謝 平,胡彩霞,譚瑩瑩,許 斌

(武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室,武漢 430072)

0 引 言

解放以來,西江流域隨著防洪工程的大量興建,堤防工程的防洪能力不斷提高。尤其是西江水系的郁江、潯江及西江干流沿岸的部分河段,在20世紀50年代中期以前很少有堤防,多為洪泛區(qū)。自 “1994.6”洪水以后,各地為了減小洪水災害損失,興起了堤防建設的高潮,并導致河道行洪條件發(fā)生了巨大變化。原來在一定高水位后洪水開始漫堤或決堤,洪水向洪泛區(qū)行洪,而堤防建成以后,自然滯洪區(qū)減少,防洪堤設計水位以下的洪水都歸束在河道內,使得下游斷面漲水過程的洪峰流量增大、水位增高,而退水過程的流量減小、水位降低,突出表現(xiàn)是西江上游洪水量級不大,而到了中下游則演變成大洪水或特大洪水,并由此引發(fā)了洪水歸槽問題。

洪水歸槽給西江中下游防洪帶來了新的挑戰(zhàn),并給沿岸城市造成更大的防洪壓力,此問題受到了政府、行業(yè)領導和專家學者的高度重視。2007年4月27日國務院國函 〔2007〕40號批復的 《珠江流域防洪規(guī)劃》[1]指出:近年來隨著西江上游地區(qū)堤防建設步伐的加快,洪水歸槽現(xiàn)象日趨明顯,加大了中下游地區(qū)的防洪壓力,加之堤線長、防守難,防洪風險不斷增加,防洪形勢十分嚴峻;洪水歸槽是珠江近期出現(xiàn)的新情況,應重點加以研究,并分析洪水歸槽對下游地區(qū)的影響。

1 研究區(qū)域概況

西江是珠江流域的主干流,發(fā)源于云南省曲靖市境內的馬雄山,從源頭至思賢滘干流全長2 075 km,集水面積35.31×104km2,占珠江流域面積的77.83%。上游稱南盤江,與北盤江匯合后稱紅水河,納柳江后稱黔江,匯合郁江后稱潯江,納桂江后始稱西江,至廣東省佛山市思賢滘進入珠江三角洲。

西江的黔江武宣水文站及以上堤防工程建設較少,而其下游一直是洪水歸槽問題關注的熱點地區(qū),所以研究范圍選擇黔江武宣水文站至西江梧州水文站河段,見圖1。

圖1 西江歸槽洪水研究范圍示意圖Fig.1 Sketch map of study area of flood returning to channel in Xijiang River

2 國內外研究現(xiàn)狀及存在問題

針對西江洪水歸槽問題,珠江水利委員會和沿江省區(qū)的科研單位已經開展了一些研究工作[1-4],其中 《2005年珠江暴雨洪水》針對近期 “短短10 a左右的時間,珠江流域發(fā)生3次特大洪水,上下游水文站重現(xiàn)期差異較大等”疑問,建議深入開展洪水歸槽影響和水文資料一致性研究。國內專家學者對洪水歸槽問題及其暴雨洪水成因也進行了一系列研究,如2002年呂忠華等[5]假定堤防在任何洪水條件下都不潰決(即洪水全部歸槽下泄)的前提下,采用馬斯京根法,按歸槽洪水的匯流參數(shù)對出槽洪水進行了計算,并求出全部歸槽下泄時的設計洪水;2006年佘有貴[6]在對西江流域 “2005.06”特大暴雨洪水分析后指出,“2005.06”洪水是受強度大、歷時長的暴雨影響,干支流同時發(fā)洪,且相互遭遇,暴雨移動路徑與洪水演進方向基本一致,致使中下游地區(qū)發(fā)生了特大洪水。

上述歸槽問題研究主要集中在出槽洪水的歸槽還原計算方面,歸納起來可以分為水文學方法和水力學方法兩大類:水文學方法側重于建立干支流上下斷面之間的河道洪水演算關系,而忽略了區(qū)間暴雨洪水的影響;水力學方法雖然在邊界條件中考慮了上游來水和區(qū)間徑流,但受資料條件限制,區(qū)間徑流的計算作了簡化處理,其精度不能滿足設計洪水計算的要求。

此外,從空間上來看,各地修建防洪堤的起訖時間并不一致,它們對區(qū)域洪水歸槽的影響是一個非常復雜的過程,應對各斷面由天然洪水和歸槽洪水所組成的非一致性洪水序列進行變異識別與檢驗,以掌握西江洪水的空間變異規(guī)律。

從時間上來講,雖然基于統(tǒng)計途徑的非一致性年徑流頻率計算方法已用于地表水資源評價[7-9],但由于年徑流和洪水的時間尺度不同,一個側重于流域土地利用/覆被變化等長時期對產流的影響,另一個強調洪水歸槽等短時期對匯流的影響;水文頻率計算涉及的水文要素數(shù)目不同,年徑流是一個單要素問題,而洪水 (洪峰和不同時段洪量)是一個多要素問題,其變異形式和變異時間有可能不一致;洪水是一個高度復雜的非線性、非平穩(wěn)過程,上述方法對年徑流的非一致性成分處理比較簡單,只考慮了線性趨勢和一階跳躍,因此長尺度、單要素、線性處理的非一致性年徑流頻率計算方法并不能完全適用于短尺度、多要素、非線性處理的非一致性洪水頻率計算。

洪水歸槽改變了原天然河道的洪水槽蓄關系,使得洪水形成的物理條件發(fā)生了顯著的變化,這樣就使得用于防洪規(guī)劃和洪水災害評估及風險計算的洪水序列失去了一致性,導致洪水序列發(fā)生了變異。

國外專家學者雖然沒有直接開展洪水歸槽問題的研究,但在其它因素造成的洪水序列的非一致性方面還是做了大量的研究工作。從水文統(tǒng)計的角度來看,用于設計洪水頻率計算的洪水序列必須滿足獨立且同分布 (independent and identically distributed,簡稱IID)這個假設前提,一般采用年最大值選樣方法來滿足獨立性的要求,而用基于相同物理成因的洪水序列來滿足同分布的要求。不幸的是,IID假設在許多情況下是無法滿足的[10](Todorovic and Rousselle,1971)。Singh(1987)認為這與洪水的成因有很大的關系[11],如有些河流在春季會因融雪而產生洪水,而在夏季又會因暴雨而產生洪水;即使在夏季,河流有些洪水可能是鋒面雨形成的,另一些洪水可能是臺風雨形成的。針對這種年內不同成因所形成的非一致性混合洪水序列,其頻率計算方法大致可以分為兩類[11-17]:①將年最大值序列不分類,而直接估計洪水的設計值;②根據(jù)洪水成因進行分類,再按季節(jié)最大值推求洪水的設計值。上述方法并不適合洪水歸槽影響下的水文頻率計算,因為洪水歸槽所造成的非一致性是由于年際間河道兩岸防洪堤逐年興建并加高所致,而非年內洪水成因上的差異。此外,針對年際間的非一致性問題,國外多采用時變參數(shù)估計法[18-19]來解決,主要是通過線性趨勢來表征水文頻率分布的參數(shù) (均值、方差)隨時間的變化過程,但由于水文頻率分布形式的復雜性,目前推導考慮非線性時變趨勢的參數(shù)解析公式還比較困難。1998年由Huang等人提出的希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang T ransform,簡稱HH T變換)[20]具有很強的處理非線性、非平穩(wěn)序列的能力,但在非一致性洪水序列的水文頻率計算方面還沒有得到應用。

3 研究內容

針對西江洪水歸槽問題,建議開展以下幾個方面內容的研究:

1)西江流域中下游水文要素的時空變異規(guī)律。研究西江流域中下游水文要素的變異形式 (趨勢或跳躍)及變異程度 (無變異、弱變異、中變異、強變異、巨變異),并對其結果進行綜合歸納,以揭示西江流域中下游水文要素的時空變異規(guī)律,識別西江中下游出現(xiàn)非一致性洪水的原因。

2)西江流域中下游多輸入單輸出概念性水文模型。對于由上下游干支流河網和區(qū)間坡面所組成的復雜流域系統(tǒng),其輸入包括上游干支流河道斷面的洪水過程以及區(qū)間坡面的降雨和蒸發(fā)過程,它們與下游河道斷面的洪水輸出過程共同組成了多輸入單輸出系統(tǒng),可以用概念性水文模型來描述系統(tǒng)之間的響應關系。開展西江流域產流模式和匯流特點的研究,根據(jù)西江流域中下游河網分布結構和水文站點研制多輸入單輸出概念性水文模型 (MISOCHM)。

3)基于MISOCHM模型的非一致性洪水頻率計算方法(成因途徑)。西江中下游非一致性洪水形成的原因還缺乏系統(tǒng)性的研究,可能與上游干支流洪水和區(qū)間暴雨洪水的變異有關,也可能與堤防建設導致的洪水歸槽有關,甚至可能與區(qū)域氣候變化引起的降水有關。如果在一個時期,影響洪水形成的物理條件均不發(fā)生變異,那么這個時期產生的洪水序列肯定是一致的。鑒于此:①開展非一致性洪水序列的分期研究,力求各個水文要素在同一時期內分別具有相同的物理成因 (以保證序列的一致性),并將該物理成因作為環(huán)境基準條件;②研究各個時期環(huán)境基準條件下MISOCHM模型的參數(shù)規(guī)律,并得到不同時期參數(shù)所組成的參數(shù)集合;③根據(jù)水文要素的變異規(guī)律,將不同時期區(qū)間降雨和蒸發(fā)以及上游干支流洪水流量過程修正計算到同一環(huán)境基準條件下(以提高序列的代表性),并利用MISOCHM模型及同一時期的參數(shù)模擬計算下游斷面的洪水流量過程,據(jù)此采用現(xiàn)行的水文頻率計算方法得到該環(huán)境基準條件下洪峰、不同時段洪量的頻率分布及設計洪水過程線,如此可以得到不同環(huán)境基準條件下的設計洪水。

4)基于HHT變換的非一致性洪水頻率計算方法(統(tǒng)計途徑)。HHT變換(Hilbert-Huang T ransform,希爾伯特-黃變換)是一種基于經驗模態(tài)分解方法 (EMD)的自適應數(shù)據(jù)處理方法,具有很強的處理非線性、非平穩(wěn)序列的能力,而且應用EMD方法可以在無需任何先驗假定的條件下,通過EMD分解得到的剩余項來方便地確定并提取序列的趨勢項,通過固有模態(tài)函數(shù) (IMF)之和來表示序列中的隨機項。由于采用年最大值選樣法,洪水 (洪峰或不同時段洪量)序列中的年內周期成分和年際間的相依成分可以忽略,因此借助于HH T變換可以研究洪水序列的組成成分,即將非一致性洪水序列分解成趨勢性成分和隨機性成分;研究趨勢項的顯式擬合函數(shù)形式 (線性函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、高階多項式函數(shù)等)及其求解方法,研究隨機項擬合P-Ⅲ型頻率曲線的適應性,得到非一致性洪水序列在時間域上的確定性規(guī)律以及在頻率域上的隨機性規(guī)律;對確定性的預測值和隨機性的設計值進行合成計算,再采用現(xiàn)行的水文頻率計算方法推求合成序列的頻率分布,據(jù)此可以得到不同時期洪峰、不同時段洪量的頻率分布及設計洪水過程線。

5)西江中下游堤防防洪能力評價。比較從成因途徑和統(tǒng)計途徑推求的洪峰流量頻率分布,合理選擇其一作為西江堤防防洪能力的評價依據(jù)。研究不同時期各個斷面洪峰水位流量關系,將設計洪峰流量轉化為設計洪峰水位,并結合西江流域防洪規(guī)劃,比較各斷面堤防高程與洪峰水位設計值的大小,以此評價現(xiàn)狀和未來堤防的防洪能力。

4 研究展望

盡管目前在洪水歸槽問題研究和非一致性洪水序列的水文頻率計算方面取得了一定的進展,但西江流域水循環(huán)過程中究竟有哪些水文要素 (降水、水位、流量等)在何時何地發(fā)生了變異,其變異形式和變異程度如何?西江洪水的非一致性可能與上游干支流洪水和區(qū)間暴雨洪水的變異有關,也可能與堤防建設導致的洪水歸槽有關,如何模擬在不同堤防建設條件下上游干支流洪水與區(qū)間暴雨洪水相遭遇所形成的下游洪水過程?對年際間發(fā)生變異的非一致性洪水序列如何進行非線性處理以推求適應這種變化的洪水頻率分布?變化環(huán)境下如何評價西江堤防的防洪能力?這些問題目前還缺乏系統(tǒng)性的研究。

本文建議采用水文變異診斷系統(tǒng)[21-22]對西江流域的水文要素進行變異分析,以認識其時空變異規(guī)律;研制西江干支流洪水及區(qū)間暴雨洪水的多輸入單輸出概念性水文模型MISOCHM,以模擬其洪水形成過程;從成因途徑提出基于MISOCHM模型的非一致性洪水頻率計算方法、從統(tǒng)計途徑提出基于HH T變換的非一致性洪水頻率計算方法,以推求變化環(huán)境下西江河道斷面的洪水頻率分布,并結合西江流域防洪規(guī)劃評價西江堤防現(xiàn)狀和未來的防洪能力。

總之,針對西江洪水歸槽問題,開展非一致性洪水序列的水文頻率計算方法研究,不僅對變化環(huán)境下的水循環(huán)和水安全研究具有重要的理論意義,而且對于流域防洪規(guī)劃和洪水災害風險評估具有重要的實際應用價值。

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