第二松花江流域暴雨洪水演變規律分析

李成林，廖衛紅，張蘋蘋,3，薛志春，黃曉敏

(1. 西藏農牧學院，西藏 林芝 860000；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038；3.中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083；4.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430072)

第二松花江流域是我國重要的老工業基地和糧食主產區，也是洪澇災害頻繁發生的地區[1]。該流域的洪水主要由暴雨形成，隨著經濟社會快速發展、人口不斷增多，導致河道基礎信息、土地利用等流域下墊面狀況發生了劇烈變化，且流域內還修建了大量水利工程，對暴雨產生的洪水過程也帶來了顯著影響[2-4]。隨著旱澇災害發生的頻次明顯加大，已嚴重威脅到流域經濟社會可持續發展和生態安全[5,6]。因此，開展第二松花江流域暴雨洪水變化特征規律的研究，為流域防洪度汛和工程防洪利用提供科學依據，具有重要的理論和現實意義。李峰平[7]利用Mann-Kendall等方法對松花江流域水文氣象要素變化特征進行分析，并通過徑流對降水和蒸散發的敏感性方法定量地評估了氣候變化和人類活動對流域水文水資源的影響；王彥君等[8]用線性趨勢分析、累積距平等方法，對松花江流域內4個不同區段1955～2010年徑流量序列進行分析，揭示了徑流量在各區段呈現不同的規律并定量估算了不同階段降水和人類活動對徑流量的影響程度；于德萬等[9]根據第二松花江洪水峰型、洪量和峰現時間等實際數據研究了洪水成因及特征，并提出了相應防洪對策。

本文以第二松花江豐滿以上流域為研究對象，通過該流域詳實的水文資料，對歷史暴雨、歷史洪水的特點及暴雨洪水相關關系趨勢分析，定性說明了暴雨洪水的演變規律，對流域未來進行洪水預報具有重要參考價值。

1 流域概況

第二松花江流域位于吉林省中南部地區，分布在東經125°18′～128°45′和41°40′～44°05′，該流域集水面積為42 960 km2。第二松花江由二道江和頭道江匯流而成[10]。二道江為主源，發源于長白山天池，海拔達2 691 m。第二松花江豐滿以上流域圖如圖1所示，其河系呈葉狀，主要支流有輝發河、飲馬河、拉法河等。該流域下游與飲馬河交匯，進入平原區，河床開闊，而后又與三岔河匯嫩江后進入松花江。該流域位于東亞大陸邊緣，屬寒溫帶大陸季風氣候區。降水量年內分布不均，且流域降水量南北差異大，南部降水量可比中部高達200～300 mm。流域地勢變化顯著，高程自東南河向西北遞減，因而上下游溫差也較大，平均氣溫由東南向西北呈增加趨勢。流域內現有大中型水庫10余座，大型水庫包括海龍、白山、紅石和豐滿，小型水庫、塘壩等有上千座。土地利用方面，河源地區有部分原始森林；紅石、白山水庫以上區域森林植被較好，以次生林為主；輝發河和拉法河流域耕地較多。

圖1 第二松花江豐滿以上流域水系圖Fig.1 Map of upstream part to Fengman Reservoir in Second Songhua River basin

2 暴雨和洪水特征

2.1 暴雨特征分析

第二松花江流域暴雨、大暴雨的發生較為普遍，強降雨造成洪水暴發，由于流域的地形地貌及前期連續降雨使地面濕潤，為該流域的洪水暴發創造了有利條件，使得雨水迅速匯集形成暴雨洪水。

2.1.1 暴雨特點

暴雨是第二松花江流域的主要災害性天氣過程之一，往往是引起洪澇災害的直接原因[11]，影響嚴重的暴雨會給人們的生命財產帶來重大損失。由于流域地形變化較大，從上游至下游，地形依次為山地、淺山區和丘陵平原區，因此對于流域不同區段形成大暴雨的成因也是不同的，主要成因包括臺風、冷鋒、低壓和氣旋[12]。

第二松花江豐滿以上流域的暴雨多發生在7月至8月下旬，且大范圍暴雨只出現在7、8月，區域性和大范圍大暴雨、特大暴雨出現較少，只出現在6-9月。據統計6-9月發生暴雨次數占全年總數的90%以上。歷史上各級各類暴雨均以7月份最多，說明夏季是豐滿以上流域全年中降水量最多、最集中的時期。

2.1.2 暴雨年際變化

為了解暴雨趨勢特征，對1956-2010共55年的暴雨日數進行區域趨勢統計分析，暴雨日數[13]為測站平均每年日雨量大于等于50 mm的累積降雨日數，通過趨勢分析得到年暴雨日數距平分布。從圖2年暴雨日數距平分布來看，豐滿以上流域地區暴雨的年分布差異較大，55年來總體呈上升趨勢，上升趨勢為0.018 8 d/a。且流域年暴雨日數變化可明顯分為幾個階段：其中，1966-1979年基本上都是負距平，1980-2006年以正距平為主，2007年以后均為負距平。因此，暴雨的年際變化特征為：1966-1979年之間暴雨較少，1980-2006年暴雨進入一個比常年偏多且逐漸增多的階段，2007年之后年暴雨日數有減少的趨勢。在20世紀60年代正距平與負距平基本上是持平的，可認為在這段時間中總暴雨日數與常年值相當。

圖2 暴雨各年發生次數距平分布圖Fig. 2 Anomaly distribution of annual occurrence times of storm

2.2 洪水特征分析

據相關統計，第二松花江流域降水年內集中、年際變化大，是洪災多發地區，洪災發生頻次在全國七大江河中位于前列。資料統計表明，近百年松花江流域出現了4個較為明顯的旱澇周期，旱澇變化趨勢與降雨和年徑流豐枯變化趨勢基本相應。且從地域來看，洪水災害對社會經濟發展影響最大的主要集中在中、下游地區，包括松嫩平原、三江平原及多座中心城市，這些地區經濟密集，人口集中，是我國重要的工業基地和糧食產業基地。因此了解洪災特點，對洪災做出預測，對于科學指導流域防洪調度及減少流域經濟損失具有重大意義[14,15]。以下將從時間空間上對洪水特征進行展開分析。

2.2.1 洪水發生時間及過程

豐滿以上流域的洪水由暴雨形成，暴雨的大小和走向決定了洪水的量級和過程形態[16]。大洪水一般發生在6-9月，尤以7、8月為多，且量級較大。豐滿實測前9位大洪水均發生在7、8月份，其中7月份2場，8月份7場。豐滿入庫最大日流量為16 700 m3/s(2010年7月29日)，其次為15 800 m3/s(1995年7月30日)，而發生在6、9月份洪水的量級均不算太大，實測的豐滿最大日流量都在5 100 m3/s以下，白山、豐滿洪水發生情況詳見表1。

表1 白山及豐滿洪水發生情況統計Tab.1 Statistics of flood occurrence in Baishan and Fengman reservoir

白山、豐滿水庫的洪水過程多樣，既有單峰型，也有雙峰及多峰洪水發生。如1953、1957、1960年洪水為單峰型洪水。單峰型洪水過程一般都是陡漲陡落，一次洪水總歷時7～11 d左右。白山洪水漲水歷時1～ 2 d，洪峰持續時間3h左右；豐滿洪水漲水歷時2～ 3 d，洪峰持續時間12 h左右，落水歷時5～8 d。由于不同天氣系統組合影響，本流域大暴雨有短時期內連續出現的情況，因而在15 d內雙峰型洪水也時常發生，從豐滿水庫實測前9位洪水看，有5場洪水為雙峰型，分別為1951、1964、1975、1991、1995年洪水。其中1964、1995年洪水為主峰在前型，1951、1991、1975年洪水為主峰在后型，雙峰洪水總歷時一般14～19 d，兩峰相隔6～8 d。白山、豐滿水庫雙峰洪水特征統計分別見表2、表3。

表2 白山雙峰洪水特征表Tab.2 Flood characteristics of Baishan reserviordouble peak

從表2、3可以看出：白山水庫雙峰型洪水的次峰流量1995年特別突出，大約相當于20年一遇洪水；其他雙峰型洪水的次峰流量均在3 500 m3/s以下，僅相當于洪峰均值的水平；而豐滿水庫雙峰型洪水的次峰流量量級都不突出，最大的1991年次峰也僅相當于10年一遇洪水。

表3 豐滿雙峰洪水特征表Tab.3 Flood characteristics of Fengman reserviordouble peak

注：表中流量為最大日值。

2.2.2 不同時段洪水洪量組成

豐滿水庫的洪水是由白山以上和白山～豐滿區間洪水組合而成。對1951、1953、1957、1960等9年的洪水年份在不同時段(3、7、11、15 d)豐滿、白山及白山～豐滿區間的洪量以及各區洪量占豐滿水庫的比例。由資料可知，三個分區的洪量整體趨勢隨洪水年份的遞增而增加，其中，白山洪量與白山～豐滿區間洪量分別對豐滿洪量比例分布具體見圖3。

從圖3可以看出：從3 d洪量到15 d洪量以白山～豐滿區間為主的洪水居多，如1951、1953、1964、1986、1991年洪水，白山～豐滿區間洪量占豐滿水庫的59.6%～76.1%，均大于區間面積比55.3%，白山以上僅占豐滿水庫的23.9%～40.4%；以白山以上來水為主的上游型洪水較少，如1960年洪水，白山以上洪量占豐滿水庫的53.9%～59.2%左右，大于白山面積比44.7%；1995年洪水比較特殊，7 d以內白山～豐滿區間略大，白山以上7 d洪量占豐滿水庫的40%(小于面積比)，而15 d洪量的第二場洪水則主要來自白山以上，白山以上占豐滿水庫的比例高達65.7%(大于面積比)。因而導致白山1995年11、15 d洪量的量級遠遠大于其他年份。

圖3 豐滿水庫大水年不同時段洪量組成比例圖Fig.3 The proportion of flood composition in different periods of the flood year

綜上可知，第二松花江豐滿以上流域的洪水多由暴雨形成，且洪量主要集中在白山～豐滿區間，其中包括了五道口以上流域的降水總和，為進一步了解該流域洪水形成過程，就暴雨和洪水關系展開深入研究。

3 暴雨洪水關系分析

洪水形成的過程有許多因素的影響，起初經常由氣象水文因素，如降雨、蒸發、特殊氣候等影響[17,18]，在第二松花江豐滿以上流域中暴雨是形成洪水的一個重要因素。但隨著社會的發展，人類活動頻繁，對流域下墊面產生很大程度的改變，進而影響著洪水過程的發展。因此，在研究暴雨洪水關系中，人類活動的影響不可忽視。

3.1 Mann-Kendall非參數趨勢檢驗法

Mann-Kendall非參數趨勢檢驗法(下簡稱M-K檢驗)[19,20]是世界氣象組織推薦的非參數檢驗方法，該檢驗進行時間序列分析不需要樣本服從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，計算比較簡單，適合水文、氣象等非正態分布數據的檢驗分析。

對于任意時間序列Y=(Y1,Y2,…,Yn)，先確定所有對偶值(Yk,Yj,j>k)中Yk

(1)

其中

式中：當n大于10時，Z近似服從保準正態分布；Var(τ)為方差；n為序列長度；t為時間序列。

原假設為該序列無趨勢，采用雙邊趨勢檢驗，在給定的置信水平α下，在生態分布表中查得臨界值Zα/2，若|Z|≤Zα/2，則原假設成立，說明時間序列無明顯變化趨勢；且當Z>0時無明顯上升趨勢，Z<0時無明顯下降趨勢。反之，原假設不成立。

3.2 洪峰和徑流變化分析

根據已有的1956-2006年的雨量站資料和水文站資料，通過M-K檢驗方法，對豐滿水庫55年的入庫洪量和年降雨量進行趨勢分析，結果如圖4所示。

圖4 豐滿以上流域1956-2006年各站平均年降雨及年徑流趨勢變化圖Fig.4 Average annual rainfall and annual runoff trend of each station in upstream part to Fengman reservoir in 1956-2006

由趨勢性分析可知，1956-2006年徑流kendall檢驗結果為-2.08，呈現下降趨勢，且豐滿年徑流下降斜率大于各站平均總降雨，因此徑流下降趨勢比降雨更為明顯，可認為除氣候因素外，人類活動對徑流有一定的影響。

同樣的，利用M-K檢驗方法對豐滿水庫1956-2006年入庫洪峰趨勢進行分析，結果如圖5，可知，洪峰也有一定下降趨勢，可以認為人類活動和水利工程建設對徑流和洪水影響明顯，人類取用水導致徑流減小，大量水利工程特別是中小水利工程對洪水的削峰和攔蓄具有明顯的效果。

圖5 豐滿水庫1956-2006年入庫洪峰趨勢變化圖Fig.5 Trend of flood peak in Fengman reservoir in 1956-2006

還可進一步分析得知，豐滿水庫歷史上發生大于12 000 m3/s洪水有1856、1909、1953、1957、1960年，而1953、1957、1960年相距很近并且是逐漸減小可視為在同一周期內。而1856、1909、1953年各相距50年，1960年以后尚未出現大于12 000 m3/s的洪水，故可以認為尚存在50年的中周期。1953年實測洪水為1956年以來最大洪水，分析為100年一遇，即有100年的大周期。由1937-1990年實測資料分析，存在約4年的小周期，1937-1990年54年中出現12個過程期，其中相隔4年的有7個，占58%，出現7年的2個，5、3、2年的各一個。出現大于均值洪水的機遇，連續出現兩年的有4次，連續出現3年的有2次，不連續只出現1年的有7次，連續出現最長年的為4年，只有1次。即在25年超均值洪水中不連續和連續2年的占25年的58%，其機遇為77%，在連續2年中，第一年小第二年大的機遇占75%。

3.3 場次洪水趨勢分析

為更好的研究暴雨和洪水的相關關系，將豐滿以上流域分為3個單元分區進行相關分析，選取3個主要水文站，包括豐滿水文站、白山水文站和五道溝水文站作為分區節點，則3個分區為豐滿—白山—五道溝區間、五道溝以上、白山以上，根據1953-2010年歷史洪水資料對3個分區的場次洪水次降雨量和次洪量趨勢分別進行分析，結果如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 豐滿-白山-五道溝區間場次洪水次降雨量和次洪量趨勢分析Fig.6 Trend Analysis of sub-rainfall and sub-flood volume in Fengman-Baishan-Wudaogou reservoirinterval

由圖6的豐滿-白山-五道溝區間場次洪水次降雨量和次洪量趨勢圖可知，次降雨量的kendall檢驗結果為1.56，次洪量的kendall檢驗結果為1.18，兩者均呈現上升的趨勢，但趨勢不明確。因趨勢線斜率相近，可知場次洪水次降雨量和次洪量變化趨勢較為同步。

圖7 五道溝以上流域場次洪水次降雨量和次洪量趨勢分析Fig.7 Trend Analysis of sub-rainfall and sub-flood volume in upstream part to Wudaogou reservoirinterval

由圖7的五道溝以上流域場次洪水次降雨量和次洪量趨勢圖可知，次降雨量的kendall檢驗結果為0.41，次洪量的kendall檢驗結果為0.26，兩者均呈現上升的趨勢，但因趨勢線斜率相差近2倍，可知五道溝以上流域場次洪水次洪量比次降雨量變化趨勢小較多，這與該區興建水利工程數量較多有關，導致對洪量的影響較大。

圖8 白山以上流域場次洪水次降雨量和次洪量趨勢分析Fig.8 Trend Analysis of sub-rainfall and sub-flood volume in upstream part to Baishan reservoirinterval

同理，可知白山以上流域的場次洪水次降雨和次洪量趨勢情況，次降雨量和次洪量的kendall檢驗結果分別為0.99和0.80，兩者均為上升的趨勢，與豐滿-白山-五道溝區間狀況類似，次降雨量和次洪量變化趨勢較為同步，受水利工程影響不大。

綜上可知，3個分區場次洪水次降雨量和次洪量都有增大趨勢，但趨勢都不明確。水利工程等人類活動在影響下墊面條件的同時，也改變了流域的產匯流規律，其中五道溝以上流域洪量變化趨勢比降雨量變化趨勢小較多，這與該區水利工程建設對洪量影響較大有關，其次是豐滿-白山-五道溝區間，白山以上流域由于受水利工程影響不大，因此次降雨量和次洪量趨勢較為同步。

4 結 語

根據收集的第二松花江流域相關的水文資料，對流域的歷史暴雨、歷史洪水變化特征及變化趨勢進行深入分析，受下墊面條件變化的影響，使得暴雨洪水兩者關系也發生一系列改變。通過對流域降雨洪量洪峰等水文要素的分析，初步可得出以下結論：

(1)在1956-2010年中，歷史暴雨量有先減小后增大之后回落的趨勢，但該55年中暴雨發生整體呈現上升的趨勢。

(2)在1953-2010年中，歷史洪水多發生在7、8月份，且不同時段的洪量分布中以白山～豐滿區間為主的洪水居多。

(3)由豐滿流域次降雨量和次洪趨勢變化可知，次洪和暴雨呈同步上升的趨勢，但趨勢不明確。

(4)白山以上流域和豐滿～白山～五道溝區間的次降雨量和次洪量變化趨勢較為同步，受水利工程影響不大；而五道溝以上流域的次洪上升趨勢比次降雨量變化幅度小較多，這與該流域興建中小型水利工程數量很多有關，同時也是人類活動導致的結果。

本文通過第二松花江流域對暴雨洪水趨勢分析，只能定性的說明興建水利工程等人類活動對流域洪水演變過程有一定的影響，且對于不同區域以及不同量級的暴雨洪水的影響程度是不同的，為此，今后應該繼續對洪水變化進行深入研究，定量分析。并且面對未來人類活動和洪水災害互相制約、互相影響，如何描述和衡量這種影響，正確合理運用工程措施和非工程措施，避免對洪水的盲目處理帶來的反噬效應是未來流域防洪的方向和重點。

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