黄土高原流域洪水要素演化过程及同步性特征——以窟野河为例.pdf

第 42 卷第 11 期 水 力 发 电 学 报 Vol.42,No.11 2023 年 11 月 Journal of Hydroelectric Engineering Nov.2023 收稿日期：收稿日期：2023-06-03 接受日期：接受日期：2023-07-13 基金项目：基金项目：国家自然科学基金(51979005);中央高校基本科研业务费专项资金(300102293201);陕西省自然科学基础研究计划(2022JQ-341)作者简介：作者简介：杨志芳(1998),女,硕士生.E-mail: 通信作者：通信作者：张洪波(1979),男,教授.E-mail: 黄土高原流域洪水要素演化过程及同步性特征 以窟野河为例 杨志芳1,2，张洪波1,3，张雨柔1,2，李同方1,2，赵孝威1,2，薛超伟1,2，冶兆霞1,2 （1.长安大学 水利与环境学院，西安 710054；2.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室（长安大学），西安 710054；3.水利部旱区生态水文与水安全重点实验室（长安大学），西安 710054）摘 要：摘 要：解析黄土高原洪水要素变化及同步性对科学认识黄土高原生态治理水文效应，提升流域防洪减灾水平意义重大。以窟野河流域为研究对象，基于水文过程消退法，识别并解析了年最大洪水事件、特征要素及其非一致性特征；基于构建的洪水特征指标变化范围法，定量评估了不同洪水特征要素的改变强度；基于灰色关联度法，探究了不同洪水特征要素间的同步性特征。结果表明：洪水特征要素表现出显著的下降趋势，且伴随两阶段变异；水土保持、退耕还林还草及采煤开矿等人类活动协同改变着流域洪水事件的强度和特点，总体为中度改变；洪峰、洪量及洪水次数的同步性变化程度一直处于高位，且 1999 年后有所增强，中小洪水的致灾风险值得关注。关键词：关键词：洪水要素；演化过程；同步性；水文过程消退法；变化范围法 中图分类号：中图分类号：TV122 文献标志码：文献标志码：A DOI:10.11660/slfdxb.20231105 论文引用格式：论文引用格式：杨志芳,张洪波,张雨柔,等.黄土高原流域洪水要素演化过程及同步性特征:以窟野河为例J.水力发电学报,2023,42(11):46-58.YANG Zhifang,ZHANG Hongbo,ZHANG Yurou,et al.Evolution and synchronization characteristics of flood elements in Loess Plateau watershed.Case study of Kuye River J.Journal of Hydroelectric Engineering,2023,42(11):46-58.(in Chinese)Evolution and synchronization characteristics of flood elements in Loess Plateau watershed.Case study of Kuye River YANG Zhifang1,2,ZHANG Hongbo1,3,ZHANG Yurou1,2,LI Tongfang1,2,ZHAO Xiaowei1,2,XUE Chaowei1,2,YE Zhaoxia1,2(1.School of Water and Environment,Changan University,Xian 710054,China;2.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of the Ministry of Education,Changan University,Xian 710054,China;3.Key Laboratory of Eco-hydrology and Water Security in Arid and Semi-arid Regions of Ministry of Water Resources,Changan University,Xian 710054,China)Abstract:Analyzing the changes and synchronicity in the flood elements of a Loess Plateau watershed is essential for a scientific understanding of the hydrological effects of ecological management in this region,and it is of great significance for improving the level of flood control and disaster reduction.This 杨志芳，等：黄土高原流域洪水要素演化过程及同步性特征以窟野河为例 47 paper identifies and examines the annual maximum flood events,characteristic elements,and non-consistency characteristics in a river basin based on the hydrograph recession algorithm,through a case study of the Kuye River,a tributary of the Yellow River.We evaluate the changes in intensity of different flood characteristic elements using the constructed range of variability approach for flood characteristic index,and explore synchronization characteristics between these elements using the gray relational degree method.The results show that the flood characteristics take a significant decreasing trend with two-stage variations,and that human activitiessuch as water and soil conservation measures,land retirement for afforestation and grassland rehabilitation,and coal mininghave synergistically changed the intensity and characteristics of flood events in the basin to a moderate degree.A high degree has remained of the change in the synchronicity of flood peaks,flood volume,and flood frequency;the change rate has grown since 1999.Thus,great attention should be paid to the risk of medium and small floods.Keywords:flood elements;evolution;synchronicity;hydrograph recession algorithm;range of variability approach 0 引言引言 洪水是暴雨、急骤融冰融雪、风暴潮等因素引起的江河湖水量迅速增加或水位急剧上涨的自然现象，是全球高脆弱气候环境背景下严重且频繁发生的自然灾害之一1-2。我国领土辽阔广大，河流湖泊众多，受特殊地形和季风气候影响，洪水灾害威胁区多且分布广泛3。尤其是近年来，受复杂多变的气候扰动，黄土高原暴雨明显增加，部分地区常遭受洪水侵袭，并伴有大量水土侵蚀，甚至泥石流，使区域或流域生态环境与水安全情势面临严重威胁4。然而，黄土高原地区水文监测站点稀少，数据时间序列有限，且受暴雨洪水空间异质性的影响，常导致洪水过程难于捕捉，以致洪水数据短缺严重，很难支撑有效的洪水事件演化过程分析，而这严重制约了对流域洪水要素演化过程及同步性特征的科学认识，使黄土高原地区的防洪减灾与水安全保障多基于单一性的重大洪水灾害事件，而缺乏对大时间尺度的洪水特征要素演化过程或规律的考量。当然，洪水数据短缺并不仅限于黄土高原区，全球很多地区也存有类似的缺陷5。截至目前，已有一批方法用于解决数据短缺或无资料地区的洪水频率计算，或洪水特征值的统计参数估算问题，如推理公式法6、区域洪水频率分析及线性矩法7等。然而令人遗憾的是，尽管这些方法对提高流域洪水频率计算精度或捕捉洪水要素统计特征具有一定优势，但其在刻画洪水要素演化过程或其同步性方面仍无法实现。当前，多数研究者通过较长观测记录径流数据识别洪水事件和特征指标8，并将其运用到区域或流域的洪水事件演化规律的解析中。但不可否认的是，这种方法的准确性存在一定的尺度效应，如对于日尺度的径流数据而言，洪水事件识别的精度与事件分割及特征提取方法息息相关。很多学者也将多变量随机洪水事件分离及特征确定认定为后续洪水相关分析（如频率分析、趋势分析等）的初始关键步骤。目前，广为接受的洪水样本选择方法主要为年最大值法（annual maximum series，AMS）和超定量模型法（peak over threshold，POT），我国常采用前者选取洪水特征洪峰值或最大三天洪量值对应的洪水作为年洪水事件序列。然而，该方法也存在理论上的不足，即割裂了洪水真实过程，具体而言就是舍弃了大于枯水年最大洪峰的次洪水事件，进而导致所选取的洪水序列信息不足9。为有效扩大洪水信息的使用量，1999 年王善序引入超定量理论（partial duration series，PDS）基本概率模型，并将其应用于长江中游某支流水文站的洪水分析10，取得了较好的应用效果；在洪水事件起止日期、洪量及洪水过程线等特征参数的识别上，通常采用基流分离方法和概念图法。这种方法通常要求人为判定径流上升点为洪水起始点，而径流衰退点为洪水截止点。这种主观或者说经验性的处理方式常引发后续结果分析中面临极大的不确定性，从而影响洪水特征参数提取的准确性。对此，Zhang 等11参考前序研究提出了通用公式结合主衰退曲线（master recession curve，MRC）提取洪水起止时间及各特征要素的一般方法以提高所获结果准确性。窟野河是黄河的一级支流，其控制流域是黄土48 水力发电学报 高原由黄变绿的显著区以及暴雨洪水事件的多发区12-14。近年来，很多学者将视野聚焦于窟野河流域，探索其在地表覆被显著变化和气候-人类耦合扰动下的河川径流过程及特征指标的变化。已有研究表明，窟野河入黄水沙量在 2000 年以来急剧减少，减幅高达 67%和 96%12。自古以来黄河流域都有“大水排大沙”的基本规律，而窟野河输沙量的断崖式减少则有可能与长期水土保持的拦沙效应及洪水变异诱发的水沙关系异变有关。为了厘清这一问题，刘晓燕等12综合分析了窟野河降雨、植被、采煤和坝库拦沙量、生产生活用水等因素对流域产水产沙的影响，结果表明植被改善是产水能力下降及沙量锐减的主要因素，大规模采煤是洪水形态改变的重要因素；鲍振鑫等13基于水文模型与机器学习对窟野河流域 19602014 年水沙变异及归因进行了系统剖析，结果表明径流和输沙量均呈现显著减小趋势，且人类活动是造成该现象的主要原因；此外，赵晓坤等14根据流域实测洪水记录，分析了洪水次数及流量特性的变化趋势，并指出窟野河流域暴雨洪水年际变化大，洪水特征在 80 年代前后发生了急剧变化。综上所述，不难发现近年来针对窟野河流域水文特性的研究多集中于对径流变化及其归因，很少对洪水特性的演变特征进行系统分析，且仅有的研究也只是基于不同场次的洪水记录对不同时期的洪峰流量、洪量，洪水发生次数等洪水要素变化进行了对比分析，并未形成连续的演化过程，且如洪水持续时间、洪水过程线等描述洪水事件的重要指标或特征曲线以及不同洪水要素间的同步性也未有所涉及，导致对窟野河流域甚至黄土高原洪水事件演化特征的科学认知并不完善。鉴于此，本文拟基于逐日径流数据，采用机理明晰的洪水分离方法，提取窟野河流域有效的洪水特征要素，并通过不同指标对窟野河流域洪水事件演变过程及特征变化进行再分析，重点剖析其趋势性、变异性和同步性，以期探明在连续演化条件下窟野河流域洪水事件所蕴含的非一致性特征和所展现出的区域特性，从而为窟野河综合开发治理以及黄土高原生态保护与高质量发展提供科学依据。1 研究区概况及数据来源研究区概况及数据来源 1.1 研究区概况研究区概况 窟野河源于内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区柴登乡拌树村，由西北向东南流经内蒙古鄂尔多斯市和陕西榆林市的 6 个县，于神木市贺家川乡沙峁村汇入黄河，干流全长 242 km，流域面积 8706 km2，介于北纬 3823 3952、东经 109 11052之间。流域地处毛乌素沙地和黄土高原的过渡地带，主要涉及砾质丘陵区、沙质丘陵区和黄土丘陵区三个地貌类型，流域土质疏松，土壤瘠薄，植被稀少，水土流失严重，且多暴雨洪水，是黄河中游河口镇龙门区间洪水及泥沙主要来源地之一12-14。窟野河流域属干旱半干旱大陆性气候，流域多年平均降雨量 391 mm，蒸发皿蒸发量 900 1200 mm，多年平均气温7.9，多年平均径流总量为7.59亿 m3。窟野河河流呈“Y”形状，其中上游的左支称为乌兰木伦河，右支称为悖牛川，两支流相汇于店塔镇后称为窟野河，河道平均比降 2.55。流域内人口分布呈现明显的空间差异，多集中于流域下游平原区，区内矿产资源丰富，经济水平整体较高。1.2 数据来源数据来源 选用 19562016 年窟野河流域控制站温家川站的逐日径流数据和同站的实测洪水摘录数据及流域气象站的实测降雨量摘录数据（流域及站点位置见图 1），数据来自黄河水利委员会印制的水文数据年鉴；温家川站控制流域面降雨量主要由国家青藏高原科学数据中心网站提供的 1 km 分辨率逐月降水量数据集经剪裁筛选获得15。2 研究方法研究方法 2.1 洪水事件识别方法洪水事件识别方法 洪水事件及其特征要素识别方法主要基于水文过程消退法（hydrograph recession algorithm，HRA）16从日平均流量数据中提取年最大洪水事件及其相关特征指标，可通过实测洪水摘录数据对其进行校验，以评价其合理性和适用性。具体而言，在洪水事件及其特征的识别过程中，先采用 Zhang 等11提出的通用公式（1）（2）确定 洪水发生的初步起止时间（ST，ET），然后利用主 衰退曲线分析法（MRC）17从各个年份中提取多个衰退系列，并结合样条匹配法对其进行拟合，从而获得该流量系列的最优衰退曲线。Sp pS25ln1.60 9QaQATTb（1）杨志芳，等：黄土高原流域洪水要素演化过程及同步性特征以窟野河为例 49 图图 1 窟野河流域及气象水文站点 窟野河流域及气象水文站点 Fig.1 Kuye River basin and its meteorological and hydrological stations EpEp25ln1.609QaQATTb（2）式中：pQ，SQ，EQ分别为洪水峰值流量和洪水起止时间相对应的流量；pT，ST，ET为洪水事件峰 值和起始流量发生时间；a 和 b 为经验参数，参考相关研究18，可取 a=0.5，b=1.5；A 为流域面积，km2；25ln1.609A为保证两个连续洪水事件独 立的最小间隔时间。利用该衰退曲线延展各场洪水衰退过程至基 流，进一步提取出较为准确的洪水停止时间（ET）、洪水事件过程线、洪水事件总洪量（V）及洪水持续时间（D）等特征参数，以全面描述整个洪水事件，具体计算方法如表 1 所示。为了阐明洪水过程的离散程度，本文引入了年 最大洪水事件流量变差系数（vfC）19，该特征指 标的计算公式如下：vfiiiCX（3）式中：i 为年最大洪水事件个数；iX为各场洪水事件过程中日流量时间序列的平均值；i为同一序 列的标准差。因河川基流量无法准确地从流量过程中进行分离，且测量过程多具有主观性，故本文取各年最 小 60 天流量的均值作为基流量（bQ），并将其设 置为计算所用参数。表表 1 洪水事件特征要素 洪水事件特征要素 Table 1 Characteristic elements of flood events 序号 内容 计算 1 年最大洪峰流量（pQ）pbQQQ 2 年最大洪水事件洪量（V）洪水过程线所围面积与基流量面积之差 3 年最大洪水事件持续时间（D）ESDTT 4 年最大洪水事件流量变差系数（vfC）vfiiiCX 5 每年洪水事件发生次数 超定量模型（POT）注：Q 为实测逐日径流数据的年最大值。50 水力发电学报 2.2 水文变异及强度识别水文变异及强度识别 水文变异检验是水文非一致性识别的重要方法之一，一般可包括趋势检验、均值变异点检验、方差变异点检验等20。这里主要采用趋势检验和均值变异点检验刻画洪水特征要素序列的非一致性特性。Mann-Kendall（MK）趋势检验法是一种广泛应用的时间序列趋势分析非参数方法，其应用前提是假定样本相互独立。然而，气象水文领域的同期降水量与径流量数据之间、洪峰洪量等特征变量之间多可能存在自相关性21，且叠加入人类活动扰动后，这种自相关性会更趋强烈，因此前置移除法和参数修正法等用以消除序列自相关性的改正措施得以提出22，以保证满足其应用假设。本文拟采用去趋势预置白 Mann-Kendall（TFPW-MK）方法检验洪水事件特征要素时间序列的趋势性变化。在均值变异点检验中，主要采用 Pettitt 均值变异检验法和5年滑动t检验法探究所获洪水事件特征要素的变异性。其中，Pettitt 均值变异检验法是Pettitt 于 1976 年提出的一种非参数检验方法，该法利用秩序列识别水文时间序列中的突变点并判别其显著性。本文主要利用滑动 t 检验法对 Pettitt检验结果进行佐证23-24。水文变异检验方法尽管能识别出其趋势与均值变异等非一致性特征，但其并无法有效估算或衡量水文变异的强度。故拟借鉴水文指标变化范围法（IHA-RVA）定量评估长时间尺度下研究区洪水事件特征要素的变化强度，并对气候与人类活动等因素的影响实施定性分析。其中，IHA 是 1996 年Richter 等25基于日尺度流量数据所建立水文变异指标体系（indicators of hydrologic alteration），经补充完善后，共涵盖了五类 33 个指标。而 RVA 是Richter 等解决 IHA 指标体系的评价问题而提出的基于偏离度的水文变异程度定量评价方法，即变化范围法（range of variability approach）26。该方法主要通过定义各指标改变度和水文整体改变度对单变量及综合水文改变情况实施评定。本文将借助 IHA-RVA 法构造思想27-28，选用表 1 所列洪水事件特征要素，构建涵盖五个指标的洪水特征变异指标体系（IHAfld），并计算各指标不同时期的偏离度，以期对窟野河流域洪水事件的演化过程进行客观描述，研判其在不同时期的特征变化：postprepre100%PPVP（4）式中：preP，postP为变化前后两个时期洪水特征参 数的均值；V 为偏离度，用以反映不同时期同一站点洪水特征差异程度。在此基础上，运用RVA计算单个指标改变度和整体改变度，以量化评估洪水事件特征要素的变化强度，其中，RVA范围阈值定义为变化前一时期各洪水特征参数发生几率为75%与25%所对应的参数值。100%ioieiieNNDN（5）TieNrN（6）52115iiDD （7）式中：iD为各洪水特征参数的改变度；ioN，ieN 为各洪水特征参数变化后落在RVA阈值范围内的实际年数和预期年数；r 为第 i 个洪水特征参数变化前落在RVA阈值范围内的比例，本文取r=50%；TN为变化后序列的总年数；D 为洪水特征整体改 变度。参考IHA-RVA法，定义洪水特征改变度在0 33%为低度改变，33%67%为中度改变，大于67%为高度改变。2.3 同步性分析方法同步性分析方法 灰色关联度分析（grey relation analysis，GRA）本质是一种度量两个向量之间距离的方法29，最早由控制科学与工程学科邓聚龙教授提出。对于具有时间属性的因子，其向量可以看成一条时间曲线，而GRA算法则主要用于判断两条曲线的形态和走势是否相近。本文主要利用GRA法考量各洪水要素时域变化的同步性。为避免其他因素干扰，凸出形态特征的影响，首先对数据做归一化处理，即将所有向量矫正到同一个尺度和位置，本文中使用了极差标准化法；然后，计算主序列和比较序列之间的灰色关联系数 ik，用以表明两序列各维度之间的关联程度：0000minminmaxmaxmaxmaxiiiikikiiikkxkx kxkx kxkx kxkx k（8）杨志芳，等：黄土高原流域洪水要素演化过程及同步性特征以窟野河为例 51 式中：为分辨系数，取0.5；0minminiikxkxk为二级最小差；0maxmaxiikxkxk为二级最大差。最后，将所获灰色关联系数序列求均值，即可 获得两序列间的灰色关联度ir：11niikrkn（9）该值越接近1，则说明两个向量（因素）变化趋势和几何曲线形状越接近，即同步变化程度越高。3 结果分析结果分析 3.1 洪水事件识别及演化特征洪水事件识别及演化特征 应用基于HRA的洪水事件识别方法，从逐日径流数据中，分离出61场年最大洪水事件。图2给出了具有代表性的单峰和双峰洪水事件过程线图和对应的洪水摘录中记录的实际洪水过程。从中发现，提取出的洪水事件开始日期与径流上升点基本一致，检测到的结束日期亦很好地表达出了流量过程线衰退过程，且单峰与双峰洪水过程均拟合较好。结果表明，该识别方法可以有效分离窟野河洪水事件，并捕捉到较为准确的洪水要素特征。采用Pettitt突变检验法和滑动t检验法对研究期内的年最大洪水事件各特征要素（洪峰、洪量、洪水次数、vfC、持续时间）时间序列进行均值变 异分析，其结果绘于图3中。从图3可知，窟野河流域的洪峰、洪量及洪水次数序列突变年份均出现在1979年和1998年，而Cvf时间序列变异年份为1997年和1971年，持续时间序列变异点的识别结果在1998、1976和1971等多个年份。尽管不同特征要素变异点的具体时间略有不同，但其均出现在两个时段，即1970年代和19971998年。通过追溯相关文献及“国民经济和社会发展统计公报”等论述和数据统计，可知窟野河流域于20世纪六七十年代进行了大规模水土保持治理，特别是淤地坝等拦蓄工程在流域内集群布设，对洪水的形成和特征参数造成了不可忽视的影响。另外，从1997年开始，窟野河流域内开展了规模性的采煤活动，且同一时期国家开始在黄土高原大规模地实施退耕还林还草措施，而这些活动都有可能诱发洪水事件及其特征要素产生第二次的演化趋势转变30-32。综上，结合不同变异点的显著性及以上物理归因，最终确定洪水事件过程的变异点发生在1979和1998年。对各洪水特征要素进行TFPW-MK趋势检验，其结果亦绘于图3中。结果显示研究期内，各特征要素均存在显著下降趋势，Z值的绝对值均远高于显著性水平=0.05下的临界值1.96，且整体数值基本保持在-3左右，其中以洪水次数的统计Z值最为突出。根据突变检验结果，将洪水事件时间序列大致划分为三个时期，时期一（P1）19561979年，时期二（P2）19801998年，时期三（P3）19992016年。根据不同时期所表征的主要意涵，本文将P1定义为基准期，P2和P3定义为受人类活动和气候因素共同影响的变化期，并将各要素在各时期的均值绘入图3，以有效反映洪水特征的代际变化，即宏观演化规律。由图3可见，P2相对于P1，各要素均值减少了11%27%，而从P2至P3，各要素均值又持续减少了27%78%，这表明1998年以后窟野河流 图图 2 代表性洪水事件过程线 代表性洪水事件过程线 Fig.2 Hydrographs of typical flood events 01020304050607080050010001500200025007-288-28-78-128-178-228-279-1流量/(m3/s)（a）1959降雨量/mm时间00.20.40.60.811.21.41.61.8202004006008001000120014008-18-68-118-168-218-268-31（b）1992流量/(m3/s)降雨量/mm时间实际洪水过程识别洪水过程洪水过程起止时间流域面平均降雨量52 水力发电学报 图图 3 年最大洪水事件各特征要素的年际变化 年最大洪水事件各特征要素的年际变化 Fig.3 Interannual variations in five characteristic elements of annual maximum flood event series 域的环境变化对各洪水要素的作用一直存在，且强度有持续增大，从而导致了各特征要素在时序上表现出显著的下降趋势。具体落脚于洪峰、洪量及洪水持续时间这三个洪水事件的主要特征变化，可发现洪峰由 P1 期 1000 m3/s 以上水平降至 P3 期的100 m3/s 以下水平，跌幅巨大，而洪量和洪水持续时间亦呈阶梯式下降，平均下降幅度为 144.77 万m3/年和 0.12 天/年。总体来看，洪水事件表现出了削峰、减量、洪水过程线矮瘦化的特点。尽管这对于防洪控制是有利的，但从生态学的角度看，洪峰、洪量和持续时间的持续消减，必然带来河道形态以及栖息地环境的改变，洪泛区营养物质无法得到有效补充，进而导致河流生态功能进一步萎缩。年最大洪水事件流量变差系数（vfC）主要用 指标年际变化分期均值P1期P2期P3期杨志芳，等：黄土高原流域洪水要素演化过程及同步性特征以窟野河为例 53 于反映每场洪水过程中的流量变化情况，该系数越大，说明洪水过程越离散，洪水形状不确定性越高，相应的洪水事件危险性越高。由三个时期vfC指标 的变化范围可发现，从 P1 期的 0.61 4.03，到 P2期的 0.94 3.27，再到 P3 期的 0.54 2.33，指标的覆盖范围整体愈来愈窄，这表明洪水过程流量起伏有所减弱，整体状态越来越趋于稳定，而这种稳定态也刚好反映了水库、淤地坝调蓄滞洪，植树造林削峰等人类干扰正在改变洪水的天然状态，节律特性日渐弱减，洪水的造床与生态功能正在退化。采用洪水超定量（POT）模型33提取洪水次数特征时，需重点考虑阈值选择及洪峰系列独立性保障原则。当前，国内外研究对此尚未形成统一标准，但美国水资源委员会提出的去簇方法和以广义帕累托分布拟合峰值系列的方法已得到广泛接受，因此本文拟采用该法获得窟野河洪水次数特征，并对其进行时域变化分析。结果表明，自 20 世纪九十年代以来，窟野河发生洪水的次数明显低于之前平均每年发生两次洪水的基准期水平，甚至于 2000年以后，各年过阈值洪水次数多为零，这表明窟野河流域生态治理对洪水事件的发生与演化过程已经产生了严重影响，植被修复所引发的产流能力的减弱，淤地坝等拦蓄工程所诱发的区块汇流能力大幅降低，甚至趋近于 0，煤矿开采所驱动的流域用水量激增或地下袭夺而伴生的河道流量锐减，这一切都在影响着窟野河洪水事件在时域上的稳定性，也催生着时变性的洪水演化特征。3.2 洪水特征要素变化强度评估洪水特征要素变化强度评估 依据 IHAfld-RVA 法，统计三个时期洪水特征变异指标的均值偏离度，结果如图 4 所示。由图 4 可以看出，各 IHAfld指标均呈现负偏离状态，即减小势。具体论述如下：相较于 P1 期，P2期各指标的均值偏离度约为-20%，其中指标vfC 的降幅最小，为-11.61%，这应与 P2 期人类活动（水土保持措施、小规模采煤等）影响有限，所造成的环境改变程度偏弱有关，故其对洪水的影响亦表现为起步阶段，即各特征的偏离状态整体较小，呈小幅减小趋势。P3 期相较于 P1 期，各指标均表现出较大的偏离，其中最显著的洪水次数的偏离度高达-83.72%，最不显著的持续时间偏离度也达到了-37.15%，大大高于 P2 期相较于 P1 期的整体偏离水平。这一结果也再次表明 P3 期内流域环境发生了强烈改变，大面积的退耕还林还草、大规模的采煤开矿与区域经济快速发展，加之前期水土保持措施的后续效应都是造成 P3 期较于 P1 期发生高偏离的重要原因。从强度变化的速率上看，P3/P2 高于 P2/P1，这意味着 P3 期的环境状况是研究期内强度最高的。在P3/P2 中，洪水次数指标偏离度仍处于高位，这与上节中分析的洪水事件特征指标变化情况保持一致，年洪水发生次数也有大幅减少。图图 4 洪水特征指标均值偏离度洪水特征指标均值偏离度 Fig.4 Deviation degrees from the mean of IHAfld 应用 RVA 法计算所得的洪水特征指标改变度如表 2 所示。表 2 结果表明，各指标的水文改变度中，皆以洪峰最大，呈现了两个高度改变，而其他指标多表现为中度改变，亦包含四个低度改变。虽然整体上改变指标强度偏低，但其改变程度仍不容小视，五个指标中三种对比模式下发生中度以上改54 水力发电学报 变的指标占到了总数的 73%。其中，洪水持续时间在三种对比模式下均呈现为低度改变，这可能与暴雨时长的稳定性有关，也可能受到了提取洪水方式（法）的影响。同时，研究发现本文的基流设置及衰退曲线的引用会使得所获洪水持续时间与实际记录情况有一定的偏差，需要在后续研究中对其进行改进。对比不同时期洪峰和洪量的改变度，可以发现P3 期对指标的改变远高于 P2 期，这再次表明近 30年的人类活动对窟野河洪水的影响作用无论是从机理上还是作用方式上，其效果都是显著的，这也证明黄土高原生态治理所采取的各种工程和非工程措施对流域滞洪、削峰作用是非常显著的，然而洪水坦化特点日益明晰化，也要求我们要高度关注洪水坦化可能诱发的生态学效应，以保障黄土高原生态修复效果的可持续性。从整体水文改变度来看，三种模式下虽均为中度改变，但其改变度的数值差异以及洪水特征指标的变化却不容忽视，如 P2/P1 期的 34.99%与 P3/P2期的 54.66%间的显著差距，这说明 P3 期的退耕还林还草措施和煤炭开采活动等影响因素对流域洪水过程及特征有着更强烈的驱动作用34。表表 2 洪水特征指标改变度 洪水特征指标改变度 Table 2 Variation degrees of IHAfld 时期 各指标水文改变度/%整体水文改变度/%洪水次数 洪峰 洪量 持续时间 Cvf P2/P1 47.37 中 47.37 中 15.79 低5.26 低36.84 中 34.99 中 P3/P1 44.44 中 77.78 高 55.56 中0 低55.56 中 53.29 中 P3/P2 44.44 中 88.89 高 55.56 中0 低44.45 中 54.66 中 3.3 洪水特征要素的同步性变化洪水特征要素的同步性变化 以上对所获洪水事件各特征要素的分析都是单独开展的，不同要素间变化是否具有同步性，是否存在协同演化规律仍未可知。故本节拟采用Spearman 相关分析法34和灰色关联度法（GRA）对三个时期内不同因素间的同步演化特点进行分析，以期获得各洪水特征要素间的关联性和同步性特点，具体分析结果如图 5 和表 3 所示。从图表中可以看出，不同时期洪峰与洪量的相关系数和灰色关联度值均呈现最高，且在 P1 和 P3两个时期表现出了高度相关性。这说明整个时间序列中，洪峰与洪量变化趋势和几何曲线形状趋于一致，即同步性变化程度高，这也意味着退耕还林还草、煤矿开采等因素对洪峰与洪量的驱动方式及强度基本相似。然而，细观不同时期相关系数和灰色关联度的数值变化，可发现 P2 期内两系数的取值均偏低。究其原因，认为 P2 期水土保持措施以淤地坝为主，在拦蓄洪量上有一定效果，但在超渗主导的产流模式下，大洪水特别是峰值受其影响较为有限，故导致 P2 期在洪峰和洪量两个洪水特征要素的影响上有所相异。而 P3 期大规模的还林还草导致植被覆盖发生本质性变化，产流能力的下降，使得洪峰进一步降低，并与洪量在低水平条件下形成了相关性。（a）P1 （b）P2 杨志芳，等：黄土高原流域洪水要素演化过程及同步性特征以窟野河为例 55 注：*表示通过 =0.01 的显著性检验；*表示通过 =0.05 的显著性检验。图图 5 Spearman 秩相关分析秩相关分析 Fig.5 Spearman rank correlation analysis 表表 3 不同时期各洪水要素间的灰色关联度不同时期各洪水要素间的灰色关联度 Table 3 Grey correlation degrees between flood characteristics in three periods 时期 洪水要素 洪峰 洪量 持续时间CvfP1 洪量 0.81a 持续时间 0.59b 0.64 Cvf 0.64 0.66 0.79 洪水次数 0.76 0.74 0.69 0.62P2 洪量 0.80a 持续时间 0.54b 0.54b Cvf 0.60 0.65 0.73 洪水次数 0.73 0.70 0.61 0.60P3 洪量 0.93a 持续时间 0.61 0.63 Cvf 0.73 0.77 0.73 洪水次数 0.89a 0.87a 0.55b 0.61注：a 表示关联性强，b 表示关联性弱。纵观所有的洪水特征指数，可发现持续时间与其他因素的相关性和关联度在各个时期均表现为最弱，Spearman 相关系数值在 0.1 0.4 范围内变化，灰色关联度值亦在 0.5 左右起伏。笔者认为这可能是与其主要受暴雨时长和土壤前期湿度控制，而与暴雨强度、下垫面条件、工程拦蓄等关联性不强有关。当然，持续时间识别结果的可靠性也会对其与其他因素的相关性有所影响。综合来看，窟野河流域洪水事件不同时期各特征要素间具有较好的同步性，且以 P3 期表现得最为显著，这从侧面反映了人类活动及气候变化在驱动洪水特征要素序列展现出下降趋势，诱发洪水过程坦化的同时，一定程度上强化了洪水各特征要素间的同步性，而这种同步性很可能加剧中小洪水的致灾风险，应予以关注。4 讨论讨论 4.1 气候变化对洪水特征要素的影响气候变化对洪水特征要素的影响 前序结果分析中，重点对水土保持措施、退耕还林还草工程及煤矿开采等人类活动做了较为深入的分析，但对气候变化并未有过多探论，即并未明确指出洪水特征的变化是否受到降雨，特别是暴雨变化的影响。事实上，在应用洪水特征指标变化范围法（IHAfld-RVA）定量评估洪水特征要素改变程度之前，已对窟野河流域逐年汛期降雨（1 km 分辨率逐月降水量数据集和基于实测站点的面降水量）特征进行了分析。结果显示，研究期内窟野河流域汛期降雨量呈减小态势但并不显著，Z 值约为-1.09，不满足显著性要求，且变异年份主要分布在2010 年以后。根据洪水持续时间，选定年最大多天连续降水量作为暴雨持续时间的指代指标，并分析其时域上的趋势和变异变化，结果表明该指标亦未发生显著的非一致性变化，故可认为降雨变化对洪水特征变化的影响程度较小，可将水土保持措施、退耕还林还草工程及煤矿开采等人类活动作为主导