間無明顯突變特征；峰現(xiàn)時間與洪峰流量的第一主周期均為24a，其中峰現(xiàn)時間不存在明顯的第二、三主周期。