云南省楚雄州區(qū)域洪水洪峰流量變化特征研究

武劍 劉秀林

摘要：云南省楚雄州水旱災(zāi)害頻發(fā)且常交替出現(xiàn)，為分析該地區(qū)水文特性，以區(qū)域內(nèi)9個基本水文站實測年最大洪峰系列資料為依據(jù)，采用水文統(tǒng)計、累積距平、線性傾向分析、Manner-Kendall突變檢驗、小波分析等方法對其洪水特性進行了研究。結(jié)果顯示，楚雄州水文特性具有一定的地區(qū)性，在氣候、地理環(huán)境、人類活動等因子共同作用下，基本特征發(fā)生變化。各水文站1975年之前洪峰流量多呈上升趨勢，1975～2000年變化較為平穩(wěn)，進入21世紀后呈顯著性下降趨勢。7個水文站點發(fā)生洪峰流量均值變異，元江水系突變年份在1970年代，金沙江水系在2000年后，突變后均值減小。楚雄州區(qū)域洪水共同呈現(xiàn)5～7 a尺度的周期性變化特征。另外，從區(qū)域極端洪水年際變化規(guī)律上來看，楚雄州年極端高洪水超標率呈降低趨勢，年極端低洪水超標率呈顯著上升趨勢。結(jié)合均值突變分析表明，2000年后，楚雄州水文年景偏旱，尤其是2009年以來，旱災(zāi)成為楚雄州面臨的主要自然災(zāi)害問題。本研究成果將為楚雄州防汛抗旱提供理論參考。

關(guān)鍵詞：水文特性;旱澇災(zāi)害;區(qū)域極端洪水;趨勢分析;突變分析;周期分析;云南省楚雄州

中圖法分類號：TV122.5文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.002

文章編號：1006 - 0081（2021）03 - 0011 - 07

云南省楚雄州地處云貴高原西部，滇中高原主體部位，地形復(fù)雜，是一個以中高山和低山丘陵為主的地區(qū)，山地面積占比90% 以上。境內(nèi)河流眾多，金沙江和元江兩大水系以州境中部為分水嶺各奔南北形成二水分流之態(tài)，地屬亞熱帶亞濕潤高原季風(fēng)氣候，年均降雨量700～1 000 mm。因其獨特的地形和氣候條件，受歐亞大陸干暖氣團控制，該地區(qū)每年11月至次年4月降雨稀少，僅占年降雨量的10%，而5～10月受熱帶海洋氣團控制的雨季降雨量占比高達90%[1]。因此，楚雄州水旱災(zāi)害頻發(fā)且常常交替出現(xiàn)，眾多學(xué)者對楚雄州氣溫、干旱、降雨、干濕變化等特性進行了深入分析。魯永新[2]基于楚雄州1961～2010年的氣溫和降雨資料，按全年和四季分析了全州及州內(nèi)中、西、南部區(qū)域的氣候演變特征，發(fā)現(xiàn)近50 a來氣溫升高明顯，春季年降雨量和大雨降雨日數(shù)增加而秋季則相反，雨季呈縮短趨勢的特征;何萍等[3-4]運用楚雄州降雨和相對濕度資料，得出了2000年后降水呈上升趨勢、干旱發(fā)生連續(xù)性較強、洪澇災(zāi)害偶有發(fā)生的分析結(jié)果，并為旱澇災(zāi)害防治提供對策。華楚恩[5]利用標準化降水指數(shù)法分析了楚雄州干旱事件的年際變化規(guī)律和空間分布情況，得出旱澇交替出現(xiàn)且1980年后是干旱的集中發(fā)生期，其分布具有明顯地域性的結(jié)論。桑議惠等[6]對楚雄州1961～2010年汛期極端降水時空分布特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)極端降水總量、日數(shù)及強度均存在25 a左右的主震蕩周期。

以上針對楚雄州的研究聚焦于氣候變化，而較少對其境內(nèi)水文特性進行分析，缺乏對楚雄州洪水變化規(guī)律的探究?；诖?，本文收集了楚雄州金沙江、元江兩大水系9個空間上具有代表性的水文站點歷史洪峰流量資料，探究該區(qū)域年最大洪峰流量的時空變化特征，從水文角度完善楚雄州自然情勢變化分析工作，并從理論上為楚雄州防汛抗旱工作提供支持與建議。

1 資料情況

云南省楚雄州境內(nèi)布設(shè)有9個基本站，分屬金沙江流域7個站點，元江流域2個站點，水系及站點分布如圖1所示，站點基本情況見表1。由于區(qū)域水文站點隨著經(jīng)濟發(fā)展逐步布設(shè)，所以資料年限不一，部分站點（鳳屯、高橋）水文資料年限較短，但資料年限均在30 a以上（38～64 a之間），統(tǒng)計特征具有代表性。為了全面分析區(qū)域洪水變化規(guī)律，將對各水文站所有年洪峰流量數(shù)據(jù)進行研究。

從圖1和表1可見，楚雄州主要控制站為龍川江的小黃瓜園站和蜻蛉河的多克水文站，控制面積分別為5 560 km2和2 855 km2，紫甸河的鳳屯是小河控制站，控制面積186 km2，其余站點控制面積均為500～2 000 km2。從站點所屬縣氣候特征來看，除高橋處于半濕潤地區(qū)外，其他均在半干旱地區(qū)，且大姚、永仁、元謀、牟定是云南省著名的老旱區(qū)[5]，位于這4個縣的地索、中和街、多克、鳳屯和小黃瓜園等站的洪水特征必深受氣候條件影響。

2研究方法

本文采用累積距平和線性傾向分析方法對年最大洪峰流量系列、年極端洪水超標率系列進行趨勢分析。利用Manner-Kendall非參數(shù)檢驗法（M-K檢驗）對洪峰流量系列進行突變分析，并結(jié)合秩和檢驗法檢驗突變點的顯著性，確定突變年份。采用復(fù)Morlet小波來診斷洪峰流量周期特征[7]。這些均為水文序列分析常用方法，應(yīng)用廣泛，分析成果可靠，可作為楚雄州區(qū)域洪水洪峰流量變化特征的分析工具。

3結(jié)果分析

3.1 年洪峰流量基本統(tǒng)計特征

對楚雄州9個基本水文站年洪峰多年平均值、洪峰模數(shù)、年洪峰最大（?。┲导捌涑霈F(xiàn)年份、K值以及變差系數(shù)Cv等進行統(tǒng)計，見表2。洪峰模數(shù)為均值與控制面積比值，反映流域的洪峰流量強度;K值為最大值與平均值比值，反映洪水年際變率;Cv為樣本標準差與均值的比值，反映洪水相對離散程度，與極差進行對照分析。

由表2可見，年均洪峰流量大致與控制面積大小成正比，小黃瓜園和多克因其控制面積較大，均值也較高，但控制面積較小的多克站均值高于小黃瓜園站，且從洪峰模數(shù)來看，多克是小黃瓜園的兩倍，說明蜻蛉河流域雨量更為豐富，單位面積產(chǎn)流量更高。從龍川江上鳳屯、楚雄、小黃瓜園這3個控制面積從小到大的站點來看，支流小流域紫甸河洪峰模數(shù)更高，說明該地降雨豐富，易發(fā)生局地洪水災(zāi)害，上游的楚雄大于下游的小黃瓜園，但較為接近，說明控制面積內(nèi)自然環(huán)境差異不大。從洪峰模數(shù)來看，金沙江水系站點在0.09～0.29 m3/（s·km2）之間，元江在0.14～0.2 m3/（s·km2）之間，分布規(guī)律大致是支流大于干流，上游大于下游。

從年洪峰最大值出現(xiàn)年份來看，均在2000年之前，而最小值出現(xiàn)年份多集中在2010年之后，說明年最大洪峰有減小的趨勢，尤其是2011年，中和街、多克、鳳屯、小黃瓜園等站均出現(xiàn)最低值。這是因為，2009～2011年楚雄州發(fā)生了嚴重的干旱，2009年達到重旱程度，此后至2011年降雨偏少[8]，使流域內(nèi)積蓄的水量逐漸減少，至2011年洪峰達到最低。從K值和Cv來看，兩者變化基本同步，K值大，Cv也高，全州K值在1.79（高橋）～4.48（董戶村）之間，Cv在0.38（高橋）～0.77（董戶村）之間，高橋站年際變化最小是因為其位于半濕潤地區(qū)。整體來看，元江水系的洪峰流量年際變化比金沙江水系大，半干旱地區(qū)高于半濕潤地區(qū)，支流高于干流，上游大于下游，同一氣候區(qū)內(nèi)小河高于大河。

表3統(tǒng)計了各站年最大洪峰流量出現(xiàn)月份，除小龍?zhí)墩驹?984年5月26日出現(xiàn)洪峰外，洪峰多出現(xiàn)在6～10月，其中，7～9月約占統(tǒng)計頻次的70%以上。金沙江水系洪峰最高頻次出現(xiàn)在7～9月，元江水系為8月，與年降雨量集中在5～10月的氣候特征一致。

3.2年洪峰流量趨勢性分析

采用累積距平和線性傾向方法對楚雄州各水文站年洪峰流量進行趨勢分析，為便于比較，橫坐標年份均取統(tǒng)一范圍，見圖2。從圖2可見，20世紀50年代以來，楚雄州的實測年最大洪峰流量年際變化極不穩(wěn)定，且洪峰呈下降趨勢，2000年之后尤為明顯。其中，地索、多克和董戶村通過了0.05的信度檢驗，呈顯著下降趨勢，這與2000年之后年降雨量、汛期極端降雨量呈上升趨勢的研究成果[4-6]不符，最大可能原因是21世紀以來人類活動增強，下墊面因子發(fā)生變化所致。

從累積距平曲線來看，1975年之前，楚雄州地區(qū)洪峰流量多呈上升趨勢，1975～2000年變化較為平穩(wěn)，2000～2016年呈顯著下降趨勢。位于龍川江的楚雄和小黃瓜園年際變化特征一致性高，位于星宿江的董戶村從1975年以來洪峰流量穩(wěn)步下降，這些均是氣候、地理環(huán)境、人類活動等共同影響的結(jié)果。

3.3年洪峰流量突變分析

對楚雄州各水文站年洪峰流量系列進行M-K檢驗，限于篇幅，這里主要分析控制面積最大的兩個站點，即小黃瓜園站和多克水文站，如圖3，4所示。

小黃瓜園站UF值在整個研究時段均處于小于0的狀態(tài)，說明在整個時段內(nèi)年最大洪峰流量呈減少趨勢，但未突破α=0.05臨界線。在臨界線內(nèi)，UF和UB存在多個交點，1956，1958，1960，1967，1971，1997年和2003年，因此應(yīng)用秩和檢驗法檢驗突變點的顯著性，發(fā)現(xiàn)2003年是序列的突變點，如圖4所示。2003年之后，系列均值有了明顯降低，表明小黃瓜園站年最大洪峰流量從2003年之后發(fā)生由多到少的突變。同樣，對多克水文站進行M-K檢驗和突變顯著性檢驗，發(fā)現(xiàn)2001年是序列的突變點。2001年之前，多克UF值在0上下波動，趨勢性不明顯，2001年之后呈現(xiàn)由多到少的突變，2010年之后其下降趨勢顯著。

將楚雄州9個水文站的年洪峰流量突變點信息統(tǒng)計于表4。由表4可見，金沙江水系突變年份出現(xiàn)在2000年之后，元江水系的突變年份出現(xiàn)在1971年和1976年，突變后均值均顯著減小，表明楚雄州近些年較歷史水量偏少。中和街和高橋年洪峰流量系列未發(fā)生突變。

3.4 年洪峰流量周期診斷

應(yīng)用復(fù)Morlet小波分析對楚雄州水文站年洪峰流量進行周期分析，限于篇幅，這里僅展示控制面積最大的兩個站點，即小黃瓜園站和多克站，見圖5。

由圖5可見，小黃瓜園站年洪峰流量存在4個較為明顯的峰值，分別對應(yīng)著4，6，15，26 a的時間尺度，其中最大峰值對應(yīng)于26 a的時間尺度，說明26 a的周期震蕩最強，是小黃瓜園站年最大洪峰流量的第一主周期。從圖5（a）可見，該尺度對應(yīng)著3個偏多期和4個偏少期，15 a尺度是小黃瓜園的第二主周期，該尺度在2000年之前表現(xiàn)較為顯著，4 a和6 a尺度震蕩不明顯。這4個尺度共同控制著小黃瓜園站年最大洪峰流量的變化特征。

多克站同樣存在4個峰值，分別為6，10，15，28 a的時間尺度，15 a是其第一主周期，主要控制著1990年之前的洪峰流量變化，6 a尺度是第二主周期，在整個時段表現(xiàn)都較顯著，10 a和28 a尺度能量較弱，分別是第三和第四主周期。

將楚雄州9個水文站的年洪峰流量周期信息統(tǒng)計于表5。5～7 a尺度是楚雄州各水系的第二或第三主周期，表明在區(qū)域尺度上流量變化的一致性。在制定楚雄州洪水防汛方案時應(yīng)關(guān)注該周期性變化。此外，楚雄站和小黃瓜園站是龍川江上上下游兩個主要控制站點，其年洪峰流量主周期相近。

3.5 區(qū)域極端洪水分析

極端高洪水是造成楚雄州洪水災(zāi)害的主要原因，極端低洪水是楚雄州旱災(zāi)的直觀體現(xiàn)，這兩類極端洪水均會對楚雄州社會、經(jīng)濟、自然環(huán)境等造成巨大損失。本文采用年極端洪水超標率來反映區(qū)域極端洪水，年極端洪水超標率指的是年最大洪峰流量高于（低于）系列均值與標準差的和（差）的水文站數(shù)占區(qū)域內(nèi)水文站總數(shù)的比率[9]。同樣采用累積距平和線性傾向方法對楚雄州區(qū)域極端洪水進行趨勢分析，考慮到1967年之后楚雄州已建設(shè)有7個基本水文站，故分析時段為1967～2016年，見圖6。

從圖6可見，1968，1969，1974，1986，1990年和1999年全州超過50%的水文站監(jiān)測到極端高洪水，相應(yīng)區(qū)域發(fā)生洪水災(zāi)害。20世紀70年代前后，楚雄州洪水災(zāi)害發(fā)生概率保持在較高水平，2000年以后洪水超標率呈降低趨勢，相應(yīng)地2008年后極端低洪水超標率顯著上升，2009～2015年楚雄州大部分地區(qū)處于干旱狀態(tài)，年極端低洪水超標率多在40%以上。整個研究時段，楚雄州極端高洪水超標率呈降低趨勢，年極端低洪水超標率呈顯著上升趨勢（通過了0.01水平信度檢驗），表明旱災(zāi)是楚雄州近年來面臨的主要自然災(zāi)害。

4結(jié) 論

本文針對旱澇災(zāi)害頻發(fā)的云南省楚雄州區(qū)域主要河流年最大洪峰流量歷史系列進行了分析，從基本統(tǒng)計特征、趨勢、突變和周期性4個角度揭示楚雄州區(qū)域洪水洪峰流量時空變化特征，并進一步研究了楚雄州極端洪水發(fā)展規(guī)律，得出以下結(jié)論。

（1）在基本統(tǒng)計特征上，金沙江水系站點洪峰模數(shù)在0.09～0.29 m3/（s·km2）之間，元江水系在0.14～0.20 m3/（s·km2）之間，分布規(guī)律大致是支流大于干流，上游大于下游。年洪峰流量最大值均出現(xiàn)在2000年之前，因2009～2011年的干旱事件，最小值集中在2010年之后。年際變化上呈現(xiàn)元江水系高于金沙江水系、半干旱地區(qū)高于半濕潤地區(qū)、支流高于干流、上游高于下游、同一氣候區(qū)內(nèi)小河高于大河的特征。金沙江水系年最大洪峰流量出現(xiàn)月份集中在7～9月，元江水系集中在8月。

（2）在趨勢性分析上，在區(qū)域氣候、地理環(huán)境、人類活動等共同作用下，楚雄州地區(qū)1975年之前洪峰流量多呈上升趨勢，1975～2000年變化較為平穩(wěn)，2000～2016年呈顯著性下降趨勢。在突變分析上，金沙江水系的突變年份出現(xiàn)在2000年之后，元江水系出現(xiàn)在20世紀70年代，突變后洪峰流量均值顯著減小，表明雄州近些年較歷史水量偏少。在周期分析上，5～7 a尺度是楚雄州各水系的第二或第三主周期，在制定洪水防汛方案時應(yīng)關(guān)注該周期性變化。

（3）從楚雄州區(qū)域極端洪水年際變化規(guī)律來看，年極端高洪水超標率呈降低趨勢，年極端低洪水超標率呈顯著上升趨勢，且2009～2015年楚雄州年極端低洪水超標率多在40%以上，大部分地區(qū)處于干旱狀態(tài)，旱災(zāi)是楚雄州近些年面臨的主要自然災(zāi)害。

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（編輯：李 慧）