變化環(huán)境下設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法研究
——以遼寧省為例

王福東，金 鑫，佘敦先，謝自銀

(1.遼寧省防汛抗旱指揮部辦公室，遼寧 沈陽 110003； 2.遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003； 3.武漢大學(xué) 水循環(huán)與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072； 4.南京水利科學(xué)研究院 水資源研究所，江蘇 南京 210029)

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算是水文水利計(jì)算的重要內(nèi)容，是涉水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、防洪減災(zāi)規(guī)劃的核心技術(shù)環(huán)節(jié)。長期以來，技術(shù)人員都是依據(jù)相對穩(wěn)定的環(huán)境，使用線性、一致、穩(wěn)態(tài)的計(jì)算方法。近年來，隨著氣候變化及人類活動對水文一致性影響的增強(qiáng)，原有方法的準(zhǔn)確性、適用性已存在質(zhì)疑。表現(xiàn)為：① 全球氣候變暖改變了世界范圍的氣候格局，引起了全球尺度上的氣溫、降水的變化，導(dǎo)致洪水形成與轉(zhuǎn)化的外源驅(qū)動力發(fā)生改變，亟需對氣候變化特征及洪水設(shè)計(jì)值之間的關(guān)系進(jìn)行識別分析[1-3]。② 土地開發(fā)利用、城市化建設(shè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致流域下墊面特征發(fā)生較大變化，產(chǎn)匯流機(jī)制及過程發(fā)生改變[4]，水文要素非一致性凸顯，需要根據(jù)新的環(huán)境完善設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法。③ 隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，中小河流、中小城鎮(zhèn)防洪安全日益重要，矛盾日益突出，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算已由大江大河擴(kuò)展到無(缺)徑流觀測資料的中小流域，亟需開展相關(guān)研究。④ 隨著水文系列的延長、監(jiān)測手段的完善，以原有觀測資料為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)洪水成果與實(shí)際存在偏差，部分地區(qū)洪水頻率曲線擬合精度不高，急需進(jìn)行復(fù)核修正。綜上，開展變化環(huán)境下設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法研究不僅是當(dāng)前國際水科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，也是我國水文領(lǐng)域亟待解決的重要課題。

研究從變化環(huán)境下遼寧省水文要素演變規(guī)律入手，分析各變化特征對設(shè)計(jì)洪水的影響；在此基礎(chǔ)上，對遼寧省有、無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法進(jìn)行探討，以期為遼寧省涉水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、防洪減災(zāi)提供技術(shù)支撐。

1 變化環(huán)境下遼寧省水文要素演變規(guī)律

收集了遼寧省氣象、水文、下墊面等資料，選擇544處雨量站、64處水文站建站至2013年的資料，集成趨勢分析、M-K檢驗(yàn)、雙累積曲線分析等方法，系統(tǒng)識別遼寧省降水、洪水、產(chǎn)匯流3方面的演變特征。受篇幅所限，僅列出部分成果，如圖1所示。

圖1 遼寧省水文要素演變規(guī)律Fig.1 Variation law of hydrological elements in Liaoning Province

由圖1可知：在降水方面，遼寧省汛期降水量呈略減少趨勢，場次暴雨發(fā)生頻次有所降低，標(biāo)準(zhǔn)歷時(shí)(10 min，30 min，60 min，3 h，6 h，12 h，24 h，3 d)的年降水極值系列基本保持一致性；在洪水方面，遼寧省主要河流實(shí)測洪峰流量、還原洪峰流量多呈下降趨勢，除東部部分河流外，整體呈非一致性特征；在產(chǎn)匯流方面，各流域降水-徑流關(guān)系多在1970～1980年期間發(fā)生明顯突變，在相同降水條件下徑流整體呈下降趨勢。

進(jìn)一步分析表明：氣候變化對遼寧省降水的影響主要表現(xiàn)為削減降水總量及場次暴雨發(fā)生頻次，對極值降水系列影響相對較小。氣候變化通過改變降水規(guī)律對遼寧省洪水造成一定影響，但下墊面變化導(dǎo)致的產(chǎn)匯流規(guī)律改變是引起遼寧省洪水非一致性的主要原因。其中，建有控制性水利工程的大江大河干流，洪水非一致性主要受水利工程調(diào)蓄影響；中小河流則是水利工程調(diào)蓄及土地利用/植被變化雙重影響共同導(dǎo)致，遼西部分中小河流土地利用/植被變化占比相對較大[5]。

2 有資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法研究

變化環(huán)境背景下，有長期徑流觀測資料水文站的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算通常有2種方法。第一種方法是通過還原/還現(xiàn)，將非一致性水文系列轉(zhuǎn)化為表征某一穩(wěn)態(tài)環(huán)境的一致性序列，再通過水文頻率分析計(jì)算設(shè)計(jì)洪水；第二種方法是通過識別洪水設(shè)計(jì)值與變化環(huán)境指示因子之間的關(guān)系，建立設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的非一致模型[6]。第一種方法是目前工程中廣泛應(yīng)用的方法；第二種方法尚處于研究階段。

2.1 水文頻率分布曲線線型優(yōu)選

水文頻率分析是有長期徑流資料水文站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的通用方法，通常采用特定的頻率分布曲線來擬合水文要素的經(jīng)驗(yàn)頻率特征，從而對未來可能的情況做出概率意義上的定量預(yù)估。變化環(huán)境背景下，仍符合一致性特征水文系列可直接采用水文頻率分析法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水；不具備一致性的水文系列可在還原(還現(xiàn))處理后，再采用水文頻率分析法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。頻率分布曲線是水文頻率分析法的核心，目前尚無法從理論上證明應(yīng)采用何種頻率曲線描述洪水統(tǒng)計(jì)規(guī)律，我國自20世紀(jì)60年代以來一直采用皮爾遜III型曲線。多年研究和應(yīng)用表明，皮爾遜Ⅲ型曲線在濕潤地區(qū)效果較好，而在干旱半干旱地區(qū)應(yīng)用效果不理想。在遼寧地區(qū)，皮爾遜Ⅲ型曲線在遼東、遼中地區(qū)應(yīng)用效果良好，但在遼西地區(qū)存在一定偏差，高頻洪水及低頻洪水難以同時(shí)達(dá)到滿意的效果(見圖2)。

圖2 遼西干旱半干旱區(qū)水文頻率分析Fig.2 Hydrological frequency analysis of arid and semi-arid areas in Western Liaoning Province

針對這一問題，研究對設(shè)計(jì)洪水頻率分布曲線線型進(jìn)行優(yōu)選，選取符合洪水要素頻率分布規(guī)律(統(tǒng)計(jì)量非負(fù)、單側(cè)有限、非對稱)的10種線型對遼西干旱半干旱地區(qū)22處水文站(見表1)年最大洪峰流量系列進(jìn)行配線優(yōu)選，適線目標(biāo)為離差平方和最小，結(jié)果見表2。可知：波爾Ⅻ型(EBⅫ)線型擬合效果較好，擬合度R2均在0.95以上，可更好地反映干旱半干旱地區(qū)的洪水特征，推薦在設(shè)計(jì)工作中使用。

表1 遼西代表站洪水系列Tab.1 Flood series of representative stations in Western Liaoning Province

表2 遼西22站洪水頻率分析線型優(yōu)選Tab.2 Line type optimization of Flood Frequency for 22 Stations in Western Liaoning Province

EBⅫ分布曲線概率密度函數(shù)見公式(1)。

(1)

式中：λ,c,k分別為EBⅫ型分布曲線的尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和不等式參數(shù)。當(dāng)k≤0時(shí)，該分布曲線滿足非負(fù)約束，可用于水文頻率分析。以遼西大凌河支流老虎山河德立吉水文站為例，采用不同頻率分布曲線分別計(jì)算其100 a一遇及1 000 a一遇洪峰流量。其中，采用P-Ⅲ曲線配線，計(jì)算結(jié)果分別為4 473，7 316 m3/s；采用EBⅫ曲線配線，計(jì)算結(jié)果分別為4 008，10 012 m3/s。二者的點(diǎn)距擬合度R2分別為0.934，0.974，EBⅫ曲線的擬合效果較高。在低頻洪水段(如P=0.1%)EBⅫ曲線計(jì)算成果要高于P-Ⅲ曲線計(jì)算成果。

綜上，在遼寧地區(qū)有長期徑流資料水文站洪水頻率分析中，對于濕潤區(qū)，仍推薦采用皮爾遜Ⅲ型頻率分布曲線。對于干旱半干旱區(qū)，如需綜合考慮高頻洪水及低頻洪水，則優(yōu)先推薦使用波爾Ⅻ型頻率分布曲線；如僅考慮低頻段洪水，可在充分論證的基礎(chǔ)上，采用皮爾遜Ⅲ型頻率分布曲線。其他地區(qū)也可參考使用。

2.2 考慮氣候變化的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算非一致模型

隨著氣候及下墊面變化對流域洪水影響的增強(qiáng)，設(shè)計(jì)洪水特征值也發(fā)生變化，傳統(tǒng)方法計(jì)算成果存在偏差，亟需進(jìn)行處理。對于下墊面變化，通常采用還原/還現(xiàn)的方法消除其影響；對于氣候變化，則選取敏感因子，建立考慮氣候變化的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算非一致模型。在目前的相關(guān)研究中，GAMLSS模型是一種常用的設(shè)計(jì)洪水非一致計(jì)算方法。GAMLSS模型是一種半?yún)?shù)回歸模型，可將多種解釋變量納入模型中，并描述隨機(jī)變量序列的統(tǒng)計(jì)參數(shù)與解釋變量之間的線性或非線性關(guān)系，可用于分析非一致性條件下，以時(shí)間、氣候指標(biāo)為解釋變量的洪水極值序列頻率的變化特征[7-8]。研究選用的氣候變化解釋變量為對中國區(qū)域氣候有顯著影響的北極濤動(AO)、北太平洋濤動(NPO)、太平洋年代際振蕩(PDO)3項(xiàng)。當(dāng)模型中累計(jì)概率分布參數(shù)為常量時(shí)，GAMLSS模型為傳統(tǒng)的一致性模型(Model 1)；當(dāng)累計(jì)概率分布參數(shù)隨時(shí)間變化時(shí)，GAMLSS模型為時(shí)間序列非一致性模型(Model 2)；當(dāng)累計(jì)概率分布參數(shù)隨氣候指標(biāo)變化時(shí)，GAMLSS模型為考慮了氣候變化的非一致性模型(Model 3)。以東白城子水文站為例進(jìn)行實(shí)證研究，東白城子水文站位于遼河一級支流繞陽河干流，集水面積2 138 km2。水文站上游無控制性水利工程，下墊面變化對徑流影響相對較小，實(shí)測流量可作為天然流量。基于此，建立考慮了氣候變化的設(shè)計(jì)洪水來計(jì)算非一致性模型，如圖3所示。

圖3 考慮氣候變化因素的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算模型Fig.3 Non-uniform calculate model for design flood considering climate change

圖3為東白城子水文站100 a一遇(P=1%)的設(shè)計(jì)洪峰。其中Model 1為傳統(tǒng)的一致性模型，結(jié)果為恒定值637 m3/s；Model 2為累計(jì)概率分布參數(shù)隨時(shí)間變化的非一致模型，100 a一遇洪峰流量隨時(shí)間變化衰減，反映了洪水的趨勢性特征；Model 3為累計(jì)概率分布參數(shù)隨氣候指標(biāo)變化的非一致模型，反映了氣候變化特征。結(jié)果表明：氣候變化影響下，東白城子站100 a一遇設(shè)計(jì)值的最小值為285 m3/s，最大值為1 196 m3/s。

3 無(缺)資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法研究

遼寧省無(缺)徑流觀測資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水的方法。相關(guān)研究起始于20世紀(jì)60年代，最近的成果《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》完成于1998年(以下簡稱98手冊)，距今已有20 a，氣候條件、下墊面特征均已發(fā)生變化，方法及成果存在偏差。針對此，研究基于變化環(huán)境特征進(jìn)一步完善遼寧省無(缺)資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法。

3.1 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算方法

遼寧省代表雨量站各歷時(shí)的暴雨極值系列仍基本具備一致性特征，在設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算時(shí)采用以點(diǎn)推面的計(jì)算方法。選取全省544個(gè)代表雨量站，收集各站建站至2016年最大10,30,60 min，3,6,12,24 h，3 d共8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)段資料，繪制均值及Cv計(jì)16張等值線圖，以查算設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量。篩選出中心降雨量大于200 mm、連續(xù)降雨間隔小于6 h的典型暴雨162場建立數(shù)據(jù)集，按水文分區(qū)確定設(shè)計(jì)面雨量動點(diǎn)動面法參數(shù)成果及1 h為單位的雨型分配方案，以計(jì)算設(shè)計(jì)面雨量及暴雨時(shí)程分配過程[9]。

對于任意歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨，以8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)段雨量為控制建立了衰減指數(shù)公式，見公式(2)～(3)。

(2)

(3)

式中：ti為標(biāo)準(zhǔn)歷時(shí)ta～tb之間的某一時(shí)段；pi、pa、pb為ti、ta、tb歷時(shí)對應(yīng)的設(shè)計(jì)雨量；nab為折算系數(shù)。

3.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法

遼寧省無(缺)資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水的方法，即在“雨洪同頻”假定下，通過水文模型由設(shè)計(jì)暴雨成果推求同頻率的設(shè)計(jì)洪水過程。其核心問題為：① 采用何種水文模型；② 如何確定無資料地區(qū)的模型參數(shù)。

對于問題①，遼寧產(chǎn)匯流特征復(fù)雜，遼東地區(qū)以蓄滿產(chǎn)流為主；遼西地區(qū)以超滲產(chǎn)流為主，且隨著環(huán)境變化蓄滿產(chǎn)流特征逐漸加強(qiáng)；西南、東南部沿海地區(qū)兼具蓄滿、超滲特征。研究集成降水徑流相關(guān)法等經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑫r(shí)變增益模型[10]等集總式模型，TOPMODEL等分布式模型，構(gòu)建遼寧省洪水計(jì)算模型體系；并按照地域、集水面積綜合確定適用條件(見表3)。

表3 遼寧省洪水計(jì)算模型體系Tab.3 Flood model system of Liaoning Province

對于問題②，提出了如下2種無資料地區(qū)模型參數(shù)確定方法。

(1) 地區(qū)綜合法。基于氣象、水文、下墊面、產(chǎn)匯流相似的原則完成遼寧省水文分區(qū)，將遼寧省劃分為6個(gè)大區(qū)、18個(gè)小區(qū)(見圖4)，并根據(jù)同一分區(qū)內(nèi)各流域產(chǎn)匯流特征的相似性，建立遼寧省無(缺)資料地區(qū)水文模型參數(shù)確定地區(qū)綜合法。認(rèn)為分區(qū)內(nèi)產(chǎn)匯流特征相近，可共用一組參數(shù)，并由分區(qū)內(nèi)有資料的水文站綜合確定，相關(guān)參數(shù)見文獻(xiàn)[11]，這里不再累述。該方法可實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒓偸侥Ｐ驮跓o(缺)資料地區(qū)的延伸。

圖4 遼寧省水文分區(qū)Fig.4 Hydrological regionalization of Liaoning Province

(2) 參數(shù)移用法。基于相似理論，選擇坡度、土地利用、土壤等指標(biāo)構(gòu)建流域相似指數(shù)[12]，建立無(缺)資料地區(qū)水文模型參數(shù)確定的相似流域參數(shù)移用法，可為分布式模型參數(shù)確定提供支撐。

在變化環(huán)境背景下，依據(jù)遼寧省降水-徑流關(guān)系在1970～1980年發(fā)生突變的特點(diǎn)，重點(diǎn)依據(jù)變化環(huán)境后(1980年后)的場次暴雨洪水來率定模型參數(shù)。

選用渾河支流蘇子河占貝水文站為代表，進(jìn)行無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法實(shí)證研究，并與以往方法(98手冊)計(jì)算成果對比，同時(shí)采用頻率分析法計(jì)算成果作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證。為保證方法的一致性，采用遼寧飽和產(chǎn)流模型計(jì)算產(chǎn)流，綜合經(jīng)驗(yàn)單位線法計(jì)算匯流，地區(qū)綜合法確定參數(shù)。采用本文方法參數(shù)，占貝水文站100 a一遇、1 000 a一遇洪峰流量分別為4 220，6 438 m3/s；采用98手冊方法參數(shù)，計(jì)算結(jié)果分別為4 811，7 546 m3/s；采用頻率分析法，計(jì)算成果分別為4 266，6 807 m3/s。可見：依據(jù)本文方法參數(shù)，計(jì)算成果較98手冊偏小，但具有更高的精度。

4 結(jié) 語

針對氣候變化及人類活動影響下，水文非一致性增強(qiáng)，原有設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法及成果存在偏差，不能滿足遼寧省水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)及防洪減災(zāi)的突出問題，對變化環(huán)境下遼寧省設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法進(jìn)行研究。建立了適用于遼西地區(qū)洪水頻率分析的EBⅫ線型；構(gòu)建了考慮氣候變化的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算非一致模型；完善了遼寧省無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法及成果。成果已在遼寧省水利工程設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，并在松遼流域部分地區(qū)得到推廣，效果良好。

本研究側(cè)重于對設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法的研究，尚未涉及變化環(huán)境下水資源、水生態(tài)、水環(huán)境的過程及方法，這也是未來需要研究和探索的新課題。