连江流域年最大洪水峰量变化特征分析.pdf

连江洪水频发,分析其洪水峰量演变规律,可为流域防洪减灾提供参考。采用线性回归、M-K趋势检验、启发式分割算法和M o r l e t小波变换等方法,系统分析连江控制站高道站洪水峰量极值的趋势性、突变性和周期性。结果表明:连江流域年最大洪水主要发生在46月份,占比8 0%左右;年最大洪峰流量和年最大1 D洪量在1 9 9 3年发生了均值向上跳跃突变,年最大洪峰流量均值较突变前增大了1 2 3 4 m3/s,向上跳跃了3 3.8%;年最大1 D洪量均值较突变前增加了1.0 0 2亿m3,向上跳跃了3 5.3%,发生突变可能是由流域极端降雨增强、堤围修建加固等变化引起;年最大洪峰流量以1 8.7 m3/(sa)的趋势显著上升,年最大1 D洪量以0.0 1 4 6亿m3/a的趋势显著上升,其整体上升趋势是均值突变性跳跃上升的影响结果;洪水峰量极值指标在大尺度上存在1 4 1 5 a、1 5 1 6 a、1 5 1 8 a、1 6 1 8 a的周期,在中尺度上存在5 7 a、6 8 a、7 8 a、8 1 0 a的周期,在小尺度上存在2 3 a、3 4 a的周期。关键词:洪水峰量极值;趋势分析;突变分析;周期分析;连江流域中图分类号:P 3 3 3 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 8-0 1 1 2(2 0 2 3)0 8-0 0 2 4-0 7 收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 3;修回日期:2 0 2 3-0 3-1 0基金项目:国家自然科学基金项目(编号:5 2 2 0 9 0 2 5)。作者简介:曾志平(1 9 9 3-),男,硕士,工程师,从事水文预报工作。1 概述研究表明,在全球气候变化背景下,洪水灾害发生频次提高,极端洪水事件也更容易发生1。对水文序列的特征分析一直都是行业内学者研究的热点之一,其中趋势分析、变异诊断和周期性分析更是重要内容2。历史上,连江流域洪水频发,在当地素来有“两年一小灾,四年一大灾”之说,人民群众深受洪水困扰。近2 0 a来,连江流域就发生了“0 6.7”“1 2.6”“1 3.8”“1 4.5”“1 5.5”“2 2.6”等较大洪水,其中包含两次超百年一遇洪水(“1 3.8”和“2 2.6”)。研究连江流域洪水特性,对提高流域洪涝灾害风险认识和规避降低洪灾损失具有重要意义,但目前该类研究较少。文章以连江控制站高道水文站为研究对象,通过线性回归、M-K趋势检验、启发式分割算法和M o r l e t连续复小波变换等方法对连江流域洪水峰量极值进行分析,探索连江流域洪水峰量极值的演变规律,以期为连江防洪减灾提供科学参考。2 研究区概况连江是北江最大的一级支流,发源于湖南省郴州市宜章县莽山瑶族乡对子冲工区三分区,流经连州市、阳山县和英德市,于英德市连江口镇城樟社区汇入北江。连江流域集水面积为1 0 0 6 1 k m2,河长为2 7 5 k m,平均坡降为0.7 6 5,多年平均年降水量为1 7 9 4.1 m m,多年平均径流深为1 1 8 5.9 mm,多年平均流量为3 4 2 m3/s。连江流域地处亚热带季风区,高温多雨,既受冷暖气团形成的锋面雨影响,又受热带气旋的波及,雨量分布大致由南向北递减,其中连江下游是较稳定的暴雨中心,多年平均降雨在2 0 0 02 4 0 0 mm之间,降雨时空分布不均,49月份降雨量占全年降雨量的7 4%,1 03月份降雨只占全年的2 6%。连江属山区性河流,河床坡降陡,洪水暴涨暴落。连江干流的控制站为高道水文站(8 1 0 0 3 8 0 0),是1 9 5 4年设立的国家重点水文站,位于广东省清远市英德西牛镇高道村,集雨面积为9 0 0 7 k m2(见图1)。42图1 连江水系及控制站高道站位置示意3 研究方法3.1 洪水峰量极值指标本文洪水峰量极值指标参考水文变动指标I HA法(i n d i c a t o r s o f h a d r o l g i c A l t e r a t i o n)3,结合连江流域汇流特性,选取年最大洪峰流量、最大1 d、3 d、7 d、1 5 d洪量表征。3.2 突变分析方法本文突变分析采用目前已在医学、气象和水文等领域应用成功的启发式分割算法4-6。具体应用时,对于时间序列X(t),计算每个点X(i)左右两侧均值的T检验统计量T(t),T越大表示该点左右两部分的均值差异越大;计算其最大Tm a x的统计 显 著 性P(Tm a x),若P(Tm a x)大于给定的临界值P0,则表示该点将X(t)分割成了两端均值有一定差异的子序列,如果子序列长度大于最小分割尺度L0且其P(Tm a x)P0则继续分割,直到不能分割为止,每个分割值点即为均值变异点。本文L0取值2 5,P0取0.9 5。3.3 趋势分析方法本文趋势检验采用世界气象组织(WMO)推荐的M-K非参数检验,此方法已在环境、气象和水文时间序列变化趋势检验中广泛应用7-1 0。具体应用上,计算时间序列的M-K统计量Z,Z0则表示时间序列呈上升趋势,Z 0则表示时间序列呈下降趋势,当Z的绝对值大于等于1.6 4 4 9、1.9 6 0 0、2.5 7 5 8时,分别表示序列的变化趋势通过了置信度为9 0%、9 5%和9 9%的显著性检验。时间序列的变化幅度用倾斜度表示。本文取9 5%置信度。3.4 周期分析方法本文周期分析采用可识别时间序列在时域上多尺度周期变化特征的小波分析1 1-1 2,具体应用时,将时间序列标准化和对称延伸,计算其复小波系数并处理得到方差、实部、模和模的平方,绘制等值线图或过程线图辅助观察确定其周期特征。其中方差过程线可察看确认相关主周期,其后利用特定主周期实部过程线察看确认周期,利用模和模的平方等值线图察看能量大小和周期震荡情况。本文选用M o r l e t连续复小波变换(c m o r)。4 结果分析统计高道站年最大洪水各月发生频次,发现连江年最大洪水基本发生在汛期(49月),且主要集中在前汛期(46月),占比7 9.4%,说明46月是连江流域最容易发生洪涝灾害的月份(见图2)。图3为年最大洪水峰量极值序列图,从图3可知,所有指标均呈上升趋势,年最大洪峰流量上升速率约为2 8.4 m3/(sa),年最大1 d、3 d、7 d和1 5 d洪量上升速率分别为0.0 1 9 3、0.0 3 9 8、0.0 5 4 5和0.0 4 0 8亿m3/a,具体变化趋势将在后面进一步分析。图2 高道站1 9 5 42 0 2 1年发生最大洪水月份频次示意a 最大洪峰流量序列b 年最大1 d洪量序列522 0 2 3年8月 第8期曾志平,等:连江流域年最大洪水峰量变化特征分析N o.8 A u g.2 0 2 3c 最大3 d洪量序列d 年最大7 d洪量序列e 年最大1 5 d洪量序列图3 高道站1 9 5 42 0 2 1年洪水峰量极值序列示意4.1 突变分析对高道水文站1 9 5 42 0 2 1年洪水峰量极值进行变异诊断。以年最大洪峰流量序列为例,由图4 a可知,序列在1 9 9 3年发生变异,序列被分为两段子序列,1 9 5 41 9 9 3年和1 9 9 42 0 2 1年。两段子序列长度均大于最小分割尺度L0,需继续检验。由图4 b和图4 c可知,在1 9 8 8年和2 0 2 1年,Tm a x分别达到最大值,但其P(Tm a x)各等于0.5 4 2 3和0.8 8 2 7而小于P0,表明变异不明显,均无需再进行分割。取用不同的L0=3 0,4 0,5 0,P0=0.9 5进行变异检验,诊断结果均显示1 9 9 3年发生变异,表明在3 0 a、4 0 a、5 0 a分割尺度内,1 9 9 3年均发生了变异。1 9 5 41 9 9 3年年最大洪峰流量序列均值为3 6 5 4 m3/s,1 9 9 42 0 2 1年年最大洪峰流量序列均值为4 8 8 8 m3/s,两者相差1 2 3 4 m3/s,均值向上跳跃了3 3.8%。年最大1 d洪量也在1 9 9 3年发生了变异,1 9 5 41 9 9 3年年最大1 d洪量序列均值为2.8 4 1亿m3,1 9 9 42 0 2 1年年最大洪峰流量序列均值为3.8 4 3亿m3,两者相差1.0 0 2亿m3,均值向上跳跃了3 5.3%。年最大3 d、7 d和1 5 d洪量序列的最大Tm a x也在1 9 9 3年附近,但其P(Tm a x)分别为0.9 1 2 5、0.8 7 2 1和0.6 5 3 6,均小于P0,表明变异不明显。a 1 9 5 42 0 2 1年年最大洪峰流量b 1 9 5 41 9 9 3年年最大洪峰流量c 1 9 9 42 0 2 1年年最大洪峰流量d 年最大洪峰流量突变点前后对比图4 高道水文站最大洪峰流量序列分割检验结果示意对清远市极端降水的研究1 3-1 5表明,清远市极端强降水总量、频次和强度都在2 0世纪9 0年代初出现突变现象,其中总量和强度呈增大趋势,三连一阳和英德北部地区(连江流域)降雨呈上升趋势。1 9 9 7年622 0 2 3年8月 第8期广东水利水电N o.8 A u g.2 0 2 3后,连江干流累计建设及加固了连州市大路边镇油田河堤、连州市城防工程、阳山县温泉河堤、阳山县城防洪堤、阳山县南坑河堤等堤围累计长8 6.9 7 k m,河流防御能力得到明显提升,束水归槽。时间节点与年大洪峰流量和年最大1 d洪量序列变异点相对吻合,说明连江流域洪水峰量极值的突变可能与极端降雨增强、堤围修建加固有关。表1 高道水文站洪水峰量极值指标序列变异诊断结果序列序列时段Tm a xP(Tm a x)结果年最大洪峰流量1 9 5 42 0 2 1年1 9 9 3年0.9 9 3 7变异明显年最大1 d洪量1 9 5 42 0 2 1年1 9 9 3年0.9 8 8 1变异明显年最大3 d洪量1 9 5 42 0 2 1年1 9 9 3年0.9 1 2 5变异不明显年最大7 d洪量1 9 5 42 0 2 1年1 9 9 3年0.8 7 2 1变异不明显年最大1 5 d洪量1 9 5 42 0 2 1年1 9 9 2年0.6 5 3 6变异不明显4.2 趋势分析利用M-K非参数检验对高道水文站洪水峰量极值进行趋势检验,检验结果见表2和图5。可以看出,所选取的指标均呈上升趋势,其中年最大洪峰流量和年最大1 d洪量序列上升趋势通过9 5%置信度检验,年最大洪峰流量以每年1 8.7 m3/s的趋势显著上升,年最大1 d洪量以每年0.0 1 4 6亿m3的趋势显著上升。结合前文突变结果,最大洪峰流量和年最大1 d洪量序列均在1 9 9 3年发生了变异,对变异点前后的趋势分析表明,两个指标变化点前后子序列变化都呈不显著下降趋势,说明这两个指标整体上升趋势应该是受突变性上升影响的结果。最大洪峰流量和年最大1 d洪量显著增加而年最大3 d、7 d和1 5 d洪量变化趋势不明显,表明峰量将更加集中,洪水将更加尖瘦,显然对防洪不利。表2 高道水文站洪水峰量极值指标序列趋势检验结果序列序列时段均值/流量(m3/s)洪量(亿m3)/流量(m3/(sa)流量(亿m3/a)Z趋势1 9 5 42 0 2 1年4 1 6 21 8.72.3 9 3 9显著上升年最大洪峰流量1 9 5 41 9 9 3年3 6 5 4-9.1 6-0.5 0 1 2 0不显著下降1 9 9 42 0 2 1年4 8 8 8-1 7.3-0.4 7 4 2 0不显著下降 1 9 5 42 0 2 1年3.2 5 30.0 1 4 62.0 0 6 3显著上升年最大1 d洪量1 9 5 41 9 9 3年2.8 4 1-0.0 0 8 6-0.6 8 7 4 0不显著下降1 9 9 42 0 2 1年3.8 4 3-0.0 1 5 8-0.7 5 0 9 0不显著下降年最大3 d洪量1 9 5 42 0 2 1年7.8 4 40.0 2 6 81.2 4 3 9不显著上升年最大7 d洪量1 9 5 42 0 2 1年1 2.8 50.0 2 8 10.8 5 2 8 0不显著上升年最大1 5 d洪量1 9 5 42 0 2 1年1 9.7 60.0 2 5 60.6 0 8 7 0不显著上升a 1 9 5 42 0 2 1年最大洪峰流量b 1 9 5 42 0 2 1年最大1 d洪量c 1 9 5 42 0 2 1年最大3 d洪量d 1 9 5 42 0 2 1年最大7 d洪量722 0 2 3年8月 第8期曾志平,等:连江流域年最大洪水峰量变化特征分析N o.8 A u g.2 0 2 3e 1 9 5 42 0 2 1年最大1 5 d洪量图5 洪水峰量极值指标序列M-K检验示意4.3 周期分析利用M o r l e t连续复小波变换(c m o r)对高道水文站洪水峰量极值序列进行周期分析。从小波检测结果可以看出,高道水文站年峰量极值指标均存在3个比较明显的主周期,2 32 6 a大尺度主周期、1 11 3 a中尺度主周期和3 6 a的小尺度主周期,部分指标还存在4 6 a和4 9 a等较弱的主周期,主周期下的周期总体上呈现小尺度嵌套在大尺度下的特征(见表3)。年最大洪峰流量在中尺度1 3 a的周期变化最明显,模值最大,能量最强,是为第一主周期,在该时间尺度上存在8 9 a左右的周期;在大尺度2 5 a能量次之,且存在1 5 1 6 a左右的周期,在小尺度3 a上存在2 3 a左右的周期(见图6)。年最大1 d、3 d、7 d和1 5 d洪量大尺度主周期上升为第一主周期,年最大1 d、3 d 和7 d洪量的中尺度主周期下降为第二主周期,年最大1 5 d洪量中尺度周期下降为第三主周期;年最大1 d、3 d洪量小尺度主周期从3 a扩大为6 a。周期上,年最大1 d、3 d、7 d和1 5 d洪量大尺度上存在1 4 1 5 a、1 61 8 a、1 51 8 a的周期,在中尺度上存在6 8 a、8 1 0 a、5 7 a、7 8 a的周期,在小尺度上存在2 3 a、3 4 a的周期。峰量极值指标的周期发育,在大时间尺度上自1 9 6 0年发育以来能量不断增强,在中时间尺度上,2 0 0 0年以后能量明显增强,小时间尺度上,在1 9 6 52 0 0 5年左右震荡较为明显,2 0 0 5年后震荡减弱。在这3个明显主周期时间尺度下的周期波动决定着高道水文站洪水峰量极值在整个时域、频域内的变化特征,目前峰量极值主要在大中两个时间尺度上震荡,峰值谷值交错。截至2 0 2 1年,上述两个时间尺度下的洪峰流量等值均未封闭,在中周期上,高道站峰量极值将处于峰值或回落期,而在大周期上,高道站峰量极值将处于谷值或上升期(见图7 图1 0)。从历史相似角度看,当前时间点和2 0 0 6年所处位置类似(2 0 0 6年连江高道站最大洪峰流量7 0 0 0 m3/s,2 0年一遇6 3 9 0 m3/s,5 0年一遇7 2 6 0 m3/s),可为防洪调度工作提供参考。表3 高道水文站洪水峰量极值序列周期分析结果序列第一主周期/周期/a第二主周期/周期/a第三主周期/周期/a其余主周期/a年最大洪峰流量1 3/(8 9)2 5/(1 5 1 6)3/(2 3)年最大1 d洪量2 3/(1 4 1 5)1 2/(6 8)3/(2 3)年最大3 d洪量2 4/(1 4 1 5)1 2/(8 1 0)3/(2 3)4 6、4 9年最大7 d洪量2 5/(1 6 1 8)1 1/(5 7)6/(3 4)4 6、4 9年最大1 5 d洪量2 6/(1 5 1 8)6/(3 4)1 1/(7 8)4 6、4 9a 小波系数方差 b 3 a、1 3 a和2 5 a尺度小波系数实部过程线c 小波系数实部等值线 d 小波系数模等值线图6 高道水文站年最大洪峰流量小波分析示意822 0 2 3年8月 第8期广东水利水电N o.8 A u g.2 0 2 3图7 年最大1 d洪量小波系数实部等值线示意图8 年最大3 d洪量小波系数实部等值线示意图9 年最大7 d洪量小波系数实部等值线示意图1 0 年最大1 5 d洪量小波系数实部等值线示意5 结语本文通过线性回归、M-K趋势检验、启发式分割算法以及小波分析等方法,对高道水文站1 9 5 42 0 2 1年洪水峰量极值的变化特征进行系统分析,得出以下初步结论:1)连江年最大洪水基本发生在汛期(49月),且主要集中在前汛期(46月),占比8 0%左右。2)年最大洪峰流量和年最大1 d洪量在1 9 9 3年出现了一次较为明显的突变现象,突变表现为均值向上跳跃,其中洪峰流量突变后平均流量较突变前增加了1 2 3 4 m3/s,增大了3 3.8%,年最大1 d洪量突变后平均洪量较突变前增加了1.0 0 2亿m3,均值向上跳跃了3 5.3%。年最大3 d、7 d和1 5 d洪量变异不明显。发生突变可能是由流域极端降雨增强、堤围修建加固等变化引起。3)年最大洪峰流量以每年1 8.7 m3/s的趋势显著上升,年最大1 d洪量以每年0.0 1 4 6亿m3的趋势显著上升,但结合变异点分析,整体上升趋势是受突变性上升的影响结果。年最大3 d、7 d和1 5 d洪量变化趋势不明显。峰量极值的变化特征表明表明峰量将更加集中,洪水将更加尖瘦,对防洪是不利。4)连江流域峰量极值指标主要有大中小尺度的主要周期变化,大尺度上存在1 41 5 a、1 51 6 a、1 5 1 8 a、1 6 1 8 a的周期,在中尺度上存在5 7 a、6 8 a、78 a、81 0 a的周期,在小尺度上存在2 3 a、3 4 a的周期。目前峰量极值主要在大中两个时间尺度上震荡,峰值谷值交错,能量都有随之时间推移进一步增强的趋势。当前正处于大周期的谷部,但同时处于小周期峰部,从历史相似角度看,当前时间点和2 0 0 6年所处位置类似,可能发生较大洪水,可为防洪调度工作提供参考。参考文献:1 M I L L Y P C D,W E T H E R A L D P T,D U N N E K A,e t a l.I n c r e a s i n g r i s k o f g r e a t f l o o d s i n a c h a n c i n g c l i m a t e J.N a t u r e,2 0 0 2,4 1 5:5 1 4-5 1 7.2 陈立华,冷刚,王焰,等.西江流域控制站洪峰洪量极值特征变化分析J.水利水电技术,2 0 2 0,5 1(6):3 0-3 9.3 R I C H T E R B D,B A UMG A R T H E R J V,B R A U N D P,e t 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仪.平凉市泾、渭河流域降水量时空分布与短历时雨强特征分析J.浙江水利科技,2 0 2 2(1):3 6-4 0.1 5 曾志平.1 9 7 52 0 1 5年清远市汛期极端降水时空变化特征分析J.人民珠江,2 0 1 9,4 0(5):5 0-5 5.(本文责任编辑 马克俊)V a r i a t i o n C h a r a c t e r i s t i c s o f A n n u a l M a x i m u m F l o o d P e a k a n d V o l u m e i n L i a n j i a n g B a s i nZ E N G Z h i p i n g1,Z H E N G Y a n h u i2(1.Q i n g y u a n H y d r o l o g y S u b-b u r e a u o f G u a n g d o n g P r o v i n c e,Q i n g y u a n 5 1 1 5 0 0,C h i n a;2.S o u t h e r n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,S h e n z h e n 5 1 8 0 5 5,C h i n a)A b s t r a c t:L i a n j i a n g R i v e r o f f e n f l o o d s.A n a l y s i s o f t h e e v o l u t i o n l a w o f f l o o d p e a k a n d v o l u m e c a n p r o v i d e r e f e r e n c e f o r f l o o d c o n t r o l a n d d i s a s t e r r e d u c t i o n i n t h e L i a n j i a n g R i v e r B a s i n.L i n e a r r e g r e s s i o n,M-K t r e n d t e s t,h e u r i s t i c s e g m e n t a t i o n a l g o r i t h m,M o r l e t w a v e l e t t r a n s f o r m a r e u s e d t o s y s t e m a t i c a l l y a n a l y z e t h e t r e n d,m u t a t i o n a n d p e r i o d i c i t y o f t h e e x t r e m e f l o o d p e a k a n d v o l u m e a t G a o d a o H y d r o l o g i c a l S t a t i o n i n L i a n j i a n g R i v e r b a s i n.T h e r e s u l t s s h o w t h a t:T h e a n n u a l m a x i m u m f l o o d i n L i a n j i a n g R i v e r B a s i n m a i n l y o c c u r s i n A p r i l t o J u n e,a c c o u n t i n g f o r a b o u t 8 0%;I n 1 9 9 3,t h e a n n u a l m a x i m u m p e a k d i s c h a r g e a n d t h e a n n u a l m a x i m u m 1 d f l o o d v o l u m e j u m p e d s h a r p l y u p w a r d.T h e m e a n v a l u e o f t h e a n n u a l m a x i m u m p e a k d i s c h a r g e i n c r e a s e d b y 1 2 3 4 m3/s c o m p a r e d w i t h t h a t b e f o r e t h e c h a n g e p o i n t,a n d j u m p e d u p w a r d b y 3 3.8%;T h e a v e r a g e a n n u a l m a x i m u m 1 D f l o o d v o l u m e i n c r e a s e d b y 1 0 0.2 m i l l i o n c u b i c m e t e r s c o m p a r e d w i t h t h a t b e f o r e t h e c h a n g e p o i n t,w i t h a n u p w a r d j u m p o f 3 5.3%;T h e s u d d e n c h a n g e m a y b e c a u s e d b y t h e i n c r e a s e o f e x t r e m e r a i n f a l l i n t h e b a s i n a n d t h e c o n s t r u c t i o n a n d r e i n f o r c e m e n t o f e m b a n k m e n t s.T h e a n n u a l m a x i m u m p e a k d i s c h a r g e i n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y w i t h t h e t r e n d o f 1 8.7 m3/(sa),a n d t h e a n n u a l m a x i m u m 1 d f l o o d v o l u m e i n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y w i t h t h e t r e n d o f 1 4.6 m i l l i o n m3/a.T h e o v e r a l l r i s i n g t r e n d i s t h e r e s u l t o f t h e s u d d e n j u m p o f t h e m e a n v a l u e;T h e f l o o d p e a k a n d v o l u m e e x t r e m e v a l u e h a s 1 4 1 5 a,1 5 1 6 a,1 5 1 8 a,1 6 1 8 a c y c l e s o n a l a r g e s c a l e,5 7 a,6 8 a,7 8 a,8 1 0 a c y c l e s o n a m e s o s c a l e,a n d 2 3 a,3 4 a c y c l e s o n a s m a l l s c a l e.K e y w o r d s:a n n u a l m a x i m u m f l o o d p e a k a n d v o l u m e;t r e n d a n a l y s i s;m u t a t i o n a n a l y s i s;p e r i o d i c a n a l y s i s;L i a n j i a n g b a s i n032 0 2 3年8月 第8期广东水利水电N o.8 A u g.2 0 2 3