湄公河三角洲洪水特性及其演變規律分析

收稿日期：2023-04-14；接受日期：2023-06-23

基金項目：國家自然科學基金項目“基于河湖水文-水動力耦合模型的湄公河與洞里薩湖水量交換關系與水文情勢驅動響應關系定量圖譜研究”（52009079）；水利部重大科技項目“變化環境下流域特大洪澇災害協同應對策略研究”（SKS-2022003）

作者簡介：鄒玉婷，女，碩士研究生，主要從事水文及水資源研究。E-mail：289317673@qq.com

通信作者：李昌文，男，校聘教授，博士，主要從事防洪減災研究。E-mail：lichangwen@alumni.hust.edu.cn

EditorialOfficeofYangtzeRiver.ThisisanopenaccessarticleundertheCCBY-NC-ND4.0license.

文章編號：1001-4179（2024）03-0035-07

引用本文：鄒玉婷，李昌文，常文娟，等.湄公河三角洲洪水特性及其演變規律分析［J］.人民長江，2024，55（3）：35-41.

摘要：

湄公河三角洲洪澇問題一直是國際社會關注的熱點，其洪水特性的不明晰成為制約該地區洪澇災害治理的短板。基于湄公河三角洲代表站桔井站實測長系列水文資料，采用滑動t檢驗、Morlet小波變換分析及洪水豐平枯水年劃分等方法研究其洪水特性及演變規律。研究結果表明：①湄公河三角洲主汛期平均起止時間為6月30日至11月2日，近年來主汛期歷時易發生極端情況，尤以長汛期洪水更為顯著；②湄公河三角洲峰現時間集中發生于8～9月，一場洪水歷時平均約90d；③湄公河三角洲桔井站峰高量大，最大90d洪量與洪峰流量序列存在著35～37a的周期變換規律；④桔井站洪峰-洪量組合變換多樣，洪峰、洪量豐枯變化規律除少數年份外基本保持一致。研究成果可為認識湄公河三角洲復合水文規律提供重要科學依據。

關鍵詞：

洪水特性；洪水演變；洪峰；洪量；洪水歷時；湄公河三角洲

中圖法分類號：TV122

文獻標志碼：A" " " " " " " "DOI：10.16232j.cnki.1001-4179.2024.03.006

0引言

瀾滄江-湄公河是世界第6長河（干流長4880km）、第14大河（流域面積81.24萬km2）［1-2］，多年平均年徑流量4750億m3，流域面積與黃河相當，而水量約為黃河的10倍，其優越的自然條件哺育滋養著沿岸六國人民，是沿岸國家的重要經濟紐帶和資源命脈。水文情勢在國際河流的演替過程中占支配地位，是表征氣候變化與跨界人類活動影響程度的重要指示器［3］。瀾滄江-湄公河是世界著名的雨洪河流［4］，其嚴重和頻繁的洪水災害影響著流域各國的社會經濟發展，因此其水文情勢的變化受到國際社會廣泛關注。

近年來，受全球氣候變化［5］和人類活動［6］共同影響，湄公河極端洪水事件頻發，洪水風險呈加劇趨勢［7］。湄公河以萬象（Vientiane）、巴色（Pakse）、桔井（Kratie）為界，分為上游、中游、下游和三角洲地區［2］。目前，關于湄公河上游、中下游的水文情勢尤其是洪水特性研究較多［8-10］，而對湄公河三角洲的洪水特性［11-12］尤其是其演變特點研究較少。湄公河三角洲地形平坦，是瀾滄江-湄公河流域洪澇問題最突出、國際關注度最高、下游國家涉水需求最大的區域［4］，常年受到上游巨量過境洪水（蓄泄矛盾突出）［13-14］、下游潮位頂托（南海和泰國灣潮汐漲落）［15-16］、江湖關系（湄公河與洞里薩湖河湖關系復雜）［17-18］影響，漫灘、回流、倒灌運動巨大，水文過程高度非線性，水文-水動力作用機理復雜，對全球氣候變化敏感，但其洪水特性及演變特點仍不明晰，成為制約湄公河三角洲防洪治理的瓶頸問題。

基于此，本文選取湄公河三角洲代表控制站長系列水文資料來開展湄公河三角洲洪水特性（洪峰、洪量、洪水歷時）及其演變規律研究，以期為認識湄公河三角洲復合水文過程奠定基礎，亦為湄公河三角洲防洪治理、洪水預報提供重要科學依據。

1研究資料與方法

1.1研究資料

湄公河三角洲地理位置如圖1所示。根據湄公河三角洲水文站網布設及水文要素監測情況，選擇同時具有水位、流量監測要素且系列最長的桔井站為代表站分析湄公河三角洲洪水演變特性。選取桔井站1933～2021年汛期（6月1日至10月31日）逐日水位資料（來源于湄公河委員會），逐日流量數據參照湄公河委員會日流量典型計算方法計算得到。桔井站水位數據高程基面采用柬埔寨國家海拔基準（M.S.L.HatienDatum）。

1.2研究方法

1.2.1桔井站逐日流量計算方法

湄公河三角洲地勢低洼，洪水極易出槽，現有站點難以精準監測其高洪流量，目前普遍采用水位流量關系和水位資料計算得到流量過程，本文亦采用此方法推求桔井站逐日流量。湄公河委員會對桔井站不定期開展測洪工作，共119次（退水期64次、漲水期55次），并以此建立了水位流量相關關系，推算得到漲、退水期的水位流量關系經驗公式，如下所示［19］：

漲水期：

退水期：

式中：H為桔井站水位，m；Q為流量，m3/s。

1.2.2洪水趨勢性規律分析方法

采用滑動t檢驗法分析洪峰、洪量的趨勢性演變規律。滑動t檢驗法（movingt-testtechnique）是通過判斷序列的滑動點前后兩樣本序列的平均值的差異是否顯著來檢驗是否存在突變點的。設滑動點t前后，兩序列總體的分布函數為F1（x）和F2（x），從總體中分別抽取容量為n1、n2的兩個樣本，檢驗原假設F1（x）=F2（x），定義統計量為［20］

式中：T表示T統計量；n1、n2分別表示兩個樣本的樣本量；x1—、x2—為樣本均值；SW表示兩個樣本方差的加權平均值；S21、S22為樣本方差。

T服從自由度為（n1+n2-2）的t分布，選擇顯著性水平α，查t分布表得到臨界值tα/2。當|T|gt;tα/2時，拒絕原假設，說明存在顯著性差異，反之接受原假設。采用以上方法對序列逐點進行檢驗，對于滿足|T|gt;tα/2所有的可能的點t，選擇使T統計量達到極大值的那一點作為所求的最可能的突變點。

1.2.3洪水周期性規律分析方法

采用Morlet小波變換分析方法［21］分析洪峰、洪量的周期性演變規律。小波變換分析方法是一種窗口大小固定但時寬和頻寬可變的分析方法，它能識別出時間序列所包含的不同時間尺度的變化趨勢、周期特征等，廣泛應用于水文、氣象序列的周期成分識別及多時間尺度分析等。小波函數是具有振蕩性、能夠迅速衰減到零的一類函數，即ψ（t）∈L2（R）且滿足：

式中：ψ（t）為基小波函數，它可以通過尺度的伸縮和時間軸上的平移構成一簇函數系；L2（R）為能量有限空間。

式中：ψa，b（t）為子小波；a為頻率因子或尺度因子；b為時間因子或平移因子。

對于能量有限信號f（t）∈L2（R），其連續小波變換為

式中：f（t）為一個信號或平方可積函數；Wf（a，b）為f（t）在相平面（a，b）處的小波變換系數；ψ（t-b）a為ψ（t-b）a的復共軛函數。以b為橫坐標，a為縱坐標的關于Wf（a，b）的二維等值線圖，稱為小波變換系數圖，它可以反映不同時間尺度下系統的變化特征。

小波變換分析的關鍵是小波函數的選擇，不同的小波函數對水文序列分析側重點不同。本文采用的是水文序列小波分析中常用的Morlet小波，它是高斯包絡下的單頻率復正弦函數：

式中：c為常數；i為虛部。

通過小波系數的平方積分可得到小波方差：

以時間尺度為橫坐標，小波方差為縱坐標，可作出小波方差圖，進而可以確定水文序列中存在的主要時間尺度，即主周期。

1.2.4洪水豐平枯水年劃分方法

繪制洪峰、洪量聯合分布散點圖，從洪峰、洪量兩個維度劃分洪水豐平枯水年。采用GB/T22482-2008《水文情報預報規范》中的距平百分率P（某年徑流量與多年平均徑流量的差值占多年平均徑流量的比重）作為洪水豐、平、枯的劃分指標，劃分標準［22］見表1。

2結果與討論

2.1主汛期起止時間演變規律

參照湄公河委員會汛期劃分典型做法，將每年逐日流量過程超過多年平均流量的部分作為主汛期，以此確定桔井站1933～2021年共89a的主汛期起止時間（見圖2）。由圖2可以看出，桔井站主汛期最早開始于5月24日（2000年），最晚結束于12月1日（1935年），平均起止時間段約為6月30日至11月2日，最長持續時間171d（1999年），最短持續時間62d（2019年），平均持續時間124d。從多年情況看，近10～20a主汛期起止時間及持續歷時沒有發生明顯變化趨勢。同時發現：2000年以來發生了極端長汛期洪水（如2000，2001，2008，2011，2017年）與極端短汛期洪水情況（如2019年和2020年），尤其是2019年和2020年汛期持續時間分別為62d和83d，僅約為多年平均歷時的一半，根據相關文獻報道，這極有可能與全球氣候變化影響相關［23-25］。

2.2洪峰流量演變規律

（1）峰現時間。

桔井站洪峰流量散點圖如圖3所示。可以看出，桔井站洪峰流量出現在7～10月，集中發生于8～9月，且8～9月發生洪峰次數約占總數的90%，2010～2021年峰現時間相較1933～2009年序列沒有明顯變化，其中2020年和2021年峰現時間較晚，發生于10月21日。

（2）洪峰流量趨勢性分析。

對湄公河三角洲桔井站實測最大洪峰流量進行分析，發現桔井站最大洪峰流量為59751m3/s（1939年），最小洪峰流量為27727m3/s（1988年）。從最大洪峰流量t檢驗圖（見圖4）來看，自1933年以來，t統計量有3處超過0.05顯著性水平，皆為正值（分別出現在1942，1985，2006年）。說明桔井站最大洪峰流量在近89a出現過3次由低洪峰流量到高洪峰流量的明顯突變。從多年情況來看，盡管2010年之后，湄公河三角洲桔井站最大洪峰流量有上升趨勢，但沒有達到顯著性水平，未發生異常突變。

（3）洪峰流量周期性分析。

繪制湄公河三角洲桔井站最大洪峰流量序列Morlet小波變換系數的實部時頻分布圖、小波方差圖和小波實部過程線，如圖5～7所示。從圖5可以看出，桔井站最大洪峰流量序列存在40～60a、25～35a以及5～20a這3類時間尺度的周期變化規律。其中，在25～35a尺度上出現了準4次振蕩，具有全域性，而5～20a尺度的周期變化，在1985年代以后才表現得較為穩定。進一步結合小波方差（見圖6）可以判斷出桔井站最大洪峰流量序列第一主周期時間尺度是55a，說明桔井站55a以上尺度的周期性最強。通過小波實部過程線（見圖7）可以看出在55a主周期時間尺度下，桔井站最大洪峰流量序列存在37a的周期變換規律。

2.3洪水歷時演變規律

統計分析湄公河三角洲桔井水文站歷年最大3，5，7，10，15，30，40，50，60，70，80，90，105，120，130，150d洪量，繪制多年平均最大洪量與洪水歷時相關圖（見圖8）。可以看出，桔井站3～90d洪量漲幅較快，90d以上洪量漲幅相對平緩。因此，可以判斷湄公河三角洲一次洪水過程歷時約90d，這與集水區控制斷面廣大（桔井站集水面積約646000km2）、湄公河三角洲大面積洪水漫灘與回流［12］、巨大江湖互饋效應［18］有一定關系。

2.4洪量演變規律

（1）洪量趨勢性分析。

桔井站1933～2021年最大90d洪量為3130m3（2011年）。從最大90d洪量t檢驗圖（見圖9）來看，1933年以來t統計量有6處超過0.05顯著性水平，4處皆為正值（分別出現在1942，1951，1953，1985年），說明桔井站最大90d洪量在近89a內出現過4次由較小到大的明顯突變，且主要集中在20世紀90年代以前。盡管2010年之后，湄公河三角洲桔井站洪量仍有上升的趨勢，但變化幅度較小，沒有達到顯著性水平，未產生異常突變。

結合桔井站洪峰、最大90d洪量t檢驗圖（見圖4和圖9），從多年情況來看，桔井站洪水20世紀90年代以前洪水特征表現為峰、量變化都較大。而近年來，受到流域水庫群攔洪等影響，洪峰和洪量都有所減少，且都在正常波動范圍內變化。

（2）洪量周期性分析。

湄公河三角洲桔井站最大90d洪量序列Morlet小波變換系數的實部時頻分布圖、小波方差圖和小波實部過程線如圖10～12所示。從圖10可以看出，桔井站最大90d洪量序列存在40～60a、15～20a以及5～15a這3類時間尺度的周期變化規律。其中，序列在40～60a、15～20a尺度上都出現了全域性振蕩，但15～20a時間尺度下周期變化規律不明顯，5～15a時間尺度下周期變化也是在1985年代以后才表現得較為穩定。進一步結合小波方差圖（見圖11）可以判斷出桔井站最大90d洪量序列第一主周期時間尺度是56a，說明桔井站洪量序列56a以上尺度的周期性最強。通過56a特征時間尺度下的小波實部過程線（見圖12）可以看出，在56a主周期時間尺度下，桔井站最大90d洪量序列存在著35a的周期變換規律。

2.5洪水豐平枯演變規律

桔井站以上集水面積大，受湄公河干流及支流洪水遭遇組合影響，湄公河三角洲洪水特點表現為峰高量大，且不同年份差異顯著。如表2所列，根據表1的豐平枯水年距平百分率劃分標準，從洪峰、洪量兩個維度對桔井站1933～2021年洪峰流量及最大90d洪量序列進行特枯、偏枯、平水、偏豐、特豐水年的等級劃分，初步判斷各特征級別出現的頻次基本均衡，說明系列代表性較好，劃分妥當，能夠反映客觀規律。進一步結合洪峰流量、最大90d洪量聯合分布散點圖（見圖13），可以看出各洪水年洪峰與洪量變化規律基本一致，主要表現為峰高量大、峰低量小，同時圖13中也不難發現幾個特殊年份，例如：1939年最大洪峰流量值（59751m3/s）為長系列最高，最大90d洪量值（3069億m3）遠高于多年平均最大90d洪量（2332億m3），是典型的峰高量大特豐水年；而1988年最大洪峰流量值（27727m3/s）為長系列最低，最大90d洪量值（1495億m3）也遠小于多年平均最大90d洪量（2332億m3），是典型的峰低量小特枯水年。除此之外，還存在峰較低量大（2000，2002，2011年）、峰高量較小（2019年）的洪水年份。

3結論

本文采用實測水文資料分析了湄公河三角洲的洪水特性（洪峰、洪量、洪水歷時）及其演變規律，可以得出以下主要結論：

（1）湄公河三角洲主汛期平均起止時間段為6月30日至11月2日，且近10a相對于以往年份沒有發生明顯的變化趨勢，但近年來易發生極端長汛期和極端短汛期情況。

（2）湄公河三角洲峰現時間集中發生于8～9月，一場洪水歷時平均約90d，多年平均洪峰流量43778m3/s，最大90d洪量3130億m3。

（3）湄公河三角洲桔井站洪量與最大洪峰流量第一主周期均約為55a，在該時間尺度下分別存在著35a和37a的周期變換規律。

（4）桔井站洪峰-洪量組合類型多樣，既有峰高量大洪水、亦有峰低量大、峰高量小、峰低量小等類型洪水，普遍來講各洪水年洪峰與洪量變化規律是一致的。除少數年份，例如2019年洪峰流量值（51526m3/s）超過多年平均洪峰流量（43778m3/s），而最大90d洪量卻只有1736億m3，遠低于多年平均最大90d洪量（2332億m3），屬于洪峰偏豐、洪量特枯的罕見洪水年。

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（編輯：謝玲嫻）