基于POT和BMM模型的甘河洪水演变特征分析.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目()国家自然科学基金项目()中国博士后科学基金项目()作者简介:章清松男硕士研究生研究方向为水文与水资源 :.通信作者:戴长雷男教授博士主要从事寒区地下水及国际河流方向的教学和科研工作 :.文章编号:()引用本文:章清松陈伟吴燕锋等.基于 和 模型的甘河洪水演变特征分析.人民长江():.基于 和 模型的甘河洪水演变特征分析章 清 松陈伟吴 燕 锋章 光 新戴 长 雷(.黑龙江大学 水利电力学院黑龙江 哈尔滨 .中国科学院 东北地理与农业生态研究所吉林长春 .水利部松辽水利委员会吉林 长春)摘要:全球气候变化引起极端洪水频发和强度增大增加流域洪水风险 甘河是嫩江尼尔基水库上游最大的支流其洪水演变关乎下游尼尔基水库的防洪调度 本研究基于甘河 年的逐日气温、降水和径流等数据利用块最大值模型和超阈值模型在对洪水事件提取的基础上分析了洪水事件发生次数、发生时间和洪峰流量的演变特征并探究了洪水演变与降水、气温关系 结果表明:甘河流域洪水频发 间共发生了 次洪水事件且主要集中在 月 年最大洪峰流量总体呈增加趋势增加速率为./()年最大洪峰发生时间均有提前趋势增加速率为./洪水与气温相关性较弱与降水密切相关甘河流域易形成暴雨型洪水洪峰发生前 的降水频率和强度与洪水的相关性最为密切且年最大 日洪量和最大 日降水量变化趋势大致相当 研究成果可为甘河洪水风险管理和下游尼尔基水库的防洪调度与水安全保障提供参考关 键 词:洪水特征 变化趋势 模型 模型 甘河中图法分类号:文献标志码:./.引 言在全球变暖和人类活动的共同的影响下极端洪水事件的发生频率和强度整体呈增加趋势 洪水灾害突发性强、对气候变化极为敏感且极端洪水事件极易导致人员伤亡和巨大经济损失 因此研究洪水演变及其驱动机理对评价气候变化的水文效应及极端水文风险应对具有十分重要的意义近年来流域尺度极端洪水事件的长期演变特征及其与气候变化的关系备受关注 学者们研究发现流域洪水演变与气候变化密切相关尤其是极端洪水事件的增强与气候变暖的效应密不可分 然而有关中国中高纬度地区洪水演变的研究较少尤其是近几十年来东北地区已成为中国气候变化最为敏感的区域之一 东北地区积雪物候长且降雪量大春季积雪融化易形成春汛 近年来全球气候变化引起春季积雪融化期间水热过程的改变如春季升温提前且升温速度加快引起积雪快速且大量的融化加剧了春汛的风险 赵娜等研究发现气温的升高导致祁连山冰川融雪增加进而导致黑河流域年径流量的增加 此外气候变化下东北地区夏季降雨 径流机制发生了改变 邹立尧等发现气候变化下东北地区暴雨初日整体提前而暴雨终日除东北中部地区延后外其他地区均有所提前 虽然已有研究发现东北地区河源区径流演变对气候变化极为敏感但仍缺乏有关洪水演变及其与气候变化关系的研究 人 民 长 江 年甘河位于嫩江上游也是尼尔基水库上游最大的支流其洪水演变对于尼尔基水库的防洪调度和供水安全保障有重要的参考意义 本文基于 年的甘河流域逐日气温、降水和径流量数据利用块最大值模型()和超阈值模型()提取了研究时段内的洪水事件分析了洪水事件演变趋势并探究了洪水与降水和气温的关系研究成果不仅可服务于下游尼尔基水库的防洪调度而且可以为中高纬度地区的洪水演变研究和洪水风险管理提供参考 研究区概况与研究方法.研究区概况和数据来源甘河是嫩江上游的一条主要支流发源于大兴安岭山脉东侧沃其山麓其地理位置位于 河长 主要支流有克一河、阿里河、奎勒河等流域总面积 下游多年平均径流深.多年平均径流量.亿 占下游尼尔基水库入流量的(见图)甘河的年内降水量分配具有明显的季节性 月平均降水量占年平均降水量的 左右 流域上游多年平均蒸发量 左右下游多年平均蒸发量 左右 甘河洪水频发如 年经历了 一遇的洪水 年经历了百年一遇的洪水致使农田绝产 亩(.)房屋有 间倒塌、间被毁坏造成经济损失总计为 万元 因此迫切需要开展洪水演变及其驱动机制研究明晰洪水演变规律为下游尼尔基水库洪水风险管理提供参考本文的数据来源于甘河柳家屯水文站(甘河出口断面控制水文站)提供的 年的日流量数据 逐日的气温和降水数据来源于国家气象科学数据中心(:.)和尼尔基水利水电有限公司 根据甘河流域的径流量年内分布特征(见图)将径流量较大的 月定义为甘河流域的湿季径流量较小的 月至翌年 月定义为干季.洪水演变特征分析本文利用 模型及 模型对洪水事件进行选取并对洪峰、最大连续 洪量以及洪水发生时间的变化特征进行分析结合 趋势检验法(法)对洪水变化趋势进行检验 模型是将数据根据年、季节、月份等时间步长进行分组然后取时间步长内最大径流量作为该分组内的洪水事件()()图 甘河流域地形地貌及气象站和水文站的分布.图 年甘河月平均径流量分布.式中:为该时间步长内的 个日径流量数据/为该时间步长内的最大日径流量/虽然 模型在极端洪水事件的分析上有较好的效果但其只选取了时间步长内的极值事件从而忽略了洪水事件可能集中出现的情况 如 月份是甘河流域的洪水多发季节 模型很容易忽略掉除最大洪水事件外的其他洪水事件从而使分析结果出现偏差降低了分析结果的可靠性 而 模型有效地规避了 模型难以处理的极端数据扎堆现象在洪水发生次数、相应量级和洪峰出现时间等信息的样 本 数 据 的 采 集 具 有 比 模 型 更 好 的 效果 本文同时利用 模型和 模型对甘河流域洪水信息进行了采集和分析 第 期 章清松等:基于 和 模型的甘河洪水演变特征分析 模型对时间步长内洪水事件的研究是通过对超过某一阈值(充分大)的所有径流量数据进行研究进而得到洪水分布的特征 模型的阈值选取公式为 ()()()式中:()为样本均值()为样本方差 分别取 得出 个备选阈值 利用 模型对洪水事件进行分析非常重要的一步是阈值的选取但是在目前的水文学研究中还没有统一的选取方法 甘河属于典型受大陆性气候影响的中高纬度季节性河流 月份流量高 月份低本文考虑了甘河径流量年内不同季节的特征在 模型阈值的选取上分别测试不同的备选阈值选取平均年洪水事件发生次数在.之间的较大阈值作为 模型判断洪水事件的阈值流量 在洪峰事件的选取上目前利用 模型对连续洪峰进行选取的基本原则:在不满足独立性判别标准的连续洪峰中只选择多个连续峰值中最大的洪水流量作为洪水峰值 洪峰独立性的判别标准为 ()()()时表示样本数据呈现上升趋势反之当 时表示样本数据呈现下降趋势.洪水与气温和降水变化的关系分析等的研究发现区域洪水强度(洪峰流量和洪量)与最高连续 降水量密切相关 为分析洪水特征与气温和降水的关系基于 等的研究采用 相关分析法首先分析了连续 最高气温、连续 最大降水量与年、春、夏、秋、冬季最大径流量的关系然后分析了降水频率和降水强度与洪水特征的关系 本研究采用 个气象站观测数据的均值来表征甘河流域的气温和降水并用于开展气温和降水与洪水的相关性 结果与分析.洪水发生次数分析利用 模型结合年平均洪水发生次数的要求确定甘河流域干季和湿季的阈值分别为./和./基于此阈值利用 模型对 年甘河的径流量数据进行分析共选取出洪水事件 次其中干季 次湿季 次 研究时段多年平均洪水发生次数为.次年洪水发生次数总体呈现“少发 多发 少发”的变化特征(见图)其中 年为洪水高发期该时段洪水发生次数均值达到了.次 在部分枯水年(年和 年)无洪水事件的发生 因此甘河洪水事件较为频发尤其是在丰水年甘河发生 次以上的洪水事件图 年甘河年洪水发生次数变化特征.对甘河洪水历时的分析结果显示洪水事件平均持续时间(从上涨到阈值开始计算直到下降到阈值 人 民 长 江 年为止)为.其中洪水平均上涨时间为.平均下降时间为.研究时段内最长洪水持续时间可达 发生于 年从 月 日起开始上涨在月 日达到洪峰 月 日结束 此外甘河是典型受大陆性气候影响的中高纬度季节性河流 月以融雪径流补给为主夏秋季以降水补给为主年内洪水事件集中发生在 月份、月和 月分别累计发生了、次和 次且 个月份累计发生的洪水次数占研究时段洪水总发生次数的.(见图)图 年甘河洪水事件年内分布.洪峰和洪水发生时间变化特征分析研究时段内甘河年最大洪水发生时间呈提前的趋势(见图)以 年发生的 次超越 一遇的洪水事件为例 次洪水事件的洪峰发生日期分别为 年 月 日、年 月 日、年 月 日、年 月 日、年 月 日、年 月 日、年 月 日和 年 月 日对应的最高洪峰流量分别为 /和 /此外洪峰流量发生时间的变异性逐渐增大洪峰流量发生时间的变异系数从 年的.增加至 年的.和 年的.从图 可以看出甘河洪水事件年内发生时间主要集中在 月份即夏汛洪水偏多 春汛洪水在 年多发其主要集中在 月份但在 年和 年鲜有发生(两个时段分别仅发生一次)年际分布上洪水事件发生时间主要集中在 世纪 年代和 年代且极端洪水事件也主要集中在两个时段内.年和四季洪峰变化趋势分析基于提取的洪水事件提取了 年的年最大洪峰流量发现年最大洪峰流量以./()的趋势增加值(检验法)为.置信度大于图 年甘河湿季洪峰发生时间变化特征.图 年甘河洪峰流量及发生时间年内分布.同样春夏两季最大洪峰流量也呈明显的增加趋势春夏两季的 值分别为.和.均通过了.的显著性检验秋冬两季的最大洪峰流量的 值分别为.和.均表现为不明显增加趋势(见表 和图)从研究时段内的年际及四季最大洪峰变化可以看出(见图)年以前变幅不大 年以后洪峰变异性增强且洪峰流量大于 /的大洪水事件在 年的夏秋季集中发生表 年甘河年和四季最大洪峰流量变化的 检验结果.指标线性趋势/()检验趋势显著性/春最大洪峰流量.增加夏最大洪峰流量.增加秋最大洪峰流量.增加冬最大洪峰流量.降低年最大洪峰流量.增加.洪水对气温和降水变化的响应甘河的年最大洪峰流量与气温相关性较弱全年、春、夏、秋、冬季最大洪峰流量与气温的相关系数分别为.和.(见图)甘河的最大洪水与最高连续 降水相关性较强具 第 期 章清松等:基于 和 模型的甘河洪水演变特征分析图 年甘河各季节及年际连续 最高气温、连续 最大降水和最大洪峰流量的变化趋势.有大致相同的变化趋势特征全年、春、夏、秋、冬季最大洪峰流量和最高连续 降水的相关系数分别为.其中全年、夏、秋、冬季的最大径流量与降水的相关性通过了置信度 的显著性检验为进一步分析降水对洪水特征的影响从降水频率和降水强度两方面分析洪水对降水的响应关系 由于甘河的洪水事件主要发生在 月份故选取年内发生天数 的洪水事件 图 显示了甘河流域洪水对降水的响应过程可以看出最大降水发生时间主要集中在洪峰发生时间的前 对洪峰发生前后 的日平均降水量和日平均径流量分析可知洪峰发生前 的降水频率和强度相较于洪峰发生后 更高且降水量峰值提前于洪峰 基于 相关分析发现甘河洪水与降水的相关系数为.这表明甘河地区洪水与降水的相关性较强更易形成暴雨型洪水 注:红色圆点表示洪水发生时间(横坐标)和 最大降水发生时间(竖坐标)左上角的子图为 年洪水发生前后 的日平均径流量和日平均降水量图 年甘河径流量与降水关系.讨 论通过对甘河地区洪水变化特征进行分析可知相较于气温洪水事件对降水的响应性更强相关性也更高表明该地区洪水事件对降水较为敏感降水量是影响洪水的关键气候因素这与黄燕等关于湄公河流域的研究结果相近 对不同时间步长内的洪水与气温、降水相关性的研究显示甘河地区洪水与最高连续 降水具有基本相同的变化特征洪水大小在全年和夏、秋、冬三季与降水的相关性均通过了置信度 的显著性检验仅在春季与降水的相关性略有降低而与气温的相关性略有提升这主要是因为在全球气候变暖的影响下中国东北地区年平均气温的气候倾向率为./甘河的春末融雪水因而增加所致 从洪水发生时间来看甘河地区洪水发生时间呈有所提前的趋势且发生次数有增加趋势但高强度洪水事件在 年间最为频发占 一遇量级洪水发生次数的 发生时间与全球气候急剧变化在时间段上基本吻合 人 民 长 江 年进一步研究发现甘河流域春季最大径流量呈逐年增加趋势这种现象与全球变暖的关系以及对该地区洪水事件的影响有待进一步研究 在未来研究中可以结合积雪水文模型进一步研究气候变化下甘河流域融雪径流对该地区洪水事件的影响 此外降水的特征以及降水量的空间分布及其变化也会影响洪水特征 如降水事件的集中度、强度和持续时间在很大程度上决定了洪水的持续时间、洪量和洪峰流量大小降水的空间分布格局影响流域尺度洪峰的形成、遭遇以及涨水和落水过程曲线进而影响流域尺度的洪水风险 结 论利用 模型以及 模型结合 年的甘河水文和气象数据分析甘河流域的洪水变化趋势及其与气温和降水的关系主要结论如下:()甘河流域洪水频发且呈现明显的季节性特征 年间共发生了 次洪水事件其中干季 次湿季 次平均每年洪水事件的发生次数为.次()甘河流域洪水事件的发生次数呈增加态势年内洪水发生时间有提前趋势且洪峰变异性于 年以后呈现增强态势()受全球变暖的影响甘河夏秋两季的洪水增加趋势明显洪峰流量大于 /的大洪水事件在 年的夏秋季集中发生()相较于气温甘河流域洪水事件与降水的相关性更强暴雨型洪水是夏秋季洪水的主要类型流域春汛主要是由积雪融化所致春季洪水与气温演变密切相关参考文献:.():.王容尹志杰朱春子.年黑龙江、松花江暴雨洪水分析.水文():.胡畔陈波史培军.中国暴雨洪涝灾情时空格局及影响因素.地理学报():.周新春许银山杨雁飞等.长江流域性洪水辨识与特征对比分析.人民长江():.施雅风姜彤苏布达等.年以来长江大洪水演变与气候变化关系初探.湖泊科学():.蒋军新蔡明徐永军等.新疆阿克苏河流域洪水演变趋势研究.冰川冻土():.:.赵娜曾小凡刘寒.基于 的黑河流域径流对气候变化的响应.人民长江():.邹立尧丁一汇.年东北暴雨气候特征分析.高原气象():.:.():.郑越馨章光新吴燕锋等.尼尔基水库运行对嫩江水文情势的影响.水电能源科学():.金鑫家姜喜民郭增红.甘河加格达奇站年最大洪峰变化规律及预报.黑龙江水专学报():.():.():.李建昌李继清.应用超阈值抽样及 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