繞陽河流域暴雨洪水特征分析

鞏士群

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

繞陽河發(fā)源于遼寧省阜蒙縣扎蘭營子鄉(xiāng)察哈爾山，由西北流向東南，繞陽河流域面積10348km2，干流河長326km，是遼河最大支流。其中東白城子以上為低山丘陵區(qū)，河長128km，流域面積2138km2[1]。流域年降水量在460～520mm之間，汛期6—9月降水量占全年降水量的80%以上，局部暴雨較多，暴雨時空分布不均，降雨強度差異較大[2]。繞陽河流域洪水匯流歷時較短，洪峰陡漲陡落，且峰高量小，基本屬于超滲產(chǎn)流[3]。洪峰徑流系數(shù)較小，一般在0.05～0.31之間[4]。多項研究成果表明[5- 9]，受氣候變化影響，繞陽河流域暴雨發(fā)生的頻次和強度都有明顯增加的變化，尤其是2022年，受極端氣候影響，繞陽河流域共出現(xiàn)3次區(qū)域性暴雨天氣過程，平均累計降水量541mm，為歷史同期第一位。此外受氣候變化和人類活動綜合影響，繞陽河發(fā)生中等量級洪水的場次呈現(xiàn)明顯增多變化，2022年7月繞陽河流域東白城子水文站發(fā)生有歷史洪水統(tǒng)計資料以來第二位洪水。為提升繞陽河防洪能力，亟需對其防洪治理工程進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和設(shè)計，而暴雨洪水特征分析是其科學(xué)規(guī)劃和設(shè)計的重要支撐。當(dāng)前對于繞陽河流域暴雨洪水特征取得一定研究成果[10- 15]，但均未對其進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析，為此結(jié)合繞陽河?xùn)|白城子水文站以上流域內(nèi)43個降雨站點近65a降水觀測數(shù)據(jù)及場次洪水觀測數(shù)據(jù)，對其暴雨徑流特征進(jìn)行分析。研究成果對于繞陽河防洪治理工程規(guī)劃和設(shè)計具有重要參考價值。

1 暴雨洪水特征趨勢檢驗方法

采用M-K非線性趨勢顯著性檢驗方法對繞陽河暴雨洪水特征值進(jìn)行趨勢檢驗，該方法針對樣本序列X進(jìn)行秩序樣本序列的構(gòu)造：

(1)

式中，Sk—樣本xi>xj在第i時刻的累加值；k—樣本序列總個數(shù)；ri—構(gòu)造的第i個秩序樣本序列值。

ri計算方程為：

(2)

假定各年份暴雨洪水特征值序列屬于獨立隨機的時間序列，對其進(jìn)行統(tǒng)計量U的計算：

(3)

式中，E(Sk)—Sk序列的均值；var(Sk)—Sk序列的方差。

當(dāng)樣本序列滿足相互獨立條件時，其均值和方差計算方程分別為：

(4)

(5)

當(dāng)達(dá)到90%的顯著性檢驗水平時，其統(tǒng)計量U值為1.96，當(dāng)統(tǒng)計量U值低于該臨界值，則表明趨勢不明顯，若高于該臨界值，則表示趨勢明顯。若統(tǒng)計值為正表示為遞增趨勢，若統(tǒng)計值為負(fù)表示為遞減趨勢。

2 研究資料

結(jié)合繞陽河?xùn)|白城子水文站以上流域內(nèi)43個降雨站點1956—2021年降水量觀測數(shù)據(jù)，采用泰森多邊形方法對流域近65a面降水進(jìn)行計算，建立面降水?dāng)?shù)據(jù)系列，分別對其24h內(nèi)超過100mm的暴雨場次以及暴雨量進(jìn)行統(tǒng)計和趨勢檢驗。利用東白城子水文站1956—2022年場次洪水觀測數(shù)據(jù)，對洪水要素重現(xiàn)期為5～20a的洪水場次、洪水總量、洪峰流量變化特征進(jìn)行統(tǒng)計和趨勢檢驗。

3 研究成果

3.1 暴雨場次變化特征

結(jié)合繞陽河?xùn)|白城子水文站以上流域內(nèi)43個降雨站點1955—2022年降水觀測數(shù)據(jù)，對各年代際24h降水量超過100mm的暴雨場次進(jìn)行統(tǒng)計，并對各年代際暴雨場次進(jìn)行變異系數(shù)Cv值和變化趨勢進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 繞陽河流域暴雨場次變化特征

從繞陽河流域暴雨場次變化特征可看出，近65a繞陽河流域各年代際24h降水量超過100mm的暴雨場次總體呈現(xiàn)遞增變化趨勢，1956—2022年暴雨場次均值達(dá)到29次，場次最高的年代際為2010年代，20世紀(jì)80年代發(fā)生暴雨場次次數(shù)最少，為16次，其不同年代際暴雨場次年遞增率均值為7次/10a。變異系數(shù)Cv值表征數(shù)據(jù)波動程度，Cv值越小表示其波動程度越低，繞陽河流域各年代際Cv值在0.31～0.35之間，變異系數(shù)相對較低，表明流域暴雨場次不同年代際波動程度相對較為穩(wěn)定。通過非線性顯著性檢驗，繞陽河流域各年代際顯著性檢驗統(tǒng)計值均在±1.96之內(nèi)，表明各年代際遞增或遞減的趨勢均不顯著。

3.2 暴雨量變化特征

在暴雨場次統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，對各年代際繞陽河流域24h超過50mm的暴雨量進(jìn)行統(tǒng)計，并對其變異系數(shù)Cv值和暴雨量變化趨勢進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

表2 繞陽河流域暴雨量變化特征

形成繞陽河流域的暴雨天氣系統(tǒng)有華北氣旋，高空槽和臺風(fēng)等，通過對繞陽河流域暴雨量進(jìn)行統(tǒng)計分析，近65a流域暴雨量總體呈現(xiàn)遞增變化趨勢，尤其是20世紀(jì)90年代以后，其遞增趨勢顯著性逐步增加，20世紀(jì)90年代、2000年代、2010年代流域暴雨量顯著性檢驗統(tǒng)計值均高于1.96，通過90%的顯著性檢驗水平。1960—2022年流域暴雨量均值為476.5mm，各年代際暴雨量年遞增率為38.5mm/10a。各年代際暴雨量Cv值和暴雨場次統(tǒng)計的Cv值較為接近，總體在0.31～0.35之間，繞陽河流域暴雨量年代際波動特征不顯著。

3.3 中洪水場次變化特征

結(jié)合繞陽河流域東白城子水文站1955—2022年場次洪水觀測數(shù)據(jù)，對洪水要素重現(xiàn)期為5～20a的中洪水場次進(jìn)行統(tǒng)計和顯著性檢驗，結(jié)果見表3。

表3 繞陽河流域中洪水場次變化特征

近67a以來東白城子水文站中洪水場次總體呈現(xiàn)遞增變化，流域內(nèi)尤其是中上游地區(qū)土質(zhì)多為沙土及沙壤土，汛期降雨集中且強度大，洪水挾帶大量的泥沙下泄、堆積，較易造成河道橫向擺動加劇，影響流域的防洪安全。流域洪水主要來源于干流東白城子以上區(qū)間，暴雨比較集中，大多數(shù)年的暴雨發(fā)生在7—8月。本流域洪水由暴雨產(chǎn)生，繞陽河干流東白城子場次洪水歷時一般為1～3d。1955—2022年東白城子水文站發(fā)生中洪水場次均值為32次，年遞增率為7次/10a。各年代際洪水場次Cv值變化差異較大，總體在0.29～0.50之間，各年代際繞陽河流域中洪水場次波動特征較為明顯。各年代際中洪水變化趨勢統(tǒng)計值總體低于1.96，變化趨勢顯著性較弱。

3.4 中洪水洪量變化特征

在中洪水場次分析的基礎(chǔ)上，對各年代際中洪水洪量變化特征進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表4。

表4 繞陽河流域中洪水洪量變化特征

從繞陽河流域中洪水洪量變化特征可看出，東白城子水文站各年代際中洪場次洪量總體呈現(xiàn)遞增變化，近67a東白城子中洪水洪量均值為0.243×108m3。2010年代繞陽河流域場次洪量出現(xiàn)最高值，達(dá)到了0.685×108m3。20世紀(jì)80年代流域出現(xiàn)中洪水洪量最低值，為0.065×108m3。從各年代際場次中洪水洪量變化Cv值可看出，各年代際具有較大的變化差異性，總體在0.21～0.51之間，均值為0.36，表明各年代際繞陽河流域中洪洪量波動特征較為明顯。各年代際流域中洪洪量變化趨勢統(tǒng)計值均在±1.96內(nèi)，變化趨勢不顯著。

3.5 中洪水洪峰變化特征

在中洪水洪量分析的基礎(chǔ)上，對各年代際中洪水洪峰變化特征進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表5。

表5 繞陽河流域中洪水洪峰變化特征

從繞陽河流域中洪水洪峰變化特征，其中洪洪峰均值為677m3/s，洪峰最高值為1972年7月，洪峰值為2110m3/s，場次洪水暴雨中心在上游的韓家杖子站，洪峰最小值出現(xiàn)在1957年7月，通過分析該場次暴雨量較大，但由于前期較為干旱，因此產(chǎn)生的洪峰量級較低。各年代際流域洪峰總體呈現(xiàn)遞增變化，由于區(qū)域內(nèi)下墊面條件影響，流域土壤沙化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，流域下滲能力遞減現(xiàn)象較為明顯，使得流域相同降水量級下的洪峰量級均有增加。經(jīng)分析，相同降水量級下，2000年代以后洪峰相比于2000年代以前平均增加10%。從各年代際洪峰變化Cv值可看出，流域洪峰變幅年代際波動特征也較為明顯。通過分析各年代際洪峰變化趨勢的顯著性檢驗值也均在±1.96內(nèi)，年代際洪峰變化趨勢不顯著。

4 研究結(jié)論

(1)華北氣旋、高空槽和臺風(fēng)是繞陽河流域暴雨產(chǎn)生的天氣成因，華北氣旋易造成流域強降水，6h暴雨量累積超過100m，流域內(nèi)發(fā)生中洪水的頻次達(dá)到65%，流域暴雨中心主要位于東南部，西北部暴雨量相對較低。

(2)繞陽河流域洪水主要來源于干流東白城子以上區(qū)間，東白城子場次洪水歷時一般為1～3d，其中歷時在1～2d的中洪水場次占總場次洪水比例為57%，2～3d的場次占比為38%。

(3)本文未對繞陽河流域暴雨洪水變化的成因進(jìn)行深入分析，存在不足，在后續(xù)研究中重點對其變化成因進(jìn)行深入分析。