西江归槽洪水研究展望

谢 平,胡彩霞,谭莹莹,许 斌

(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 430072)

0 引 言

解放以来,西江流域随着防洪工程的大量兴建,堤防工程的防洪能力不断提高。尤其是西江水系的郁江、浔江及西江干流沿岸的部分河段,在20世纪50年代中期以前很少有堤防,多为洪泛区。自 “1994.6”洪水以后,各地为了减小洪水灾害损失,兴起了堤防建设的高潮,并导致河道行洪条件发生了巨大变化。原来在一定高水位后洪水开始漫堤或决堤,洪水向洪泛区行洪,而堤防建成以后,自然滞洪区减少,防洪堤设计水位以下的洪水都归束在河道内,使得下游断面涨水过程的洪峰流量增大、水位增高,而退水过程的流量减小、水位降低,突出表现是西江上游洪水量级不大,而到了中下游则演变成大洪水或特大洪水,并由此引发了洪水归槽问题。

洪水归槽给西江中下游防洪带来了新的挑战,并给沿岸城市造成更大的防洪压力,此问题受到了政府、行业领导和专家学者的高度重视。2007年4月27日国务院国函 〔2007〕40号批复的 《珠江流域防洪规划》[1]指出:近年来随着西江上游地区堤防建设步伐的加快,洪水归槽现象日趋明显,加大了中下游地区的防洪压力,加之堤线长、防守难,防洪风险不断增加,防洪形势十分严峻;洪水归槽是珠江近期出现的新情况,应重点加以研究,并分析洪水归槽对下游地区的影响。

1 研究区域概况

西江是珠江流域的主干流,发源于云南省曲靖市境内的马雄山,从源头至思贤滘干流全长2 075 km,集水面积35.31×104km2,占珠江流域面积的77.83%。上游称南盘江,与北盘江汇合后称红水河,纳柳江后称黔江,汇合郁江后称浔江,纳桂江后始称西江,至广东省佛山市思贤滘进入珠江三角洲。

西江的黔江武宣水文站及以上堤防工程建设较少,而其下游一直是洪水归槽问题关注的热点地区,所以研究范围选择黔江武宣水文站至西江梧州水文站河段,见图1。

图1 西江归槽洪水研究范围示意图Fig.1 Sketch map of study area of flood returning to channel in Xijiang River

2 国内外研究现状及存在问题

针对西江洪水归槽问题,珠江水利委员会和沿江省区的科研单位已经开展了一些研究工作[1-4],其中 《2005年珠江暴雨洪水》针对近期 “短短10 a左右的时间,珠江流域发生3次特大洪水,上下游水文站重现期差异较大等”疑问,建议深入开展洪水归槽影响和水文资料一致性研究。国内专家学者对洪水归槽问题及其暴雨洪水成因也进行了一系列研究,如2002年吕忠华等[5]假定堤防在任何洪水条件下都不溃决(即洪水全部归槽下泄)的前提下,采用马斯京根法,按归槽洪水的汇流参数对出槽洪水进行了计算,并求出全部归槽下泄时的设计洪水;2006年佘有贵[6]在对西江流域 “2005.06”特大暴雨洪水分析后指出,“2005.06”洪水是受强度大、历时长的暴雨影响,干支流同时发洪,且相互遭遇,暴雨移动路径与洪水演进方向基本一致,致使中下游地区发生了特大洪水。

上述归槽问题研究主要集中在出槽洪水的归槽还原计算方面,归纳起来可以分为水文学方法和水力学方法两大类:水文学方法侧重于建立干支流上下断面之间的河道洪水演算关系,而忽略了区间暴雨洪水的影响;水力学方法虽然在边界条件中考虑了上游来水和区间径流,但受资料条件限制,区间径流的计算作了简化处理,其精度不能满足设计洪水计算的要求。

此外,从空间上来看,各地修建防洪堤的起讫时间并不一致,它们对区域洪水归槽的影响是一个非常复杂的过程,应对各断面由天然洪水和归槽洪水所组成的非一致性洪水序列进行变异识别与检验,以掌握西江洪水的空间变异规律。

从时间上来讲,虽然基于统计途径的非一致性年径流频率计算方法已用于地表水资源评价[7-9],但由于年径流和洪水的时间尺度不同,一个侧重于流域土地利用/覆被变化等长时期对产流的影响,另一个强调洪水归槽等短时期对汇流的影响;水文频率计算涉及的水文要素数目不同,年径流是一个单要素问题,而洪水 (洪峰和不同时段洪量)是一个多要素问题,其变异形式和变异时间有可能不一致;洪水是一个高度复杂的非线性、非平稳过程,上述方法对年径流的非一致性成分处理比较简单,只考虑了线性趋势和一阶跳跃,因此长尺度、单要素、线性处理的非一致性年径流频率计算方法并不能完全适用于短尺度、多要素、非线性处理的非一致性洪水频率计算。

洪水归槽改变了原天然河道的洪水槽蓄关系,使得洪水形成的物理条件发生了显著的变化,这样就使得用于防洪规划和洪水灾害评估及风险计算的洪水序列失去了一致性,导致洪水序列发生了变异。

国外专家学者虽然没有直接开展洪水归槽问题的研究,但在其它因素造成的洪水序列的非一致性方面还是做了大量的研究工作。从水文统计的角度来看,用于设计洪水频率计算的洪水序列必须满足独立且同分布 (independent and identically distributed,简称IID)这个假设前提,一般采用年最大值选样方法来满足独立性的要求,而用基于相同物理成因的洪水序列来满足同分布的要求。不幸的是,IID假设在许多情况下是无法满足的[10](Todorovic and Rousselle,1971)。Singh(1987)认为这与洪水的成因有很大的关系[11],如有些河流在春季会因融雪而产生洪水,而在夏季又会因暴雨而产生洪水;即使在夏季,河流有些洪水可能是锋面雨形成的,另一些洪水可能是台风雨形成的。针对这种年内不同成因所形成的非一致性混合洪水序列,其频率计算方法大致可以分为两类[11-17]:①将年最大值序列不分类,而直接估计洪水的设计值;②根据洪水成因进行分类,再按季节最大值推求洪水的设计值。上述方法并不适合洪水归槽影响下的水文频率计算,因为洪水归槽所造成的非一致性是由于年际间河道两岸防洪堤逐年兴建并加高所致,而非年内洪水成因上的差异。此外,针对年际间的非一致性问题,国外多采用时变参数估计法[18-19]来解决,主要是通过线性趋势来表征水文频率分布的参数 (均值、方差)随时间的变化过程,但由于水文频率分布形式的复杂性,目前推导考虑非线性时变趋势的参数解析公式还比较困难。1998年由Huang等人提出的希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang T ransform,简称HH T变换)[20]具有很强的处理非线性、非平稳序列的能力,但在非一致性洪水序列的水文频率计算方面还没有得到应用。

3 研究内容

针对西江洪水归槽问题,建议开展以下几个方面内容的研究:

1)西江流域中下游水文要素的时空变异规律。研究西江流域中下游水文要素的变异形式 (趋势或跳跃)及变异程度 (无变异、弱变异、中变异、强变异、巨变异),并对其结果进行综合归纳,以揭示西江流域中下游水文要素的时空变异规律,识别西江中下游出现非一致性洪水的原因。

2)西江流域中下游多输入单输出概念性水文模型。对于由上下游干支流河网和区间坡面所组成的复杂流域系统,其输入包括上游干支流河道断面的洪水过程以及区间坡面的降雨和蒸发过程,它们与下游河道断面的洪水输出过程共同组成了多输入单输出系统,可以用概念性水文模型来描述系统之间的响应关系。开展西江流域产流模式和汇流特点的研究,根据西江流域中下游河网分布结构和水文站点研制多输入单输出概念性水文模型 (MISOCHM)。

3)基于MISOCHM模型的非一致性洪水频率计算方法(成因途径)。西江中下游非一致性洪水形成的原因还缺乏系统性的研究,可能与上游干支流洪水和区间暴雨洪水的变异有关,也可能与堤防建设导致的洪水归槽有关,甚至可能与区域气候变化引起的降水有关。如果在一个时期,影响洪水形成的物理条件均不发生变异,那么这个时期产生的洪水序列肯定是一致的。鉴于此:①开展非一致性洪水序列的分期研究,力求各个水文要素在同一时期内分别具有相同的物理成因 (以保证序列的一致性),并将该物理成因作为环境基准条件;②研究各个时期环境基准条件下MISOCHM模型的参数规律,并得到不同时期参数所组成的参数集合;③根据水文要素的变异规律,将不同时期区间降雨和蒸发以及上游干支流洪水流量过程修正计算到同一环境基准条件下(以提高序列的代表性),并利用MISOCHM模型及同一时期的参数模拟计算下游断面的洪水流量过程,据此采用现行的水文频率计算方法得到该环境基准条件下洪峰、不同时段洪量的频率分布及设计洪水过程线,如此可以得到不同环境基准条件下的设计洪水。

4)基于HHT变换的非一致性洪水频率计算方法(统计途径)。HHT变换(Hilbert-Huang T ransform,希尔伯特-黄变换)是一种基于经验模态分解方法 (EMD)的自适应数据处理方法,具有很强的处理非线性、非平稳序列的能力,而且应用EMD方法可以在无需任何先验假定的条件下,通过EMD分解得到的剩余项来方便地确定并提取序列的趋势项,通过固有模态函数 (IMF)之和来表示序列中的随机项。由于采用年最大值选样法,洪水 (洪峰或不同时段洪量)序列中的年内周期成分和年际间的相依成分可以忽略,因此借助于HH T变换可以研究洪水序列的组成成分,即将非一致性洪水序列分解成趋势性成分和随机性成分;研究趋势项的显式拟合函数形式 (线性函数、幂函数、指数函数、高阶多项式函数等)及其求解方法,研究随机项拟合P-Ⅲ型频率曲线的适应性,得到非一致性洪水序列在时间域上的确定性规律以及在频率域上的随机性规律;对确定性的预测值和随机性的设计值进行合成计算,再采用现行的水文频率计算方法推求合成序列的频率分布,据此可以得到不同时期洪峰、不同时段洪量的频率分布及设计洪水过程线。

5)西江中下游堤防防洪能力评价。比较从成因途径和统计途径推求的洪峰流量频率分布,合理选择其一作为西江堤防防洪能力的评价依据。研究不同时期各个断面洪峰水位流量关系,将设计洪峰流量转化为设计洪峰水位,并结合西江流域防洪规划,比较各断面堤防高程与洪峰水位设计值的大小,以此评价现状和未来堤防的防洪能力。

4 研究展望

尽管目前在洪水归槽问题研究和非一致性洪水序列的水文频率计算方面取得了一定的进展,但西江流域水循环过程中究竟有哪些水文要素 (降水、水位、流量等)在何时何地发生了变异,其变异形式和变异程度如何?西江洪水的非一致性可能与上游干支流洪水和区间暴雨洪水的变异有关,也可能与堤防建设导致的洪水归槽有关,如何模拟在不同堤防建设条件下上游干支流洪水与区间暴雨洪水相遭遇所形成的下游洪水过程?对年际间发生变异的非一致性洪水序列如何进行非线性处理以推求适应这种变化的洪水频率分布?变化环境下如何评价西江堤防的防洪能力?这些问题目前还缺乏系统性的研究。

本文建议采用水文变异诊断系统[21-22]对西江流域的水文要素进行变异分析,以认识其时空变异规律;研制西江干支流洪水及区间暴雨洪水的多输入单输出概念性水文模型MISOCHM,以模拟其洪水形成过程;从成因途径提出基于MISOCHM模型的非一致性洪水频率计算方法、从统计途径提出基于HH T变换的非一致性洪水频率计算方法,以推求变化环境下西江河道断面的洪水频率分布,并结合西江流域防洪规划评价西江堤防现状和未来的防洪能力。

总之,针对西江洪水归槽问题,开展非一致性洪水序列的水文频率计算方法研究,不仅对变化环境下的水循环和水安全研究具有重要的理论意义,而且对于流域防洪规划和洪水灾害风险评估具有重要的实际应用价值。

[1]珠江水利委员会.珠江流域防洪规划[R].广州:珠江水利委员会,2005.

[2]珠江水利委员会.珠江流域西北江94.6洪水调查报告[R].广州:珠江水利委员会,1995.

[3]珠江水利委员会.1998年珠江、闽江暴雨洪水[R].广州:珠江水利委员会,1999.

[4]水利部水文局,珠江水利委员会水文局.2005年珠江暴雨洪水[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[5]吕忠华,胥加仕,刘建业.西江中下游洪水归槽问题研究[J].人民珠江,2002,(6):37-39.

[6]佘有贵,吴伟强.西江流域 “2005.06”特大暴雨洪水分析[J].水文,2006,(4):87-90.

[7]谢 平,陈广才,雷红富.变化环境下基于跳跃分析的水资源评价方法[J].干旱区地理,2008,31(4): 588-593.

[8]谢 平,陈广才,陈 丽.变化环境下基于降雨径流关系的水资源评价方法 [J].资源科学,2009,31 (1):1-7.

[9]谢 平,陈广才,雷红富.变化环境下基于趋势分析的水资源评价方法 [J].水力发电学报,2009,25 (2):1-6.

[10] Todorovic,P.,Rousselle,J.,.Some Problems of Flood Analysis[J].WaterResourcesResearch, 1971,7(5):1 144-1 150.

[11]Singh,K.P.,.A Versatile Flood Frequency Methodology[J].Water International,1987,12(3):139-145.

[12]V.P.Singh,S.X.Wang,L.Zhang,.Frequency Analysis ofNonidentically Distributed Hydrologic Flood Data[J].Journal of Hydrology,2005,307: 175-195.

[13]Alila,Y.,M tiraoui,A.Implication of Heterogeneous Flood Frequency Distributions on Traditional Streamdischarge Prediction Techniques[J].Hydrological Processes,2002,16:1 065-1 084.

[14]Waylen,P.,Woo,M.K.,.Prediction of Annual Floods Generated by Mixed Processes[J].Water Resources Research,1982,18(4):1 283-1 286.

[15]US Water Resources Council(USWRC).Guidelines for Determining Flow Frequency[R].Bulletin 17B, Washington,DC,1981.USSR National Hydrology Institute(USSRNHI),1984.M anual for Etermining Hydrologic Design Characteristics[R](in Russian). Moscow,Soviet Union.

[16]USSR National HydrologyInstitute(USSRNHI). Manual for Etermining Hydrologic Design Characteristics[R]. (in Russian).Moscow:Soviet Union, 1984.

[17]W.G.Strupczewski,K.Kochanek,W.Feluch,et al.On Seasonal Approach to Nonstationary FloodFrequency Analysis[J].Physics and Chemistry of the Earth(in press),2008,33(1):1-7.

[18]W.G.Strupczewski,V.P.Singh,W.Feluch. Non-stationary Approach to At-site Flood Frequency Modeling I.M aximum Likelihood Estimation[J]. Journal of Hydrology,2001,248:123-142.

[19]W.G.Strupczewski,Z.Kaczmarek.Non-stationary Approach to At-site Flood Frequency Modeling I. Weighted Least Squares Estimation[J].Journal of Hydrology,2001,248:143-151.

[20]N.E.Huang,Z.Shen,and S.R.Long..The Empirical Mode Decomposition and the Hilbert Spectrum for Nonlinear and Non-stationary Time Series Analysis [J].Proe.R.Soe.London,Ser.A,1998,454: 903-995.

[21]谢 平,陈广才,雷红富,等.变化环境下地表水资源评价方法[M].北京:科学出版社,2009.

[22]谢 平,陈广才,雷红富,等.水文变异诊断系统[J].水力发电学报,2010,25(6):85-91.