绕阳河流域暴雨洪水特征分析_巩士群.pdf

理论研究水利技术监督2023 年第 2 期DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.046绕阳河流域暴雨洪水特征分析巩士群(辽宁省阜新水文局，辽宁 阜新 123000)摘要:结合绕阳河东白城子水文站以上流域内 43 个降雨站点 19552022 年降水观测数据及场次洪水观测数据，对其暴雨洪水特征进行分析。分析表明:东白城子水文站以上流域内 24h 超过 100mm 的暴雨场次呈现递增变化，1990 年以后递增趋势明显，年递增率均值为7 次/10a。场次暴雨量也呈现递增变化，暴雨量年递增率为38.5mm/10a。近 67a 以来东白城子水文站发生中洪水(洪水要素重现期为 5 20a)的场次呈现明显递增变化，年递增率为9 次/10a。研究成果对于绕阳河防洪治理工程规划和设计具有重要参考价值。关键词:东白城子水文站;暴雨洪水;变化特征;绕阳河流域中图分类号:TV122.1文献标识码:B文章编号:1008-1305(2023)02-0177-04收稿日期:2022-10-27作者简介:巩士群(1985 年)，男，工程师。E-mail:382290385 绕阳河发源于辽宁省阜蒙县扎兰营子乡察哈尔山，由西北流向东南，绕阳河流域面积 10348km2，干流河长 326km，是辽河最大支流。其中东白城子以上 为 低 山 丘 陵 区，河 长 128km，流 域 面 积2138km2 1。流域年降水量在 460 520mm 之间，汛期 69 月降水量占全年降水量的 80%以上，局部暴雨较多，暴雨时空分布不均，降雨强度差异较大2。绕阳河流域洪水汇流历时较短，洪峰陡涨陡落，且峰高量小，基本属于超渗产流3。洪峰径流系数较小，一般在 0.05 0.31 之间4。多项研究成果表明5-9，受气候变化影响，绕阳河流域暴雨发生的频次和强度都有明显增加的变化，尤其是2022 年，受极端气候影响，绕阳河流域共出现 3次区域性暴雨天气过程，平均累计降水量 541mm，为历史同期第一位。此外受气候变化和人类活动综合影响，绕阳河发生中等量级洪水的场次呈现明显增多变化，2022 年 7 月绕阳河流域东白城子水文站发生有历史洪水统计资料以来第二位洪水。为提升绕阳河防洪能力，亟需对其防洪治理工程进行科学规划和设计，而暴雨洪水特征分析是其科学规划和设计的重要支撑。当前对于绕阳河流域暴雨洪水特征取得一定研究成果10-15，但均未对其进行系统全面的分析，为此结合绕阳河东白城子水文站以上流域内 43 个降雨站点近 65a 降水观测数据及场次洪水观测数据，对其暴雨径流特征进行分析。研究成果对于绕阳河防洪治理工程规划和设计具有重要参考价值。1暴雨洪水特征趋势检验方法采用 M-K 非线性趋势显著性检验方法对绕阳河暴雨洪水特征值进行趋势检验，该方法针对样本序列 X 进行秩序样本序列的构造:Sk=ki=1ri(1)式中，Sk样本 xi xj在第 i 时刻的累加值;k样本序列总个数;ri构造的第 i 个秩序样本序列值。ri计算方程为:ri=1(xi xj)0(xixj)(2)假定各年份暴雨洪水特征值序列属于独立随机的时间序列，对其进行统计量 U 的计算:U=Sk E(Sk)var(Sk)(3)式中，E(Sk)Sk序列的均值;var(Sk)Sk序列的方差。当样本序列满足相互独立条件时，其均值和方差计算方程分别为:E(Sk)=n(n+1)4(4)7712023 年第 2 期水利技术监督理论研究var(Sk)=n(n 1)(2n+5)72(5)当达到90%的显著性检验水平时，其统计量 U值为 1.96，当统计量 U 值低于该临界值，则表明趋势不明显，若高于该临界值，则表示趋势明显。若统计值为正表示为递增趋势，若统计值为负表示为递减趋势。2研究资料结合绕阳河东白城子水文站以上流域内 43 个降雨站点 19562021 年降水量观测数据，采用泰森多边形方法对流域近 65a 面降水进行计算，建立面降水数据系列，分别对其 24h 内超过 100mm 的暴雨场次以及暴雨量进行统计和趋势检验。利用东白城子水文站 19562022 年场次洪水观测数据，对洪水要素重现期为 5 20a 的洪水场次、洪水总量、洪峰流量变化特征进行统计和趋势检验。3研究成果3.1暴雨场次变化特征结合绕阳河东白城子水文站以上流域内 43 个降雨站点 19552022 年降水观测数据，对各年代际 24h 降水量超过 100mm 的暴雨场次进行统计，并对各年代际暴雨场次进行变异系数 Cv值和变化趋势进行分析，结果见表 1。表 1绕阳河流域暴雨场次变化特征年代场次/次Cv值变化趋势19551969170.3519701979230.3519801989160.3119901999250.3520002009430.3120102021500.3519552022(均值)290.35从绕阳河流域暴雨场次变化特征可看出，近65a 绕阳河流域各年代际 24h 降水量超过 100mm 的暴雨场次总体呈现递增变化趋势，19562022 年暴雨场次均值达到 29 次，场次最高的年代际为2010 年代，20 世纪 80 年代发生暴雨场次次数最少，为 16 次，其不同年代际暴雨场次年递增率均值为 7 次/10a。变异系数 Cv值表征数据波动程度，Cv值越小表示其波动程度越低，绕阳河流域各年代际 Cv值在 0.31 0.35 之间，变异系数相对较低，表明流域暴雨场次不同年代际波动程度相对较为稳定。通过非线性显著性检验，绕阳河流域各年代际显著性检验统计值均在 1.96 之内，表明各年代际递增或递减的趋势均不显著。3.2暴雨量变化特征在暴雨场次统计的基础上，对各年代际绕阳河流域 24h 超过 50mm 的暴雨量进行统计，并对其变异系数 Cv值和暴雨量变化趋势进行分析，结果见表 2。表 2绕阳河流域暴雨量变化特征年代暴雨量均值/mm最大值/mm最小值/mmCv值变化趋势19551969353.5465.2185.30.3519701979489.4565.2215.90.3119801989315.6485.2265.30.3319901999525.3605.6315.20.3520002009626.5725.3385.90.3120102021545.9679.3395.60.3519552022476.5587.6293.90.35形成绕阳河流域的暴雨天气系统有华北气旋，高空槽和台风等，通过对绕阳河流域暴雨量进行统计分析，近 65a 流域暴雨量总体呈现递增变化趋势，尤其是 20 世纪 90 年代以后，其递增趋势显著性逐步增加，20 世纪 90 年代、2000 年代、2010 年代流域暴雨量显著性检验统计值均高于 1.96，通过 90%的显著性检验水平。19602022 年流域暴雨量均值为 476.5mm，各年代际暴雨量年递增率为38.5mm/10a。各年代际暴雨量 Cv值和暴雨场次统计的 Cv值较为接近，总体在 0.31 0.35 之间，绕阳河流域暴雨量年代际波动特征不显著。3.3中洪水场次变化特征结合绕阳河流域东白城子水文站 19552022年场次洪水观测数据，对洪水要素重现期为5 20a的中洪水场次进行统计和显著性检验，结果见表 3。近 67a 以来东白城子水文站中洪水场次总体呈现递增变化，流域内尤其是中上游地区土质多为沙土及沙壤土，汛期降雨集中且强度大，洪水挟带大量的泥沙下泄、堆积，较易造成河道横向摆动加剧，影响流域的防洪安全。流域洪水主要来源于干流东白城子以上区间，暴雨比较集中，大多数年的871理论研究水利技术监督2023 年第 2 期暴雨发生在 78 月。本流域洪水由暴雨产生，绕阳河干流东白城子场次洪水历时一般为 1 3d。19552022 年东白城子水文站发生中洪水场次均值为 32 次，年递增率为 7 次/10a。各年代际洪水场次 Cv值变化差异较大，总体在 0.29 0.50 之间，各年代际绕阳河流域中洪水场次波动特征较为明显。各年代际中洪水变化趋势统计值总体低于1.96，变化趋势显著性较弱。表 3绕阳河流域中洪水场次变化特征年代场次/次Cv值变化趋势19551969200.2919701979250.3119801989190.4119901999300.4520002009450.5020102022550.3519552022(均值)320.393.4中洪水洪量变化特征在中洪水场次分析的基础上，对各年代际中洪水洪量变化特征进行统计，结果见表 4。表 4绕阳河流域中洪水洪量变化特征年代洪量均值/(108m3)最大值/(108m3)最小值/(108m3)Cv值变化趋势195619690.0810.1350.0670.21197019790.1300.1950.0950.51198019890.0750.0990.0650.45199019990.2590.3250.1150.39200020090.3570.4520.1390.27201020220.5570.6850.1240.3519562022(均值)0.2430.3150.1010.36从绕阳河流域中洪水洪量变化特征可看出，东白城子水文站各年代际中洪场次洪量总体呈现递增变化，近 67a 东白城子中洪水洪量均值为0.243 108m3。2010 年代绕阳河流域场次洪量出现最高值，达到了 0.685 108m3。20 世纪 80 年代流 域 出 现 中 洪 水 洪 量 最 低 值，为 0.065 108m3。从各年代际场次中洪水洪量变化 Cv值可看出，各年代际具有较大的变化差异性，总体在0.21 0.51 之间，均值为 0.36，表明各年代际绕阳河流域中洪洪量波动特征较为明显。各年代际流域中洪洪量变化趋势统计值均在 1.96 内，变化趋势不显著。3.5中洪水洪峰变化特征在中洪水洪量分析的基础上，对各年代际中洪水洪峰变化特征进行统计，结果见表 5。表 5绕阳河流域中洪水洪峰变化特征年代洪峰均值/(m3 s1)最大值/(m3 s1)最小值/(m3 s1)Cv值变化趋势1956196946521102700.321970197958218102850.431980198977913303300.521990199977815603500.312000200968514502950.292010202277520602890.381956202267721102700.38从绕阳河流域中洪水洪峰变化特征，其中洪洪峰均值为 677m3/s，洪峰最高值为 1972 年7 月，洪峰值为 2110m3/s，场次洪水暴雨中心在上游的韩家杖子站，洪峰最小值出现在 1957 年 7 月，通过分析该场次暴雨量较大，但由于前期较为干旱，因此产生的洪峰量级较低。各年代际流域洪峰总体呈现递增变化，由于区域内下垫面条件影响，流域土壤沙化现象较为严重，流域下渗能力递减现象较为明显，使得流域相同降水量级下的洪峰量级均有增加。经分析，相同降水量级下，2000 年代以后洪峰相比于 2000 年代以前平均增加 10%。从各年代际洪峰变化 Cv值可看出，流域洪峰变幅年代际波动特征也较为明显。通过分析各年代际洪峰变化趋势的显著性检验值也均在 1.96 内，年代际洪峰变化趋势不显著。4研究结论(1)华北气旋、高空槽和台风是绕阳河流域暴雨产生的天气成因，华北气旋易造成流域强降水，6h 暴雨量累积超过 100m，流域内发生中洪水的频次达到 65%，流域暴雨中心主要位于东南部，西北部暴雨量相对较低。(2)绕阳河流域洪水主要来源于干流东白城子以上区间，东白城子场次洪水历时一般为 1 3d，其中历时在 1 2d 的中洪水场次占总场次洪水比例为 57%，2 3d 的场次占比为 38%。(3)本文未对绕阳河流域暴雨洪水变化的成因进行深入分析，存在不足，在后续研究中重点对其9712023 年第 2 期水利技术监督理论研究变化成因进行深入分析。参考文献 1卜玉 基于灰色关联与多元线性回归的洪水实时预测应用分析