章 清 松,陳 偉,吳 燕 鋒,章 光 新,戴 長(zhǎng) 雷

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080; 2.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長(zhǎng)春 130102; 3.水利部松遼水利委員會(huì),吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引 言

在全球變暖和人類活動(dòng)的共同的影響下,極端洪水事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度整體呈增加趨勢(shì)[1]。洪水災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)、對(duì)氣候變化極為敏感,且極端洪水事件極易導(dǎo)致人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。因此,研究洪水演變及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理對(duì)評(píng)價(jià)氣候變化的水文效應(yīng)及極端水文風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)具有十分重要的意義。

近年來(lái),流域尺度極端洪水事件的長(zhǎng)期演變特征及其與氣候變化的關(guān)系備受關(guān)注。學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)流域洪水演變與氣候變化密切相關(guān),尤其是極端洪水事件的增強(qiáng)與氣候變暖的效應(yīng)密不可分[4-6],然而,有關(guān)中國(guó)中高緯度地區(qū)洪水演變的研究較少,尤其是近幾十年來(lái),東北地區(qū)已成為中國(guó)氣候變化最為敏感的區(qū)域之一。東北地區(qū)積雪物候長(zhǎng)且降雪量大,春季積雪融化易形成春汛。近年來(lái)全球氣候變化引起春季積雪融化期間水熱過(guò)程的改變,如春季升溫提前且升溫速度加快,引起積雪快速且大量的融化,加劇了春汛的風(fēng)險(xiǎn)[7]。趙娜等[8]研究發(fā)現(xiàn)氣溫的升高導(dǎo)致祁連山冰川融雪增加,進(jìn)而導(dǎo)致黑河流域年徑流量的增加。此外,氣候變化下東北地區(qū)夏季降雨-徑流機(jī)制發(fā)生了改變。鄒立堯等[9]發(fā)現(xiàn)氣候變化下東北地區(qū)暴雨初日整體提前,而暴雨終日除東北中部地區(qū)延后外,其他地區(qū)均有所提前。雖然已有研究發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)河源區(qū)徑流演變對(duì)氣候變化極為敏感[10],但仍缺乏有關(guān)洪水演變及其與氣候變化關(guān)系的研究。

甘河位于嫩江上游,也是尼爾基水庫(kù)上游最大的支流[11],其洪水演變對(duì)于尼爾基水庫(kù)的防洪調(diào)度和供水安全保障有重要的參考意義。本文基于1958～2018年的甘河流域逐日氣溫、降水和徑流量數(shù)據(jù),利用塊最大值模型(Block Maxima Method,BMM)和超閾值模型(Peak Over Threshold,POT)提取了研究時(shí)段內(nèi)的洪水事件,分析了洪水事件演變趨勢(shì),并探究了洪水與降水和氣溫的關(guān)系,研究成果不僅可服務(wù)于下游尼爾基水庫(kù)的防洪調(diào)度,而且可以為中高緯度地區(qū)的洪水演變研究和洪水風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

甘河是嫩江上游的一條主要支流,發(fā)源于大興安嶺山脈東側(cè)沃其山麓,其地理位置位于49°50′N～51°30′N,122°08′E～125°08′E,河長(zhǎng)501 km,主要支流有克一河、阿里河、奎勒河等,流域總面積19 714 km2,下游多年平均徑流深191.0 mm,多年平均徑流量37.5億m3,占下游尼爾基水庫(kù)入流量的74%(見圖1)。甘河的年內(nèi)降水量分配具有明顯的季節(jié)性,5～10月平均降水量占年平均降水量的90%左右。流域上游多年平均蒸發(fā)量850 mm左右,下游多年平均蒸發(fā)量1 100 mm左右[12]。甘河洪水頻發(fā),如1986年經(jīng)歷了50 a一遇的洪水;1988年經(jīng)歷了百年一遇的洪水,致使農(nóng)田絕產(chǎn)1 000畝(66.7 hm2),房屋有264間倒塌、1 538間被毀壞,造成經(jīng)濟(jì)損失總計(jì)為2 340萬(wàn)元。因此,迫切需要開展洪水演變及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究,明晰洪水演變規(guī)律,為下游尼爾基水庫(kù)洪水風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考。

圖1 甘河流域地形地貌及氣象站和水文站的分布Fig.1 Topographic features,location of weather stations and hydrological stations in the Ganhe River Basin

本文的數(shù)據(jù)來(lái)源于甘河柳家屯水文站(甘河出口斷面控制水文站)提供的1958～2018年的日流量數(shù)據(jù)。逐日的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https:∥data.cma.cn)和尼爾基水利水電有限公司。根據(jù)甘河流域的徑流量年內(nèi)分布特征(見圖2),將徑流量較大的5～10月定義為甘河流域的濕季,徑流量較小的11月至翌年4月定義為干季。

圖2 1958～2018年甘河月平均徑流量分布Fig.2 Distribution of monthly average runoff of the Ganhe River Basin during 1958～2018

1.2 洪水演變特征分析

本文利用POT模型及BMM模型對(duì)洪水事件進(jìn)行選取,并對(duì)洪峰、最大連續(xù)7 d洪量以及洪水發(fā)生時(shí)間的變化特征進(jìn)行分析,結(jié)合Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法(M-K法)對(duì)洪水變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)。

BMM模型是將數(shù)據(jù)根據(jù)年、季節(jié)、月份等時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行分組,然后取時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)最大徑流量作為該分組內(nèi)的洪水事件。

Qi=max(q1,q2,q3,…,qn)

(1)

式中:qn為該時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的n個(gè)日徑流量數(shù)據(jù),m3/s;Qi為該時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的最大日徑流量,m3/s。

雖然BMM模型在極端洪水事件的分析上有較好的效果,但其只選取了時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的極值事件,從而忽略了洪水事件可能集中出現(xiàn)的情況[13]。如7～9月份是甘河流域的洪水多發(fā)季節(jié),BMM模型很容易忽略掉除最大洪水事件外的其他洪水事件,從而使分析結(jié)果出現(xiàn)偏差,降低了分析結(jié)果的可靠性。而POT模型有效地規(guī)避了BMM模型難以處理的極端數(shù)據(jù)扎堆現(xiàn)象,在洪水發(fā)生次數(shù)、相應(yīng)量級(jí)和洪峰出現(xiàn)時(shí)間等信息的樣本數(shù)據(jù)的采集具有比BMM模型更好的效果[14-15]。本文同時(shí)利用BMM模型和POT模型對(duì)甘河流域洪水信息進(jìn)行了采集和分析。

POT模型對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)洪水事件的研究是通過(guò)對(duì)超過(guò)某一閾值(充分大)的所有徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,進(jìn)而得到洪水分布的特征。POT模型的閾值選取公式為

(2)

式中:E(Q)為樣本均值,Var(Q)為樣本方差,a分別取1,2,3得出3個(gè)備選閾值T。

利用POT模型對(duì)洪水事件進(jìn)行分析非常重要的一步是閾值的選取,但是在目前的水文學(xué)研究中還沒(méi)有統(tǒng)一的選取方法[16]。甘河屬于典型受大陸性氣候影響的中高緯度季節(jié)性河流,7～9月份流量高,1～3月份低,本文考慮了甘河徑流量年內(nèi)不同季節(jié)的特征,在POT模型閾值的選取上,分別測(cè)試不同的備選閾值,選取平均年洪水事件發(fā)生次數(shù)在1.6～3.0之間的較大閾值作為POT模型判斷洪水事件的閾值流量[17]。在洪峰事件的選取上,目前利用POT模型對(duì)連續(xù)洪峰進(jìn)行選取的基本原則:在不滿足獨(dú)立性判別標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)洪峰中,只選擇多個(gè)連續(xù)峰值中最大的洪水流量作為洪水峰值[18]。洪峰獨(dú)立性的判別標(biāo)準(zhǔn)為

D>5+ln(A)

(3)

Qmin<3/4×min(Q1,Q2)

(4)

式中:D為洪峰發(fā)生間隔時(shí)間;A為流域面積,km2;Q1和Q2分別代表兩次洪水的洪峰流量,m3/s;Qmin代表兩次洪峰間最小日徑流量,m3/s。同時(shí)滿足以上兩個(gè)條件的洪峰即可判定為獨(dú)立洪峰。

為分析甘河年和四季最大洪水時(shí)間序列的變化趨勢(shì)特征,本文采用國(guó)際氣象組織(World Meteorological Organization,WMO) 建議的M-K法進(jìn)行檢驗(yàn)[19]。M-K法對(duì)樣本的分布規(guī)律沒(méi)有特定要求,對(duì)少數(shù)出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)值有較大的包容性且對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理相對(duì)簡(jiǎn)便,目前水文學(xué)研究中廣泛應(yīng)用M-K法對(duì)流域的氣溫、降水量、徑流量等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)變化分析。M-K法表示為

(5)

其中:

(6)

(7)

Var(S)=n(n-1)(2n-1)/18

(8)

式中:xk,xj為按時(shí)間排序的連續(xù)數(shù)據(jù)值;n為數(shù)據(jù)資料的長(zhǎng)度,本文所分析的數(shù)據(jù)資料長(zhǎng)度為61 a。當(dāng)Zc的絕對(duì)值大于等于1.28,1.64,2.32時(shí),表示分別通過(guò)了置信度90%,95%,99%的顯著性檢驗(yàn)。當(dāng)計(jì)算結(jié)果中的Zc>0時(shí),表示樣本數(shù)據(jù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì);反之,當(dāng)Zc<0時(shí),表示樣本數(shù)據(jù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

1.3 洪水與氣溫和降水變化的關(guān)系分析

Petrow[20]等的研究發(fā)現(xiàn),區(qū)域洪水強(qiáng)度(洪峰流量和洪量)與最高連續(xù)3 d降水量密切相關(guān)。為分析洪水特征與氣溫和降水的關(guān)系,基于Petrow等[20]的研究,采用Pearson相關(guān)分析法,首先分析了連續(xù)7 d最高氣溫、連續(xù)3 d最大降水量與年、春、夏、秋、冬季最大徑流量的關(guān)系,然后分析了降水頻率和降水強(qiáng)度與洪水特征的關(guān)系。本研究采用9個(gè)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)的均值來(lái)表征甘河流域的氣溫和降水,并用于開展氣溫和降水與洪水的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 洪水發(fā)生次數(shù)分析

利用POT模型,結(jié)合年平均洪水發(fā)生次數(shù)的要求,確定甘河流域干季和濕季的閾值分別為45.77 m3/s和341.88 m3/s?；诖碎撝道肞OT模型對(duì)1958～2018年甘河的徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,共選取出洪水事件124次,其中干季23次,濕季101次。研究時(shí)段多年平均洪水發(fā)生次數(shù)為2.03次,年洪水發(fā)生次數(shù)總體呈現(xiàn)“少發(fā)-多發(fā)-少發(fā)”的變化特征(見圖3)。其中,1980～2000年為洪水高發(fā)期,該時(shí)段洪水發(fā)生次數(shù)均值達(dá)到了2.25次。在部分枯水年(1964,1968,1971,1973,1974,1995,2002年和2007年),無(wú)洪水事件的發(fā)生。因此,甘河洪水事件較為頻發(fā),尤其是在豐水年,甘河發(fā)生2次以上的洪水事件。

圖3 1958～2018年甘河年洪水發(fā)生次數(shù)變化特征Fig.3 Changes in the flood occurrence in the Ganhe River Basin during 1958～2018

對(duì)甘河洪水歷時(shí)的分析結(jié)果顯示,洪水事件平均持續(xù)時(shí)間(從上漲到閾值開始計(jì)算,直到下降到閾值為止)為9.5 d,其中洪水平均上漲時(shí)間為4.6 d,平均下降時(shí)間為 4.9 d。研究時(shí)段內(nèi)最長(zhǎng)洪水持續(xù)時(shí)間可達(dá)44 d,發(fā)生于1991年,從7月14日起開始上漲,在7月20日達(dá)到洪峰,8月27日結(jié)束。此外,甘河是典型受大陸性氣候影響的中高緯度季節(jié)性河流,4～5月以融雪徑流補(bǔ)給為主,夏秋季以降水補(bǔ)給為主;年內(nèi)洪水事件集中發(fā)生在7～9月份,7、8月和9月分別累計(jì)發(fā)生了36、38次和18次,且3個(gè)月份累計(jì)發(fā)生的洪水次數(shù)占研究時(shí)段洪水總發(fā)生次數(shù)的74.2%(見圖4)。

圖4 1958～2018年甘河洪水事件年內(nèi)分布Fig.4 Intra-annual distribution of flood in the Ganhe River Basin during 1958～2018

2.2 洪峰和洪水發(fā)生時(shí)間變化特征分析

研究時(shí)段內(nèi),甘河年最大洪水發(fā)生時(shí)間呈提前的趨勢(shì)(見圖5)。以1958～2018年發(fā)生的8次超越 10 a 一遇的洪水事件為例,8次洪水事件的洪峰發(fā)生日期分別為1969年8月26日、1980年7月17日、1988年8月9日、1989年7月30日、1996年8月10日、1998年6月25日、1998年8月12日和2013年8月10日,對(duì)應(yīng)的最高洪峰流量分別為1 856,1 716,3 116,1 724,2 471,1 871,3 390 m3/s和2 526 m3/s。此外,洪峰流量發(fā)生時(shí)間的變異性逐漸增大,洪峰流量發(fā)生時(shí)間的變異系數(shù)從1928～1989年的0.08增加至1990～2000年的0.10和2001～2018年的0.12。

圖5 1958～2018年甘河濕季洪峰發(fā)生時(shí)間變化特征Fig.5 Variations of flood peak and timing of specific period during the wet season in the Ganhe River Basin during 1958～2018

從圖6可以看出,甘河洪水事件年內(nèi)發(fā)生時(shí)間主要集中在6～9月份,即夏汛洪水偏多。春汛洪水在1980～2010年多發(fā),其主要集中在4月份,但在1958～1979年和2010～2018年鮮有發(fā)生(兩個(gè)時(shí)段分別僅發(fā)生一次)。年際分布上,洪水事件發(fā)生時(shí)間主要集中在20世紀(jì)80年代和90年代,且極端洪水事件也主要集中在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)。

圖6 1958～2018年甘河洪峰流量及發(fā)生時(shí)間年內(nèi)分布Fig.6 Annual distribution of flood peak flow and occurrence of the Ganhe River Basin during 1958～2018

2.3 年和四季洪峰變化趨勢(shì)分析

基于提取的洪水事件,提取了1958～2018年的年最大洪峰流量,發(fā)現(xiàn)年最大洪峰流量以4.657 m3/(s·a)的趨勢(shì)增加,Zc值(M-K檢驗(yàn)法)為2.43,置信度大于99%。同樣,春夏兩季最大洪峰流量也呈明顯的增加趨勢(shì),春夏兩季的Zc值分別為3.65和2.70,均通過(guò)了P<0.01的顯著性檢驗(yàn);秋冬兩季的最大洪峰流量的Zc值分別為0.61和0.81,均表現(xiàn)為不明顯增加趨勢(shì)(見表1和圖7)。從研究時(shí)段內(nèi)的年際及四季最大洪峰變化可以看出(見圖6),1980年以前變幅不大,1980年以后,洪峰變異性增強(qiáng),且洪峰流量大于1 000 m3/s的大洪水事件在1980～2000年的夏秋季集中發(fā)生。

表1 1958～2018年甘河年和四季最大洪峰流量變化的

圖7 1958～2018年甘河各季節(jié)及年際連續(xù)7 d最高氣溫、連續(xù)3 d最大降水和最大洪峰流量的變化趨勢(shì)Fig.7 Seasonal and annual variations of consecutive seven-day maximum temperature,consecutive three-day maximum precipitation and maximum runoff in the Ganhe River Basin during 1958～2018

2.4 洪水對(duì)氣溫和降水變化的響應(yīng)

甘河的年最大洪峰流量與氣溫相關(guān)性較弱,全年、春、夏、秋、冬季最大洪峰流量與氣溫的相關(guān)系數(shù)分別為-0.17,-0.08,-0.15,-0.19和0.03(見圖7)。甘河的最大洪水與最高連續(xù)3 d降水相關(guān)性較強(qiáng),具有大致相同的變化趨勢(shì)特征,全年、春、夏、秋、冬季最大洪峰流量和最高連續(xù)3d降水的相關(guān)系數(shù)分別為0.72,0.32,0.67,0.69,0.65,其中全年、夏、秋、冬季的最大徑流量與降水的相關(guān)性通過(guò)了置信度99%的顯著性檢驗(yàn)。

為進(jìn)一步分析降水對(duì)洪水特征的影響,從降水頻率和降水強(qiáng)度兩方面分析洪水對(duì)降水的響應(yīng)關(guān)系。由于甘河的洪水事件主要發(fā)生在7～9月份,故選取年內(nèi)發(fā)生天數(shù)180～270 d的洪水事件。圖8顯示了甘河流域洪水對(duì)降水的響應(yīng)過(guò)程,可以看出最大降水發(fā)生時(shí)間主要集中在洪峰發(fā)生時(shí)間的前1～2 d;對(duì)洪峰發(fā)生前后10 d的日平均降水量和日平均徑流量分析可知,洪峰發(fā)生前10 d的降水頻率和強(qiáng)度相較于洪峰發(fā)生后10 d更高,且降水量峰值提前于洪峰1 d?；赑earson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),甘河洪水與降水的相關(guān)系數(shù)為0.63。這表明甘河地區(qū)洪水與降水的相關(guān)性較強(qiáng),更易形成暴雨型洪水。

注:紅色圓點(diǎn)表示洪水發(fā)生時(shí)間(橫坐標(biāo)) 和 最大降水發(fā)生時(shí)間(豎坐標(biāo))。左上角的子圖為1958～2018年洪水發(fā)生前后10 d的日平均徑流量和日平均降水量。圖8 1958～2018年甘河徑流量與降水關(guān)系Fig.8 Relationship between the floods and precipitation of the Ganhe River Basin during 1958～2018

3 討 論

通過(guò)對(duì)甘河地區(qū)洪水變化特征進(jìn)行分析可知,相較于氣溫,洪水事件對(duì)降水的響應(yīng)性更強(qiáng),相關(guān)性也更高,表明該地區(qū)洪水事件對(duì)降水較為敏感,降水量是影響洪水的關(guān)鍵氣候因素,這與黃燕等[21]關(guān)于湄公河流域的研究結(jié)果相近。對(duì)不同時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的洪水與氣溫、降水相關(guān)性的研究顯示,甘河地區(qū)洪水與最高連續(xù)3d降水具有基本相同的變化特征,洪水大小在全年和夏、秋、冬三季與降水的相關(guān)性均通過(guò)了置信度99%的顯著性檢驗(yàn),僅在春季與降水的相關(guān)性略有降低而與氣溫的相關(guān)性略有提升,這主要是因?yàn)樵谌驓夂蜃兣挠绊懴?中國(guó)東北地區(qū)年平均氣溫的氣候傾向率為0.28 ℃/10 a,甘河的春末融雪水因而增加所致[22]。從洪水發(fā)生時(shí)間來(lái)看,甘河地區(qū)洪水發(fā)生時(shí)間呈有所提前的趨勢(shì)且發(fā)生次數(shù)有增加趨勢(shì),但高強(qiáng)度洪水事件在1980～2000年間最為頻發(fā),占10 a一遇量級(jí)洪水發(fā)生次數(shù)的75%,發(fā)生時(shí)間與全球氣候急劇變化在時(shí)間段上基本吻合[22]。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),甘河流域春季最大徑流量呈逐年增加趨勢(shì),這種現(xiàn)象與全球變暖的關(guān)系以及對(duì)該地區(qū)洪水事件的影響有待進(jìn)一步研究。在未來(lái)研究中,可以結(jié)合積雪水文模型進(jìn)一步研究氣候變化下甘河流域融雪徑流對(duì)該地區(qū)洪水事件的影響。此外,降水的特征以及降水量的空間分布及其變化也會(huì)影響洪水特征。如降水事件的集中度、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間在很大程度上決定了洪水的持續(xù)時(shí)間、洪量和洪峰流量大小[23];降水的空間分布格局影響流域尺度洪峰的形成、遭遇以及漲水和落水過(guò)程曲線,進(jìn)而影響流域尺度的洪水風(fēng)險(xiǎn)[24]。

4 結(jié) 論

利用BMM模型以及POT模型,結(jié)合1958～2018年的甘河水文和氣象數(shù)據(jù),分析甘河流域的洪水變化趨勢(shì)及其與氣溫和降水的關(guān)系,主要結(jié)論如下:

(1) 甘河流域洪水頻發(fā)且呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性特征,1958～2018年間共發(fā)生了124次洪水事件,其中干季23次,濕季101次,平均每年洪水事件的發(fā)生次數(shù)為2.03次。

(2) 甘河流域洪水事件的發(fā)生次數(shù)呈增加態(tài)勢(shì),年內(nèi)洪水發(fā)生時(shí)間有提前趨勢(shì),且洪峰變異性于1980年以后呈現(xiàn)增強(qiáng)態(tài)勢(shì)。

(4) 受全球變暖的影響,甘河夏秋兩季的洪水增加趨勢(shì)明顯,洪峰流量大于1 000 m3/s的大洪水事件在1980～2000年的夏秋季集中發(fā)生。

(5) 相較于氣溫,甘河流域洪水事件與降水的相關(guān)性更強(qiáng),暴雨型洪水是夏秋季洪水的主要類型;流域春汛主要是由積雪融化所致,春季洪水與氣溫演變密切相關(guān)。