大渡河中下游洪水过程时空演变规律研究

罗 玮，陈 媛，卫孟茹，闻 昕

(1.国电大渡河流域水电开发有限公司，成都 610041；2.河海大学水利水电学院，南京 210098)

引言

洪水是流域水资源时空分布不均、地表径流突增的直接表现，也是给人类社会带来损失最大的自然灾害之一[1]。近百年来，气候变化背景下，水文循环演变与极端气候事件引起的洪水相关问题受到广泛关注，特别是降雨量和降雨强度的异变、高强度人类活动引起的下垫面条件改变等，都导致流域洪水过程的形成机制产生变化，洪水过程要素时间序列的统计特征不再符合一致性要求[2-3]。

大渡河是长江上游岷江水系的最大支流，具有径流量大，水能资源丰富的特点，为我国十三大水电基地之一。受气候变化及大规模水利水电设施建设等人类活动影响，河川径流时空变化特征发生较大改变，大批学者围绕流域径流、洪水特征变化开展了广泛研究。罗玉等[4]分析了长江源区夏季径流量变化，得出近60年长江源区夏季平均流量呈增加趋势；代晓颖等[5]采用累积距平等方法对长江下游秦淮河流域径流变化及其影响原因进行分析，得出1987～2015年流域年径流呈增加趋势，并在2001年左右发生明显转变；肖紫薇等[6]对长江流域上、中、下游6个控制站点日径流资料进行分析，得出从50年代到21世纪初期不均匀性大体上呈减小趋势；赵军凯等[7]利用Mann-Kendall统计分析等方法，对宜昌站几十年来径流量年际和年内变化分析，发现汛期宜昌站径流显著减少；王继竹等[8]统计发现宜昌站中小洪水出现时间呈现最早洪水出现时间提前而最晚洪水时间推迟的特点；肖玲芳等[9]采用累计滤波器法等方法，自1993年径流多年呈递减趋势，递减趋势显著；李景保等[10]以径流量为指标对长江中游五站实测数据进行分析，得出荆南三口径流总体上呈下降趋势。

大渡河沙坪站作为大渡河干流中下游的咽喉，研究其洪水变化过程对流域防洪管理具有重要意义。陈媛[11]对大渡河流域径流变化规律进行定量识别与定量分析，得出研究时段内年径流呈现减小趋势的结论。程珂等[12]对大渡河流域径流变化及其原因进行分析，研究表明大渡河流域年径流变化主要受降雨变化影响。熊灿林等[13]选取丹巴断面、瀑布沟对面、沙坪断面作为流域上、中、下游控制性断面，并分别选取对应断面资料对大渡河流域径流年内变化进行分析，结果表明流域上中游来水整体呈增加趋势，下游受瀑布沟水库调蓄作用，枯期呈增加趋势，汛期呈减少趋势。

洪水变化过程规律通常选择不同指标和从不同角度描述洪水变化特征，利用统计学方法对指标序列进行检测和分析，研究洪水过程时空演变规律。目前相关学者在径流要素属性上，通常以洪峰流量单一指标变化的研究为主，缺少多指标、多角度的洪水过程时空演变规律研究，不能全面反映洪水过程的变化特点。卢珊等[14]通过针对不同等级降水量、降水日数及降水强度开展趋势、突变分析，更加全面地描述了陕西省气候变化特征。为此，本文从洪峰、洪量、峰现时间三个方面建立洪水过程评价指标，并从突变、趋势、周期三个方面讨论大渡河流域沙坪站洪水过程要素变化的非一致性，确定流域洪水过程时空演变程度，为流域防洪调度和未来管理提供更为科学的技术支撑。

1 研究区域与资料

沙坪水文站位于大渡河流域中游，上距瀑布沟水电站坝址约69km，是瀑布沟水库下游唯一的1座水文站，其流量常作为龚嘴水电站入库控制站流量。本文基于沙坪站1937～2019年共计83年日径流资料对流域洪水过程变化进行分析。

2 研究方法

针对洪水过程要素时间序列趋势检测，采用线性回归、滑动平均、小波分解[15-16]对相应指标时间序列进行趋势分析，并采用Mann-Kendall趋势检验[17]对趋势变化的显著性进行分析；针对洪水过程要素时间序列突变检测，利用Mann-Kendall突变检验[18-19]，初步确定待检测时间序列的突变年份，然后采用不同步长的滑动T检验[20]，对初步确定的突变年份显著性水平进一步验证；针对洪水过程要素时间序列周期分析，基于Morlet小波变换[21-22]获得相应洪水过程要素时间序列的小波变化系数，通过绘制小波系数实部等值线图、小波系数模等值线图以及小波方差图，寻找洪水过程要素时间序列中存在的多时间尺度，并进行周期分析。

3 结果分析

本文从洪峰流量、洪量、峰现时间三个方面提出5个流域洪水过程关键控制要素，全面反映流域典型洪水过程的整体变化。洪水过程评价指标如表1所示：

表1 洪水过程评价指标

在此基础上，本文从趋势、突变、周期三个方面，对沙坪站的洪水变化过程中的关键控制要素进行非一致性分析。

3.1 趋势分析

采用线性回归、滑动平均、小波分解以及MK趋势检验对沙坪站1937～2019年洪峰流量变化趋势进行分析，结果见图1和图2。

由图1线性拟合数据可知，沙坪站年洪峰流量的年际变化比较明显，整体较显著下降的趋势，倾斜率约为-15.47。10年滑动平均曲线显示，近83年间洪峰流量波动整体比较平缓，10a滑动平均洪峰流量最大值是1946～1955年的6500m3/s，最小值是2007～2016年的4500m3/s，相差约2000m3/s，表明年际差异较明显。多年平均洪峰流量为5249.46m3/s。研究时段内最大洪峰流量发生于1949年，为8500m3/s，1978年以前线性拟合结果高于多年平均洪峰流量，之后低于多年平均水平，最小洪峰流量发生于2016年，为3239m3/s。20世纪50年代的年洪峰流量较大，年际间差异较明显，最大年份洪峰流量是最小年份洪峰流量的2.63倍。

由图2可知，年最大洪峰流量在1952年经历陡涨之后，在1970～2019年间变化较为平缓。根据MK趋势检验，对沙坪站1937～2019年最大洪峰流量序列进行趋势显著性分析，计算得到MK趋势检验值为U=-3.2917，|U|>Uα/2(显著性水平α=0.05)，表明沙坪站洪峰流量在1937～2019年间整体呈显著下降趋势，与线性拟合结果基本一致。这与气候变化与人类活动的综合影响密切相关，近年来流域变暖趋势明显，日气温呈微弱上升趋势，整体雨量略有下降，下降幅度为-0.794mm/a；而流域范围内四川地区居民人口增长率基本维持在3%左右，工业发展快速，居民及工业取水用水增加，导致地表径流减少，洪峰流量呈下降趋势[23-25]。

3.2 突变分析

根据MK突变检验与滑动T检验(步长分别为n=5，7，10，13)确定不同指标时间序列的突变年份，首先由MK检验UF与UB曲线在两条临界水平线α=0.05之间的交点初步确定突变年份，然后由不同步长的滑动T检验，进一步验证MK检验突变年份的合理性与显著性。以洪峰流量为例，绘制沙坪站的洪峰流量指标的MK突变检验统计量曲线与不同步长的t检验统计量曲线。沙坪站MK突变检验统计量曲线见图3，步长n=5，7，10，13的洪峰流量滑动T检验统计量曲线见图4。

基于MK突变检验可知，沙坪站1937～2019年洪峰流量序列UF曲线呈不规则的波动变化，1955～1970年呈下降趋势，但未超出显著性水平α=0.05的置信区间(-1.96)，表明这个年份沙坪站洪峰流量虽有下降趋势，但下降并不明显。在置信区间内UF与UB两条曲线在两条显著性水平线之间相交于1966年，由此初步确定突变年份，同时根据滑动平均T检验中步长分别为5，7，10，13的T统计量曲线，确定沙坪站洪峰流量的突变年份为1966年，该年份不仅是MK突变检验UF与UB的交点，同时也通过了步长n=5，7，10，13的T统计量检验。

3.3 周期分析

根据Morlet小波对沙坪站83年洪峰流量的周期性进行分析。其中，采用Morlet小波系数模等值线图反映上述两种时间序列不同时间尺度周期变化所对应的能量密度在时间域中的分布，利用方差图反映上述时间序列的波动能量随时间尺度的分布情况。时间序列Morlet小波系数实部等值线图、小波系数模等值线图、小波方差图如图5所示。由图5可知，年洪峰流量表现出不同周期交替变换现象，沙坪站洪峰流量在1937～2019共87年间存在4个明显的特征时间尺度，分别是3a，9a，14a，24a。其中14a左右的特征时间尺度贯穿整个研究时段，表现相对稳定，具有全域性。同时，24a左右的特征时间尺度对应的小波系数模最大，因此周期性最强，14a次之。沙坪站洪峰流量存在4个较为明显的峰值，分别为24a，14a，9a，3a。其中24a对应最大峰值，说明周期性最强，进一步验证在1937～2019年，沙坪站洪峰流量变化的第一主周期为24a，第二、三周期分别为14a、9a。

表2 沙坪站洪水过程评价指标变化情况表

4 结论

本文从洪峰、洪量、峰现时间三个方面提出5个流域洪水过程关键控制要素，全面反映大渡河流域典型洪水过程的整体变化特征。在此基础上，从趋势、突变、周期三个方面，对洪水过程关键控制要素进行了非一致性分析，主要研究结论如下：

(1)沙坪站年洪峰流量呈较显著下降趋势，最大洪峰流量发生于1949年，最小洪峰流量发生于2016年；洪峰流量的突变年份为1966年；沙坪站洪峰流量变化的第一主周期为24a，14a与9a分别为第二、三主周期。

(2)沙坪站年内连续3日、5日、7日的最大洪量均存在下降趋势，且下降趋势较为显著；沙坪站3、5、7日洪量指标突变时间均发生于20世纪50～60年代发生突变；沙坪站5日、7日洪量的第一、二主周期均为20a、14a，第二主周期与洪峰流量周期情况一致，3日洪量的第一主周期亦与洪量第二主周期保持一致，第二、三主周期分别为22a、8a。

(3)沙坪站洪峰峰现时间有提前趋势，在1937～2019的83年间无明显突变特征；峰现时间与洪峰流量的第一主周期均为24a，其中峰现时间不存在明显的第二、三主周期。