劉慶華

（河北省邢臺(tái)水文勘測(cè)研究中心，河北 邢臺(tái) 054000）

受季風(fēng)氣候影響， 邢臺(tái)市尤其是西部太行山迎風(fēng)區(qū)暴雨洪水災(zāi)害頻發(fā)、重發(fā)。歷史上“63·8”、“96·8”特大暴雨洪水及近年的2016、2021 年高強(qiáng)度暴雨洪水給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)、 人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大危害和損失。同時(shí)，邢臺(tái)市河系呈典型的扇形分布，河流源短流急，洪水突發(fā)性強(qiáng)、 破壞力大， 給洪水預(yù)報(bào)工作帶來較多困難。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，防洪減災(zāi)工作對(duì)洪水預(yù)報(bào)成果精準(zhǔn)度要求越來越高， 亟需通過區(qū)域的洪水特性分析開展洪水預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)研究， 為區(qū)域暴雨洪水災(zāi)害精準(zhǔn)防控及風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)提供有力技術(shù)支撐。

1 流域概況

汦河位于邢臺(tái)市，源頭有3 個(gè)，其北支發(fā)源于臨城縣石家欄鄉(xiāng)（嶂石巖山區(qū)），河段長34.5 km，流域面積188.99 km2；中支發(fā)源于內(nèi)丘縣獐貘鄉(xiāng)黃岔村，河段長38.9 km，流域面積195.01 km2；南支（賽里川）發(fā)源于內(nèi)丘縣南賽，河段長15.0 km，流域面積27.97 km2。3 支于臨城縣西豎匯合后，經(jīng)內(nèi)丘、隆堯，在寧晉縣徐家河村西的關(guān)帝廟與午河匯合，至曹臺(tái)流入北澧河，河流全長98.0 km，流域面積945.0 km2。區(qū)域內(nèi)有臨城水庫、西臺(tái)峪2 處常年監(jiān)測(cè)水文要素的水文站；郝莊、官都、西臺(tái)峪3 處河道水位流量監(jiān)測(cè)站，12 處雨量監(jiān)測(cè)站。

2 時(shí)空變化分析

2.1 年內(nèi)變化

流域內(nèi)全年降水主要集中在7、8 月份， 占全年降水量的80%左右， 其中又以7 月下旬至8 月上旬最集中， 是全年降水高峰。 據(jù)6 個(gè)代表站1956—2021 年資料統(tǒng)計(jì)， 大于100 mm 以上的暴雨日數(shù)大多發(fā)生在7、8 兩個(gè)月， 占全年暴雨日數(shù)80%以上；9月顯著減少，日雨量在50 mm 的一般占10%左右［1］；10 月份暴雨很少出現(xiàn)。汛后期很少出現(xiàn)連續(xù)兩天的暴雨，另外還有持續(xù)時(shí)間短、發(fā)生次數(shù)少的特點(diǎn)。

2.2 年際變化

流域內(nèi)暴雨的年際變化是我國暴雨變化最大的地區(qū)之一，單站年最大24 h 降雨量的最大值與最小值比值達(dá)8～23， 年最大24 h 暴雨的變差系數(shù)可達(dá)0.6～0.8。3 d 和7 d 暴雨的年際變化更為突出， 有的站一次大暴雨就可能接近本站多年平均降水量，甚至超過多年平均降水量的1～2 倍［2］。

2.3 暴雨空間分布

暴雨的分布與地形有密切的關(guān)系。 從長歷時(shí)暴雨均值空間分布來講， 總體趨勢(shì)沿著流域山脊線從暴雨中心向周圍遞減。 最大1 d 點(diǎn)雨量均值120～85 mm，最大3 d 點(diǎn)雨量均值160～130 mm，最大7 d 點(diǎn)雨量均值200～160 mm， 最大15 d 點(diǎn)雨量均值260～190 mm， 最大30d 點(diǎn)雨量均值320～250 mm，獐貘、趙莊、石家欄一帶為高值區(qū)。

3 流域洪水趨勢(shì)分析

3.1 Mann-Kendall 非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法

（1）不同歷時(shí)降雨及場次暴雨分析。采用流域建站年份至2021 年的實(shí)測(cè)暴雨資料，計(jì)算其不同歷時(shí)暴雨及場次暴雨特征值系列采用Mann-Kendall 非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)流域暴雨特征值的變化趨勢(shì)進(jìn)行判斷。經(jīng)分析計(jì)算，流域的不同歷時(shí)暴雨及場次暴雨特征值均呈上升趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)不明顯，如表1。

表1 流域暴雨特征秩次相關(guān)檢驗(yàn)成果

（2）日降水量大于50 mm 暴雨日數(shù)分析。采用流域建站以來至2021 年的實(shí)測(cè)暴雨資料，暴雨日數(shù)選取日降水量大于50 mm 的天數(shù)； 暴雨強(qiáng)度采用年暴雨量與年暴雨日數(shù)之比； 暴雨貢獻(xiàn)率采用暴雨量占總降水量的百分比。采用Mann-Kendall 非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)流域暴雨日數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行判斷［4］。經(jīng)分析計(jì)算，流域的不同歷時(shí)暴雨日數(shù)呈下降趨勢(shì)；而7 月暴雨有增加趨勢(shì)、8 月暴雨有減少趨勢(shì)， 但并不顯著。

3.2 線性趨勢(shì)回歸分析法

（1）不同歷時(shí)降雨及場次暴雨分析。采用流域典型站實(shí)測(cè)暴雨洪水資料（1954—2021 年），計(jì)算其次暴雨量特征值系列， 采用線性趨勢(shì)回歸分析方法對(duì)次暴雨特征值的變化趨勢(shì)進(jìn)行判斷。 流域的次暴雨量呈下降趨勢(shì)，但并不顯著，如表2。

（2）日降水量大于50 mm 暴雨日數(shù)分析。經(jīng)分析流域內(nèi)年平均暴雨日數(shù)1.53 d， 且存在較大差異。暴雨日數(shù)最大值是7 d， 次大值是4 d；7 d 發(fā)生年份為1963 年和2021 年，4 d 發(fā)生年份為1956、1973 年和2016 年［5］。年暴雨日數(shù)線性趨 勢(shì)為-0.003/10a,68 年暴雨日數(shù)減少0.02 d，如圖1。

圖1 1954—2021 年流域年暴雨日數(shù)變化特征

（3）月暴雨日數(shù)、暴雨量和暴雨強(qiáng)度。流域暴雨集中出現(xiàn)在7—8 月， 占全年暴雨量的82.6%；6—9月（汛期） 暴雨日數(shù)占全年暴雨日數(shù)的86.5%［6］；7—8 月不僅是暴雨集中出現(xiàn)時(shí)段，而且也是暴雨最強(qiáng)時(shí)期，從近68 年的暴雨演變特征分析，在進(jìn)入21 世紀(jì)以來7 月暴雨有增加趨勢(shì)，8 月暴雨在減少， 但并不顯著。

4 突變點(diǎn)分析

4.1 有序聚類法［3］

通過流域典型站西臺(tái)峪水文站建站以來的實(shí)測(cè)暴雨資料，計(jì)算其次暴雨量特征值系列，采用有序聚類分析方法對(duì)次暴雨特征值的變異特征進(jìn)行分析，西臺(tái)峪以上流域次洪水總量序列1994 年有一個(gè)明顯跳躍點(diǎn)，如圖2。

圖2 典型代表站西臺(tái)峪以上流域次暴雨序列有序聚類跳躍點(diǎn)檢驗(yàn)

4.2 雙累積曲線法

利用降水量—徑流量雙累積曲線（圖3），對(duì)西臺(tái)峪以上流域汛期降水量和汛期天然徑流量進(jìn)行分析計(jì)算，點(diǎn)繪該流域雙累積曲線［7］。由圖3 可見，該流域降雨產(chǎn)流雙累積曲線斜率發(fā)生變化的年份為1978 年，因此西臺(tái)峪流域降雨產(chǎn)流規(guī)律發(fā)生變化的年份在1978 年。

4.3 Lee-Heghinian 法

利用Lee-Heghinian 法分析時(shí)間序列的變異特征，計(jì)算比較各時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的條件概率密度值，洪峰、洪量條件概率密度如圖4，效果直觀，圖4 的峰值或明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)就是序列的跳躍點(diǎn)。

圖4 西臺(tái)峪洪峰和洪量f(τ)～τ 關(guān)系

西臺(tái)峪以上流域的f(τ)值有明顯峰值，洪峰和洪量的變異點(diǎn)出現(xiàn)在1963 年， 對(duì)照歷史資料，1963 年洪量值為84.96×103m3，洪峰流量為3990 m3/s，為歷年最大值，符合實(shí)際變化情況。

4.4 非參數(shù)pettitt 檢驗(yàn)法

采用各典型代表流域建站年份至2021 年的實(shí)測(cè)暴雨洪水資料，計(jì)算洪水特征的時(shí)間序列，采用非參數(shù)pettitt 檢驗(yàn)法對(duì)流域洪水特征時(shí)間序列的突變點(diǎn)進(jìn)行分析，采取5%顯著水平進(jìn)行檢驗(yàn)，如表3。通過檢驗(yàn)值說明，西臺(tái)峪以上流域洪峰和洪量時(shí)間序列變異不明顯。

表3 流域洪水特征非參數(shù)pettitt 檢驗(yàn)成果

5 結(jié)語

（1）區(qū)域內(nèi)暴雨特點(diǎn)：①年內(nèi)分配集中。汛期（6—9月）雨量占全年降雨量75%～85%。近68 年流域內(nèi)7 月份暴雨增多，8 月暴雨減少。2000—2021 年暴雨明顯增多，進(jìn)入21 世紀(jì)暴雨初期提前；②年際變化大。年最大24 h 暴雨變差系數(shù)（Cv）達(dá)0.6～0.8。單站年最大24 h 暴雨量系列中， 最大年與最小年的比值達(dá)8.6～22.4 倍；③暴雨強(qiáng)度大。據(jù)點(diǎn)雨量記錄統(tǒng)計(jì)，區(qū)域60 min 和7 d最大降雨記錄為我國大陸之最。

（2）洪水特性機(jī)理及規(guī)律：①采用Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法和線性趨勢(shì)回歸分析法對(duì)流域洪水趨勢(shì)分析， 各時(shí)段最大暴雨量的變化趨勢(shì)不顯著， 而洪峰流量和不同時(shí)段洪水總量普遍呈顯著下降趨勢(shì)；②采用有序聚類分析法、雙累積曲線法、Lee-Heghinian 法及非參數(shù)pettitt 檢驗(yàn)法對(duì)區(qū)域內(nèi)實(shí)測(cè)暴雨洪水資料突變點(diǎn)分析， 流域不同歷時(shí)暴雨量及次暴雨量的突變點(diǎn)沒有明顯變化規(guī)律， 不同時(shí)段洪水總量及洪峰流量的突變點(diǎn)具較明顯的規(guī)律性，流域的突變點(diǎn)均在1980 年附近：③流域不同時(shí)段的最大洪量及次洪總量隨年代均呈不規(guī)則的減少趨勢(shì)，且具有隨時(shí)段的增長減少幅度呈減少趨勢(shì)；④洪峰滯時(shí)隨年代變化呈不規(guī)則或明顯增長趨勢(shì)，1980年后均值與1980 年前均值比較， 增長幅度均在20.0%以上。