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)

繞陽河發源于遼寧省阜蒙縣扎蘭營子鄉察哈爾山，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，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，基本屬于超滲產流[3]。洪峰徑流系數較小，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3次區域性暴雨天氣過程，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，繞陽河發生中等量級洪水的場次呈現明顯增多變化，2022年7月繞陽河流域東白城子水文站發生有歷史洪水統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行科學規劃和設計，而暴雨洪水特征分析是其科學規劃和設計的重要支撐。當前對于繞陽河流域暴雨洪水特征取得一定研究成果[10- 15]，但均未對其進行系統全面的分析，為此結合繞陽河東白城子水文站以上流域內43個降雨站點近65a降水觀測數據及場次洪水觀測數據，對其暴雨徑流特征進行分析。研究成果對于繞陽河防洪治理工程規劃和設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行趨勢檢驗，該方法針對樣本序列X進行秩序樣本序列的構造：

(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；ri—構造的第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，對其進行統計量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)

當達到90%的顯著性檢驗水平時，其統計量U值為1.96，當統計量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。若統計值為正表示為遞增趨勢，若統計值為負表示為遞減趨勢。

2 研究資料

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

3 研究成果

3.1 暴雨場次變化特征

結合繞陽河東白城子水文站以上流域內43個降雨站點1955—2022年降水觀測數據，對各年代際24h降水量超過100mm的暴雨場次進行統計，并對各年代際暴雨場次進行變異系數Cv值和變化趨勢進行分析，結果見表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遞增變化趨勢，1956—2022年暴雨場次均值達到29次，場次最高的年代際為2010年代，20世紀80年代發生暴雨場次次數最少，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Cv值表征數據波動程度，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計值均在±1.96之內，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

在暴雨場次統計的基礎上，對各年代際繞陽河流域24h超過50mm的暴雨量進行統計，并對其變異系數Cv值和暴雨量變化趨勢進行分析，結果見表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有華北氣旋，高空槽和臺風等，通過對繞陽河流域暴雨量進行統計分析，近65a流域暴雨量總體呈現遞增變化趨勢，尤其是20世紀90年代以后，其遞增趨勢顯著性逐步增加，20世紀90年代、2000年代、2010年代流域暴雨量顯著性檢驗統計值均高于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

結合繞陽河流域東白城子水文站1955—2022年場次洪水觀測數據，對洪水要素重現期為5～20a的中洪水場次進行統計和顯著性檢驗，結果見表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遞增變化，流域內尤其是中上游地區土質多為沙土及沙壤土，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間，暴雨比較集中，大多數年的暴雨發生在7—8月。本流域洪水由暴雨產生，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上，對各年代際中洪水洪量變化特征進行統計，結果見表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最高值，達到了0.685×108m3。20世紀80年代流域出現中洪水洪量最低值，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計值均在±1.96內，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上，對各年代際中洪水洪峰變化特征進行統計，結果見表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，因此產生的洪峰量級較低。各年代際流域洪峰總體呈現遞增變化，由于區域內下墊面條件影響，流域土壤沙化現象較為嚴重，流域下滲能力遞減現象較為明顯，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，年代際洪峰變化趨勢不顯著。

4 研究結論

(1)華北氣旋、高空槽和臺風是繞陽河流域暴雨產生的天氣成因，華北氣旋易造成流域強降水，6h暴雨量累積超過100m，流域內發生中洪水的頻次達到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行深入分析，存在不足，在后續研究中重點對其變化成因進行深入分析。